柴油機怠速循環(huán)波動特性研究

任川江，曾東建，冷松蓬

(西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039)

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·新能源汽車與低碳運輸·

柴油機怠速循環(huán)波動特性研究

任川江，曾東建*，冷松蓬

(西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039)

為探究不同運轉參數(shù)對怠速燃燒過程的影響規(guī)律，在發(fā)動機試驗臺架上進行不同控制參數(shù)下的高壓共軌柴油機怠速循環(huán)變動特性的實驗，分析噴油提前角、冷卻液溫度和噴油壓力對柴油機怠速燃燒循環(huán)變動的影響。結果表明：噴油定時從上止點前12°向上止點前2°變化時，缸內最大爆發(fā)壓力的波動率和循環(huán)波動率在上止點前6°最低，表現(xiàn)為兩邊高中間低；冷卻液溫度由30 ℃增加至80 ℃時，缸內最大爆發(fā)壓力的波動率和循環(huán)波動率分別由7.64%和1.61%下降到3.47%和0.67%，有效地降低了怠速循環(huán)波動；噴油壓力從30 MPa增加到40 MPa，可以促進怠速時缸內燃料的霧化蒸發(fā)以及與空氣的混合，而噴油壓力過高時，燃燒重心向上止點平移，使缸內燃燒的可控性變差，各循環(huán)間的差異性增大；穩(wěn)定怠速過程中，缸內最大爆發(fā)壓力和平均指示壓力之間表現(xiàn)出很強的相關性。

柴油機; 怠速; 循環(huán)變動

循環(huán)波動，即各循環(huán)間的燃燒差異性，其存在于發(fā)動機運行過程中的每個階段[1]，并且直接影響著發(fā)動機的動力性、經濟性、排放性和噪聲振動等[2-5]。目前，國內外學者針對點燃式發(fā)動機和代用燃料發(fā)動機的燃燒循環(huán)波動分析較多，而對于壓燃式發(fā)動機則普遍認為其穩(wěn)定運行時循環(huán)波動較小，很少對其進行深入的研究[6]；但隨著能源危機和環(huán)境污染的日益嚴重，人們也不斷將目光轉向了柴油機燃燒過程的優(yōu)化和改善。有研究資料表明，作為車用發(fā)動機最典型也是最重要的運行工況之一的怠速工況，要消耗汽車運行過程中約25%的運行時間和30%左右的燃料[7]，同時其產生的有害污染排放物中NOx、HC和CO分別占到了城市空氣污染物的主要組成部分[8]；因此，進行柴油機怠速循環(huán)波動特性的試驗研究對優(yōu)化怠速控制策略，改善柴油機怠速穩(wěn)定性能，實現(xiàn)柴油機節(jié)能減排具有重要意義。

本文針對一臺車用高壓共軌柴油機進行了不同冷卻液溫度、不同噴油壓力和不同噴油提前角下的怠速循環(huán)波動的試驗研究，旨在探究不同運轉參數(shù)對怠速燃燒過程的影響規(guī)律，為優(yōu)化柴油機怠速穩(wěn)定性提供理論參考。

1 實驗設備及實驗方案

1.1 實驗設備

試驗采用4缸四沖程、強制水冷、電控高壓共軌直噴式DK4A型柴油機，其主要相關技術參數(shù)見表1。

表1 試驗多缸柴油機主要技術參數(shù)

圖1為試驗臺架示意圖。氣缸壓力通過Kistler6125C型壓電式缸壓傳感器測得，經過Kistler5064型電荷放大器和NI USB 6259高速數(shù)據采集卡傳至數(shù)據采集系統(tǒng)進行數(shù)據處理、顯示和存儲。數(shù)據采集卡的觸發(fā)信號和時鐘信號由與發(fā)動機曲軸同軸安裝的光電編碼器產生，各種運行參數(shù)的控制由電子控制單元(ECU)和上位機共同完成。

圖1 試驗臺架示意圖

1.2 試驗方案

為了探究主要控制參數(shù)對高壓共軌柴油機怠速循環(huán)波動的影響，試驗中在怠速轉速為800 r/min，循環(huán)噴油總量為6 mg的情況下，分別進行了冷卻液溫度從30 ℃到80 ℃(步長為10 ℃)、噴油壓力從30 MPa到80 MPa(步長為10 MPa)和噴油提前角從-12 °(deg·ATDC)到-2 °(步長為2°)的怠速穩(wěn)定性對比實驗。

圖2 不同噴油提前角下的缸壓峰值波動

2 實驗結果分析

為了得到不同試驗條件下的循環(huán)變動特性，實驗中以統(tǒng)計的方法得到了連續(xù)100個循環(huán)缸內壓力數(shù)據的燃燒相位參數(shù)、最大爆發(fā)壓力Pmax、最大爆發(fā)壓力所對應轉角φmax以及其循環(huán)波動率COV(coefficient of variation)等，并針對壓力特征參數(shù)和燃燒特征參數(shù)進行相關性分析。其中，循環(huán)波動率的計算公式為：

(1)

(2)

(3)

2.1 壓力特性參數(shù)分析

圖2示出了怠速轉速800 r/min，噴油壓力40 MPa，冷卻液溫度80 ℃時不同噴油定時下缸內最大爆發(fā)壓力隨循環(huán)次數(shù)的波動情況。可以看出：在噴油定時為-12°時，缸內出現(xiàn)最大的平均最大爆發(fā)壓力6.010 MPa，出現(xiàn)于上止點后1.16 °CA處；當噴油定時逐漸減小為-2°后，缸內的最大爆發(fā)壓力也相應地單調減小到了5.331 MPa，同時其出現(xiàn)的角度也增加到了上止點后7.47 °CA，增幅達6.31 °CA。結合圖3最大爆發(fā)壓力波動率和循環(huán)波動率隨噴油定時的變化關系，可以進一步了解到，在噴油定時從上止點前12°向上止點前2°的變化過程中，缸內最大爆發(fā)壓力的波動率和循環(huán)波動率呈現(xiàn)出了中間低兩頭高的變化規(guī)律。這主要是因為在較大噴油提前角(如-12°時)的情況下，燃油噴入氣缸時有較低的溫度和壓力，其霧化、蒸發(fā)變慢，其滯燃期相對較長，與此同時較長的燃燒滯燃期為燃油與新鮮充量提供了足夠的混合時間，使得燃燒中預混燃燒的比例加大；因此，燃燒一旦發(fā)生瞬間即可完成。循環(huán)間燃燒狀況受缸內溫度、壓力以及混合氣混合狀態(tài)的影響更加敏感，故此時缸內最大爆發(fā)壓力的波動率和循環(huán)波動率相對較大。當噴油定時靠近上止點時，此時燃油進入氣缸時有相對較高的溫度和壓力，利于油滴破碎和燃油霧化過程；但是其作用時間極短，同時再加上怠速工況下有相對較低的運轉速度和氣流運動，使得燃燒滯燃期極短，燃料霧化混合不充分，后燃增加，放熱重心向后遠離上止點，燃燒被拖到了膨脹線上，因此最大爆發(fā)壓力的波動率和循環(huán)波動率也呈增加的趨勢。

圖3 不同噴油提前角下的最大爆發(fā)壓力波動率

圖4示出怠速轉速800 r/min，噴油壓力40 MPa，噴油定時為上止點前6°時，不同冷卻液溫度下缸內燃燒壓力峰值隨循環(huán)的變動規(guī)律。可以看出，在冷卻液溫度由30 ℃增加至80 ℃的過程中，缸內最大爆發(fā)壓力波動規(guī)律并不明顯，主要集中于5.708～5.905 MPa之間，波動幅值僅為0.197 MPa，而其出現(xiàn)的角度則由上止點后的7.78 °CA單調減小到了3.03 °CA，明顯提前。結合圖5可以進一步發(fā)現(xiàn)，最大爆發(fā)壓力波動率和循環(huán)波動率對冷卻液溫度變化比較敏感，隨著冷卻液溫度的增加，其波動率和循環(huán)波動率急劇減小，分別由30 ℃的7.64%和1.61%下降到了80 ℃的3.47%和0.67%，不足原來的1/2和2/5。這主要是因為在噴油壓力和循環(huán)噴油量一定的情況下，較高的冷卻液溫度提高了缸內壁面的平均溫度。這樣一方面既降低了缸內燃氣與燃燒室壁面的溫度差，減少了傳熱損失，提高了熱效率，各循環(huán)間的燃燒差異性減小，循環(huán)波動降低；另一方面較高的壁面平均溫度對燃油進入氣缸時的預熱作用加強，燃油霧化、蒸發(fā)速度加快，燃燒滯燃期縮短：因此，燃燒重心提前。

圖4 不同冷卻液溫度下的缸壓峰值波動

圖5 不同冷卻液溫度下最大爆發(fā)壓力波動率

怠速轉速800 r/min，冷卻水溫80 ℃，噴油定時為上止點前6°時，缸內壓力峰值的波動情況如圖6所示?？梢钥吹诫S著噴油壓力的增加，缸內平均最大爆發(fā)壓力及其出現(xiàn)的角度均表現(xiàn)出了相似的變化規(guī)律，分別由最初的5.681 MPa和4.16°單調增加和提前到了6.172 MPa和2.96°。這是因為在噴油量一定的情況下，噴油壓力越高，噴射速率則越快，噴射過程越早完成，燃油提前進入燃燒前的準備階段；同時，在較高的噴油壓力下油束以很高的速度穿越缸內流體層，其與缸內新鮮充量的摩擦阻力增加，這也加速了油滴的破碎、擴散和蒸發(fā)過程：因此，燃燒滯燃期縮短，燃燒重心向上止點靠近。在圖7中缸內壓力峰值波動率和循環(huán)波動率隨噴油壓力的變化關系并不明顯，總體上均呈現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢。這說明一定程度上地提高噴油壓力有助于減小怠速循環(huán)波動，但是過高的噴油壓力需要犧牲更多的有用功來維持其穩(wěn)定性，并且噴油壓力越高其穩(wěn)定性越差；因此，在較高的噴油壓力下各循環(huán)間燃燒的差異呈增加趨勢。

2.2 燃燒特征參數(shù)分析

圖8—10示出穩(wěn)定怠速過程中不同噴油定時、不同冷卻液溫度和不同噴油壓力條件下的燃燒特征參數(shù)的變化情況。從圖8可以看出，隨著噴油提前角的減小，燃燒滯燃期呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢，并在上止點前4°CA時達到最小值2.5°CA，而燃燒重心和燃燒持續(xù)期則呈現(xiàn)出單調減小的趨勢。這是因為在其他運行條件相同的條件下，相對于較大的噴油定時而言，較遲噴油定時雖然使得燃油較晚進入燃燒室，但是此時活塞靠近上止點，缸內具有較高的溫度和壓力，同時氣流運動較強；因此，燃料燃燒前的霧化、蒸發(fā)過程實際上是加快的。這使得滯燃期縮短，預混燃燒比例加大，燃燒速率變快，燃燒重心前移，燃燒持續(xù)期縮短。而過于靠近上止點的噴油定時，雖然此時缸內的溫度和壓力更高，但是在極短的作用時間之后活塞又越過上止點，缸內溫度和壓力急劇下降；因此，燃燒滯燃期反而增加。

圖6 不同噴油壓力下的缸壓峰值波動

圖7 不同噴油壓力最大爆發(fā)壓力波動率

圖8 不同噴油定時下的燃燒特征參數(shù)分布

冷卻液溫度變化對燃燒特征參數(shù)的影響十分明顯，從圖9可以看出，燃燒滯燃期、燃燒重心以及燃燒持續(xù)期均隨著冷卻液溫度的升高而呈現(xiàn)出減小的趨勢。這說明較高的冷卻液溫度提高了燃燒室壁面的平均溫度，預熱了新鮮充量，加速了燃油霧化、蒸發(fā)以及混合過程，因此燃油較快地完成了燃燒前的準備工作，燃燒過程相對集中，放熱速率相對較快。

圖9 不同冷卻液溫度下的燃燒特征參數(shù)分布

如圖10所示，與冷卻液溫度對燃燒特征參數(shù)的影響相同，噴油壓力增加，缸內燃燒滯燃期、燃燒重心以及燃燒持續(xù)期均呈現(xiàn)出單調減小的趨勢。這主要是因為較高的噴油壓力增加了燃油進入燃燒室時的動能，油滴在噴射過程中與缸內氣體工質的碰撞作用增強，其霧化、蒸發(fā)過程也相對加快，與升高冷卻液溫度起到了同樣的作用。

表2示出不同控制參數(shù)下缸內最大爆發(fā)壓力和平均指示壓力的Pearson相關系數(shù)R，可以看出其都大于0.8，表現(xiàn)出強相關性。

圖10 不同噴油壓力下的燃燒特征參數(shù)分布

噴油定時/(°CA)-12-10-8-6-4-2R/(IMEP，Pmax)0．990．970．960．910．900．86噴油壓力/MPa304050607080R/(IMEP，Pmax)0．920．930．930．940．900．88冷卻液溫度/℃304050607080R/(IMEP，Pmax)0．860．920．880．930．860．95

3 結論

1)在發(fā)動機穩(wěn)定怠速的情況下，存在一個最優(yōu)噴油定時，會使缸內燃燒的穩(wěn)定性變差，最大爆發(fā)壓力的波動率和循環(huán)波動率上升。

2)怠速穩(wěn)定性對冷卻液溫度的變化十分敏感，升高冷卻液溫度可以有效地降低怠速循環(huán)波動。

3)一定程度上增加噴油壓力，可以促進怠速時缸內燃料的霧化蒸發(fā)以及與空氣的混合，而過高的噴油壓力在加大機械損失的同時也會縮短燃燒滯燃期，燃燒重心向上止點平移，使缸內燃燒的可控性變差，各循環(huán)間的差異性增大。

[1]周龍保,劉巽俊,高宗英.內燃機學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005：100.

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[3]Sun Baigang, Zhang Dongsheng, Liu Fushui. Cycle Variations in a Hydrogen Internal Combustion Engine [J]. Int J Hydrogen Energy,2013(38) :3778.

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[5]楊建軍,黃海波,曾東建. 基于AMESim的柴油機燃燒計算[J]. 西華大學學報(自然科學版),2010(4):52.

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(編校：夏書林)

Study on Cyclic Variation of Diesel Enginein Idle Condition

REN Chuanjiang, ZENG Dongjian*,LENG Songpeng

(School of Automobile & Transportation,Xihua University,Chengdu 610039 China)

To explore the influence of different operating parameters on the combustion process of idling, the cyclic variation of diesel engine has been studied with different control parameters on the engine test bench, and the influences of different injection timing, coolant temperature and injection pressure on the combustion cycle fluctuations have been analyzed. The results showed that when the injection timing varied from 12 °CA BTDC to 2 °CA BTDC, minimum rate of maximum explosion pressure fluctuation and cycle-to-cycle variation were got at 6 °CA BTDC, which presented a high side but low middle figure. While coolant was varying from 30 °C to 80 °C, the rate of maximal explosion pressure flucturation and cycle-to-cycle variation decreased from 7.64% and 1.61% to 3.47% and 0.67%, respectively, and the cycle-to-cycle variation of idling condition could be sufficiently decreased. And the increase of injection pressure from 30 MPa to 40 MPa can promote the progress of fuel atomization, evaporation and mixed. While the pressure is too high, the burn center approach to the TDC, which leads to the result that the combustion got uncontrolled. The maximum explosion pressure in cylinder and the IMEP also show a strong correlation in the stable idle process.

diesel; idle; cyclic variation.

2015-05-08

教育部春暉計劃項目(22014059)；四川省教育廳青年基金項目(1321300)；

TK421.2

A

1673-159X(2016)05-0007-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.05.002

*通信作者：曾東建(1964—)，男，重慶人，教授，主要研究方向為發(fā)動機增壓技術。