高軌壓燃燒系統(tǒng)對車用柴油機性能及排放的影響研究

馬勇 解亮 南出勇

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，合肥 230601）

主題詞：柴油機 高軌壓燃燒系統(tǒng) 排放

1 前言

隨著技術(shù)的不斷更新，發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)進入了共軌時代，而燃油共軌噴射壓力是影響發(fā)動機燃燒的關(guān)鍵因素。共軌壓力越大，噴嘴噴射油束霧化效果越好，油氣混合更加均勻，更有利于發(fā)動機燃燒，從而提高發(fā)動機性能和降低污染物排放量[1]。

發(fā)動機的燃燒與燃油、空氣的混合密切相關(guān)，所以單純提高軌壓只能實現(xiàn)部分燃燒優(yōu)化，若要實現(xiàn)最佳狀態(tài)的缸內(nèi)燃燒，還需選擇最佳的燃燒室和氣道與之匹配。柴油機燃燒過程中油、氣、室三方作為一個整體參與燃燒過程，并以整體的匹配最佳與否來決定發(fā)動機性能的優(yōu)劣[2-6]。

本文對一款發(fā)動機的軌壓進行提升，分析了軌壓提升對發(fā)動機在世界統(tǒng)一的穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC）工況點的油耗和排放的影響，并對發(fā)動機的燃燒室和氣道進行了優(yōu)化，選擇最佳的燃燒室和氣道與之匹配，實現(xiàn)了對發(fā)動機性能和排放的改善。

2 試驗樣機

試驗樣機為HFC-4D27型柴油發(fā)動機，該發(fā)動機可以達到GB 17691—2005中第五階段排放法規(guī)標準，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.1 燃油供給系統(tǒng)

該柴油機燃油供給系統(tǒng)如圖1所示，主要包括高壓油泵、高壓油軌、噴油器、高壓油管、低壓進回油管等部件。軌壓和噴油器油嘴參數(shù)是影響燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵因素：軌壓直接影響噴霧粒子直徑、噴霧貫穿距等，從而影響油氣混合效果；噴油器的油嘴參數(shù)（孔徑、流量、噴霧錐角等）需要與氣道、燃燒室很好地匹配，才能實現(xiàn)更好的油氣混合效果。

表1 HFC-4D27型發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

圖1 燃油供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 進氣道結(jié)構(gòu)

該發(fā)動機采用雙氣道結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)更高的渦流比和流量系數(shù)，采用雙切向氣道、菱形布置方案，如圖2所示。雙切向氣道能產(chǎn)生很高的渦流強度和流量系數(shù)。

圖2 雙切向氣道結(jié)構(gòu)示意

為匹配更高軌壓的燃油供給系統(tǒng)，設(shè)計了2種氣道方案：方案1渦流比大、流量系數(shù)小，渦流比為2.6，流量系數(shù)為0.33；方案2渦流比小、流量系數(shù)大，渦流比為2.0，流量系數(shù)為0.35。

2.3 燃燒室結(jié)構(gòu)

柴油機燃燒室設(shè)計通常要考慮軌壓、氣道渦流強度、油束噴霧錐角、油束落點高度等參數(shù)，如圖3所示。

燃燒室設(shè)計方案的選擇主要考慮以下幾個因素：

a.通過綜合考慮動力性、發(fā)動機起動性能和排放特性來選定壓縮比；

b.盡量加大燃燒室容積，提高容積比，減小有害容積；

c.選擇適當?shù)暮砜谥睆胶蜕疃取?/p>

圖3 油束和燃燒室的匹配

根據(jù)氣道渦流比、噴油軌壓等參數(shù)，設(shè)計了2個燃燒室方案，主要區(qū)別在于喉口直徑和中心凸臺錐角。方案1燃燒室喉口直徑和中心凸臺錐角更小，方案2與之相反，燃燒室結(jié)構(gòu)趨于扁平化，如圖4所示。

圖4 2個燃燒室設(shè)計方案

3 測試工況

隨著國六排放法規(guī)的逐步推進，重型車排放測試循環(huán)由原來的歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（European Steady-state Cycle，ESC）、歐洲瞬態(tài)測試循環(huán)（European Transient Cycle，ETC）調(diào)整為更接近整車路譜的WHSC、世界統(tǒng)一的瞬態(tài)測試循環(huán)（World Harmonized Transient Cycle，WHTC），同時增加了世界非法規(guī)工況排放要求（World-Harmonized Not-To-Exceed，WNTE）補充測試工況、世界瞬態(tài)整車轉(zhuǎn)轂測試循環(huán)（Adapted World Transient Vehicle Cycle，C-WTVC）并增加車載排放系統(tǒng)測試的要求。相對于國五排放標準，國六測試循環(huán)更加傾向于低速、低負荷區(qū)域，要求后處理系統(tǒng)在較低的溫度就有較高的轉(zhuǎn)化效率，同時對發(fā)動機裸機排放有更高的限值要求。

為更好地滿足國六排放法規(guī)要求，采用WHSC測試循環(huán)中的特殊工況點（見圖5）進行試驗，并基于WHSC測試循環(huán)的加權(quán)值進行對比分析。

圖5 WHSC測試循環(huán)工況點

4 試驗研究

4.1 高軌壓試驗結(jié)果對比

為研究更高軌壓對發(fā)動機油耗和排放性能的影響，在噴油器油嘴參數(shù)（包括孔數(shù)、流量、錐角等）保持不變的條件下，將軌壓提升至200 MPa，同時調(diào)整噴油提前角、EGR閥開度，對油耗和碳煙排放量進行掃描。

從WHSC測試循環(huán)中選擇2 900 r/min（340 N·m）、2 115 r/min（360 N·m）、2 115 r/min（180 N·m）3個特殊工況點進行對比試驗，試驗結(jié)果如圖6～圖8所示。可以看出，200 MPa軌壓相對于180 MPa軌壓，NOx排放量控制在4～6 g/(kW·h)范圍內(nèi)，柴油機碳煙（Soot）排放降低20%～30%，表明更高的軌壓使噴霧粒子霧化效果更好，更加有利于燃燒及改善碳煙的排放。同時在高負荷點，高軌壓可使油耗降低0.8%左右，而在部分負荷點，高軌壓卻不能達到節(jié)油的效果。

圖6 2 900 r/min（340 N·m）工況點對比

由上述分析可知，采用高軌壓燃燒系統(tǒng)后，在中、高轉(zhuǎn)速區(qū)域能明顯降低顆粒物排放，對油耗也有明顯改善，但在中、低轉(zhuǎn)速區(qū)域?qū)τ秃母纳撇⒉幻黠@，主要是由于發(fā)動機在低速、低負荷區(qū)域并不需要高軌壓，一定的軌壓即可滿足缸內(nèi)的燃燒持續(xù)期要求，實現(xiàn)最佳的燃燒效果。

4.2 氣道試驗結(jié)果對比

對匹配200 MPa燃油系統(tǒng)、搭載2個不同氣道方案的發(fā)動機進行了臺架性能試驗，保持其他邊界參數(shù)不變，NOx排放控制在4～6 g/(kW·h)范圍內(nèi)。圖9和圖10分別為不同氣道方案的發(fā)動機外特性上的比油耗和碳煙排放對比，可看出，方案2氣道方案發(fā)動機油耗明顯降低，同時碳煙排放也大幅度降低。由此表明，在高軌壓的情況下，氣道渦流比降低，流量系數(shù)提升，可使發(fā)動機燃油混合更加均勻，更有利于缸內(nèi)燃燒，使更多新鮮空氣進入缸內(nèi)，有利于降低碳煙排放量。

圖7 2 115 r/min（360 N·m）工況點對比

圖8 2 115 r/min（180 N·m）工況點對比

4.3 燃燒室試驗結(jié)果對比

對匹配200 MPa燃油系統(tǒng)、搭載2個不同燃燒室方案的發(fā)動機進行了臺架性能試驗，NOx排放控制在4～6 g/(kW·h)范圍內(nèi)，試驗結(jié)果如圖11和圖12所示?？梢钥闯?，方案2燃燒室油耗明顯更低，且在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min以下時，碳煙排放量大幅降低，表明扁平化燃燒室結(jié)構(gòu)方案更有利于高軌壓燃油系統(tǒng)性能的發(fā)揮，能夠優(yōu)化發(fā)動機的性能和排放。

圖9 2個氣道方案的油耗對比

圖10 2個氣道方案的碳煙排放量對比

圖11 2個燃燒室方案的油耗對比

圖12 2個燃燒室方案的碳煙排放量對比

4.4 高軌壓燃燒系統(tǒng)對比分析

將200 MPa燃油系統(tǒng)、方案2氣道、方案2燃燒室組合在一起并裝配到發(fā)動機上進行臺架試驗。利用WHSC開展測試并進行加權(quán)計算，與原燃燒系統(tǒng)方案進行對比。通過調(diào)整燃油主噴角、EGR閥開度，使NOx排放量控制在4 g/(kW·h)以下，試驗結(jié)果如圖13所示。從圖13可看出，相對于原燃燒系統(tǒng)，高軌壓燃燒系統(tǒng)碳煙排放量降低了約60%，油耗基本相當。優(yōu)化后的發(fā)動機基本能滿足國六發(fā)動機的裸機排放要求，表明高軌壓燃燒系統(tǒng)對發(fā)動機排放有明顯貢獻。

圖13 燃燒系統(tǒng)WHSC測試數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)束語

油、氣、室作為一個整體參與柴油機的燃燒過程，并以整體的匹配決定發(fā)動機性能。本文通過對高軌壓燃油系統(tǒng)、不同氣道方案、不同結(jié)構(gòu)燃燒室方案的發(fā)動機進行了臺架性能試驗，結(jié)果表明：將最佳的氣道、燃燒室、高軌壓燃油系統(tǒng)組合在一起，新的燃燒系統(tǒng)組合相對于原燃燒系統(tǒng)碳煙排放量降低了約60%，使發(fā)動機裸機達到了國六排放要求。