CA4D32-12型柴油機燃燒室及供油提前角的試驗研究

王啟航，張松濤，吳彩麗，金喆

（1.西安康明斯發(fā)動機有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大連柴油機有限公司，大連116022）

CA4D32-12型柴油機燃燒室及供油提前角的試驗研究

王啟航1，張松濤2，吳彩麗2，金喆2

（1.西安康明斯發(fā)動機有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大連柴油機有限公司，大連116022）

對CA4D32-12型柴油機進行了燃燒室、靜態(tài)供油提前角的試驗研究，就這些因素對排放物的影響進行了分析，并確定了CA4D32-12型柴油機的優(yōu)化匹配方案。通過優(yōu)化匹配，進一步提高了CA4D32-12柴油機的性能和排放指標(biāo)。

柴油機燃燒室靜態(tài)供油提前角匹配試驗

1 引言

由于環(huán)境和能源的壓力，世界各國對汽車的動力性、經(jīng)濟性和排放指標(biāo)的要求日趨嚴(yán)格。我國在2000年執(zhí)行歐Ⅰ指標(biāo)的排放標(biāo)準(zhǔn)，2004年9月開始執(zhí)行相當(dāng)于歐Ⅱ的排放標(biāo)準(zhǔn)，2007年執(zhí)行相當(dāng)于歐Ⅲ的排放標(biāo)準(zhǔn)。面對越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，大連柴油機分公司與一汽長春技術(shù)中心聯(lián)合在CA4D32-12型增壓中冷柴油機上進行了大量研究開發(fā)工作。本文是在增壓器、中冷器、噴油器和噴油泵匹配優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過燃燒室的改進來進一步改善CA4D32-12型發(fā)動機的性能和排放指標(biāo)，供油提前角優(yōu)化試驗為CA4D32-12型發(fā)動機排放的最終技術(shù)參數(shù)定型提供了依據(jù)。

2 試驗條件

試驗機為一臺CA4D32-12型車用直噴式柴油機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。排放試驗按GB17691－2001《壓燃式發(fā)動機和裝用壓燃式發(fā)動機的車輛排氣可見污染物限值及測試方法》、GB14691－1999《汽車排放污染物限值及測試方法》、GB/T17692－1999《汽車用發(fā)動機凈功率測試方法》和ECE-R49規(guī)定的試驗循環(huán)13工況進行[1]。試驗中控制中冷器出水水溫＜50℃，主要設(shè)備及儀器見表2。

3 優(yōu)化匹配試驗

3.1 燃燒室的匹配

改進燃燒系統(tǒng)，優(yōu)化燃燒室形狀，是改善燃燒

降低排放的最重要措施之一。對于CA4D32-12型柴油機，燃燒室優(yōu)化的主要目的是降低微粒排放，特別是要解決原燃燒室外特性低速煙度較大的問題。為了加強燃燒室的空氣流動，促進空氣與燃油的混合，需要采取措施改進渦流存續(xù)期。根據(jù)國外的有關(guān)研究，縮口、平臺式燃燒室能夠增強活塞下行時的燃燒室擠流渦流，與直壁燃燒室相比，其底部渦流強度提高約50%，總的渦流水平要比直壁燃燒室的高[2]。

來稿日期：2012-03-17

表1 CA4D32-12柴油機主要參數(shù)

表2 設(shè)備及儀器

3.1.1 壓縮比

提高壓縮比主要是為改善低溫起動性能和減少白煙。一般說，提高壓縮比能改善起動性能，但不利于排放[2]。

K系數(shù)(K系數(shù)定義為燃燒室容積與壓縮終點容積之比)是燃燒室設(shè)計的重要參數(shù)。但受加工條件的限制，通過調(diào)整缸體、曲軸、連桿、活塞、活塞銷、軸瓦以及氣缸墊的相關(guān)尺寸鏈來減小壓縮余隙的難度很大。在保持原機壓縮余隙不變，適當(dāng)降低壓縮比，會提高K系數(shù)。K系數(shù)的提高即增大燃燒室的容積，會使空氣利用率進一步提高，有利于油氣的均質(zhì)混合。但壓縮比太低會造成冷起動的問題，同時也會引起冷起動時冷機工況下的煙度增大。

因此，壓縮比的選取既要考慮K系數(shù)，同時又要滿足發(fā)動機低溫起動性能和不冒白煙的要求。考慮到滿足歐Ⅱ排放法規(guī)，供油提前角的減小受冷起動條件的限制，壓縮比只進行了略微的調(diào)整，由原機的18調(diào)整到17.5。以保證柴油機在-15℃時不利用輔助設(shè)備，能順利起動。

3.1.2 燃燒室形狀

燃燒室直徑與深度之比是影響排放的重要參數(shù)[3,4]。為了降低煙度，滿足排放顆粒的限值，燃燒室的設(shè)計通常要考慮到油束碰壁速度、貫穿度、渦流比及渦流存續(xù)期。利用燃燒室的結(jié)構(gòu)，加強活塞上行時形成的擠流強度，加強滯燃期內(nèi)的燃油與空氣的霧化和混合，盡可能地減少由于燃油分布不均勻形成的碳煙和NOx。延長活塞下行時的渦流存續(xù)期，加強氣流運動，在擴散燃燒期，有利于已經(jīng)形成的碳煙被氧化的過程，進一步降低煙度[3,4]。原燃燒室及改進的燃燒室如圖1所示。

圖1 原燃燒室及改進的燃燒室

改進的燃燒室與原燃燒室相比，燃燒室容積加大，滿足了壓縮比從18降到17.5的要求。燃燒室深度和收口角度相應(yīng)地增大，凸臺的高度略微抬高，改進后燃燒室的直徑與深度比比原燃燒室的有所下降。

3.1.3 2種燃燒室排放及外特性試驗研究

在臺架上，CA4D32-12型柴油機采用原燃燒室和改進的燃燒室進行了13工況排放及外特性的試驗研究。2種燃燒室排放的測試結(jié)果如圖2所示，表3給出了排放測試結(jié)果。

從上述試驗結(jié)果可以看出，改進后的燃燒室，有效降低了13工況下的煙度，特別是6、8工況點的煙度。

采用改進的燃燒室后，由于燃燒室收口角度增大，燃燒室深度加大，即直徑和深度比減小，使得靠近室壁和底部有較高的周向渦流強度，可使室壁上的油膜蒸發(fā)加快，空氣卷入量增多，燃油和空氣的混合得到改善，避免了出現(xiàn)局部混合氣過濃的現(xiàn)象，使燃燒得到改善。這種空氣運動的加強，加快了火焰反應(yīng)速度，使擴散燃燒迅速。改進后的燃燒室，特別是6、8工況點的煙度下降。由于權(quán)重的影響，使微粒加權(quán)后的排放量有了明顯的改進。試驗表明，改進的燃燒室有利于微粒排放的改善。

圖2 原燃燒室及改進的燃燒室

2種燃燒室外特性測試結(jié)果如圖3所示。改進的燃燒室在煙度上特別是低速與原燃燒室相比有了很明顯的改進。在1 400～2 800 r/min外特性燃油消耗率接近，但在2 800～3 200 r/min略差于原燃燒室。分析其原因是由于燃燒室直徑與深度比的減小，噴油泵在高速全負(fù)荷的噴油壓力較高，油束的貫穿度較大，因此這種改進在一定程度上犧牲了高轉(zhuǎn)速全負(fù)荷的經(jīng)濟性。但綜合評價是改進后的燃燒室達到預(yù)期目的，特別是外特性得到了比較滿意的煙度指標(biāo)。

表3 2種燃燒室13工況排放測試結(jié)果

圖3 2種燃燒室外特性的測試結(jié)果

3.2 靜態(tài)供油提前角的試驗研究

靜態(tài)供油提前角是柴油機最重要的可調(diào)參數(shù)。它對焰前反應(yīng)、著火過程、滯燃期長短、燃燒速度、最大壓力升高率、壓力升高加速度、最高燃燒壓力和最高燃燒溫度都有明顯的、本質(zhì)的影響，進而影響著NOx、HC、CO和碳煙的排放水平。一般規(guī)律是：當(dāng)供油提前角較大時，由于噴油時缸內(nèi)的溫度和壓力較低，焰前反映慢，滯燃期較長，滯燃期內(nèi)積累的預(yù)混合好的燃燒量較多。因而一旦著

火，燃燒速度，壓力升高率以及最高燃燒壓力和最高燃燒溫度都比較高。相應(yīng)地，油耗會較低，NOx排放率較高，預(yù)混合燃燒量增加，形成的碳煙擴散燃燒變少，顆粒排放降低。

在CA4D32-12型柴油機上，分別試驗了6℃A、8℃A2種供油提前角。2種提前角的排放測試結(jié)果如表4所示，對NOx、煙度及油耗的測試結(jié)果如圖4所示。

表4 2種供油提前角的排放測試結(jié)果

從測試結(jié)果分析，隨著供油提前角的減少，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力降低，NOx的排放量下降，油耗上升。在13工況點上，8℃A靜態(tài)提前角的燃油消耗率都低于6℃A靜態(tài)提前角，體現(xiàn)出油耗對靜態(tài)提前角的敏感性。靜態(tài)提前角增加，則滯燃期延長，使滯燃期內(nèi)的燃油量占循環(huán)噴油量的分量增加，而擴散燃燒的燃油量占循環(huán)噴油量的分量減少。靜態(tài)提前角增加即噴油始點前移，滯燃期長，噴入油量多，整個燃燒過程熱效率會提高，從而改善了經(jīng)濟性。可喜的是，靜態(tài)供油提前角從8℃A到6℃A，微粒排放及13工況煙度沒有明顯的變化，微粒排放物對靜態(tài)供油提前角反應(yīng)出了不敏感性。分析主要原因，是由于高性能的氣道，特別是改進的燃燒室，使得渦流存續(xù)期加長，使得在擴散燃燒，仍有比較強的渦流運動，促進了已經(jīng)形成碳煙的快速氧化，特別反應(yīng)在10、11、12工況點上；6℃A靜態(tài)提前角的煙度好于8℃A靜態(tài)提前角，同時體現(xiàn)在13工況排放的微粒排放上，6℃A靜態(tài)提前角體現(xiàn)著略微的優(yōu)勢。

圖4 2種供油提前角對比試驗結(jié)果

1朱國朝，李津，寧金城等.降低CA6110ZLA3型柴油機NOx和PM排放的試驗研究[J]．內(nèi)燃機工程，2003（6）：42-45．

2李勤編.現(xiàn)代內(nèi)燃機排氣污染物的測量與控制[M].機械工業(yè)出版社，1998．

3王啟航，張松濤，李世杰等．降低CA498型柴油機排放的試驗研究[J]．現(xiàn)代車用動力．2005（3）：35-39．

4[日]濱口孝一，植草泰治，中田輝男等．Duramax 6600發(fā)動機降低排放技術(shù)的現(xiàn)狀與未來[J].國外內(nèi)燃機，2002（4）：24-28．

Experiment Study on Combustion Chamber and Advance Angle of Fuel Supply for the CA4D32-12 Diesel Engine

Wang Qihang1,Zhang Songtao2,Wu Caili2,Jin Zhe2
（1.Xi'an Cummins Engine Company,Xi'an 710200,China; 2.DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian,116022,China）

The matching experiments on the combustion chamber and advance angle of fuel supply are carried out,and the analysis on the effect of these factors on emissions is made.Finally,the optimized scheme for the CA4D32-12 diesel engine is determined.The performance and emissions of the CA4D32-12 diesel engine with the optimized scheme are improved.

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王啟航（1971－），男，工學(xué)碩士，主要研究方向為輕型車用柴油機整機開發(fā)。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.004