共軌柴油機薩巴德對照狄塞爾循環的計算研究

劉峰

(銀建汽車修理有限公司，北京 100070)

共軌柴油機薩巴德對照狄塞爾循環的計算研究

劉峰

(銀建汽車修理有限公司，北京 100070)

定壓預脹比對狄塞爾循環的最高溫度有直接影響，而共軌系統也直接影響著預脹比及循環最高溫度，從而影響循環熱效率及平均有效壓力等技術指標。以濰柴國Ⅴ柴油機為例，主要對照裝配共軌系統的柴油機薩巴德循環與未裝配共軌系統的狄塞爾循環的最高溫度以及其他技術指標。

共軌系統；狄塞爾循環；薩巴德循環

0 引言

所謂狄塞爾循環是指柴油機燃燒過程的定壓加熱理想循環：一個定容過程、一個定壓過程和兩個定熵過程構成的理想循環?！暗胰麪枴奔础癉iesel”，此循環應用于柴油機。

而柴油機高壓共軌燃油噴射系統以其特有的優點獲得了越來越廣泛的運用[1]。高壓共軌系統能達到低油耗、低排放、高壓噴射、柔性的噴油特性和噴油壓力的控制等其他噴油系統很難達到的要求?？梢哉f，柴油機高壓共軌電控燃油系統對降低排放及提升柴油機性能卓有成效。

1 濰柴國Ⅴ柴油機概述

文中共軌式柴油機的研究工作以濰柴國Ⅴ排放標準的車用柴油機為研究對象，該柴油機是濰柴在國Ⅳ排放標準柴油機基礎上開發的，繼承濰柴技術先進、性能優異、可靠性高的特點[1]。柴油機相關技術參數如表1所示[2]。

高壓共軌燃油噴射系統的組成主要包括[3]：供油泵、共軌管、高壓油管、噴油器、電控單元及各種傳感器。高壓油泵主要采用CP3.3N-16/18高壓油泵；高壓共軌噴油系統機械部分以及執行器采用Bosch的相關產品，噴油器為CRIN2型噴油器，電控單元為EDC7，共軌管道為LWRN3型共軌。

表1 柴油機相關技術參數

2 狄塞爾與薩巴德循環

2.1 狄塞爾循環

共軌系統對柴油機熱循環有著相當直接的影響。文中主要研究裝有共軌系統與未裝共軌系統的柴油機在薩巴德循環與狄塞爾循環中的循環熱效率及循環平均壓力值。

而所謂薩巴德循環即為柴油機燃燒過程中的混合加熱理想氣體可逆循環過程。

如圖1為不裝共軌系統的柴油機狄塞爾循環p-V圖，圖2為狄塞爾循環T-s圖。表2為此狄塞爾循環相關參數。

圖1 狄塞爾循環p-V圖

圖2 狄塞爾循環T-s圖

空氣進氣溫度/℃27進氣壓力/(105Pa)1.85定壓預脹比2

其中，循環平均壓力可用式(1)表示：

(1)

式中:壓縮比εc=17；可逆絕熱指數κ=1.4。

點1狀態：

pa=1.85×105PaTa=300 K

空氣定容比熱容:

cV=0.718 kJ/(kg·K)

空氣定壓比熱容:

cp=1.005 kJ/(kg·K)

計算結果如下：

循環吸熱量QB的計算：

1-2為定熵過程：

將相應數據代入：T2=932 K，T3=ρ×T2=2×932=1 864 K。再算進氣比體積：

V3=ρ×V2=0.054 8 m3/kg

則循環吸熱量QB為：

QB=cp(T3-T2)=1.005×(1 864-932) kJ/kg=936 kJ/kg

循環放熱量：

Q2=cV(T4-T1)=0.718×(792-300) kJ/kg=353 kJ/kg

循環熱效率：

循環平均壓力pt的計算過程如下：

分別將ηt、QB、Ta代入式(1)，得到：

pt=13.3×105Pa

p2=97.7×105Pa

p4=4.9×105Pa

2.2 薩巴德循環

圖3為加裝共軌系統的柴油機薩巴德循環p-V圖，圖4為薩巴德循環T-s圖。表3為此薩巴德循環相關參數。由于共軌系統的燃油噴射壓力較高，故循環最高壓力也較高，為140×105Pa。初始空氣狀態參量需參照狄塞爾循環。壓縮比εc=17；可逆絕熱指數κ=1.4。

圖3 薩巴德循環p-V圖

表3 薩巴德循環相關參數

p3′=140×105Pa=p4′

V5′=V4=V1′=V1=0.465 m3/kg

對于定熵過程，有:

2′-3′為定容過程，則：

V3′=V2′=V2=0.027 4 m3/kg

那么，此薩巴德循環的定壓預脹比：

3′-4′為定壓過程，那么:

T4′=ρ′×T3′=2 057 K

由于柴油機理想循環的排氣溫度相同，所以：T5′=T4=792 K

2′-3′為定容過程，則:

290 kJ/kg

3′-4′為定壓過程，則:

725 kJ/kg

循環放熱量：

循環熱效率：

可見，相同初始參數條件下，無論是循環吸熱量、循環熱效率，還是循環平均有效壓力方面，薩巴德循環均強于狄塞爾循環。

然而，在定壓預脹比方面，薩巴德循環低于狄塞爾循環。狄塞爾循環定壓預脹比較高的原因：定壓過程加熱量增加，循環熱效率ηt降低，因為這部分熱量是在活塞下行的膨脹行程中加入的，作功能力較低。

3 柴油機共軌技術的優勢

(1)共軌系統提升了缸內壓力、燃燒溫度、放熱率，減小了碳煙排放；

(2)噴油器的改進可提升缸內壓力以及燃燒溫度；

(3)對電控單元相關噴油參數的優化提升了氣缸壓力、溫度以及放熱率的峰值，并會使燃油消耗降低、指示扭矩和指示功率增加。

總之，共軌系統無論從柴油機的缸內熱力過程，還是從柴油機的排放性、經濟性、動力性等方面，均有所提升。

4 結論

(1)介紹了柴油機共軌系統的概念，及濰柴國Ⅴ柴油機共軌系統的結構；

(2)對照裝有共軌系統的薩巴德循環和未裝共軌系統的狄塞爾循環柴油機，通過計算，得到柴油機狄塞爾循環和薩巴德循環的循環吸熱量、循環熱效率、平均有效壓力等數據。計算結果表明：薩巴德循環在循環吸熱量、循環熱效率、平均有效壓力等方面具有一定優勢；

(3)定壓預脹比方面，共軌系統薩巴德循環明顯低于狄塞爾循環；

(4)介紹柴油機共軌技術的優勢。

【1】劉峰.柴油機高壓共軌燃油噴射系統仿真計算研究[D].北京：北京交通大學,2009.

【2】劉峰.高壓共軌燃油噴射系統壓力波動特征研究[J].小型內燃機與摩托車,2014,43(2)：63-66,96. LIU F.Research on the Fluctuating Features of High Pressure Common Rail Fuel Injection System[J].Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2014,43(2)：63-66,96.

【3】劉峰.共軌管參數對軌內壓力場影響的數值模擬研究[J].小型內燃機與車輛技術,2014,43(5)：24-29. LIU F.Numerical Simulation Researches on the Effects of the Common Rail Parameters for the Rail Internal Pressure Field[J].Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2014,43(5)：24-29.

Calculation on the Sabah Cycle with a Common Rail Injection System Compared with Diesel Cycle

LIU Feng

(Yinjian Automobile Repair Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)

Constant pressure pre expansion ratio has directly influence on the highest temperature of Diesel cycle. The common rail injection system also has directly influence on the highest temperature and pre expansion ratio,thereby,it also affects the technical property indexes, such as thermal efficiency and average valid pressure. Taking National V diesel from Weichai company as an instance, the highest temperature and other technical property indexes of Sabah cycle with a common rail injection system and Diesel cycle without a common rail injection system were compared.

Common rail injection system;Diesel cycle;Sabah cycle

2016-12-04

劉峰(1984—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為內燃機燃燒與排放控制。E-mail：PhoneistheFirst@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.016

U461.8

B

1674-1986(2017)04-062-03