重型柴油機進氣系統的設計

重型柴油機進氣系統的設計

采用替代性新能源和開發優化技術是降低重型柴油機排放的主要方式。進行替代性新能源的選取時，為了保證重型柴油機的動力性，替代性新能源的辛烷值（RON）需達到70%，統稱此類燃料為RON70。為了保證替代性新能源的點火特性，采用部分預混壓燃（PPCI）策略，該策略能夠使燃料在燃燒前與空氣更加充分地混合，在提高柴油機功率密度的同時可降低柴油機排放。為保證替代性新能源和新燃燒策略帶來的益處，需要對柴油機的進氣系統進行重新設計。

設計新的柴油機進氣系統時，基于2013款康明斯ISX15重型柴油機的1-D發動機系統模型。設定該發動機共軌燃油噴射系統的噴射壓力為250MPa、壓縮比為17.3:1。選擇標準超低硫柴油（ULSD）和正辛烷與正庚烷構成的RON70作為試驗的兩種燃料。為此，設計了兩種進氣系統：一種采用單級渦輪增壓裝置；另一種采用兩級渦輪增壓裝置。利用商業化計算流體動力學（CFD）軟件Converge，對之前建立的1-D發動機系統模型進行CFD分析。分析時，1-D發動機系統模型網格劃分采用扇形網格，基本網格尺寸為1.4mm、最小網格尺寸為0.35mm，并采用自適應網格細化（AMR）技術。燃油噴射模型采用康明斯Xtra高壓噴射共軌燃油系統的高保真液壓模型，噴霧成形采用KH噴霧破碎模型，碳煙成形和氧化過程采用兩步Hiroyasu-NSC模型模擬，模擬循環選擇重型發動機排放測試循環。分析結果顯示，所設計的兩種進氣系統均能夠滿足兩種燃料的進氣需求，且還能夠滿足廢氣再循環對氧氣的需求。但是，采用單級渦輪增壓裝置的進氣系統在高發動機轉速下的性能更好，而其在低發動機轉速下，由于較大的泵送損失，降低了進氣性能。而采用兩級渦輪增壓裝置的進氣系統在低發動機轉速和高發動機轉速下的性能均較好。

Praveen Kumar et al.SAE 2017-01-0751.

編譯：李臣