中型柴油機國Ⅴ燃燒系統改進試驗研究

胡志林 史艷彬 宋濤

（中國第一汽車集團有限公司解放事業本部，長春 130011）

1 前言

柴油機缸內燃燒組織對柴油機性能具有重要影響，燃燒室結構和噴油器匹配是燃燒系統選型的重點。國內研究學者針對燃燒室結構和噴油器參數對柴油機性能的影響進行了深入研究[[11--44]]。

本文以一臺高壓共軌中型國Ⅴ柴油機為研究機型，重點圍繞采用不同壓縮比的燃燒室和不同孔數油嘴進行匹配試驗，研究其對柴油機經濟性和排放性能的影響。這一研究能為現代柴油機經濟性能改進提供工程支持。

2 試驗裝置與研究方法

試驗機型為一臺直列6缸4沖程、增壓中冷、電控高壓共軌中型柴油機，采用單體泵高壓共軌燃油噴射系統。柴油機主要技術參數詳見表1。試驗邊界條件按照GB 17691—2005進行控制，表2列出了主要的試驗儀器設備。

表1 柴油機主要技術參數

表2 主要試驗儀器設備

本試驗原機燃燒室壓縮比為17，為了改善柴油機經濟性，引入壓縮比為18的燃燒室，同時為了控制爆發壓力和NOx排放，在原7孔油嘴基礎上引入6孔油嘴，弱化柴油機缸內混合，實現燃燒系統的優化匹配。

研究采用該柴油機實現國Ⅴ法規的ESC測試循環的三個代表轉速1 460 r/min、1 860 r/min和2 220 r/min，在不同負荷下，對不同燃燒配置進行軌壓和提前角的調節試驗，并以1 460 r/min，100%和50%負荷為重點研究工況，研究其對柴油機油耗和排放的影響，最終進行ESC循環驗證。ESC循環工況如表3所示。

表3 ESC循環工況

3 試驗結果及分析

3.1 不同燃燒室對柴油機性能的影響

圖1所示為兩種燃燒室在相同燃燒配置下，NOx和煙度排放對比，從試驗結果可以看出，隨著噴油正時推后，缸內滯燃期縮短，發動機預混燃燒過程減少，缸內最大燃燒溫度降低，NOx排放減少，但油氣混合受到影響，前期煙度生成量增大，導致最終煙度上升。在A100工況，當噴油正時處在上止點以后時，煙度大幅度增長，這是由于噴油過于靠后，導致部分油束在活塞下行階段噴到活塞上端面，而在100%負荷工況，空燃比相對較小，局部過濃區對煙度影響較為明顯。而A50工況由于空燃比較大，煙度隨提前角的變化相對較為平緩。

新燃燒室由于壓縮比較大，在壓縮上止點，缸內壓力和溫度較高，缸內燃燒較為劇烈，NOx排放升高。尤其在部分負荷工況，空燃比較高，氧氣含量較為充足，在缸內燃燒溫度上升的情況下，NOx增長表現更為明顯。而煙度排放在原燃燒室方案基礎上略有上升，分析認為，新燃燒室方案采用大的壓縮比，燃燒后期膨脹比增大，發動機對微粒的氧化作用減弱，同時新燃燒室采用原始噴油嘴墊片，噴射角度和燃燒室形狀配合相對不是最優組合，對煙度排放也有一定負面影響。

圖1 不同燃燒室的NOx和煙度排放對比

圖2所示為兩種燃燒室對發動機比油耗和缸內爆發壓力的影響。從試驗結果可以看出，新的燃燒室方案對比油耗均有一定改善，同時發動機缸內爆發壓力也相應提升。在大負荷工況，功率密度較大，壓縮比上升一方面導致壓縮終了燃燒室容積變小，另一方面有利于燃油快速燃燒。進而導致缸內爆發壓力顯著提升，整體提升1 MPa左右，增大了燃燒熱效率。比油耗在大的噴油正時下改善1~2 g/kWh，隨著噴油的推遲，大壓縮比對油耗的改善幅度降低，這是因為在上止點后噴油，燃燒處于下行階段，大壓縮比對燃油能量利用的促進作用相對較小。在部分負荷工況，缸內燃油能量密度相對較低，大壓縮比對缸壓的提升幅度相對較小，燃燒熱效率的改善使得比油耗整體下降2 g/kWh左右。

兩燃燒室對發動機缸內燃燒的影響如圖3所示。從圖3可以看出，壓縮比增大，發動機壓縮上止點燃燒室容積減小，燃燒初始壓力升高。從放熱率上看，壓縮比增大有助于發動機缸內前期放熱，放熱率峰值增大，后期放熱減小，縮短發動機的燃燒持續期，減少發動機膨脹過程的缸內放熱，有利于提升發動機經濟性，同時對發動機爆壓的提升具有促進作用。部分負荷由于燃油能量密度低，燃燒對爆壓的提升作用相對減弱。

圖2 不同燃燒室的比油耗和爆壓對比

圖3 不同燃燒室的缸壓和放熱率對比

3.2 不同油嘴孔數對柴油機性能的影響

為了保持NOx排放水平在合理范圍內，在采用大壓縮比燃燒室的情況下，引入新的噴油器方案，油嘴孔數由原方案的7孔油嘴，調整為6孔油嘴，弱化缸內油氣混合，降低缸內燃燒反應速率。

圖4所示為在新的燃燒室方案基礎上，不同油嘴方案對發動機排放性能的影響。在大負荷工況，6孔油嘴相對于7孔油嘴，NOx排放降低1~3 g/kWh，在部分負荷工況，NOx排放降低1~2 g/kWh。而煙度排放水平惡化也較為明顯，相對于7孔油嘴，6孔油嘴煙度排放整體上升1倍左右。

分析認為，6孔油嘴相對于7孔油嘴，由于弱化了油氣混合，燃燒過程減緩，可有效降低NOx排放水平，而隨著噴油正時推后，缸內混合氣流動能量減弱，6孔油嘴相對于7孔油嘴，油氣混合作用大幅度降低，煙度上升明顯。

圖4 不同油嘴的NOx和煙度排放對比

不同油嘴孔數對發動機比油耗和爆發壓力的影響如圖5所示。相對于原7孔油嘴方案，新6孔噴油器的爆壓整體與原7孔油嘴爆壓持平或略有降低。這是因為油嘴孔數變化影響油氣混合效果，對燃燒有一定影響，但在整體進氣壓力和壓縮比不變的情況下，發動機壓縮上止點初始壓力基本相當，而油嘴對燃燒速度的影響相對有限，因而發動機爆壓變化不明顯。

比油耗隨著噴油正時的推后，呈現上升趨勢。相對于7孔油嘴方案，新6孔油嘴方案隨著噴油正時推后，油耗上升趨勢更快。在上止點前噴油，6孔油嘴方案比油耗與7孔方案相當或略好，在上止點后噴油，6孔油嘴方案比油耗明顯差于原7孔油嘴方案。分析認為，在上止點前噴油，缸內渦流強度較大，6孔油嘴相對于7孔油嘴可降低油束間的干涉作用，對燃燒有一定程度的改善。而隨著噴油時刻的進一步推后，渦流強度減弱，油束干涉現象不明顯，而6孔油嘴相對于7孔油嘴對油氣的混合作用明顯減弱，導致燃燒效率降低，比油耗也急劇上升。

對發動機采用不同油嘴孔數方案的缸內燃燒分析如圖6所示。從試驗結果看，采用6孔油嘴方案，油氣混合作用減弱，但在發動機燃燒初期，發動機燃燒速率并未受到明顯影響，燃燒始點基本一致，發動機峰值爆壓基本相當。但隨著燃燒的進行，在發動機擴散燃燒階段，6孔油嘴方案缸內燃油局部過濃區相對較多，燃燒放熱率略有下降，燃燒滯后。

圖5 不同油嘴的比油耗和爆壓對比

圖6 不同油嘴的缸壓和放熱率對比

3.3 新燃燒系統與原燃燒系統試驗結果對比

由于采用新的燃燒室方案，幾何參數與原燃燒室略有差別，為了取得更好的油嘴噴射角度與燃燒室形狀匹配，對油嘴墊片厚度進行了調整，以優化發動機最終性能。

圖7所示為原燃燒系統與新燃燒系統采用不同油嘴墊片情況下，國ⅤESC循環結果。

圖7 不同燃燒系統ESC循環結果對比

從ESC試驗循環結果可以看出，原燃燒系統在同等加權NOx排放下，碳煙排放加權值較低，但比油耗相對較高；新燃燒系統采用高壓縮比配合小孔數油嘴，弱化發動機缸內燃燒，在保持同等NOx情況下，碳煙排放加權值相對較高，但仍處于國Ⅴ排放法規以下，經濟性要優于原燃燒系統。

綜合考慮不同油嘴墊片的排放、經濟性及可靠性風險，最終選定2.0 mm墊片作為新燃燒系統匹配的油嘴墊片。

圖8所示為發動機最終燃燒方案配置與原燃燒方案的萬有特性比油耗差值對比，圖中，虛線所示為兩燃燒系統經濟性相當，虛線上部深色區域代表比油耗改進后區域，虛線下部深色區域代表比油耗改進前區域。從圖8可以看出，新的燃燒系統可有效改善發動機中低速經濟性1%~2%，有利于整車經濟性改善。

圖8 燃燒系統改進前、后萬有特性對比

4 結束語

a.大壓縮比燃燒室可提升柴油機缸內燃燒速率，促進經濟性改善，尤其在部分負荷工況更為明顯，但會顯著增加NOx排放和爆壓水平；

b.小孔數油嘴可弱化柴油機缸內油氣混合，降低NOx比排放1~3 g/kWh，但煙度惡化明顯，經濟性在大噴油正時下影響較小；

c.新的燃燒室方案配合油嘴墊片調節，可對油嘴噴射角度進行優化，改善柴油機排放性能；

d.大壓縮比配合小孔數油嘴方案，在滿足排放法規要求下，可對柴油機燃燒系統進行改進，萬有特性中低速油耗可改進1%~2%。

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