高軌壓燃燒系統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 排放

1 前言

隨著技術的不斷更新，發動機燃油供給系統進入了共軌時代，而燃油共軌噴射壓力是影響發動機燃燒的關鍵因素。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，更有利于發動機燃燒，從而提高發動機性能和降低污染物排放量[1]。

發動機的燃燒與燃油、空氣的混合密切相關，所以單純提高軌壓只能實現部分燃燒優化，若要實現最佳狀態的缸內燃燒，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動機性能的優劣[2-6]。

本文對一款發動機的軌壓進行提升，分析了軌壓提升對發動機在世界統一的穩態測試循環（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC）工況點的油耗和排放的影響，并對發動機的燃燒室和氣道進行了優化，選擇最佳的燃燒室和氣道與之匹配，實現了對發動機性能和排放的改善。

2 試驗樣機

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

2.1 燃油供給系統

該柴油機燃油供給系統如圖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是影響燃油系統的關鍵因素：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（孔徑、流量、噴霧錐角等）需要與氣道、燃燒室很好地匹配，才能實現更好的油氣混合效果。

表1 HFC-4D27型發動機技術參數

圖1 燃油供給系統結構

2.2 進氣道結構

該發動機采用雙氣道結構，為實現更高的渦流比和流量系數，采用雙切向氣道、菱形布置方案，如圖2所示。雙切向氣道能產生很高的渦流強度和流量系數。

圖2 雙切向氣道結構示意

為匹配更高軌壓的燃油供給系統，設計了2種氣道方案：方案1渦流比大、流量系數小，渦流比為2.6，流量系數為0.33；方案2渦流比小、流量系數大，渦流比為2.0，流量系數為0.35。

2.3 燃燒室結構

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

燃燒室設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.選擇適當的喉口直徑和深度。

圖3 油束和燃燒室的匹配

根據氣道渦流比、噴油軌壓等參數，設計了2個燃燒室方案，主要區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，燃燒室結構趨于扁平化，如圖4所示。

圖4 2個燃燒室設計方案

3 測試工況

隨著國六排放法規的逐步推進，重型車排放測試循環由原來的歐洲穩態測試循環（European Steady-state Cycle，ESC）、歐洲瞬態測試循環（European Transient Cycle，ETC）調整為更接近整車路譜的WHSC、世界統一的瞬態測試循環（World Harmonized Transient Cycle，WHTC），同時增加了世界非法規工況排放要求（World-Harmonized Not-To-Exceed，WNTE）補充測試工況、世界瞬態整車轉轂測試循環（Adapted World Transient Vehicle Cycle，C-WTVC）并增加車載排放系統測試的要求。相對于國五排放標準，國六測試循環更加傾向于低速、低負荷區域，要求后處理系統在較低的溫度就有較高的轉化效率，同時對發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要求，采用WHSC測試循環中的特殊工況點（見圖5）進行試驗，并基于WHSC測試循環的加權值進行對比分析。

圖5 WHSC測試循環工況點

4 試驗研究

4.1 高軌壓試驗結果對比

為研究更高軌壓對發動機油耗和排放性能的影響，在噴油器油嘴參數（包括孔數、流量、錐角等）保持不變的條件下，將軌壓提升至200 MPa，同時調整噴油提前角、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，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后，在中、高轉速區域能明顯降低顆粒物排放，對油耗也有明顯改善，但在中、低轉速區域對油耗改善并不明顯，主要是由于發動機在低速、低負荷區域并不需要高軌壓，一定的軌壓即可滿足缸內的燃燒持續期要求，實現最佳的燃燒效果。

4.2 氣道試驗結果對比

對匹配200 MPa燃油系統、搭載2個不同氣道方案的發動機進行了臺架性能試驗，保持其他邊界參數不變，NOx排放控制在4～6 g/(kW·h)范圍內。圖9和圖10分別為不同氣道方案的發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，流量系數提升，可使發動機燃油混合更加均勻，更有利于缸內燃燒，使更多新鮮空氣進入缸內，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 燃燒室試驗結果對比

對匹配200 MPa燃油系統、搭載2個不同燃燒室方案的發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，試驗結果如圖11和圖12所示。可以看出，方案2燃燒室油耗明顯更低，且在發動機轉速為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構方案更有利于高軌壓燃油系統性能的發揮，能夠優化發動機的性能和排放。

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 高軌壓燃燒系統對比分析

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

圖13 燃燒系統WHSC測試數據對比

5 結束語

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動機性能。本文通過對高軌壓燃油系統、不同氣道方案、不同結構燃燒室方案的發動機進行了臺架性能試驗，結果表明：將最佳的氣道、燃燒室、高軌壓燃油系統組合在一起，新的燃燒系統組合相對于原燃燒系統碳煙排放量降低了約60%，使發動機裸機達到了國六排放要求。