一種新型預燃室噴射閥配機試驗研究

陳仲，薛滋德

（中國石油集團濟柴動力股份有限公司，山東 濟南 250306）

在不更換預燃室噴射閥閥體外部結構的情況下，對噴射閥閥芯進行了改進，由舊型的海茵茨曼PCV50 換成了新型的PCV30，減小了閥芯的燃氣出口面積，增大了預噴閥的噴射持續期，新型預燃室噴射閥噴射持續期的調節范圍比舊型預燃室噴射閥的調節范圍有明顯增大，改善了預燃室噴射閥單次噴射燃氣量均勻性，從而提高了預燃室點火能力的均勻性和單次燃氣噴射的控制精確。新型預噴閥閥芯的加工差異問題也要更小，一致性更好。

1 試驗目的與方法

此次試驗的目的主要有以下兩點。

（1）通過預燃室噴射閥噴射持續期MAP 圖優化試驗，確定預燃室噴射閥噴射持續期最佳MAP 圖。

（2）在相同的主噴射閥噴射提前角、預燃室噴射閥噴射提前角、點火提前角、空氣閥開度和bypass 閥開度條件下，通過兩種預燃室噴射閥配機性能對比試驗，根據對比發動機經濟性、動力性等參數，確定最佳的預燃室噴射閥。

此次試驗的試驗方法是：在各工況點下手動調整預燃室噴射閥噴射持續期MAP，從上限過濃失火調整到下限過稀失火，確定預燃室噴射閥噴射持續期調整范圍，通過對比分析經濟性、排放性和動力性相關參數，確定預燃室噴射閥最佳噴射持續期，優化預燃室噴射閥噴射持續期MAP圖，同時兼顧爆發壓力≤160bar，NOx排放≤500mg/Nm3（O2=5%），爆震值Knock value high ≤10%。

2 新型預噴閥最佳噴射持續期配機試驗

在25%負荷時，進行了預噴閥噴射持續期對比試驗，通過調整預燃室噴射閥噴射持續期達到上限過濃失火點、最優點和下限過稀失火點（表1）。

表1 25%負荷新型預噴閥噴射持續期對比

新型預燃室噴射閥噴射持續期在25%負荷下可調節范圍為16.0 ～24.6°CA，接近上限24.6°CA 時出現排溫偏差差異過大、氣耗率上升明顯等燃燒惡化的現象；接近下限16°CA 時出現5、6 缸失火、氣耗率上升明顯的現象。而最佳的持續期為16.4°CA。

在50%負荷時，進行了預噴閥持續期對比試驗，通過調整預燃室噴射閥噴射持續期達到上限過濃失火點、最優點和下限過稀失火點（表2）。

表2 50%負荷新型預噴閥噴射持續期對比

新型預燃室噴射閥的持續期在50%負荷的可調節范圍為17.4 ～32.0°CA，接近上限32°CA 時出現油門波動、氣耗率上升明顯、轉速波動增大的現象；接近下限17.4°CA 時，出現排溫偏差大于50℃、油門波動的現象。最佳的持續期為21.5°CA。

在75%負荷時，進行了預噴閥持續期對比試驗，通過調整預燃室噴射閥噴射持續期達到上限過濃失火點、最優點和下限過稀失火點（表3）。

表3 75%負荷新型預噴閥噴射持續期對比

新型預燃室噴射閥的持續期可調節范圍為17.5 ～31.5°CA，接近上限31.5°CA 時，出現氣耗率上升明顯、油耗增大的現象；接近下限17.5°CA時出現油門波動增大、氣耗率上升明顯的現象。最佳的持續期為23.9°CA。

在85%負荷時，進行了預噴閥持續期對比試驗，通過調整預燃室噴射閥噴射持續期達到上限過濃失火點、最優點和下限過稀失火點（表4）。

表4 85%負荷新型預噴閥噴射持續期對比

新型預燃室噴射閥的持續期可調節范圍為21.6 ～26.4°CA，接近上限26.4°CA 時，出現氣耗率上升明顯等燃燒惡化的現象；接近下限21.6°CA 時，出現氣耗率上升明顯的現象。最佳持續期為24.4°CA。

在100%負荷時，進行了預噴閥持續期對比試驗，通過調整預燃室噴射閥噴射持續期達到上限過濃失火點、最優點和下限過稀失火點（表5）。

表5 100%負荷新型預噴閥噴射持續期對比

新型預燃室噴射閥的持續期可調節范圍為22.1 ～27.2°CA，接近上限27.2°CA 時，出現油門波動增大的現象；接近下限22.1°CA 時，出現油門波動增大的現象。最佳持續期為25.5°CA。

由圖1 所示，新型預燃室噴射閥的持續期過濃失火點以及過稀失火點與最佳運行持續期之間的渦前排溫、爆發壓力、氣耗率相差并不太大，只有最佳持續期的過量空氣系數在低負荷明顯高于過濃失火和過稀失火的持續期。

由圖2 和3 所示，新型預燃室噴射閥的持續期過濃失火點以及過稀失火點與最佳運行持續期之間的主燃氣壓力、主噴持續期、空氣進氣腔進氣壓力和溫度、兩側增壓器轉速差別并不大。

圖3 新型預燃室噴射閥主要運行參數對比

從試驗結果分析，新型預燃室噴射閥噴射持續期的調節范圍明顯增大，改善了預燃室噴射閥單次噴射燃氣量均勻性，從而提高了預燃室點火能力的均勻性和單次燃氣噴射的控制精確度，滿足了預噴持續期更大的可調節裕度。

根據試驗確定的新型預燃室噴射閥最佳噴射持續期MAP 圖如圖4 所示。

圖4 新型預燃室噴射閥噴射持續期MAP

3 新型和舊型預噴閥配機性能比對

根據本文第二部分新型預燃室噴射閥配機試驗得到的試驗數據與舊型預燃室噴射閥進行性能對比。

由表6 和表7 的試驗數據通過曲線繪制出圖7 ～9的主要參數對比曲線。

表6 新型預燃室噴射閥配機性能試驗數據

表7 舊型預燃室噴射閥配機性能試驗數據

由圖5 和圖6 分析可知，新型預燃室噴射閥排氣溫度一致性要更好，而舊型的差異性要大很多，而且新型閥的排氣溫度明顯總體要低很多。

圖6 舊型預燃室噴射閥排氣溫度趨勢圖

由圖7 所示可見，新型預燃室噴射閥配機后，氣耗率明顯要更低，過量空氣系數更高，渦前排溫要更低，各項參數指標明顯優于舊型預燃室噴射閥。

由圖8 所示新型預燃室噴射閥和舊型預燃室噴射的對比是在確保了節氣門開度、主燃氣壓力和主噴持續期基本一致的條件下進行的。

圖8 2 種預燃室噴射閥主要運行參數對比

由圖9 所示，2 種噴射閥的空氣進氣腔溫度壓力和雙側增壓器轉速也相差不大。

圖9 2 種預燃室噴射閥主要運行參數對比

由表8 可知，新型預燃室噴射閥噴射持續期可調節范圍與舊型預燃室噴射閥噴射持續期可調節范圍進行對比，明顯新型噴射閥可調范圍更大，而且根據圖10 來看，排溫不均勻度要低很多。

圖10 2 種噴射閥排氣溫度不均勻度對比

表8 2 種預燃室噴射閥調節范圍對比

根據試驗結果，新型預燃室噴射閥能夠滿足發動機（基本型3730kW）動力性、經濟性以及排放要求，并且增大了預噴閥持續期，改善了預燃室噴射閥單次噴射燃氣量均勻性，從而提高了預燃室點火能力的均勻性和單次燃氣噴射的控制精確，滿足了發動機的要求，其可靠性還需工業性試驗的進一步驗證。

4 結語

（1）通過對某預燃室天然氣發動機進行的新型預噴閥配機試驗，確定了此發動機最佳的預噴閥噴射持續期如下表所示，實現了發動機在稀薄燃燒狀態下的穩定運行，目前該自主研發發動機各項指標均達到了國際先進水平（表9）。

表9

（2）通過對新型和舊性預噴閥裝機后性能試驗得出結論，同等工況下兩者爆發壓力相差不大，但是新型預噴閥的渦前排溫更低，氣耗率稍低且過量空氣系數要高，說明新型預噴閥提高了預燃室點火能力的均勻性和※單次燃氣噴射的控制精確，在稀薄燃燒的發動機運行狀態下穩定可靠性也更加出色。