本试验是在一台高压共轨增压中冷柴油机上进行的,最高喷油压力可以达到160 MPa,其主要技术参数如 表1所示。试验装置包括了南峰CW440电涡流测功机、SIMENS温控装置、FCMM燃油质量流量计、AVL439烟度计、小野DS9100燃烧分析仪等,采用毫秒级A/D数据采集卡及相应的高速传感器构建了实时(10 ms)参数测量系统,实现了柴油机转速、转矩、进排气温度及压力、消光式烟度和尾气排放的实时测量和记录,试验台架及测控系统如 图1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 试验柴油机基本参数 Table 1 Basic parameters of test engine 型式 水冷直列6缸 缸径/mm×行程/mm 112×145 总排量/L 8.6 压缩比 17 标定功率/kW 257(2100/r·min-1) 最大扭矩/(N·m) 1500(1300/r·min-1) 喷油系统 高压共轨 进气类型 增压中冷 增压器 HOLSET400 燃烧室 缩口ω

表1 试验柴油机基本参数 Table 1 Basic parameters of test engine

图1

Fig.1

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	图1 试验台架及瞬态测控平台示意图Fig.1 Test bench and transient control platform schematic

高压共轨平台下,柴油机工况控制最终信号为油门电压,因此瞬态工况点的控制可用单片机实现,并具备了高响应速度和高精度的优点,配合电涡流测功机可实现典型瞬态工况的重复再现,本文研究了在恒转速、增转矩的瞬变工况下喷油参数对柴油机性能的影响。试验维持柴油机转速1650 r/min(B转速)不变,油门电压线性增加,在5 s内使转矩由当前转速最大转矩的10%增加到90%,油门电压随时间的变化如 图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 油门电压随时间的变化Fig.2 Throttle voltage changes over time

图4给出了瞬态工况下喷油正时对烟度的影响,从 图4(a)中可以看出:在刚开始加速的低负荷区段,烟度随喷油正时的变化没有表现出明显的规律,而在大负荷区段表现为烟度随着喷油正时的提前而逐渐增加,在烟度峰值处这种趋势已经非常明显。 图4(b)为喷油正时对累积烟度排放的影响,将瞬态原机的累积烟度排放定义为100%,从图中可以看出累积烟度排放随喷油正时的提前而逐渐增加。

图4

Fig.4

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	图4 瞬态工况下喷油正时对烟度的影响Fig.4 Injection timing effects on smoke under transient conditions

为了进一步探究烟度随喷油正时提前而增大的原因,分别在B转速,25%、50%、75%负荷3个稳态工况下研究喷油正时对烟度的影响。从 图5中可以看出:在25%和75%负荷工况下烟度随喷油正时的提前呈现先增大后减小的趋势,而在50%负荷工况下烟度则随喷油正时的提前而单调减小,本试验的大负荷区恰好处在烟度随喷油正时提前而增加的区段,由此可以推断出瞬态工况下烟度随喷油正时提前而增加并不是由于瞬态工况柴油机性能畸变所引起的,而是由于柴油机自身特性所造成的。对于在某些区段烟度随喷油正时提前而增加的现象,分析其中的原因可能为:本试验所用柴油机的燃烧室形状为缩口ω型燃烧室,该型燃烧室对喷油正时较为敏感,当油束恰好喷射到燃烧室缩口的下沿时,最有利于在燃烧室的ω型结构内形成油膜,如果喷油正时提前,即喷油位置在缩口下沿的上方时,油束会直接喷到缩口的竖直壁面上,不利于油膜和油气的混合,最终导致烟度增加。

图5

Fig.5

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	图5 稳态工况下喷油正时对烟度的影响Fig.5 Injection timing effects on smoke

under steady conditions

图6为瞬态工况下喷油正时对NO _x排放的影响, 图6(a)表明瞬态工况下NO _x随着喷油正时的提前逐渐增大,

图6

Fig.6

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	图6 瞬态工况下喷油正时对NO x的影响Fig.6 Injection timing effects on NO x under transient conditions

这是由于随着喷油正时的提前,燃烧更靠近上止点,缸内的燃烧温度会随之升高,导致NO _x排放增加。 图6(b)为喷油正时对累积NO _x排放的影响,将瞬态原机的NO _x排放定义为100%,从图中可以看出,随着喷油正时的提前,累积NO _x排放逐渐增加。

CA10、CA50和CA90分别表示累积放热量达到最大放热量10%、50%和90%对应的曲轴转角,这些燃烧特征参数承载着重要的燃烧信息,对柴油机的性能产生重要影响^{[ 10]}。

图7为瞬态工况下喷油正时对燃烧特征参数的影响。从图中可以看出:随着喷油参数的提前,CA10、CA50和CA90均提前,这是由于随着喷油正时的提前,整个燃烧过程也随之前移,导致燃烧特征参数也随之前移。

图7

Fig.7

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	图7 瞬态工况下喷油正时对燃烧特征参数的影响Fig.7 Injection timing effects on combustion characteristic parameters under transient conditions

图8为瞬态工况下喷油正时对最大爆发压力和平均指示压力的影响。从 图8(a)中可以看出,随着喷油正时的提前最大爆发压力逐渐增大。从 图8(b)中可以看出,随着喷油正时的提前平均指示压力略有升高。

图8

Fig.8

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	图8 瞬态工况下喷油正时对 Pmax和IMEP的影响Fig.8 Injection timing effects on Pmax and IMEP under transient conditions

为了研究瞬态工况下共轨压力对柴油机性能的影响,保持原机喷油正时不变,共轨压力在原机的基础上分别增加10、20、-10、-20 MPa。

图9为瞬态工况下共轨压力对烟度的影响。从 图9(a)中可以看出:随着轨压的增大,烟度峰值由12%降到8%。这是由于提高共轨压力,有助于燃油的雾化、蒸发,改善了燃油与空气的混合。从 图9(b)中可以看出:累积烟度排放随共轨压力的增大而逐渐减小,当共轨压力在原机基础上减小20 MPa时,累积烟度排放为瞬态原机排放的140%;而共轨压力增加20 MPa,累积烟度排放仅为原机的70%。

图9

Fig.9

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	图9 瞬态工况下共轨压力对烟度排放的影响Fig.9 Injection pressure effects on smoke under transient conditions

图10

Fig.10

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	图10 瞬态工况下共轨压力对NO x的影响Fig.10 Injection pressure effects on NO x under transient conditions

图10为瞬态工况下共轨压力对NO _x排放的影响。 图10(a)表明随着共轨压力的增加NO _x排放逐渐增加,这是由于随着共轨压力的加大,整个燃烧过程变得更快,燃烧更靠近上止点,同时燃烧品质也得到改善,导致缸内燃烧温度增加。从 图10(b)中可以看出:NO _x累积排放随共轨压力的增大而逐渐增大,当共轨压力在原机基础上减小20 MPa时,累积NO _x排放仅为瞬态原机排放的90%,而共轨压力增加20 MPa时,累积NO _x排放为原机的110%。

图11为瞬态工况下共轨压力对燃烧特征参数的影响,从图中可以看出:CA10和CA50随着共轨压力的加大会前移,这是由于随着轨压的升高,燃料在缸内经历雾化、蒸发、扩散与空气混合的程度提高,改善了喷雾品质,导致滞燃期缩短,燃烧速度加快,相应的燃烧始点和燃烧中点也会前移,由于CA90波动性较大,未发现明显的规律性。

图11

Fig.11

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	图11 瞬态工况下共轨压力对燃烧特征参数的影响Fig.11 Injection pressure effects on combustion characteristic parameters under transient conditions

图12

Fig.12

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	图12 瞬态工况下共轨压力对 Pmax和IMEP的影响Fig.12 Injection pressure effects on Pmax and IMEP under transient conditions

图12为瞬态工况下共轨压力对最大爆发压力和平均指示压力的影响,从 图12(a)中可以看出,随着轨压的升高最大爆发压力升高。从 图12(b)中可以看出,喷油压力对平均指示压力影响较小。