靴形喷油速率耦合预喷射对超高压共轨柴油机性能的影响.DOC

1、靴形喷油速率耦合预喷射对超高压共轨柴油机性能的影响 周 磊，杨 昆，刘振明，安士杰，欧阳光耀（海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033）摘 要：在介绍超高压共轨系统工作原理的基础上，基于 GT-Power 软件建立了单缸超高压共轨柴油机的仿真模型，并利用试验验证了模型的准确性，而后通过模型分析了不同喷油速率、靴形喷油速率耦合不同预喷油量和靴形喷油速率耦合不同预喷提前角对超高压共轨柴油机动力性、经济性以及燃烧排放特性的影响。结果表明：通过调整超高压共轨系统中电控增压器电磁阀和喷油器电磁阀的开启时间，能够实现喷油速率的柔性可调。随着喷油速率从矩形变化到靴形，柴油机缸内压力、温度以及 N

2、Ox 排放量均逐渐降低，而 soot 排放量逐渐升高，且靴形喷油速率可使得柴油机获得最大的功率（扭矩）和最低的油耗率。靴形喷油速率耦合较小的预喷油量可以使柴油机获得更好的动力性、经济性和燃烧特性，但同时也会导致 NOx 排放量的升高。靴形喷油速率耦合较大的预喷提前角有助于改善柴油机排放特性，但受到预喷油量的限制，效果并不明显。关键词： 超高压；靴形喷油速率；预喷油量；预喷提前角 中图分类号：TK421.8 文献标志码： A 文章编号：Effect of saddle-shaped fuel injection rate coupled with pilot injection on the p

3、erformance of ultra high pressure common rail diesel engineZHOU Lei， YANG Kun， LIU Zhening， AN Shijie， OUYANG Guangyao(College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan，Hubei，430033，China)Abstract：On the basis of introducing the working principle of ultra high pressure common rail s

4、ystem, the simulation model of single cylinder ultra high pressure common rail diesel engine was built by using GT-Power software, and the accuracy of this model was verified via experiment, then the effect of different fuel injection rate, saddle-shaped fuel injection rate coupled with different pi

5、lot injection fuel mass and different pilot injection advance angle on the power, economy, combustion and emission characteristics of ultra high pressure common rail diesel engine were analyzed by this model. The results show that the variable fuel injection rate can be realized by adjusting the ope

6、ning time of electric-controlled pressure amplifier solenoid valve and injector solenoid valve in ultra high pressure common rail system. With the fuel injection rate varies from rectangular to saddle-shaped, the cylinder pressure, temperature and NOx emissions of diesel engine reduce gradually, whi

7、le the soot emissions rise gradually, and the saddle-shaped fuel injection rate can make the diesel engine acquire the maximum power (torque) and lowest fuel consumption rate. The saddle-shaped fuel injection rate coupled with lesser pilot injection fuel mass can make the diesel engine power, econom

8、y and combustion characteristics better, but it also leads to the rise of NOx emissions. The saddle-shaped fuel injection rate coupled with larger pilot injection advance angle can improve the emission characteristics of diesel engine, but the effect is not obvious by the limit of pilot injection fu

9、el mass.Key words：ultra high pressure；saddle-shaped fuel injection rate；pilot injection fuel mass；pilot injection advance angle 收稿日期：2017-10-13 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51379212）；国家部委资助项目；海军工程大学博士研究生创新基金资助项目（XYBJ1611）作者简介：周磊（1991），男，江西乐平人，博士研究生，E-mail： ；欧阳光耀（通信作者），男，教授，博士，博士生导师，E-mail： 柴油机燃烧过程主要受燃油喷射特性所控制，

10、特别是喷油压力和喷油规律，其对柴油机性能会产生直接影响 1-3，燃烧理论的发展，对喷油压力和喷油规律提出了很高的要求，以实现柴油机不同工况下更灵活的喷射控制，但传统的高压共轨系统喷油规律近似于矩形，且难以实现超高压喷射 4-5。 超高喷射压力和可调喷油规律是改善柴油机经济性和排放性的有效手段 6-7。普遍意义上，将压力高于 200MPa 的喷射称之为超高压喷射。为实现超高压喷射，通常采用以下两种方法，一是通过超高压油泵直接产生超高压 8-10；二是在喷油器中集成液压放大机构，采用“高基压低增压比”的方法实现超高压喷射 11。但方法一对高压油泵的泵油能力以及系统中各部件的结构强度提出了很高的要求

11、，而方法二则须重新设计结构复杂的喷油器，对喷油器的加工工艺要求很高。本文提出的超高压共轨系统，通过在共轨管和喷油器之间加装电控增压器，能够将燃油压力放大至超高压状态，并且在 ECU 的精确控制下，能够产生更灵活可控的喷油速率，从而实现与柴油机的全工况优化匹配。众所周知，喷射压力对柴油机的燃烧过程有很大影响，喷射压力提高后，有利于改善雾化质量，有效解决 NOx 和 PM 排放之间的矛盾 12，但在高压下会有大量的燃油喷入缸内，这就需要通过对喷油规律的调节来控制预混燃烧过程，比较理想的方式是靴形喷射和多次喷射模式。靴形喷射在喷油初始阶段速率小，随着活塞压缩过程的进行，缸内压力及温度逐渐升高，有利于

12、均匀混合气的形成，在提高柴油机动力性和经济性上显示出很大的潜力 13。预喷射是让一小部分燃油在主喷之前先进行预反应，进而提高缸内温度和压力，使得主喷射燃油的滞燃期缩短，一方面有助于提升柴油机的动力输出和经济性；另一方面能够抑制 NOx 排放量和燃烧噪声的产生 14。因此，为充分挖掘取得柴油机经济性、动力性和排放性三者最佳平衡的潜力，本文在介绍超高压共轨系统工作原理的基础上，基于 GT-Power软件建立了单缸超高压共轨柴油机的仿真模型，并利用试验验证了模型的准确性，而后通过模型分析了不同喷油速率、靴形喷油速率耦合不同预喷油量以及靴形喷油速率耦合不同预喷提前角对超高压共轨柴油机动力性、经济性以及

13、燃烧排放特性的影响。1 超高压共轨系统工作原理超高压共轨系统总体结构如图 1 所示，整个系统由油箱、高压油泵、共轨管、电控增压器以及喷油器等部件组成。图 1 超高压共轨系统总体结构图Fig.1 Overall structure of ultra high pressure common rail system电控增压器作为系统的关键部件，其性能对系统实现超高压喷射和可变喷油速率喷射起着决定性作用，其结构示意如图 2 所示，内部设有增压活塞、电磁阀、单向阀以及油孔等部件。具体工作原理为：在部分负荷时，共轨管内燃油（基压油）通过单向阀和进油孔分别向增压室和控制室供油，保证了增压活塞两端的压力相等

14、，使增压活塞达到平衡态，此时向喷油器提供基压燃油。在高负荷时，电控增压器电磁阀开启，阀芯向线圈方向运动，关闭进油孔的同时使得阀芯头部与阀座脱离，高压燃油从出油孔流回油箱，导致增压活塞向增压室方向运动，增压室压力随即升高，此时向喷油器提供高压燃油。当电磁阀关闭后，来自共轨管的高压燃油通过进油孔流入控制室，同时在复位弹簧的作用下，增压活塞向基压室方向运动，最终又回到平衡态。 图 2 电控增压器结构图Fig.2 Structure of electric-controlled pressure amplifier超高压共轨系统不仅能在无增压喷射和增压喷射之间进行选择，而且能够实现喷油速率的柔性可调。

15、图 3 为基于 Amesim 软件建立的超高压共轨系统模型，其中高压油泵和共轨管用理想的高压源替代。图 3 超高压共轨系统模型Fig.3 Model of ultra high pressure common rail system通过调整模型中电控增压器电磁阀和喷油器电磁阀的开启时间，得出的三种喷油速率曲线如图 4所示。当喷油时刻相对增压时刻滞后 0.5ms 时，即先增压后喷油，近似于矩形喷油速率；当喷油时刻与增压时刻同步时，即增压与喷油同时开始，近似于斜坡形喷油速率；当喷油时刻相对增压时刻提前0.5ms 时，即先喷油后增压，相当于靴形喷油速率。图 4 喷油速率曲线Fig.4 Fuel in

16、jection rate curves2 超高压共轨柴油机仿真模型建立及验证模型建立是开展仿真研究的基础，根据单缸超高压共轨柴油机的实际结构和参数，基于 GT-power软件建立的仿真模型如图 5 所示，该模型主要由曲轴箱模型、气缸模型、喷油器模型、进（排）气门模型、进（出）口边界模型以及相应连接管路组成。柴油机的主要参数如表 1 所示。图 5 单缸超高压共轨柴油机仿真模型Fig.5 Simulation model of single cylinder ultra high pressure common rail diesel engine表 1 柴油机的主要参数Tab.1 Main pa

17、rameters of diesel engine参数 数值转速/rmin -1 1500缸径 /冲程 /mm 130/120连杆长度 /mm 170压缩比 18.5喷孔直径 /mm 0.2喷孔数量 6喷孔长度 /mm 1在柴油机模型建立过程中，气缸模型中的燃烧和传热模型、喷油器模型的选择直接影响着整个模型的计算精度。为准确预测柴油机整体性能，选取了 EngCylCombDIJet 准维多区燃烧模型，在使用该模型时，由于其对喷射型线和时间非常敏感，因此要保证喷油型线和时间跟实际喷油器一致。传热模型选取了 Woschni 模型 15，其采用准则关系式来描述燃烧室内燃气的放热过程。喷油器模型选取了

18、InjProfileConn 模型，在参数设置过程中，需要提供循环喷油量，根据系统中喷油器的实际需求，选择了最大喷油量作为输入。为验证仿真模型的准确性，搭建了超高压共轨柴油机试验装置，其原理图如图 6 所示，该装置主要由测功机及其控制系统、柴油机、单片机、缸压传感器、电荷放大器、油耗仪、燃烧分析仪、排放分析仪以及数据采集系统等组成，试验过程中，通过测功机及其控制系统测量扭矩，通过油耗仪测量油耗率，通过缸压传感器测量缸内压力，并经过电荷放大器放大，传递到燃烧分析仪进行燃烧参数处理，通过排放分析仪采集排放物浓度，最后利用数据采集系统记录所测参数。试验工况需要同仿真工况保持一致。 图 6 超高压共轨

19、柴油机试验装置原理图Fig.6 Experimental equipment principle of ultra high pressure common rail diesel engine图 7 为柴油机缸内压力仿真值与试验值对比图，由图可知，缸内压力的仿真值和试验值基本吻合，达到了较好的一致性，表明所建立的仿真模型较为合理，可以用来模拟实际情况。图 7 缸内压力仿真值与试验值对比图Fig.7 Cylinder pressure comparison between simulation value and experimental value排放物浓度仿真值与试验值的对比结果如表 2所

20、示，由表可知，NOx 、soot、CO 以及 HC 排放物浓度的仿真值和试验值相近，误差均在 7%以内，进一步验证了仿真模型的精确性。表 2 排放物浓度仿真值与试验值的对比结果Tab.2 Emission concentration comparison betweensimulation value and experimental value排放物 仿真值 试验值NOx 排放/ppm 1130 1160soot 排放/ppm 1374 1412CO 排放/% 0.15 0.16HC 排放/ppm 378 3903 仿真结果与分析3.1 不同喷油速率对超高压共轨柴油机性能的影响为分析不同喷油

21、速率对超高压共轨柴油机性能的影响，将三种喷油速率曲线（见图 4）导入到柴油机仿真模型中，分别进行计算，得出的不同喷油速率对柴油机燃烧排放特性的影响如图 8 所示。(a) 喷油速率对缸内压力的影响(a) Effect of fuel injection rate on cylinder pressure (b) 喷油速率对缸内温度的影响(b) Effect of fuel injection rate on cylinder temperature(c) 喷油速率对 NOx 排放量的影响(c) Effect of fuel injection rate on NOx emissions(d) 喷

22、油速率对 soot 排放量的影响(d) Effect of fuel injection rate on soot emissions图 8 喷油速率对柴油机燃烧排放特性的影响Fig.8 Effect of fuel injection rate on diesel engine combustion and emission characteristics由图 8 可知，随着喷油速率由矩形变化到靴形，缸内压力和温度均逐渐降低，且达到各自峰值的时间均有所滞后。这是由于矩形喷油速率的增压时刻先于喷油时刻，一开始就达到较高的喷射压力且一直保持到喷油结束，使得燃油与空气混合充分，缸内形成的可燃混合气

23、增多，且混合速率明显高于其他两种喷油速率，造成了在速燃期内可燃混合气燃烧过程的加剧和燃烧始点的提前，故其缸内压力和温度最大，且到达各自峰值的时间最早。在排放物生成方面，随着喷油速率由矩形变化到靴形，NOx排放量逐渐降低，而 soot 排放量逐渐升高。这是由于 NOx 主要在高温富氧条件下产生，随着喷油速率由矩形变化到靴形，即增压时刻的滞后，导致燃烧初期的强度降低、缸内温度降低，进而使得 NOx 排放量逐渐降低。soot 产生条件是高温缺氧，具体则由生成、氧化过程的变化决定。随着增压时刻的滞后，一方面会造成油气混合时间不充分，喷油持续期更长，使得 soot 生成量最高；另一方面会造成缸内温度的下

24、降，减缓 soot 的氧化，使得 soot 氧化量最低，故最终导致了 soot 排放量的升高。 不同喷油速率对柴油机动力性和经济性的影响如表 3 所示。由表可知，随着喷油速率由矩形变化到靴形，柴油机的功率（扭矩）逐渐上升，而油耗率逐渐减小，即柴油机的动力性和经济性均逐渐提升。相比于矩形喷油速率，靴形喷油速率时的功率（扭矩）上升了 6.42%，油耗率减小了 6.04%。这是由于采用靴形喷油速率时，一方面有助于减小滞燃期所准备的可燃混合气量，对控制参与速燃期燃烧的油量有一定作用，即可改善速燃；另一方面可以加强稳燃期内燃油与空气的混合，提高空气利用率，使得稳燃期内可以燃烧更多的燃油，进而改善燃烧，故

25、最终造成了柴油机动力性和经济性的提升。表 3 喷油速率对柴油机动力性和经济性的影响Tab.3 Effect of fuel injection rate on diesel engine power and economy performance喷油速率 功率/kW 扭矩/Nm 耗油率/g(kWh)-1矩形 27.5 175.1 222.5斜坡形 28.2 179.5 217.0靴形 29.3 186.3 209.13.2 靴形喷油速率耦合不同预喷油量对超高压共轨柴油机性能的影响为分析靴形喷油速率耦合不同预喷油量对超高压共轨柴油机性能的影响，针对三种预喷脉宽（0.3ms 、0.4ms 以及 0

26、.5ms） ，分别进行计算，得出的靴形喷油速率耦合不同预喷油量对柴油机燃烧排放特性的影响如图 9 所示。 (a) 预喷油量对缸内压力的影响(a) Effect of pilot injection fuel mass on cylinder pressure(b) 预喷油量对缸内温度的影响(b) Effect of pilot injection fuel mass on cylinder temperature(c) 预喷油量对 NOx 排放量的影响(c) Effect of pilot injection fuel mass on NOx emissions(d) 预喷油量对 soot 排

27、放量的影响(d) Effect of pilot injection fuel mass on soot emissions图 9 预喷油量对柴油机燃烧排放特性的影响Fig.9 Effect of pilot injection fuel mass on diesel enginecombustion and emission characteristics由图 9 可知，随着预喷油量的增加，预喷阶段缸内压力和温度升高，而主喷阶段缸内压力和温度降低。这是由于在主喷燃油燃烧之前，预喷燃油开始燃烧，预喷油量越多，燃烧越充分，故预喷阶段缸内压力和温度越高。与此同时，预喷阶段缸内压力和温度的升高会缩短

28、主喷阶段燃油的滞燃期，降低预混合燃烧与扩散燃烧的比率，使主喷燃烧更加柔和，故主喷阶段的缸内压力和温度降低。在排放物生成方面，随着预喷油量的增加，NOx 排放量逐渐降低，而 soot 排放量逐渐升高。这是因为预喷油量的增加会使得主喷阶段的滞燃期缩短、缸内温度降低，同时主喷油束也因卷吸了预喷燃油而抑制了放热率的增大，故 NOx 排放量逐渐降低。 soot 排放量逐渐升高的原因在于预喷油量的增加使得预喷阶段消耗的氧含量增大，造成了主喷阶段氧浓度下降，一方面会明显缩短主喷阶段燃油的滞燃期，减小燃料与空气的混合时间；另一方面会使得燃烧后期的soot 不能得到很好的氧化，故最终造成了 soot 排放量的升

29、高。靴形喷油速率耦合不同预喷油量对柴油机动力性和经济性的影响如表 4 所示。由表可知，随着预喷油量的增加，柴油机的功率（扭矩）逐渐下降，而油耗率逐渐增大，即柴油机的动力性和经济性均逐渐恶化。相比于预喷脉宽为 0.3ms，预喷脉宽为0.5ms 时的功率（扭矩）下降了 4.14%，油耗率增大了 4.32%。这是由于随着预喷油量的增加，一方面使得预喷阶段放热增加，压缩负功增加，造成了主喷阶段燃油量和放热量的减少；另一方面使得放热重心推迟，燃烧持续期加长，造成了混合气燃烧的等容度减小，燃烧效率下降，故最终导致了柴油机动力性和经济性的恶化。表 4 预喷油量对柴油机动力性和经济性的影响Tab. 4 Eff

30、ect of pilot injection fuel mass on diesel enginepower and economy performance预喷脉宽/ms功率/kW扭矩/Nm耗油率/g(kWh)-10.3 31.4 199.6 195.20.4 30.6 195.0 199.90.5 30.1 191.3 203.73.3 靴形喷油速率耦合不同预喷提前角对超高压共轨柴油机性能的影响为分析靴形喷油速率耦合不同预喷提前角对超高压共轨柴油机性能的影响，针对三种预喷提前角（15CA、13CA 以及 11CA） ，分别进行计算，得出的靴形喷油速率耦合不同预喷提前角对柴油机燃烧排放特性的影

31、响如图 10 所示。 (a) 预喷提前角对缸内压力的影响(a) Effect of pilot injection advance angle on cylinder pressure(b) 预喷提前角对缸内温度的影响(b) Effect of pilot injection advance angle on cylinder temperature(c) 预喷提前角对 NOx 排放量的影响(c) Effect of pilot injection advance angle on NOx emissions(d) 预喷提前角对 soot 排放量的影响(d) Effect of pilot i

32、njection advance angle on soot emissions图 10 预喷提前角对柴油机燃烧排放特性的影响Fig.10 Effect of pilot injection advance angle on diesel enginecombustion and emission characteristics由图 10 可知，随着预喷提前角的增加，缸内压力和温度均逐渐降低，且达到各自峰值的时间均有所提前。这是由于当预喷提前角增加时，此时缸内初始温度较低，尽管滞燃期增大，但其燃烧始点仍然较为提前，并且远离上止点，预喷阶段燃烧速率较低，减弱了主喷阶段燃油燃烧的活化作用，故导致了

33、缸内压力和温度的降低。缸内压力和温度达到各自峰值的时间均有所提前的原因是当预喷提前角增加时，缸内燃油提前进行预热，吸收的热量相对较多，达到着火点的时间提前，而且由于燃料混合充分，燃烧更加迅速平滑，因此缩短了缸内压力和温度达到各自峰值的时间。在排放物生成方面，随着预喷提前角的增加，NOx 排放量和 soot 排放量均逐渐降低。NOx 排放量逐渐降低是因为预喷提前角的增加，一方面使得在预喷阶段的预喷射燃油被喷入挤流区，部分燃油不能完全燃烧，预喷阶段燃烧放热量减少，缸内温度下降；另一方面使得在主喷阶段缸内温度不能快速达到高温条件，主燃烧反应的温度也降低，故最终导致 NOx 排放量的降低。soot 排

34、放量逐渐降低则是由于预喷提前角增加后， ， 预喷阶段燃烧时间延长，使得燃油与缸内空气有足够的混合时间，提高了空气利用率，形成了更多的均匀可燃混合气，导致主喷阶段燃油燃烧更加充分造成的。同时由图可以发现，随着预喷提前角的增加，燃烧和排放参数的变化均不明显，这是由于预喷油量的限制造成的。靴形喷油速率耦合不同预喷提前角对柴油机动力性和经济性的影响如表 5 所示。由表可知，随着预喷油提前角的增加，柴油机的功率（扭矩）逐渐下降，而油耗率逐渐增大，即柴油机的动力性和经济性均逐渐恶化。相比于预喷提前角为 11CA，预喷提前角为 15CA 时的功率（扭矩）下降了3.21%，油耗率增大了 3.11%。这是由于预

35、喷提前角的增加，一方面使得燃油在压缩上止点前很远的位置上就开始燃烧，抑制了柴油机活塞的压缩过程，另一方面使得放热重心推迟，增加了燃烧持续期，导致混合气燃烧的等容度减小，燃烧效率降低，故最终造成了柴油机动力性和经济性的恶化。表 5 预喷提前角对柴油机动力性和经济性的影响Tab.5 Effect of pilot injection advance angle on diesel engine power and economy performance预喷提前角/CA功率/kW扭矩/Nm耗油率/g(kWh)-115 30.2 192.0 203.013 30.6 195.0 199.911 31.

36、1 198.1 196.74 结论1）超高压共轨系统能够通过加装在共轨管和喷油器之间的电控增压器，将燃油压力放大至超高压状态，并且通过调整电控增压器电磁阀和喷油器电磁阀的开启时间，实现喷油速率的柔性可调。2）随着喷油速率由矩形变化到靴形，柴油机缸内压力、温度以及 NOx 排放量均逐渐降低，而soot 排放量逐渐升高，且靴型喷油速率可使得柴油机获得最大的功率（扭矩）和最低的油耗率。 3）靴形喷油速率耦合较小的预喷油量可以使柴油机获得更好的动力性、经济性和燃烧特性，但同时也会导致 NOx 排放量的 升高。4）靴形喷油速率耦合较大的预喷提前角有助于改善柴油机排放特性，但受到预喷油量的限制，效果并不明

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