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高速直喷柴油机采用高喷油压力提高升功率的潜能(下)

日期: 2019-03-04
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图24所示为喷油压力从160MPa提高到200MPa时升功率的提高与增压压力及爆压之间的关系。与之前低升功率分布的区域相比 ,喷油压力增大后产生不同的变化。


1、增压压力低爆压高时 ,升功率增加量很小(3kW/L)如图22所示 ,在该区域为达到高爆压喷油提前角增大。因 此 ,喷到燃烧室外部的燃油量增大带来高燃油密度和高碳烟排放。随着喷油压力升高 ,喷到燃烧室外部的燃油量更高 ,削弱了高喷射压力带来的优势。

2、增压压力高爆压低时 ,升功率比之前区域的高一些(4~6kW/L)。为限制爆压燃烧相位延迟 ,而喷油压力的升高有助于改善燃烧相位。

3、图24表明同时增大爆压和增压压力时提高喷油压力可显著提高升功率(>7kW/L)(箭头所指斜线部分)。

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图24喷油压力从160MPa增大到200MPa时升功率增加


当喷油压力与高爆压高增压压力结合起来可大大提高喷油压力对于提升升功率的潜能。研究中没有规定爆压及增压力的限制范围。

突破技术极限达到更高的升功率


为达到升功率90kW/L的目标 ,要用到之前的结果趋势来规定比现在乘用车更高的增压压力和爆压。燃油喷射压力由DelphiDiesel Systems提供的燃油喷射系统所决定 ,最高可达250MPa。


正因 为现在的乘用车受到机体热机负荷的限制 ,所以开发了一台可以承受高热机负荷压力的新单缸机。3号机由之前单缸机演变而来 ,其燃烧系统作了以下几个方面的优化:

1、压缩比从18:1降低到14:1。压缩比降低允许全负荷工况下在爆压相同时改善燃相位 ,从而在部分负荷时通过降低燃烧温度减少NOx排放。

2、在规定喷油器技术(NTP、喷孔锥角、喷孔数、燃油速率)的同时对燃烧形状进行优化以便兼顾部分负荷时最大升功率的要求。

3、为了保证部分负荷与全负荷有更好的折衷 ,精选出的喷油速率为0.64l/min@10MPa(对于升功率90kW/L而言该值非常低)。相比之前发动机对喷孔几何形状也作了优化 ,相同的喷油速率和喷孔数目下 ,优化后的方案喷孔直径更小。

试验一在喷油压力250MPa ,、增压压力0.34MPa、爆压20MPa下进行。这些值的选取是为了在碳烟限值3FSN内获得最大的升功率。

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图25 4000rpm全负荷碳烟限值3FSN的3号机最大升功率


试验一在平常的增压压力(0.28MPa)、爆压(17MPa)及喷油压力(180MPa)基础上  逐渐增大各个变量。在这些基础设置时得到的升功率为70.6kW/L(图25)。保持增压压力及爆压值不变 ,喷油压力从180MPa增大到250MPa升功率提高了9.9%达到77.6kW/L(图9分析结果)。当爆压由17MPa增加到20MPa ,增压压力和喷油压力均保持不变时 ,升功率提高了3%。这是因 为提高爆压对改善燃烧效率和最大燃空当量比的影响较小:对于压缩比14:1 ,进气压力0.28MPa ,爆压20MPa时的喷油时刻已经超过了最佳值。最后 ,增压压力从0.28MPa提高到0.34MPa ,升功率提高了15%。在爆压(20MPa)增压压力(0.34MPa)、及喷油压力(250MPa)均为最大值时达到了碳烟限值3FSN内非常高水平的升功率(92.3最及大燃空当量比。需要特别引起注意的是此时爆压或增压压力均比之前试验一时高 ,原因 之前部分已作过解释。附录部分的图26和27显示了更多的细节。


试验一结果展示了将喷油压力与爆压和增压压力结合起来并同时增大时升功率连续增加的结果。这让我们相信如果突破以前的技术限制升功率将得到更进一步的提升。


结论

发动机小型化是一种备受关注的提高升功率的同时能够降低油耗降低CO2排放的途径。试验一研究确认了全负荷工况高喷油压力对于提升升功率的潜能。增大喷油压力对提高升功率的贡献主要有以下两个方面:

1、较低的碳烟排放使得燃空当量比增加

2、混合控制燃烧阶段速度加快使得燃烧效率提高。

上  述影响在喷油压力从160MPa提高到250MPa时突显。功率输出变化没有停滞。如果喷油压力提高到250MPa更进一步的升功率研究。


高喷油压力可充分利用燃烧速率增大的优势。与此相比 ,增大孔径对于升功率的提升是有限的。通过增大孔径提高燃油速率使得喷射过程中燃空当量比增大 ,但会使得碳烟排放增加 ,因 此限制了升功率的提高。当碳烟后期氧化过程不再是限制因 素 ,这种影响在部分负荷时的受控制的扩散燃烧阶段非常重要。部分负荷时 ,喷孔直径增大碳烟排放增加。所以部分负荷与全负荷最好的折衷方案是提高喷油压力。


若想获得更高的升功率 ,结果表明在增大喷油压力的同时提高爆压和增压压力是非常重要的。在一台专门设计的可承受高强度的热机负荷的单缸机上   ,通过结合高增压压力(0.34MPa)高爆压(20MPa)以及高喷油压力(250MPa)最终达到了90kW/L升功率的目标(最大升功率为92.3kW/L)。该水平的性能是通过综合考虑部分负荷要求下的燃烧和喷射系统获得的 ,该结果是在柴油机应用上  为减少燃油消耗实现更先进的小型化概念迈出的第一步。


参考文献

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9. Bruneaux, G, 'Mixing Process in HighPressure Diesel Jets by Normalized Laser Induced Exciplex Fluorescence Part I:Free Jet', SAE 2005-01-2100,2005.

10. Bruneaux, G, 'Mixing Process in HighPressure Diesel Jets by Normalized Laser Induced Exciplex Fluorescence Part II:Wall Impinging Versus Free Jet', SAE 2005-01-2097, 2005

11. Siebers, D.L., 'Liquid Phase FuelPenetration in Diesel Sprays', SAE 980809, 1998.

12. Siebers, D.L., 'Scaling Liquid PhaseFuel Penetration in Diesel Sprays based on Mixing Limited Vaporization',SAE 1999-01-0528, 1999.


附录

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图26 爆压的影响

P2=0.28MPa FP=250MPa 3FSN Engine3

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图27 喷油压力的影响

FP=250MPa Pmax=20MPa 3FSN Engine3


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