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483ZQ型柴油机缸内流动分析及喷射系统参数的优化

李红洲  
【摘要】:汽车柴油化是汽车发动机发展的一大趋势。柴油机具有热效率高、易于实现废气涡轮增压、油耗低、扭矩大、可靠性高、使用寿命长等优点,受到了各汽车厂家的高度重视。随着人们对能源危机和环境问题的认识越来越深入,人们对汽车使用中的经济性和排放性越来越重视。由于柴油机的燃油经济性明显好于汽油机,因而柴油机的排放污染越来越人们的重视。虽然柴油机的HC、CO的排放比和排放耐久性都优于汽油机,但NOX排放量却不如汽油机。更有甚者,微粒(PM)的排放量却是汽油机的几十倍甚至更多。如何降低柴油机的NOX及微粒的排放量,是当前亟待解决的问题。 柴油机的燃烧过程和排放特性主要取决于柴油机气缸内混合气的形成,而气缸或燃烧室内的气流运动和燃料的喷雾特性是影响柴油机混合气形成和燃烧过程的两大重要因素。因此本文利用AVL公司提供的FIRE软件,对车用直喷式柴油机的缩口低排放型燃烧室内流场进行了数值模拟计算分析。通过计算分析和排放对比试验结果,进一步明确轻型车用柴油机之所以采用缩口低排放型燃烧室,是由于其使用转速范围高,混合气形成和燃烧时间短,要求混合气形成时间和扩散燃烧过程加速。对应的措施就是采用Ⅱ型燃烧室,这种燃烧室能有效的控制和强化燃烧室内的气流运动,从而提高混合气形成的质量 。 通过对缩口低排放型燃烧室不同结构形状的数值模拟计算分析可知,当改变中央突起的凸台形状时,对燃烧室内的气流运动分布规律以及涡流强度保持性具有较大影响,选取适合样机的凸台形状可以有效的降低柴油机的排放。发动机转速的变化对燃烧室气流运动分布规律没有影响,但对气流运动速度、涡流强度有很大的影响,随着转速的增加,气流速度增加、涡流强度增强;转速对发动机的排放也有很大的影响,随着转速的增加CO和HC的排放量增加,而NOx的排放量降低,燃烧有恶化的趋势。在挤流区靠近气缸壁边缘处设置适当的环形小容积时在涡流强度保持性基本保持不变的条件下,有效地改善燃烧室内的气流运动分布特性和强度,有利于控制高速大负荷区的CO、HC排放和排气烟度。对于这些不同气流分布特性的燃烧室进行台架对比试验的结果表明,燃烧室内不同气流特性和强度,对柴油机的排放特性影响比较明显。当控制喷射初期燃烧室内的气流强度时,可有效的抑制NOx排放,同时提高涡流强度的保持性,有利于降低CO和HC排放。但是,尽管缩口低排放型燃烧室的涡流 WP=74 保持性较好,但燃烧室内的气流运动分布特性,特别是Ⅱ型燃烧室,使得在膨胀过程中燃烧室缩口处形成明显的涡旋气流运动,所以在大负荷区,这种涡流强度较大时不利于CO和HC的排放。这说明在组织燃烧室内的气流运动时,不仅要提高涡流强度的保持性,还要组织燃烧室内合理的气流运动分布特性与之相配合,才能达到有效控制排放的目的。 为了有效利用缩口低排放型燃烧室的结构特点,进行了供油(喷油)系统参数与燃烧室的优化匹配试验研究。对于喷油泵,主要改变柱塞直径和喷油泵凸轮升程。对于一定的供油量,柱塞直径和凸轮升程的不同,都改变供油规律和供油延迟时间。对比试验表明,对一定形状的缩口低排放型燃烧室,柱塞直径的变化对柴油机性能和排放特性的影响更明显。对喷油器喷孔直径进行匹配试验表明,喷油器喷孔直径减小,喷油压力大,喷油时间延长,燃烧时氧的浓度要高于大孔径喷油器,燃烧相对比较完全,导致其NOX排放的增加;中小负荷范围内,喷孔直径的变化对CO排放影响不大,但是在大负荷时,对一定的启喷压力随喷孔直径的增加,有效喷射面积增加,雾化条件变差,所以CO排放量增加,在高速大负荷时,喷孔直径对CO排放影响更明显;减小喷孔直径能在一定程度上降低HC排放;喷孔直径对燃油消耗率的影响在高转速小负荷时比较明显,即喷孔直径增大改善燃油消耗率,而在大负荷和高转速时,喷孔直径对油耗基本不影响;这是因为在高转速下,低排放型燃烧室内的涡流强度增强,改善了混合气的形成条件,喷孔直径增大时,单位时间喷射速率高,喷射时间短,提高了燃烧效率,同时相对一定的HC排放,NOX排放量增加。对供油提前角的优化匹配实验表明,对于这种燃烧室,在2200r/min以下对于的最佳供油提前角为8°CA BTDC,在额定工况下(3300r/min)的最佳供油提前角也只有12°CA BTDC左右,这说明这种燃烧室对喷注的喷射位置要求比较高,它在整个转速范围内最佳供油提前角的变化范围很小。


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