通过喷油规律造型改善柴油机燃烧

【奥地利】 B.Graziano B.Heuser P.Grzeschik



燃油系统

通过喷油规律造型改善柴油机燃烧

【奥地利】 B.Graziano B.Heuser P.Grzeschik

优化喷油参数是进一步开发柴油机的重点。亚琛工业大学内燃机教授开发了一种喷油规律造型具有极好柔性的喷油器样品。这种喷油器在压力罐中和单缸柴油机上的试验证实了其改善喷油器针阀开启时间可以进一步降低废气排放的潜力。

喷油器模块化 针阀开启 节能减排

1 起因

为了满足严厉的CO2排放法规要求，缓解氮氧化物(NOx)与碳烟排放之间的目标冲突，有必要开发高效的动力装置。柴油机燃烧的有害物排放要满足当今和未来欧洲废气排放标准是个难题。在部分负荷运行时采用高废气再循环(EGR)率和高增压压力能有效改善柴油机NOx与碳烟排放之间的冲突。最佳的喷油策略与数字化喷油规律造型相结合，使颗粒排放与燃烧噪声协同降低[1-2]。Matsumoto等人已表明，优化喷油系统是达到上述目标的重要因素之一[3]。正在进行的试验研究目的在于将压力调制系统完全集成在轿车柴油机喷油器中，以便保持在系统复杂性不变的情况下实现高效的喷油规律造型。亚琛工业大学(RWTH Aachen University)内燃机教授为这种用途设计了一种“HiFORS”(高压/快速开启/喷油规律造型)喷油器样品，将高达250MPa 喷油压力与柔性好、开关闭时间短的喷油规律造型相结合而开发的，尽可能避免不利的针阀座节流。虽然汽车工业当前致力于开发不连续的喷油规律造型，但现已开发出可连续造型的具有模块化结构喷油规律的喷油器，与传统喷油器相比，明显降低了压力室节流对混合气形成的影响[4]。

2 喷油器的模块化方案

开发HiFORS喷油器的目的是将模块化零部件方案的高设计灵活性与喷油器功能的灵活性结合起来,用独立的模块实现个别的喷油器功能(图1)。HiFORS喷油器可分成驱动组件、伺服液力组件和喷油嘴组件3个主要模块。这些模块由紧固套彼此相互连接，即使在最高喷油压力下也能确保足够高的接触压力。驱动组件由1个连接体包裹着，连接体中还包含高压进油道、回油道、集成的传感器电插头和压电执行器等。为了在试验研究时确保与量产喷油器的可比性，应用了批量生产的喷油嘴。连接体中的压电元件的伸长行程通过过渡模块传递给紧接其后的伺服液力组件。

伺服液力组件(图2)可转换喷油规律的形状。压电阀(预控制阀)将压电模块的伸长行程转换成控制压力(psteuer)，控制压力操纵主阀，再将喷油压力(pinj)传至喷油嘴组件。喷油嘴组件由喷嘴偶件、连接板、喷嘴体及其喷嘴弹簧组成。另外,喷油嘴体中还集成了电感式针阀升程传感器和测量喷油压力的电阻应变片。这样的结构型式采用相应的算法能调节喷油规律形状。这种喷油器的特点在于始终能使喷油嘴针阀非常迅速地开启和关闭。为了改善高负荷运行时喷雾油束的动量即混合气形成，对喷油规律造型形成决定了节流部位的主阀远离针阀座布置。

3 缩短喷油嘴针阀开启时间的优点

HiFORS喷油器的试验在高压罐和单缸试验用柴油机上进行。图3示出了可透过光线的高压罐，有关光学试验装置的详细情况可参阅参考文献[5-6]。

喷油规律造型的试验在5 MPa气压和800 K温度下进行，以便调整到喷油开始时的柴油机运行边界条件。在120 MPa和180 MPa喷油压力下用HiFORS喷油器进行斜坡形、靴形和矩形喷油规律的试验，并规定斜坡形喷油规律的斜坡持续时间为1 ms固定不变,与总喷油持续时间无关。

用于高压罐上的光学测量技术由OH-化学荧光测量技术与纹影图像摄影组合而成，其目的是要能同时确定喷束的贯穿长度、气态混合长度和扩散上升高度，并在所有负荷工况点对HiFORS喷油器与量产的基准喷油器进行比较，从而证实HiFORS喷油器节流和普通喷油器针阀座节流不同的喷射工作能力。图4示出了喷油规律变化的测量结果，左侧是HiFORS喷油器喷油规律和喷油压力变化时的情况，右侧是HiFORS喷油器和基准喷油器边界条件变化时的情况。HiFORS喷油器的喷油持续时间已进行了调整，以便能喷射与基准喷油器相同的燃油量。

图4a、b示出着火时刻喷束的贯穿长度。从这两张曲线图中可以看出，在喷油量较小，空气压力和温度较低时混合气首先着火，随后喷油结束，所有的燃油转化为气态。对于HiFORS喷油器从矩形喷油规律转换到靴形喷油规律时,在给定的喷油压力下相同喷油量的喷油持续时间增长。180MPa喷油压力的曲线表明，除了靴形喷油规律之外，喷油规律不同时发展完全的喷束能够达到相当的贯穿长度。由于靴形喷射开始时其喷嘴压力明显较低，这是由喷束动量降低所引起的，减小了喷射燃油的出口速度。这种趋势在较低的共轨压力下是观察不到的，此时不同的喷油策略呈现出相同的结果。图4示出了所考察的2种喷油器在120MPa喷油压力下,不同运行条件时的喷束贯穿长度。为了具有可比性，仅示出了矩形喷油规律的曲线。第1种试验运行是在高压罐中气压5MPa和温度800K下进行的，相当于低部分负荷运行喷油开始时的情况，其他2种高压罐中的边界条件相当于部分负荷非常高时的运行情况。可以看到，在较低的负荷下，HiFORS喷油器和基准喷油器发展完全的柴油喷束的贯穿长度相似，但在相同的喷油量下HiFORS喷油器针阀开启时间较短，能够较快地形成锥形喷束，这种趋势在高负荷下表现得更为明显。

图4c、d示出的是气态混合扩散上升高度的状况，图4c是HiFORS喷油器在不同共轨压力下喷油规律形状对气态混合扩散上升高度的影响。对于所试验的最高共轨压力，3种不同喷油规律形状之间存在着明显的差别，矩形喷油规律因具有较强烈的喷束动量达到了最大气态混合扩散上升高度，使用其他喷油规律时气态混合扩散上升高度明显比前者低，随着喷油压力的降低，气态混合扩散上升高度对于所选用的喷油规律不太敏感。从图4d中可看出，气态混合扩散上升高度主要受高压罐中热力学边界条件的影响，这在较早期的研究中就已明确[5-7]。与基准喷油器相比，采用HiFORS喷油器改善气态混合扩散上升高度的效果仅在最低的负荷工况点才能观察到，而在较高压力和温度下两种喷油器的锥形喷束的发展几乎相同，这就证实气态混合扩散上升高度绝大多数与喷油量和喷油持续时间无关。

在气态混合扩散上升高度和贯穿长度方面产生差异主要在于气态混合长度，其情况示于图4e、f中。高喷油压力和矩形喷油规律导致气态混合长度增加，从而改善混合气形成过程，采用矩形喷油规律来达到较大的气态混合扩散上升高度(图4e)。如图4f所示，与基准喷油器相比，由于针阀开启和关闭时间较短，在较小的喷油量以及较低的环境压力和温度下HiFORS喷油器有助于增加气态混合长度。但是，在高压罐中较高的压力和温度下两种喷油器之间的差异可忽略不计，仅在高压罐中最高温度900K和压力10MPa情况下，基准喷油器因针阀座面的节流在气态混合长度方面表现的稍好。

4 在单缸试验发动机上进行台架试验

基于光学测量结果，HiFORS喷油器喷射时间较短，并且在低负荷工况点气态混合长度增大。高负荷工况点，在喷油过程期间就已开始燃烧，基准喷油器因其针阀座面处的节流减小喷油过程开始时的贯穿长度而获益。因为贯穿长度短，其喷束液态核心不会一直伸展到燃烧区域，从而获得较长的气态混合长度，凭借光学测量无法判断，能否补偿HiFORS喷油器喷油持续时间较短的优点，所以第2步就要用这两种喷油器进行发动机台架试验。试验所采用的4气门单缸柴油机压缩比为15，排量为390mL。对HiFORS喷油器进行4个运行工况点的试验，其中3个运行工况点选择C级轿车在新欧洲行驶循环(NEFZ)中具有代表性的工况点。发动机的标定保持基准标定的燃烧重心位置不变，而该基准燃烧重心位置是用接近量产的压电喷油器不使用废气后处理装置，并满足欧6标准NOx排放限值要求确定的，有关发动机标定的详细情况在较早期的研究中已介绍[7-8]，表1中列出了各种不同运行工况点最重要的发动机标定参数。

表1 单缸试验用柴油机的特征负荷工况点

主要的试验工作已被转换成用于4个负荷工况点的EGR方案。这些负荷工况点在应用是否带预喷射的压电喷油器以及HiFORS喷油器(不带预喷射)的情况下进行试验，而基准喷油器则采用接近量产但可变的(开放式)发动机电控单元进行控制。

如图5所示，与基准喷油器相比，在这些试验中NOx-碳烟之间的协调在应用矩形喷油规律的情况下得到了改善，没有引起燃烧噪声和指示效率的恶化，在相同的NOx排放水平下烟度比基准喷油器降低约达50%，在中等和高负荷工况点未燃碳氢化合物(HC)和CO降低约70%，而在降低碳烟排放与燃烧噪声之间的目标冲突中，良好的标定不会引起NOx、HC、CO和燃油耗升高的要求。

5 结论

HiFORS样品喷油器是一种具有高度柔性的试验研究工具,可用于开发现代柴油机的燃烧系统,并在液力试验台和单缸试验用柴油机上进行了试验验证,与具有相同喷油嘴结构型式接近量产的压电喷油器相比,其试验结果可归纳如下：(1) 在相同的喷油量情况下HiFORS喷油器能更快地形成锥形喷束；(2) 因针阀开启时间较短，对5 MPa压力和800 K温度下的混合气形成过程能产生较好的改善效果；(3) HiFORS喷油器具有高喷油压力，与矩形喷油规律相结合能够改善混合气形成过程；(4) HiFORS喷油器有助于在喷油量较小时形成较长的气态混合长度。

这种新型喷油器对发动机运行的良好效果已在单缸试验用柴油机上进行了试验分析，并将其结果与具有相同喷油嘴结构型式接近量产的压电基准喷油器进行了比较。试验研究证实，在降低NOx与碳烟排放之间的目标冲突，并与基准喷油器相比，HiFORS喷油器的废气排放水平得到了明显的改善，并呈现出相似的燃烧噪声和更低的HC、CO排放。

[1] Grzeschik P. [D]. Dissertation, intern im lehrstuhl für verbrennung-skraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen University weitergeleitet， 2014.

[2] Kremer F. Verbrennungsratenregelung durch mehrfacheins-pritzung im dieselmotor[D]. Dissertation, RWTH Aachen Unive-rsity， 2013.

[3] Matsumoto S, Date K, Taguchi T,u.a. Der neue diesel-magnetventil-injektor von Denso[J].MTZ, 74,2013: 146-150.

[4] Predelli O, Gratzke R, Sommer A, u.a. Kontinuierliche einspritzverlaufsformung in pkw-dieselmotoren-potenziale, gren-zen und realisierungschancen[C]. 31th Internationales Wiener Motore-nsymposium, 2010.

[5] Graziano B, Jakob M, Kremer F, u.a. Investigation on the Ignition sensitivity of 2-MTHF, heptane and di-n-butylether[C]. Tagungsbericht European Combustion Meeting, Lund， 2013.

[6] Jakob M, Klein K, Graziano B, u.a. Simultaneous shadow-graphic and chemiluminescent visualization to determine the mixture formation quality and ignition stability of diesel engine related surrogate fuels[C]. 14th Tagung Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors, Graz， 2013.

[7] Heuser B, Kremer F, Pischinger S. Optimization of diesel combustion and emissions with tailor-made fuels from biomass[C].SAE Paper 2013-24-0059.

[8] Grzeschik P， Laumen H J. A new passenger car diesel injector with continuous rate shaping for 2500 bar injection pressure[J]. PTNSS Combustion Engines， 157(2)，2014.

范明强 译自 MTZ，2015，76(3)

何丹妮 编辑

2015-04-19)