通过优化燃烧系统改善柴油机燃油消耗和排放的研究

通过优化燃烧系统改善柴油机燃油消耗和排放的研究

美国非公路车用设备第4阶段排放标准（Tier 4 Final）与第三阶段（Tier 3 Final）相比，要求各种排放减少90%以上。各柴油机生产商设计出的新型发动机和后处理系统需符合排放法规。韩国斗山重工开发了一款2.4L紧凑型柴油机，其可用于装载机、叉车等工程车。该柴油机虽未配备柴油颗粒过滤器（DPF），但具有超低颗粒物排放，因而又被称为D24 ULPC柴油机，其可以很好地符合Tier 4 Final排放法规。在此基础上，借助试验和仿真方法，通过优化喷油嘴喷射流量、进气涡流比以及活塞碗几何形状，进一步改善D24 ULPC柴油机的燃油消耗和排放。

试验时，采用奥地利AVL公司生产的Dynoexact APA 202-12主动测功机，并在测功机上配备静压轴承和高动态转矩控制系统，柴油机配备高压共轨电控直喷系统、废气涡轮增压系统和高压回路冷却废气再循环系统。采用AVL i60排放分析仪、AVL 415S烟度计测量排放，采用AVL Indicom测量缸内压力，采用AVL 735S油耗仪测量燃油消耗。试验采用两种不同规格的喷油嘴，两种喷油嘴倾斜角度均为142°。一种喷油嘴直径为0.115mm，喷射流量为580mL/min，并将其设为基准；另一种喷油嘴直径为0.127mm，喷射流量为638mL/min。结果显示，喷油嘴喷射流量增大，颗粒物排放略有降低，NOx排放略有增加，燃油消耗约增加2%。之后设定-0.4、-0.2、0、0.2、0.4这5个进气涡流比，结果显示进气涡流比增加，可提高柴油机的热释放率，改善燃油经济性。同样，颗粒物排放随之降低，NOx排放则略有增加。通过三维计算流体力学（CFD）软件进行模拟，优化燃烧系统。模拟时，湍流模型采用RNG模型、燃烧模型采用二次破碎模型，NOx排放分析基于扩展的泽尔道维奇（Zeldovich）生成机理，颗粒物排放量采用Khan-Hiroyasu-Belardini模型。将喷油嘴喷射流量和进气涡流比优化结果与试验结果进行对比，模拟结果与试验结果相似。最后，利用CFD软件对图1所示的4个活塞碗主要参数进行优化。结果显示，活塞碗几何形状显示出改善燃油消耗的巨大潜力，燃油消耗改善将超过6%。

图1活塞碗几何形状的主要参数

Dockoon Yoo et al.SAE 2015-01-0785.

编译：王祥