高轨压燃烧系统对车用柴油机性能及排放的影响研究

马勇 解亮 南出勇

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，合肥 230601）

主题词：柴油机 高轨压燃烧系统 排放

1 前言

随着技术的不断更新，发动机燃油供给系统进入了共轨时代，而燃油共轨喷射压力是影响发动机燃烧的关键因素。共轨压力越大，喷嘴喷射油束雾化效果越好，油气混合更加均匀，更有利于发动机燃烧，从而提高发动机性能和降低污染物排放量[1]。

发动机的燃烧与燃油、空气的混合密切相关，所以单纯提高轨压只能实现部分燃烧优化，若要实现最佳状态的缸内燃烧，还需选择最佳的燃烧室和气道与之匹配。柴油机燃烧过程中油、气、室三方作为一个整体参与燃烧过程，并以整体的匹配最佳与否来决定发动机性能的优劣[2-6]。

本文对一款发动机的轨压进行提升，分析了轨压提升对发动机在世界统一的稳态测试循环（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC）工况点的油耗和排放的影响，并对发动机的燃烧室和气道进行了优化，选择最佳的燃烧室和气道与之匹配，实现了对发动机性能和排放的改善。

2 试验样机

试验样机为HFC-4D27型柴油发动机，该发动机可以达到GB 17691—2005中第五阶段排放法规标准，其技术参数如表1所示。

2.1 燃油供给系统

该柴油机燃油供给系统如图1所示，主要包括高压油泵、高压油轨、喷油器、高压油管、低压进回油管等部件。轨压和喷油器油嘴参数是影响燃油系统的关键因素：轨压直接影响喷雾粒子直径、喷雾贯穿距等，从而影响油气混合效果；喷油器的油嘴参数（孔径、流量、喷雾锥角等）需要与气道、燃烧室很好地匹配，才能实现更好的油气混合效果。

表1 HFC-4D27型发动机技术参数

图1 燃油供给系统结构

2.2 进气道结构

该发动机采用双气道结构，为实现更高的涡流比和流量系数，采用双切向气道、菱形布置方案，如图2所示。双切向气道能产生很高的涡流强度和流量系数。

图2 双切向气道结构示意

为匹配更高轨压的燃油供给系统，设计了2种气道方案：方案1涡流比大、流量系数小，涡流比为2.6，流量系数为0.33；方案2涡流比小、流量系数大，涡流比为2.0，流量系数为0.35。

2.3 燃烧室结构

柴油机燃烧室设计通常要考虑轨压、气道涡流强度、油束喷雾锥角、油束落点高度等参数，如图3所示。

燃烧室设计方案的选择主要考虑以下几个因素：

a.通过综合考虑动力性、发动机起动性能和排放特性来选定压缩比；

b.尽量加大燃烧室容积，提高容积比，减小有害容积；

c.选择适当的喉口直径和深度。

图3 油束和燃烧室的匹配

根据气道涡流比、喷油轨压等参数，设计了2个燃烧室方案，主要区别在于喉口直径和中心凸台锥角。方案1燃烧室喉口直径和中心凸台锥角更小，方案2与之相反，燃烧室结构趋于扁平化，如图4所示。

图4 2个燃烧室设计方案

3 测试工况

随着国六排放法规的逐步推进，重型车排放测试循环由原来的欧洲稳态测试循环（European Steady-state Cycle，ESC）、欧洲瞬态测试循环（European Transient Cycle，ETC）调整为更接近整车路谱的WHSC、世界统一的瞬态测试循环（World Harmonized Transient Cycle，WHTC），同时增加了世界非法规工况排放要求（World-Harmonized Not-To-Exceed，WNTE）补充测试工况、世界瞬态整车转毂测试循环（Adapted World Transient Vehicle Cycle，C-WTVC）并增加车载排放系统测试的要求。相对于国五排放标准，国六测试循环更加倾向于低速、低负荷区域，要求后处理系统在较低的温度就有较高的转化效率，同时对发动机裸机排放有更高的限值要求。

为更好地满足国六排放法规要求，采用WHSC测试循环中的特殊工况点（见图5）进行试验，并基于WHSC测试循环的加权值进行对比分析。

图5 WHSC测试循环工况点

4 试验研究

4.1 高轨压试验结果对比

为研究更高轨压对发动机油耗和排放性能的影响，在喷油器油嘴参数（包括孔数、流量、锥角等）保持不变的条件下，将轨压提升至200 MPa，同时调整喷油提前角、EGR阀开度，对油耗和碳烟排放量进行扫描。

从WHSC测试循环中选择2 900 r/min（340 N·m）、2 115 r/min（360 N·m）、2 115 r/min（180 N·m）3个特殊工况点进行对比试验，试验结果如图6～图8所示。可以看出，200 MPa轨压相对于180 MPa轨压，NOx排放量控制在4～6 g/(kW·h)范围内，柴油机碳烟（Soot）排放降低20%～30%，表明更高的轨压使喷雾粒子雾化效果更好，更加有利于燃烧及改善碳烟的排放。同时在高负荷点，高轨压可使油耗降低0.8%左右，而在部分负荷点，高轨压却不能达到节油的效果。

图6 2 900 r/min（340 N·m）工况点对比

由上述分析可知，采用高轨压燃烧系统后，在中、高转速区域能明显降低颗粒物排放，对油耗也有明显改善，但在中、低转速区域对油耗改善并不明显，主要是由于发动机在低速、低负荷区域并不需要高轨压，一定的轨压即可满足缸内的燃烧持续期要求，实现最佳的燃烧效果。

4.2 气道试验结果对比

对匹配200 MPa燃油系统、搭载2个不同气道方案的发动机进行了台架性能试验，保持其他边界参数不变，NOx排放控制在4～6 g/(kW·h)范围内。图9和图10分别为不同气道方案的发动机外特性上的比油耗和碳烟排放对比，可看出，方案2气道方案发动机油耗明显降低，同时碳烟排放也大幅度降低。由此表明，在高轨压的情况下，气道涡流比降低，流量系数提升，可使发动机燃油混合更加均匀，更有利于缸内燃烧，使更多新鲜空气进入缸内，有利于降低碳烟排放量。

图7 2 115 r/min（360 N·m）工况点对比

图8 2 115 r/min（180 N·m）工况点对比

4.3 燃烧室试验结果对比

对匹配200 MPa燃油系统、搭载2个不同燃烧室方案的发动机进行了台架性能试验，NOx排放控制在4～6 g/(kW·h)范围内，试验结果如图11和图12所示。可以看出，方案2燃烧室油耗明显更低，且在发动机转速为2 000 r/min以下时，碳烟排放量大幅降低，表明扁平化燃烧室结构方案更有利于高轨压燃油系统性能的发挥，能够优化发动机的性能和排放。

图9 2个气道方案的油耗对比

图10 2个气道方案的碳烟排放量对比

图11 2个燃烧室方案的油耗对比

图12 2个燃烧室方案的碳烟排放量对比

4.4 高轨压燃烧系统对比分析

将200 MPa燃油系统、方案2气道、方案2燃烧室组合在一起并装配到发动机上进行台架试验。利用WHSC开展测试并进行加权计算，与原燃烧系统方案进行对比。通过调整燃油主喷角、EGR阀开度，使NOx排放量控制在4 g/(kW·h)以下，试验结果如图13所示。从图13可看出，相对于原燃烧系统，高轨压燃烧系统碳烟排放量降低了约60%，油耗基本相当。优化后的发动机基本能满足国六发动机的裸机排放要求，表明高轨压燃烧系统对发动机排放有明显贡献。

图13 燃烧系统WHSC测试数据对比

5 结束语

油、气、室作为一个整体参与柴油机的燃烧过程，并以整体的匹配决定发动机性能。本文通过对高轨压燃油系统、不同气道方案、不同结构燃烧室方案的发动机进行了台架性能试验，结果表明：将最佳的气道、燃烧室、高轨压燃油系统组合在一起，新的燃烧系统组合相对于原燃烧系统碳烟排放量降低了约60%，使发动机裸机达到了国六排放要求。