电控喷油器参数对二甲醚共轨柴油机性能的影响研究.pdf

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第4l卷第3期2012年6月小型内燃机与摩托车SMALLIN’IERNALCOMBUSTlONENCINEANDM07IDRCYCLEV01．4lNo．3Jun．2012电控喷油器参数对二甲醚共轨柴油机性能的影响研究‘魏远文1段俊峰2申利峰1王嫒嫒1(1一西华大学汽车测控与安全四川省重点实验室四川成都6100392一重庆长安汽车股份有限公司)摘要：利用GT—FUEL、GT—POWER建立了电控喷油器模型和柴油机模型并进行了耦合。在标定转速和32MPa的轨压条件下，进行了喷油器变参数对柴油机燃用二甲醚性能的影响研究。结果表明，综合考虑柴油机性能，所用电控喷油器应适当减小喷孔直径和增加孔数、减小控制室容积、增大回油节流孔径和进油节流孔径。关键词：二甲醚高压共轨喷油器柴油机性能中图分类号：u464文献标识码：A文章编号：167l—063012012)03一ool8一04E脏ctofF鹏l五吣ectorPamn地te璐onPerf0珊a眦eofCo删叩岫nRailEn西mUsingDiⅡ地thylEth盯weiY咖w蚰1。D啪J咖Ilb呜2．sh蛆【jfengl-wa呜Yllan”璃n1l—VehicleMeag毗℃me呲，ContmlandSafbtyKeykIb(悯上oryofSichuanP胁ince，】【ihuaUIliVe玛ity(Chen8du，Sich啪，6l0039，Chi眦)2一Chon明ingCh明g铀AutomobdeS眦kCo．，【上d．Ab疏r翟ct：Thesimlllation删elsofdiesel锄delectmniccontmlfueliniectorwe陀e8tablislledandcoupkdinGT8—h旧阳．UndertlleoDnditi∞oftlIeratedspeed锄d320barfbrco姗onrailpress山陀。tlleeⅡbctofvaIia．bIep舢ete玛off沁linjector∞DMEengimh鹊b∞ndiscu豁ed．There8Illts8howthatit而Ubee如ctiveinordertoimprovetlIeped．om啪ceofen茚net0decreasenozzledi锄eterandincrease}Iolenumber．toredllcetlIevol啪eofc∞砌r∞m，toi眦麟lsetlledi蛐eterofZ．tIImtde锄dA．tIImmeoffheliniectorpmpedv．Key啪r凼：DimetlIyIEtII盯，H曲p唧surec咖onrail，Fuelinjector，Pe怕册锄ceofdie8e1明百m引言为了达到不断严格的节能和排放法规要求，国内外正在极力寻求柴油的替代燃料和柴油机燃烧最佳电控技术。二甲醚(DimtIIylEther，DME)具有十六烷值高，燃烧性能好，能够显著改善柴油机排放的特点，是柴油机理想的替代燃料。但是，由于DME和柴油理化特性存在差异，造成燃油在喷雾、混合和燃烧特性等方面存在较大的差别，所以需要深入研究柴油机燃用二甲醚的技术难题，如何把电控技术用于柴油机燃用二甲醚更是值得研究的新课题。本文针对zslloo柴油机采用高压共轨燃用二甲醚，分析了改变电控喷油器结构参数对柴油机性能的影响，得出相关的结论和参数推荐值，为替代燃料二甲醚的进一步研究提供参考。1模型的建立1．1电控喷油器模型本研究利用GT—FUEL建立了电控喷油器的模型，如图l所示。·基金项目：四川省科技厅资助项目(2011zR0073)；四川省教育厅资助项目(10zc056)。作者简介：魏远文(1963一)，男，教授，主要从事内燃机替代燃料及排放控制技术研究。图l电控喷油器模型 第3期魏远文等：电控喷油器参数对二甲醚共轨柴油机性能的影响研究191．2柴油机模型本研究以zslloo柴油机为研究对象，其主要技术参数见表l，利用CT—P；0WER建立了柴油机模型。裹lZSll00柴油机主要技术参数性能参数指标缸径×行程／(咖×m)110×115排量／L0．903压缩比20：l标定功率／kWlO．3(20∞r·Inin“)喷油提前角／(。cA肿C)18喷孔数×孔径／舢4×O．321．3模型耦合把在GT—FUEL中建立的共轨燃油喷射系统模型和在GT—PoWER中建立的柴油机模型复制到GT—FLow中，利用hjN0船conection进行耦合。如图2所示。进共轨管5粤-高压油．排气系统一一．·t一·?·．!．!二■j矗-●．·，·．●．-●●■■_I·曲柄连杆机构图2耦合模型2数学模型2．1碳烟排放数学模型碳烟是柴油机的主要污染物之一。本研究在燃烧模型EIlgCylC啪bDIjet中采用的是N羽e蛐dstricklalId—coIlstable方式计算碳烟的生成量。dm。dm如。dm砌d百21r一—矿碳烟的生成速率为：警=Afmhexp(一吖r)(2)碳烟的氧化速率为：等=羞咄M㈤式中，Af为反应常数；m。为燃油燃烧率；砰为活化温度；m。为纯碳烟质量；坂为碳相对分子量；p．为碳烟密度；D。为碳粒平均直径，尺TmI为表面速率／(g。．抽．(S·cm2)-1)。2．2N0，排放数学模型N0，包含N0和NO：，但主要是N0，本文只分析喷油器参数对NO的影响。N0的生成速率为：掣：2坼[N：][02](4)妊务xp(-急)(5’式中，A为频率因子；E。为活化能。2．3发动机性能参数1)有效燃油消耗率6。：堑≠(6)6c2百㈩式中，叼。为有效热效率；以为燃料的低热值。2)指示功率P一竺趔r7、叫30f⋯7式中，P耐为平均指示压力；．r为冲程数；i为气缸数；E为气缸工作容积；n为转速。3喷油器结构参数对柴油机性能的影响本研究通过改变喷油器的参数分析对柴油机燃用二甲醚性能的影响，分析的前提是工况为标定转速和共轨压力为32MPa。3．1喷孔数和孔径影响由于二甲醚的热值低于柴油，为了恢复原机的动力性，必须增加每循环二甲醚的喷入量。为便于分析，对喷孔数和孔径进行了配置如表2所示，编号1、2、3的流通面积为一组，4、5、6的流通面积为一组。表2喷孔数和孔径配置方案编号喷孔数孔径／姗流通面积／嗍2140．3578O．40198250．32000．加192360．29200．40159450．3300O．42743560．30100．4267367O．2790O．427733．1．1对经济性和动力性的影响图3为燃油消耗率随喷孔直径的变化曲线，图4为功率随孔径的变化曲线。可以看出，在两组配置中，燃油消耗率均随喷孔直径的增大而增大，而输出功率随之减小。说明随着喷孔直径的增大，燃油的雾化效果变差，燃烧的完善程度变差，柴油机的热效率降低，从而导致燃油消耗率的上升和柴油机输出功率的降低。从两组配置中可以看出，适当增加喷孔数和减小喷孔直径，有利于降低柴油机的燃油消耗率和提高柴油机的动力输出。 小型内燃机与摩托车第41卷一490480堇470k460薄450耀440羹430簦420喷孔直径，mm图3喷孔直径对经济性的影响喷孔直径，mm图4喷孔直径对动力性的影响3．1，2对排放的影响图5为喷孔直径对N0：排放的影响，图6为喷孔直径对碳烟排放的影响。从两组配置中可以看出，随着喷孔直径的增大，碳烟排放增加，而N0。排放减少。说明随着喷孔直径的增大，燃油蒸发和雾化质量下降，燃烧不充分，使得不能及时燃烧的燃油高温分解为碳烟；喷油速率增大，进入气缸的燃油过多，前期燃烧快，量捌囊璎据0．270．28O．290300．310_32O．j30．340．35036喷孔直径，mm图5喷孔直径对N0，排放影响喷孔直径，mm图6喷孔直径对碳烟排放的影响使得不能充分燃烧的燃油分解为碳烟；燃烧后期，温度下降快，使得生成的碳烟不能被充分氧化，从而导致了碳烟的排放增加和N0。排放减少。3．2控制室容积影响3．2．1对经济性和动力性的影响图7为控制室容积对柴油机经济性和动力性的影响。可以看出，当控制室容积小于20mm3时，柴油机的燃油消耗率随着控制室容积的增大而减小，而功率随之增大；当控制室容积大于20mm3时，柴油机的输出功率和燃油消耗率随着控制室容积的增大而变化较小。控制室容积，mo图7控制容积对经济性和动力性的影响3．2．2对排放的影响图8为控制室容积对NO。和碳烟排放的影响。可以看出，当控制室容积在10～30mm3之间时，No。排放随着其容积的增大而增多，而碳烟排放随之减小。因为在此容积范围内，缸内的温度随着其容积的增大而升高。当容积在30一50mm3之间时，NO，排放随着容积的增大而较少，碳烟排放随之增加。因为随着其容积的增大，燃油的初期喷油率减小，在滞燃期内喷入缸内的燃油量减少，相应地使预混合燃烧的燃油量减少，而后期的喷油量增加，导致混合气过浓，燃烧不完全。b面辎遗oZ控制室容积／mo图8控制室容积对排放的影响3．3回油节流孔的影响研究前提是保持进油节流孔的直径为0．22mm。3．3．1对经济性和动力性的影响图9为回油节流孔直径对柴油机燃油消耗率和功率的影响。可以看出，随着回油节流孔直径的增大，燃油消耗率逐渐降低，而输出功率逐渐提高。这是由于牺舶蛳伽蛳伽!莩伽一。一{每岜．芒讲耀涎霹篓bl／蛹摧靠璺谨踮∞竹砷岱∞巧蚰盯 第3期魏远文等：电控喷油器参数对二甲醚共轨柴油机性能的影响研究2l随着回油节流孔直径的增大，燃烧初期的放热率明显增大，扩散燃烧的持续期缩短，减少了柴油机后燃的燃油量，柴油机的燃烧更接近于等容燃烧，热效率提高。·P2●鲁邑●3静犍逛县篓回油量7L直径，mm图9回油节流孔对经济性和动力性的影响3．3．2对排放的影响图10为回油节流孔直径对N0。和碳烟排放的影响。可以看出，随着孔径的增大，N0，排放增加，碳烟排放减少。这是因为在转速和进气基本不变的条件下，随着回油节流孔直径的增加，柴油机的热效率提高，缸内温度的上升速率快，温度的峰值增加，而且高温的持续期延长，所以导致No，的排放增加和碳烟排放减少，但是当回油节流孔直径超过o．31mm时，燃油喷入量过多不能充分燃烧而裂解成碳烟，导致碳烟的排放反而增加。回油量孔直径，mm图10回油节流孔对碳烟和N0，排放的影响q宴删摧枯晕毯3．4进油节流孔的影响研究前提是保持回油节流孔的直径为0．3lmm。3．4．1对经济性和动力性的影响图11为进油节流孔直径对燃油消耗率和功率的图ll进油节流孔对经济性和动力性的影响影响。可以看出，燃油消耗率和输出功率均随着孔径的增大而减小。这是因为进油节流孔直径的增大导致针阀落座迅速，断油迅速，缩短了喷油持续期，减少了在喷油过程后期喷入缸内的燃油量，导致功率下降，但是改善了缸内的燃烧过程，热效率得以提高，从而经济性得以提高。3．4．2对排放的影响图12为进油节流孔直径对No。和碳烟排放的影响。可以看出，N0。和碳烟排放均随着孔径的增大而减小。这是因为进油节流孔直径的增大，进入缸内的二甲醚减少，与缸内空气充分混合，燃烧完全，使缸内温度的峰值降低以及高温持续期缩短所致。迸油节流孔直径，mm图12进油节流孔对碳烟和NO，排放影响’宝卿摧焉孽谨4结论1)减小喷孔直径和增加孔数，可以改善二甲醚柴油机的经济性和动力性，降低碳烟和N啦的排放。2)控制室容积的选取原则是在允许范围内，选取较小的容积。zSll00柴油机燃用二甲醚时的控制室容积控制在20mm3～40mm3之间。3)适当增大回油节流孑L直径，可改善二甲醚柴油机的经济性和动力性，但No，排放增加。zSlloo柴油机燃用二甲醚的回油节流孔直径应控制在0．28一～0．31mm之间。4)适当增大进油节流孔直径，可改善二甲醚柴油机的经济性，降低No。和碳烟排放，但柴油机输出功率会降低。参考文献1魏远文，林灵，段俊峰，等．二甲醚均质压燃模式非常规排放的试验研究[J]．车用发动机，2009(4)：80～822王永忠，魏远文，曾东建，等．液态压力燃料测试仪系统测试方法：中国，zIJ200810147614．7[P]．20113周龙保，刘巽俊，高宗英．内燃学[M]．北京：机械工业出版社，20074Ya0Mingfa，QjnJiIlg．Numerica】Study∞tllec帅bustionMechanismDfHCCIE硒neF廿eled诫|hDimethylE￡herandMethanewjthaDetaikdKineticModelI：neReaeti衄Ⅺ．netic0fDimethylEtller【J】．7rrallsactions0fcsIcE。20()4，22(4)：296—304(收稿日期：2011一Os—12)4208642002lIb_【、删辎靠。oz牺伽3拿m|拿枷拼瑚一．一【{．渗邑．芒醉犍罂瘿繁