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1、共轨系统多次喷射对船用柴油机性能改进的试验研究安士杰，常汉宝，徐洪军（海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033）摘要：以配备高压共轨燃油喷射系统的柴油机为基础，采用NI测试系统构建了共轨柴油机多次喷射性能试验台架，在此台架上，根据设计优化的喷射策略，开展了柴油机多次喷射对柴油机整机性能影响的试验研究。试验结果表明：利用共轨技术采用多次喷射对柴油机的排温最多下降50，噪声最多下降15dB，对碳烟排放也有明显改善。关键词: 共轨；柴油机；多次喷射；排放；耗油率中图法分类号：U664.121; TK421Experimental study on the influences of CRS m
2、ulti-injections to marine diesel engine An Shijie, Chang Hanbao, Xu Hongjun(College of naval architecture and power, Naval engineering university, Wuhan 430033)Abstract: Based on the marine diesel engine equipped by common rail system, the injecting strategies are designed. The combustion and emissi
3、on are analyzed with different injecting strategy. The results shows that multi-injection can increase power and decrease fuel consumption and decrease emission. The influences of multi-injection are tested in CR diesel engine test bed. The results shows that the diesel engine exhaust temperature de
4、creased 50 and noises decreased 15dB and soot emission decreased obviously when equipped by common rail system .Keywords: common rail; diesel engine; multi-injection; emission; fuel consumption1 引言高压共轨系统由于其具有高度可控性和灵活性，既可实现喷射压力和喷射时刻的柔性控制，又可根据需要，利用共轨系统的灵敏性，采用预喷、后喷等多次喷射，达到控制排放、降低油耗的控制目标1，2。采用多次喷射，对控制系统
5、而言，增加了更多的控制参数，各参数的选取对燃烧机排放的影响各不相同，需要认真研究3，4。本文以配备共轨系统的柴油机为基础，采用NI测试系统构建了共轨柴油机多次喷射试验台架。在此台架上，根据设计优化的喷射策略，进行了柴油机的多次喷射对柴油机性能影响的试验研究。2 试验台架构成本研究是在安装了共轨系统的船用TBD234V6柴油机上进行的，测试发动机是经改装后，装备电控高压共轨燃油系统的TBD234V6柴油机，该型柴油机基本参数如表1所示。柴油机负载为上海领驭电机厂生产的KHI180-24型发电机，额定转速1500rpm,额定频率50Hz,额定电压380V，最大输出功率225KVA。共轨系统组成包括
6、电控高压油泵、共轨腔、电控喷油器、ECU、轨腔压力传感器、进气温度/压力传感器和转速传感器。其中高压油泵采用EP1F型双柱塞电控泵，静态可提供最高180MPa的压力。电控喷油器为自研的喷油器。共轨腔两端分别安装压力传感器和限压阀，轨腔压力波动小于3%。试验中通过CAN总线与ECU通信实现喷射控制参数的调节。表1 试验用发动机技术参数发动机型号TBD234发动机型式6缸，V型，水冷，四冲程，直喷式缸径冲程（mm）128140曲柄/连杆0.255额定转速（r/min）1500额定功率（kW）186压缩比15增压压力(bar)2.4测试系统由NI数据采集系统记录缸内压力和排气温度等数据，其主要硬件为
7、IPX6229型板卡，可同时进行2个通道的数据采集。基于Labview8.0软件编写测试程序，以实时显示和保存实验数据。气体压力传感器为SYC-03B-87101型，测量范围020MPa。排气温度测试利用布置在排气支管的WRNK-191型镍铬-镍硅热电偶，测量范围01400，测量精度A级0.2%。3 试验方案及理论分析3.1 试验方案设计该共轨系统具有多次喷射能力，为此，设计了如图1所示的五种三次喷射方式和双喷射方式，并对每种喷射方式的不同控制参数给出了多个计算方案。并通过正交试验法，提出了多参数优化分析方案，表2为其中双喷射模式的理论分析与试验方案。图1 多次喷射油量配比类型表2 双喷射测试
8、方案序号提前角（deg,ATDC）油量配比间隔角（deg）1-1890%-10%102-2130%-70%73-2150%-50%74-2170%-30%75-2130%-70%46-2130%-70%107-2190%-10%108-2490%-10%103.2 多次喷射的燃烧分析图2 柴油机燃烧室网格划分本文采用ECFM-3Z模型5，6对柴油机燃烧进行模拟分析。该模型将混合物分为燃烧气体、混合区和燃油区三个部分，通过相关方程进行联合求解，得到柴油机气缸内的燃烧情况。图2所示为燃烧室计算网格的运动过程，当活塞在气缸内上、下止点范围内移动时，活塞顶上部的网格体积被压缩，而燃烧室内网格体积保持不
9、变。图3、图4分别为单次喷射和I型三次喷射在0degATDC时，缸内温度场和混合物浓度（已燃燃油+未燃燃油）的三维数值计算结果。通过计算分析可以看出，在相同喷油提前角和间隔期下，5种类型的三次喷射在同一时刻缸内温度及混合物浓度的分布存在有较大差异。在基本完成全部喷射的上止点时刻，只有型与型的温度场分布较为相似，高温区（2200K）分布于燃烧室壁面周围，但从混合物浓度结果来看，型在余隙容积中混合物浓度较小，混合物分布不如型广泛。型在上止点时刻燃烧高温区集中于燃烧室底部，而的高温区面积最小，温度分布最为均匀，而型在上止点附近的高温区出现在燃烧室顶部和余隙容积中。5种类型三次喷射燃烧过程缸内平均温度
10、变化过程比较，可以看出单次喷射燃烧温度上升最快，且幅度大强度高，最高平均温度比三次喷射的型和型最高平均温度高出253K。比较五种类型三次喷射的燃烧最高平均温度，型型型型型，但从燃烧强度上看，型整体燃烧平均温度高于型，燃烧转换效率优于型。3.3 多次喷射的排放分析本研究采用改进的NOx排放模型和改进的碳烟排放模型7，8对不同喷射形式的排放特性进行了分析。图5、图6分别为单次喷射和I型的三次喷射在上止点后40deg曲柄转角时，氮氧化物和碳烟浓度的三维数值计算结果。 图3 单次喷射温度场、混合物浓度计算结果 图4 型三次喷射温度、混合物浓度场计算结果图5 单次喷射排放计算结果图6 型三次喷射排放计算
11、结果从排放物生成速率计算结果来看，40deg（ATDC）曲柄转角以后，氮氧化物和碳烟成分基本不再增减，处于反应平衡状态，即上止点后40deg曲柄转角位置的排放物生成量即为最终排放量。从三维计算结果可以看出，单次喷射和喷油提前角-33deg（ATDC）三次喷射中的型、型氮氧化物浓度最高，其中又以单次喷射的分布区域最广，燃烧室内及燃烧室顶部燃气中均有大量分布。型氮氧化物集中于平行燃烧室壁面的环形区域内，而型氮氧化物主要分布于燃烧室顶部靠近气缸壁的环形区域。型、型氮氧化物浓度在各喷射类型中最低，但在分布上有所区别。碳烟浓度分布与氮氧化物分布形成近似的互补型态，基本处于燃烧室及顶部中心相对低温贫氧的区
12、域。喷射类型不同时，碳烟分布区域有较大差别：单次喷射和型三次喷射碳烟分布集中于燃烧室底部轴线上，其它喷油类型燃烧的碳烟分布于平行燃烧室壁面的小范围环形区域内。其中具有较大间隔期的双喷射在燃烧室轴线和环形区域内均有分布，呈现介于两种分布类型中间的状态。而以型喷油方式的碳烟浓度最低，在环形区域内只有极少量分布。4 试验对比研究4.1 缸内压力测试结果分析图7所示为喷油提前角在上止点前21deg，间隔角7deg时，3种油量分配比例的双喷射缸内压力测试结果对比，油量分配比例的变化对初期燃烧放热率的影响比较明显，第一次喷油量多时初期压力升高率较大，但对爆发压力影响不明显，第一次喷油量30%时爆发压力14
13、.19MPa，50%和70%时分别为14.42MPa和14.56MPa。图7 油量配比变化时缸内压力测试结果4.2排气温度测试结果分析图8所示测试值为发动机A3缸排气温度，数值计算结果为排气阀开启时刻的缸内平均温度，数值计算结果与实测结果变化趋势一致。图中（a）单次喷射排气温度随着喷油延迟的增大而升高；图中（b）为提前角-21度（ATDC），间隔角7度的双喷射第一次喷油量变化时的排温，随第一次喷油量的增大排温逐渐降低；图中（c）为提前角-21度（ATDC），油量配比30%-70%时的双喷射间隔角变化时的排温，随间隔角的增大排温逐渐升高；图中（d）为三个双喷射优方案数值计算结果与实测结果的对比，
14、同样随着喷油延迟的增大而升高。图8 排气温度测试结果4.3燃烧噪声测试图9所示为利用噪音计测量的发动机空气噪声，测点布置为柴油机A侧和B侧各一个测点（从飞轮端看，柴油机左侧为A侧，右侧为B侧），测点与柴油机水平距离测1m，距地面高度1.4m，声级计轴向正对A3缸。图中18为双喷射试验方案的试验序号，9、10、11分别为单次喷射喷油提前角-21、-18、-3deg（ATDC）时的测试结果。可以看出多次喷射在降低空气噪声方面有明显的效果，单次喷射试验9的空气噪声达到109.2dB,双喷射试验6的空气噪声为85.1dB。图9 空气噪声测试结果4.4 耗油率测试结果分析图10为发动机额定工况下四个方案的有效燃油消耗率数值计算结果和通过WY-03型油耗仪测定的油耗结果对比，多次喷射对降低油耗有较明显的作用。4.5 NOx测试结果分析图11为NOx排放数值计算与实测结果对比，图中（a）单次喷射-21、-18deg（ATDC）喷油提前角时，数值计算结果与测试结果的对比；双喷射试验结果显示间隔角在7deg时，NOx排放量较小，图中（c）所示；三次喷射数值计算结果与实测结果的变化趋势基本一致。图10 有效燃油消耗率试验结果图11 NOx测试与数值计算结果4.6 烟度测试结果分析图12为碳烟排
