喷油提前角对共轨柴油机的性能影响_马传杰

1. 2 仿真模型 本文使用 GT － Suite 软件建立高压共轨柴油机
的整机仿真模型，如图 1 所示。
图 1 柴油机的整机仿真模型
1. 3 模型验证 为了验证所建立模型的准确性，将该模型的额
定工况 1800r / min、100% 负荷仿真结果与试验结果 进行了对比。表中分别列出了柴油机的功率、油 耗、平均有效压力和爆压四个性能指标，相对误差 均在 5% 以内，满足计算精度的要求［7］，可以用此 模型进行下一步的计算分析与优化设计。
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内燃机与配件
2015 年第 11 期
喷油提前角对共轨柴油机的性能影响
Effects of Advance Angle of Injection on Common Ｒail Diesel Engine performance
马传杰 王银燕 王贺春 胡松
（ 哈尔滨工程大学）
〔摘要〕 为了研究高压共轨柴油机在不同喷油提前角下的动力性、经济性、排放性，采用 GT － SUITE 软件建立了某型高压共轨柴油机的仿真模型，并根据实验数据进行了验证。在不同 喷油提前角下，对该柴油机的爆压、功率、扭矩、油耗、NOx 和 soot 生成量等性能指标进行了研 究，经过分析得出结论： 随着喷油提前角的增大，滞燃期延长，着火点提前，缸内爆压、最高温 度升高； 扩散燃烧减弱，预混合燃烧增强； 功率与扭矩先增加后减少； 油耗先减小后增加； 柴油 机 NOx 生成量一直增加，柴油机 soot 生成量先增加，后下降，在 － 19°CA 达到峰值。
峰放热变为单峰放热，且放热总体提前，扩散燃烧
减弱，而预混合燃烧增强。
3、随着喷油提前角的增大，功率与扭矩先增
加后减少，在 － 23°CA 达到最大值，柴油机动力性
能最好。
4、随着喷油提前角的增大，油耗先增加后减
少，在 － 23° CA 达到最小值，柴油机的经济性能
最好。
5、随着喷油提前角的增大，柴油机 NOx 生成
达到峰 值 0. 186 （ 1 / deg） ，随 着 喷 油 提 前 角 的 减
小，预混合燃烧的峰值减小，且在较小喷油提前角
时扩散燃烧放热率峰值有增加趋势，而且在过小喷
油提前角，如 － 9、 － 7°CA 时，双峰峰值均推迟到
上止点以后，且两个峰值几乎相等，大致在 0. 04
左右，这是因为当喷油提前角减小时，参加预混合
〔关键词〕 柴油机 高压共轨 喷油提前角 性能
Abstract： To study the influence of advance angle of injection on diesel engine＇s dynamic、economy、emission performance，we use GT － SUITE software to build simulation model of one type of Common Ｒail Diesel Engine，and conduct the verification according to the experimental data. with different advance angle of injection，we make the simulation of some diesel engine performance index such as detonation pressure、power、torque、fuel consumption、NOx and soot，draw a conclusion through analysis： with the enlargement of the advance angle of injection，there will be an extended ignition delay、an advanced ignition point、a higher maximum pressure and maximum temperature； at the same time diffusion combustion weakens，premixed combustion strengthens and power、torque both climb up and then decline while fuel consumption decline and then climb up； diesel＇s NOx climbs up all the way while soot climbs up and then declines，reaches a peak at － 19°CA.
0 引言
高压共轨柴油机是集计算机技术、现代传感器 技术与先进控制技术于一身的高性能动力机械。能 够实现喷射压力、喷油量与喷油提前角的独立灵活 调节，从而改善柴油机的动力性、经济性、排放性 等各项性能指标，在考虑性能的基础上通过调整喷 油提前角来优化柴油机的性能与排放是一种普遍的 方法［1］。与其它 喷 射 系 统 相 比， 高 压 共 轨 喷 油 系 统自身所具有的优势，喷射定时由执行器 （ 电磁 铁） 的 开 启 决 定，可 完 全 柔 性 地 控 制［2］。目 前， 德国 Bosch、日本 Denso、英国 Lucas 等公司已相继 开发成功高压共轨系统，并应用于批量生产的柴油 机上［3 ～ 5］，而国内 单 位 开 发 高 压 共 轨 系 统 时 间 还
图 6 不同喷油提前
图 7 不同喷油提前
角下的扭矩
角的油耗
图 5、6 是不同喷油提前角下的柴油机功率和
扭矩，从图中可以看出： 随着喷油提前角的减小，
单缸输出扭矩和单缸输出功率都是先上升，在 23°
CA 喷油提前角出达到最大值 146kW、774. 4N* m，
然后下降，且下降速度较快。柴油机动力性能先变
1 计算模型的建立与验证
马传杰 王银燕 王贺春 胡松： 喷油提前角对共轨柴油机的性能影响
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1. 1 柴油机的基本参数 本文的研究对象是一台 4 缸直列高压共轨柴油
机，其基本参数如下表 1 所示。 表 1 柴油机基本参数
参数名称 额定功率 / kW 额定转速 / （ r / min） 气缸直径 / mm 活塞行程 / mm
压缩比 喷孔直径 / mm
喷孔数 循环供油量 / mg
连杆长 / mm 喷油系统
参数描述 146kW 1800 170 195 13. 5 0. 33 8 520 348. 2
高压共轨
2 仿真结果和分析
2. 1 计算工况 本文在相同的喷油持续期下，仿真计算从 － 7
到 － 33°CA 十三种喷油提前角下的柴油机性能指 标， 选 取 计 算 工 况 转 速 为 1800r / min， 负 荷 为 100% 。 2. 2 喷油提前角对缸内压力和温度的影响
图 4 为不同喷油提前角的瞬时放热率曲线。从
图中可以看出： 随着喷油提前角的减小，气缸内瞬
时放热率变化较大。就放热率形状而言，随着喷油
提前角的减小，放热率形状由单峰值放热变为双峰
值放热，预混合放热减弱，且扩散燃烧的放热率曲
线基本随着喷油提前角的减小而水平轴向右平移，
放热持续期增加； 就放热率值而言，在 － 33°CA 时
温缺氧，随着喷油提前角的增加，缸内温度一直增
加，NOx 增加。从 － 7°CA 到 － 19°CA，soot 生成量
增加是因为缸内后燃比例减少，虽然缸内温度升
高，但是温度升高所氧化的 soot 少于因后燃减少而
增加的 soot，soot 生成量增加。从 － 19°CA 到 － 33°
CA，缸内温度升高较快，温度升高所氧化的 soot
燃烧的燃料越少，预混合放热率峰值下降，扩散燃
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烧放热率峰值提高，导致缸内后燃燃烧比较严重。 但喷油提前角减小，燃油喷入气缸时的温度和压力 就越高，混合气形成条件好，滞燃期变短。
2. 4 喷油提前角对柴油机动力性能的影响
2015 年第 11 期
图 4 不同喷油提前角的瞬时 放热率曲线
图 5 不同喷油提前 角下的功率
排放情况。从图中可以看出： 随着喷油提前角的增
图 8 不同喷油提前 角的 NOx 排放
图 9 不同喷油提前 角的 soot 排放
加，柴 油 机 NOx 生 成 量 从 1170ppm 一 直 增 加 到
3260ppm，增幅 178% ； 柴油机 soot 生成量先增加，
后下降，在 － 19°CA 达到峰值。NOx 生成条件是高
好、再变差，在 23°CA 时动力性最好。
2. 5 喷油提前角对柴油机经济性能的影响
图 7 是不同喷油提前角下的柴油机油耗情况。
从图中可以看出： 随着喷油提前角的减小，柴油机
油耗先 下 降， 在 － 23、 － 21° CA 是 达 到 最 低 值
204. 6，后上升，并且上升速度较快，说明柴油机
在喷油提前角过大或过小的情况下，缸内燃烧恶
量一直增加，柴油机 soot 生成量先增加，后下降，
在 － 19°CA 达到峰值。
4 参考文献
［1］ 基于 CFD 的增压柴油机不同喷油提前角的排
放影响分析 ［J］ . 内燃机程 . 2008
［2］ 高 压 共 轨 喷 油 器 设 计 参 数 对 性 能 影 响 的 研 究
［J］ . 内燃机学报 . 2001
缸内温度曲线
图 2、3 分别为不同喷油提前角的缸内压力与
缸内温度曲线。从图中可以看出： 随着喷油提前角
的增加，缸内温度和压力高，爆压从 146bar 升高
到 266bar，增幅高达 82% ，最高温度从 1842K 升
高到 2155K，增幅 17% ，这是因为当喷油提前角
较大时，滞燃期较长，滞燃期内形成更多的可燃混
合气，在急燃期内几乎同时燃烧，产生更多的热
量，使缸内压力和温度变得很大。随着喷油提前角
的增加，高温高压持续期延长，最大温度、压力升
高率变大，温度、压力迅速增加点出现位置提前，
即着火点提前，从 － 15. 25° CA 到 － 1.Байду номын сангаас5° CA，柴油
机热负荷和机械负荷增加；
2. 3 喷油提前角对气缸瞬时放热率的影响
不长。 同时，随着计算机技术的高速发展，仿真技术
在柴油机的开发与性能预测方面应用越来越广泛， 采用计算机仿真技术预测缸内气体流动、燃烧以及 排放物生成等［6］。
本文应用 GT － SUITE 软件建立了某型高压共 轨柴油机的仿真模型，对该柴油机的整机性能进行 仿真计算，分析了该型柴油机不同喷油提前角下的 各项性能指标，得到了一些通过试验无法直接观测 的信息，对优化柴油机性能有一定的理论指导意 义［6］； 同时 可 以 减 少 柴 油 机 的 开 发 周 期 和 成 本， 减少消耗。
多于因后燃减少而增加的 soot，soot 生成量减少。
3 结论
本文建立了某型高压共轨柴油机模型，分析了
不同喷油提前角对该型柴油机各项性能指标的影
响，得出以下结论：
1、随着喷油提前角的增大，滞燃期延长，着
火点提前，着火时刻形成的可燃混合气增多，缸内
爆压和最高温度升高。
2、随着喷油提前角的增大，放热率曲线由双
化，油耗增加。可知柴油机全负荷工况下，最佳经
济性的喷油提前角是 － 23、 － 21°CA。
2. 6 喷油提前角对柴油机排放性能的影响
柴油机有害排放物主要是 NOx 和 Soot，通常
其 CO 和 HC 排 放 较 少，特 别 是 在 增 压 时 可 以 不 考虑［8］。
图 8、9 分别为不同喷油提前角的 NOx 和 soot
［3］ ENDO Shin. Development of J － Series Engine
马传杰 王银燕 王贺春 胡松： 喷油提前角对共轨柴油机的性能影响
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and Adoption of Common Ｒail Fuel Injection System ［C ］ . SAE Paper 970818. ［4］BＲEZONICK M ike. LucasVarity ＇s New Common Ｒail System ［J］ . DieselProgress， 1998， 64 （ 10） ： 30. ［5］ FLAIG U lrich. Common ＲailSystem （ CＲ － System） for Passenger Car DI Diesel Engines； Experimences w ith Applications for Series Produc-
表 2 缸内燃烧性能参数对比表
性能指标
计算值 实验值 相对误差
功率 （ kW）
142. 5 146. 0 － 2. 4%
油耗 （ g / kW* h）
209. 5 218. 9 － 4. 3%
爆压 （ bar） 180. 8 173. 0 4. 5%
图 2 不同喷油提前角
图 3 不同喷油提前角的
的缸内压力曲线