通過優化燃燒系統改善柴油機燃油消耗和排放的研究

通過優化燃燒系統改善柴油機燃油消耗和排放的研究

美國非公路車用設備第4階段排放標準（Tier 4 Final）與第三階段（Tier 3 Final）相比，要求各種排放減少90%以上。各柴油機生產商設計出的新型發動機和后處理系統需符合排放法規。韓國斗山重工開發了一款2.4L緊湊型柴油機，其可用于裝載機、叉車等工程車。該柴油機雖未配備柴油顆粒過濾器（DPF），但具有超低顆粒物排放，因而又被稱為D24 ULPC柴油機，其可以很好地符合Tier 4 Final排放法規。在此基礎上，借助試驗和仿真方法，通過優化噴油嘴噴射流量、進氣渦流比以及活塞碗幾何形狀，進一步改善D24 ULPC柴油機的燃油消耗和排放。

試驗時，采用奧地利AVL公司生產的Dynoexact APA 202-12主動測功機，并在測功機上配備靜壓軸承和高動態轉矩控制系統，柴油機配備高壓共軌電控直噴系統、廢氣渦輪增壓系統和高壓回路冷卻廢氣再循環系統。采用AVL i60排放分析儀、AVL 415S煙度計測量排放，采用AVL Indicom測量缸內壓力，采用AVL 735S油耗儀測量燃油消耗。試驗采用兩種不同規格的噴油嘴，兩種噴油嘴傾斜角度均為142°。一種噴油嘴直徑為0.115mm，噴射流量為580mL/min，并將其設為基準；另一種噴油嘴直徑為0.127mm，噴射流量為638mL/min。結果顯示，噴油嘴噴射流量增大，顆粒物排放略有降低，NOx排放略有增加，燃油消耗約增加2%。之后設定-0.4、-0.2、0、0.2、0.4這5個進氣渦流比，結果顯示進氣渦流比增加，可提高柴油機的熱釋放率，改善燃油經濟性。同樣，顆粒物排放隨之降低，NOx排放則略有增加。通過三維計算流體力學（CFD）軟件進行模擬，優化燃燒系統。模擬時，湍流模型采用RNG模型、燃燒模型采用二次破碎模型，NOx排放分析基于擴展的澤爾道維奇（Zeldovich）生成機理，顆粒物排放量采用Khan-Hiroyasu-Belardini模型。將噴油嘴噴射流量和進氣渦流比優化結果與試驗結果進行對比，模擬結果與試驗結果相似。最后，利用CFD軟件對圖1所示的4個活塞碗主要參數進行優化。結果顯示，活塞碗幾何形狀顯示出改善燃油消耗的巨大潛力，燃油消耗改善將超過6%。

圖1活塞碗幾何形狀的主要參數

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

編譯：王祥