跨越升功率100kW：進(jìn)一步優(yōu)化柴油機(jī)性能（下）

【意】 F.C.Pesce A.Vassallo C.Beatrice G.D.Blasio G.Belgiorno

【德】 G.Avolio O.Kastner U.Leuteritz

1 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速4 000r／min時(shí)的功率密度靈敏度分析

1.1 功率密度與工作參數(shù)的關(guān)系

圖1中的曲線示出了通過改變轉(zhuǎn)速在4 000r／min時(shí)的p油軌、p增壓、pfp和T排氣來實(shí)現(xiàn)的升功率。由此可見，如果發(fā)動機(jī)可以分別在T排氣＝870℃和pfp＝20 MPa的條件下工作，使用p增壓＝350kPa和p油軌＝275 MPa的指標(biāo)可以輕松地達(dá)到100kW升功率的目標(biāo)。同時(shí)從圖1可以看出，為了能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)預(yù)定的100kW升功率目標(biāo)，實(shí)際上應(yīng)該考慮采用比上述指標(biāo)更高的p油軌、p增壓、pfp和T排氣值。

1.2 升功率對工作參數(shù)的靈敏度

與過去關(guān)于升功率對發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)的靈敏度的其他分析類似［1－2］，圖2給出了每個(gè)因素對升功率改進(jìn)的貢獻(xiàn)。每個(gè)參數(shù)包括兩個(gè)變化步驟，分別稱為步驟1和步驟2。通過如下公式（1）計(jì)算了在N個(gè)測試條件下改變第i個(gè)參數(shù)（例如p油軌）的平均升功率增益

式中，求和是在步驟1中改變第i個(gè)參數(shù)的升功率增量之和（如p油軌從200MPa變化到250MPa）或步驟2（如p油軌從250MPa變化到300MPa）。

如圖2所示，p增壓對渦輪增壓器系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著重要的影響，而將p油軌增加到高達(dá)270MPa和pfp增加到高達(dá)20MPa是實(shí)現(xiàn)100kW／L目標(biāo)的基本步驟。2009年，Drangel等人以高標(biāo)定功率為目標(biāo)（例如70 kW），對專門設(shè)計(jì)的兩級渦輪增壓GM發(fā)動機(jī)進(jìn)行了分析［3－4］，得出了類似的結(jié)論。

1.3 100kW的空氣流量要求

為了收集包括增壓系統(tǒng)在內(nèi)的進(jìn)排氣布置設(shè)計(jì)的輸入，首先需要利用兩個(gè)重要的系數(shù)：比率p增壓／平均有效壓力（BMEP）和空氣質(zhì)量流量（m空氣）／有效功率，這兩個(gè)系數(shù)分別代表增壓壓力和捕獲空氣的利用系數(shù)。在4 000r／min的轉(zhuǎn)速下，所有試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)與BMEP的關(guān)系如圖3示出的散點(diǎn)圖。虛線對應(yīng)于升功率密度為100kW的BMEP值（3.5MPa）。根據(jù)圖3所示，當(dāng)升功率密度大于等于100kW時(shí)，BMEP與增壓壓力之比需大于11.5，升功率密度與空氣質(zhì)量流量的比值需大于4.3。此外，圖3中數(shù)據(jù)還表示了空氣的利用率隨著p增壓和m空氣的增加而減少。

1.4 100kW對空氣／燃料混合氣要求

圖1 不同p增壓、pfp和T排氣值時(shí)的功率密度

影響燃燒性能的另一個(gè)重要參數(shù)是空氣／燃料混合氣。圖4（a）示出了λ與廢氣溫度之間的關(guān)系。隨著最大T排氣的增加，發(fā)動機(jī)能夠以較低的λ和更好的捕獲空氣質(zhì)量利用率工作。圖4（b）中的虛線區(qū)域顯示了升功率密度大于等于100kW（3.5MPa BMEP）時(shí)的測試點(diǎn)。由圖3可以看出大于或等于100kW的測試點(diǎn)落在1.20～1.38的λ范圍內(nèi)（Φ＝0.83～0.72），而之前的研究表明，要在轉(zhuǎn)速4 000r／min時(shí)達(dá)到92.3 kW的升功率，單缸研究發(fā)動機(jī)（SCE）在Φ＝0.87下運(yùn)行，證實(shí)了當(dāng)前燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的良好性能［2］。圖4（c）給出了對于達(dá)到所需煙度極限值時(shí)的λ值，這一數(shù)值顯示出了在大于100kW升功率范圍時(shí)，能夠保證煙度排放小于等于2.5FSN（由藍(lán)線圈定的陰影區(qū)域）。只有某些測試點(diǎn)顯示煙度值超過限值，但這些測試點(diǎn)主要是相對于p油軌為200MPa的試驗(yàn)工況。

圖2 功率密度對操作參數(shù)的靈敏度

圖3 在4 000r／min轉(zhuǎn)速下的所有試驗(yàn)工況，p增壓／BMEP與有效功率密度（a）和空氣質(zhì)量流量（m空氣）／有效功率與有效功率密度（b）的關(guān)系

所實(shí)現(xiàn)的指示燃油消耗率（ISFC）值與Lamping等人報(bào)道的數(shù)據(jù)一致［1］。在以110kW 的升功率和4 800r／min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行的SCE中發(fā)現(xiàn)，ISFC值約為220g／（kW·h）（這是在標(biāo)定功率下的高速小型直噴（HSDI）柴油機(jī)的典型值）。圖4中的曲線（d）表明，當(dāng)實(shí)現(xiàn)p油軌≥275MPa時(shí)，可以獲得更好的性能。曲線（d）表明，對于p油軌≥250MPa，在升功率≥100kW的有效燃油消耗率（BSFC）值基本上在230～250g／（kW·h）的范圍內(nèi)（假設(shè)機(jī)械效率約為0.85，ISFC大約在195～215g／（kW·h）），而較高的 BSFC值通常與200 MPa的p油軌相關(guān)。

圖4 在4 000r／min轉(zhuǎn)速下所有試驗(yàn)工況，λ變化相對于T排氣（a）、有效功率密度（b）、煙度（c）的關(guān)系和有效功率密度相對于BSFC（d）的關(guān)系

1.5 發(fā)動機(jī)在100kW時(shí)的總效率

圖5 給出了在轉(zhuǎn)速4 000r／min進(jìn)行的所有試驗(yàn)的發(fā)動機(jī)總效率（ηg）值與p油軌的關(guān)系。

圖5（a）中的數(shù)據(jù)表明，在升功率大于等于100kW的試驗(yàn)中，ηg值在0.33～0.37的范圍內(nèi)變化。曲線圖5（b）給出了燃燒持續(xù)期的測量值。除了p油軌為200 MPa的試驗(yàn)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)表明，這些值接近35°CA。在ηg升高時(shí)，可觀察到p油軌增加效應(yīng)。必須提到的是，與Thirouard等人報(bào)道的在燃油噴射壓力250MPa和92.3 kW時(shí)的值相比，燃燒時(shí)間窗口測量值縮短［1－3］。質(zhì)量燃燒分?jǐn)?shù)（MBF）10%～90%的值約為63～65°CA。

圖5 對于轉(zhuǎn)速4 000r／min時(shí)的所有試驗(yàn)工況，ηg變化與有效功率密度（a）和燃燒持續(xù)期MBF10%～90%（b）

燃燒持續(xù)期的這種變化關(guān)鍵在于不同的噴嘴液壓流量（HF），在本試驗(yàn)中的 HF為0.96L／min與參考文獻(xiàn)［1］中噴嘴所使用的0.64L／min相對應(yīng)。在目前的情況下，噴油器的高噴嘴流量使混合控制燃燒階段的燃燒速率提高。圖6更詳細(xì)地示出了在功率為100 kW 時(shí)采用p增壓＝350kPa、pfp＝20MPa，p油軌＝250 MPa和T排氣＝870℃放熱率（HRR）的測量值。為了便于觀察，圖6還示出了分別采用p油軌為180MPa和250MPa時(shí)得到的放熱率。可以觀察到，在功率為100 kW下本試驗(yàn)產(chǎn)生的最大放熱率約為85J／°CA，而在升功率92.3kW下試驗(yàn)產(chǎn)生的最大放熱率約為75 J／°CA。

1.6 在轉(zhuǎn)速4 000r／min、升功率目標(biāo)為100kW 時(shí)可靠的發(fā)動機(jī)工況

根據(jù)上一節(jié)所述的結(jié)果表明，如果實(shí)現(xiàn)所測試燃燒系統(tǒng)的適當(dāng)邊界條件，則可能達(dá)到所需的升功率目標(biāo)。然而，煙度限制并不是保證發(fā)動機(jī)在壽命期可靠運(yùn)行所必需的唯一限制。為了控制從燃燒室中輸出的燃料造成的尾部和缸套磨損、活塞環(huán)狀粘連、機(jī)油焦化和稀釋傾向，噴油結(jié)束（EOI）是限制發(fā)動機(jī)可靠運(yùn)行的另一個(gè)根本因素。根據(jù)廣泛的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和參考文獻(xiàn)的研究，在轉(zhuǎn)速4 000r／min下30°CA ATDC的極限工況下，可以滿足高效可靠的工作條件。

圖6 特定試驗(yàn)條件下，放熱率曲線和燃燒持續(xù)期為MBF 10%～90%（a）的放熱率（b）

另一個(gè)重要因素是在標(biāo)定功率下排氣管中的氧濃度。為了確保柴油顆粒過濾器（DPF）在標(biāo)定功率下連續(xù)實(shí)現(xiàn)被動再生方面的可靠功能，需要有一個(gè)最低的氧濃度。廢氣中氧濃度（O2排氣）的試驗(yàn)估計(jì)值為3%，轉(zhuǎn)化為λ≥1.18。這意味著λ低于1.18的試驗(yàn)結(jié)果不能被認(rèn)為是使發(fā)動機(jī)可靠工作的條件。

為了確定能夠適合在所采用的煙度、EOI和O2范圍內(nèi)滿足升功率≥100kW的發(fā)動機(jī)工作條件，圖7示出了p油軌和T排氣相對于p增壓為350kPa和400kPa，pfp為18MPa和20MPa變化的3張升功率特性圖。在這三張圖中，100kW升功率密度曲線用紅色細(xì)實(shí)線表示。在相同的圖中，紅色虛線圈出的區(qū)域表示實(shí)現(xiàn)EOI（30°CA）和O2排氣（3%）限制的升功率區(qū)域。

由此可見，對于p增壓＝350kPa和pfp＝18MPa，圖7（a）只有p油軌＝300MPa和T排氣＝890℃的組合允許在EOI和O2排氣的限制范圍內(nèi)達(dá)到100kW 的升功率。

在相同的p增壓為350kPa下（圖7（a），圖7（b）），將pfp從18MPa增加到20MPa，p油軌值和T排氣值均較高的情況下可以實(shí)現(xiàn)相對于上述邊界的功率目標(biāo)。在更高的功率密度下（增加燃油噴射量），由于噴射持續(xù)期較長和λ較低，兩者均對EOI構(gòu)成限制并且都較為接近，因此在圖7（b）的上部定義已經(jīng)實(shí)現(xiàn)103～104 kW的輪廓虛線。圖7中由虛線藍(lán)色折線圈起的區(qū)域顯示滿足EOI和O2排氣限制的操作條件。

圖7 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000r／min時(shí)，p增壓和pfp的3種組合的功率密度映射與p油軌和T排氣的關(guān)系，指示100kW升功率曲線

對于p增壓＝400kPa和pfp＝20MPa的功率密度，圖7（c）顯示了相同的情況。增加p增壓可使功率密度高于100kW的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大。然而，在采用p增壓為400kPa時(shí)，最高壓縮壓力（pcp）已經(jīng)達(dá)到19MPa。因此，必須延遲主噴射起始點(diǎn)。為了遵守EOI限制，這最終需要p油軌≥240MPa。因此，根據(jù)圖7（c）的結(jié)果分析可以得出結(jié)論，為了更好地利用較高的增壓條件，如p增壓＝400kPa，需要將pfp極限提高到20MPa以上。

在證明了包括EOI和O2排氣在內(nèi)的前置可接受的工況中達(dá)到升功率目標(biāo)值為100kW的狀態(tài)后，需要看一下對應(yīng)的HRR曲線。在圖7（b）中虛線區(qū)域中間的試驗(yàn)條件相對應(yīng)的放熱率記錄，在圖8中用p增壓＝350kPa，T排氣＝870℃，p油軌＝275MPa，pfp＝20MPa描述其特征。

圖8 試驗(yàn)條件下的HRR曲線及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速4 000r／min時(shí)的噴油持續(xù)期窗口

圖8 中的放熱率曲線表明，使用 HF＝0.96 L／min的噴嘴和在曲線中報(bào)道的邊界條件，采用ATDC 30°CA的 EOI在轉(zhuǎn)速4 000r／min、MBF 10%～90%的燃燒持續(xù)期為35°CA、O2排氣為3.4%和煙度數(shù)為1.37FSN，可以使升功率達(dá)到約102kW。這種優(yōu)異的性能是通過采用90J／°CA的最大放熱率實(shí)現(xiàn)的。此外，放熱率在燃燒的第一階段是非線性的，明顯沒有來自主導(dǎo)擴(kuò)散控制階段的任何分離的預(yù)混合燃燒。

2 功率密度對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的靈敏度分析

為了達(dá)到超過100kW的功率目標(biāo)，需要提高發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢。如前文所述，以相同的邊界條件在轉(zhuǎn)速4 500r／min時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)。圖9給出了在相同邊界條件下，對發(fā)動機(jī)在功率密度和在兩個(gè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速4 000r／min和4 500r／min時(shí)所需的p增壓進(jìn)行了比較。因?yàn)樵谄渌囼?yàn)中，趨勢是相同的，所以僅對這一比較進(jìn)行了分析。

圖9表明，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從4 000r／min升至4 500 r／min時(shí)，要實(shí)現(xiàn)2%的升功率的增量，p增壓／BMEP就需要增加8%，這必須要保持對T排氣的限制。事實(shí)上，在轉(zhuǎn)速4 500r／min時(shí)，發(fā)動機(jī)需要以比在轉(zhuǎn)速4 000 r／min時(shí)的更高的λ值條件來工作，并且空氣利用率明顯降低，要求渦輪增壓器系統(tǒng)具有更好的性能以滿足所需的增壓壓力。此外，功率密度保持有節(jié)制的增益對降低摩擦損失有幫助，其中機(jī)械熱效率ηmech從0.86下降到0.82。

圖9 在相同邊界條件下，在轉(zhuǎn)速4 000r／min和4 500r／min時(shí)的最大功率密度和p增壓／BMEP的比值

因此，升功率相對于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的靈敏度分析表明，為達(dá)到100kW的升功率目標(biāo)，并且邊界條件具有可接受的限制，如在本文中所采用的限值，在4 500 r／min時(shí)標(biāo)定轉(zhuǎn)速增加并不是一個(gè)有效的解決方案。Drangel等人也得到了類似的結(jié)論［5］。

3 結(jié)論

本文描述了廣泛試驗(yàn)條件下的主要試驗(yàn)結(jié)果，旨在確定用于開發(fā)升功率為100kW的車用4缸2.0L多缸柴油機(jī)所需的發(fā)動機(jī)邊界條件。所提供的數(shù)據(jù)是由大陸有限公司、通用汽車動力總成歐洲公司和CNR伊斯坦布爾汽車公司合作研究項(xiàng)目的結(jié)果。在本項(xiàng)目中，為滿足所需的工作條件，對單缸研究發(fā)動機(jī)進(jìn)行了更新改造。

所提出的結(jié)果表明，在技術(shù)上合理的邊界條件下，如增壓壓力、峰值燃燒壓力、噴射壓力和渦輪進(jìn)口溫度，可以達(dá)到100kW升功率的目標(biāo)。特別是，對實(shí)現(xiàn)100kW升功率目標(biāo)的以下特定條件進(jìn)行了評估：

（1）增壓壓力≥350kPa（進(jìn)排氣壓差約70kPa）；

（2）噴射壓力≥270MPa；

（3）噴嘴流量約960cm3／min；

（4）峰值燃燒壓力≥20MPa；

（5）渦輪進(jìn)口溫度≥870℃。

要滿足上述限制的升功率目標(biāo)，需要保證在煙度值和ISFC方面具有優(yōu)勢，并且需要保證在噴射結(jié)束和排氣管中的氧氣濃度處在可接受的限度內(nèi)。

關(guān)于升功率敏感度方面的趨勢與以前的研究一致，而與以往的研究結(jié)果相比較，本項(xiàng)目采用的技術(shù)解決方案證明了在燃燒率、燃燒持續(xù)期和煙度排放方面有顯著改進(jìn)。與以往的結(jié)論一樣，對功率密度靈敏度的分析表明，渦輪增壓器系統(tǒng)性能仍然是提高功率密度的重要特征，但是開發(fā)非常高壓力的燃料噴射系統(tǒng)、承受高峰值燃燒壓力和排氣溫度的可靠機(jī)械零部件是基本條件。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為4 500r／min時(shí)的試驗(yàn)表明，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過4 000r／min后發(fā)動機(jī)的工作情況是不可靠的，因?yàn)楸M管升功率有一定改善，但必須考慮到空氣利用率顯著降低。

本文只討論了根據(jù)標(biāo)定功率試驗(yàn)得出的結(jié)果。為了確定可靠的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠與整個(gè)發(fā)動機(jī)特性圖中的污染物排放目標(biāo)（包括CO2）和額定功率性能相匹配，需要在部分負(fù)荷下進(jìn)行額外的試驗(yàn)。