柴油机高原性能及排放标定试验开发_顾晨宇.pdf

2 0 2 3年第9期柴油机高原性能及排放标定试验开发顾晨宇(江苏省洪泽中等专业学校,江苏 淮安 2 2 3 1 0 0)摘 要:基于柴油机高原模拟台架进行了增压柴油机高原性能及排放特性的标定试验开发,实验结果表明:除低转速工况外,海拔在1 7 0 0 m时,柴油机基本无降扭;海拔在3 0 0 0 m时,降扭约5.5%,海拔在4 5 0 0 m时,降扭在1 6.7%到2 8%之间。相对于海平面,海拔在1 7 0 0 m/3 0 0 0 m/4 5 0 0 m时,最低有效燃油消耗率分别增加1.3%/1.9%/3.5%,上升幅度较小。优化的主喷正时及喷射压力随海拔升高而增大,能够弥补因进气流量降低导致的燃烧速率降低,燃烧重心C A 5 0滞后的问题。开发的高原标定,柴油机增压器转速及涡前排温在机械限值以内。柴油机NO x比排放随海拔升高有所降低,但S o o t随海拔升高显著增加,尤其是低转速。关键词:高原;增压柴油机;机械限值;排放特性 中图分类号:U 4 6 4.1 7 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 0 6-0 3C a l i b r a t i o nD e v e l o p m e n t o fA l t i t u d eP e r f o r m a n c ea n dE m i s s i o nf o rD i e s e lE n g i n e sG uC h e n-y u(J i a n g s uH o n g z eS e c o n d a r yP r o f e s s i o n a lS c h o o l,H u a i a n2 2 3 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h ed i e s e l e n g i n ep l a t e a us i m u l a t i o np l a t f o r m,t h e c a l i b r a t i o nd e v e l o p m e n t o f a l t i t u d ep e r-f o r m a n c ea n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f d i e s e l e n g i n ew a s c a r r i e do u t.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t e x c e p tf o r l o ws p e e dc o n d i t i o n,t h ee n g i n ea l m o s th a sn ot o r q u ed e r a t ea t1 7 0 0 m;A t3 0 0 0 m,t o r q u ed e r a t e i sa b o u t5.5%;a n da t 4 5 0 0 m,t h e t o r q u ed e r a t e i sb e t w e e n1 6.7%a n d2 8%.C o m p a r et os e al e v e l,a l t i t u d ew i t h1 7 0 0 m/3 0 0 0 m/4 5 0 0 m,m i n i m u mB S F Ci n c r e a s i n gw i t h1.3%/1.9%/3.5%.T h eo p t i m i z e dm a i n i n j e c t i o n t i m i n ga n d i n-j e c t i o np r e s s u r e i n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s i n go fa l t i t u d e,w h i c hc a nm a k eu pf o rc o m b u s t i o nr a t ed e c r e a s i n ga n dC A 5 0d e l a y i n gc a u s e db yt h ed e c r e a s i n go f i n t a k ef l o w.D e v e l o p e da l t i t u d ec a l i b r a t i o n,d i e s e lt u r b os p e e da n dt u r b o i n l e t t e m p e r a t u r ew i t h i nt h em e c h a n i c a l l i m i t s.NO xe m i s s i o no fd i e s e l e n g i n ed e c r e a s ew i t ha l t i t u d e,b u tS o o t i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t ha l t i t u d e,e s p e c i a l l ya t l o ws p e e dc o n d i t i o n.K e yw o r d s:A l t i t u d e;T u r b od i e s e l;M e c h a n i c a l l i m i t;E m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s作者简介:顾晨宇(1 9 9 4),男,江苏淮安人,助理讲师,研究方向为内燃机燃烧。0 引言我国幅员辽阔,地势西高东低,海拔从海平面延伸到5 3 0 0 m1-2,动力机械运行在高海拔地区,因进气流量减少导致燃烧速率减缓,燃烧持续期延长,燃烧重心后移,缸内燃烧温度增加,柴油机热负荷增加,排气温度升高,动力性及经济性劣化3-4,因此,高原环境适应性是柴油机热力学开发过程中的关键性能指标之一。通常,在柴油机性能开发过程中优先考虑海平面的动力经济性及排放特性,难以在开发之初兼顾到柴油机的高原能力。柴油机硬件选型确定后,在高原性能标定过程中难以通过重新匹配硬件(如匹配高原版增压器等)来优化高原能力5。本文对柴油机高原性能进行了标定开发,通过优化柴油机喷射参数,并保证柴油机机械限值,最终满足柴油机高原性能目标,以期对柴油机高原标定开发提供工程经验。1 柴油机高原试验装置及试验方法由图1可知,柴油机高原模拟试验台主要由测功机、柴油机、真空泵、进气稳压箱、排气稳压箱、压力调节阀、数据采集系统、高海拔低气压(温度)控制系统、柴油机标定系统、排放仪等设备组成。通过海拔控制系统设定不同的环境压力及温度,从而为柴油机提供对应海拔的压力及温度,从而模拟不同的海拔。图1为柴油机高原模拟试验台结构示意图。1.测功机2.柴油机3.真空泵4.排气稳压箱5.进气稳压箱6.压力调节阀7.空气流量计8.数据采集系统图1 柴油机高海拔(低气压)模拟试验台示意图本次研究对象为一台增压直列六缸中型柴油机,表1为柴油机主要技术参数。表1 发动机技术参数参数数值缸径/mm9 5活塞行程/mm1 1 4排量/L6.5压缩比1 7.5:1最大扭矩Nm1 2 0 0 Nm额定功率/kW2 2 4额定转速/rm i n-12 2 0 0 表2为本次试验研究的海拔及对应的环境压力和温6DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.010内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n度,通过控制台架真空泵气系统得到对应海拔的压力和温度,来模拟不同的海拔压力和温度。表2 不同海拔下环境压力及温度海拔环境压力及温度0 k m1 0 1 k P a,2 51.7 k m8 2 k P a,2 53.0 k m7 0k P a,1 94.5 k m5 7k P a,1 0 本次试验主要研究不同海拔下柴油机的最大外特性能力,柴 油 机 转 速 从 怠 速 转 速 到 额 定 转 速(8 0 0 r p m2 2 0 0 r p m),在最大外特性能力下,保证柴油机机械限制不超,涡前排气温度的机械限值为7 5 0,增压器转速的机械限值为1 4 5 0 0 0 r p m。2 试验结果与分析(a)柴油机外特性扭矩及比油耗(b)柴油机进气流量图2 不同海拔下柴油机外特性性能由图2-a可知,柴油机在1 4 0 0 r p m1 5 0 0 r p m达到最大扭矩,随着转速升高,由于机械限值的限制,柴油机扭矩逐渐降低,但功率随转速增加继续增大,在2 2 0 0 r p m达到最大功率。随着海拔升高,柴油机扭矩逐渐降低,尤其在低转速工况。海拔在1 7 0 0 m时,除低转速外(外特性烟度限制导致降扭),柴油机基本无扭矩降低;海拔在3 0 0 0 m时,柴油机转速在8 0 0 r p m1 1 0 0 r p m(外特性烟度限制导致降扭),扭矩降低约1 53 0%,柴油机转速在1 2 0 0 r p m2 2 0 0 r p m,扭矩降低约5.5%(涡前排气温度限制导致降扭),能够满足3 0 0 0 m的开发目标;海拔在4 5 0 0 m时,柴油机转速在8 0 0 r p m1 1 0 0 r p m,降扭约3 55 0%(外特性烟度限制导致降扭),柴油机转速在1 2 0 0 r p m2 2 0 0 r p m,降扭约1 6.7%2 8%(涡前排气温度及增压器转速限制导致降扭)。柴油机比油耗随着海拔升高而升高,尤其是低转速工况。相对于海平面,海拔在1 7 0 0 m/3 0 0 0 m/4 5 0 0 m时,最低有效燃油消耗率分别增加1.3%/1.9%/3.5%。主要原因是:一是海拔升高,柴油机进气流量降低,柴油机燃烧速率降低,燃烧重心C A 5 0后移,缸内传热损失增加;二是海拔升高,柴油机泵气损失增加,柴油机指示热效率降低。由图2-b可知,柴油机进气压力随着转速升高而增加,随海拔升高而降低,尤其是4 5 0 0 m时,进气压力显著降低;这是由于转速升高,废气能量增加,增压器效率及压比升高,使得进气压力增大;海拔升高,一方面环境压力降低,使得增压器膨胀比增大,增压器效率降低,使得进气压力降低;另一方面,高海拔下,柴油机降扭使得废气能量降低,增压器效率进一步减小。由于柴油机进气流量主要依托于柴油机进气压力,进气压力降低,柴油机进气流量降低,因此,柴油机进气流量随海拔的变化趋势与进气压力的变化趋势一致。图3 不同海拔下柴油机增压器特性由图3可知,柴油机转速升高,则增压器转速升高;此外,海拔升 高,增 压 器 转 速 整 体 呈 升 高 的 趋 势;海 拔 在3 0 0 0 m的高转速及在4 5 0 0 m的中高转速增压器达到最大增压器的转速限值,因此,相对海平面,柴油机因增压器转速超速而降扭。此外,在海平面,增压器压比随着柴油机转速升高而增大,但在高海拔,由于柴油机限扭,导致在低速和高转速表现出不同的趋势:柴油机限扭使得增压器压比降低。此外,随着海拔升高,增压器压比整体呈升高的趋势,从而使得增压器在低转速出现喘振及在高转速出现堵塞的风险增加。在海拔4 5 0 0 m,在低速及高速工况,由于柴 油 机 降 扭 幅 度 较 大,使 得 部 分 转 速 压 比 略 低于3 0 0 0 m。由图4可知,优化的主喷正时及喷射压力均随海拔升高呈增大的趋势,主喷正时增大,柴油机缸内燃烧始点提前,缸内油气混合时间延长,燃烧速率加快,同时燃烧重心C A 5 0提前;喷射压力增大,油束贯穿距增大,油气混合更加均匀,有利于烟度的降低,提高燃烧效率。从而能够弥补因海拔升高进气流量降低导致的燃烧速率及燃烧效率降低及燃烧重心C A 5 0后移的问题;进而能够改善有效燃油消耗率,并降低涡前排气温度。海拔为4 5 0 0 m时,考虑到主喷正时标定MA P的平顺性,且由于外特性降扭幅度较大,