柴油機共軌新技術論文
近年來柴油機的技術的快速發展,以其相對汽油機具有良好的經濟性和排放性,在各國的能源利用方面占據很重要的地位。這是學習啦小編為大家整理的柴油機共軌新技術論文，僅供參考!
柴油機共軌新技術論文篇一
生物柴油混合燃料對車用高壓共軌柴油機微粒排放粒度分布的影響
摘 要：試驗研究了不同添加比例的生物柴油(BTL)混合燃料對高壓共軌柴油機微粒(PM)排放的影響，分析了BTL/柴油混合燃料PM粒度分布特征，揭示了BTL添加比例對柴油機PM排放粒度分布的影響規律。結果表明：高壓共軌柴油機PM排放粒徑絕大部分在300 nm以下，BTL燃料PM粒度分布呈雙峰結構，以小粒徑核態PM為主，占PM總數的60%以上，隨BTL添加比例增加，核態PM數量增多，50 nm以上的積聚態PM減少且峰值區域向小粒徑方向偏移;石化柴油燃料PM粒度分布呈單峰結構，峰值區域在50～100 nm之間，積聚態PM居多。負荷對PM粒度分布影響較大，隨著負荷增加核態PM所占比例逐漸減小。
關鍵詞：高壓共軌柴油機;生物柴油(BTL);微粒(PM)排放;粒度分布
中圖分類號：U473.1文獻標文獻標志碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.01.007
Effect of Biodiesel Blended Fuel on Particulate Matter Size Distribution in Common-Rail Diesel Engine Emission
Lai Chunjie1，Sun Wanchen1，Li Guoliang1， Tan Manzhi1， Chen Shibao1，Zou Mingsen2
(1. Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation，Jilin University State， Changchun，Jilin 130025;
2. Department of Automobile Engineering，Jiangsu Traffic Technician College，Zhenjiang，J iangsu 212006)
Abstract:The effect of biomass to liquids (BTL) biodiesel blended fuel with different component proportions on the particulate matter (PM) emission from a common-rail diesel engine was investigated . Moreover，the features of particle size distribution were analyzed and the effect of BTL fuel fraction on the particle size distribution was obtained. The results show that the particle size is mostly under 300 nm and a bimodal distribution of the particle size is observed. The amount of small nuclear mode PM reaches 60%. With increasing BTL fuel fraction the total number of PM grows, the amount of accumulation mode PM above 50 nm decreases and the peak regions appear at smaller particle size. For conventional diesel fuel，the particle size forms a unimodal distribution, the peak regions are between 50～100 nm and the PM are mostly in accumulation mode. The engine load also has a great impact on particle size distribution. The percentage of nuclear mode PM decreases with the increase of engine load.
Key words:common-rail diesel engine;biodiesel;particulate matter(PM) emission;particle size distribution
柴油機PM排放成分極為復雜，含有多種致癌物質，對人類的健康和生存環境危害極大，如何降低柴油機的PM排放已經成為內燃機行業的一個關鍵性技術問題。高壓共軌直噴技術(CRDI)最高噴射壓力可達1.8×105 kPa，燃油霧化充分，PM的質量排放量得到控制，但PM值將趨于超細化。未來的排放法規不僅對PM的質量排放量進行了限制還對PM的粒數加以限制，因此柴油機PM排放的粒度分布日益受到國內外研究者的普遍關注[1]。
一般來說，根據PM粒徑大小及生成機理將超細PM分為核態、積聚態兩種。在PM成核階段，以硫化物和燃燒過程中形成的固態碳粒為核心，揮發性有機物開始凝聚、吸附，形成粒徑小于50 nm的核態PM;在PM凝聚階段，揮發性有機物進一步凝聚、吸附，核態PM相互堆積形成粒徑在50～1 000 nm的積聚態PM[2-4]。
PM粒度分布與燃料特性密切相關，不同理化特性的燃料將直接影響PM的粒度分布[5-8]。本文利用美國TSI公司的3090 EEPSTM發動機排氣粒徑譜儀，對高壓共軌、增壓中冷柴油機穩態工況下PM粒度分布規律進行了試驗研究，分析了不同BTL添加比例混合燃料對高壓共軌柴油機穩態工況PM排放粒度分布的影響規律，并與石化柴油進行了對比，旨在為BTL的應用及其PM排放控制提供技術支持。
1 試驗設備及方法
1.1 試驗發動機
本研究采用高壓共軌、增壓中冷4缸直噴式車用柴油機進行，排放指標達到國Ⅲ水平，發動機的主要技術參數見表1。
1.2 試驗燃料
本研究使用的基礎燃料為方圓樣品油中心提供的標準歐IV 0#低硫柴油，BTL是以菜籽油甲酯為主的調和產品。以0#柴油為基礎，添加不同比例的BTL得到具有不同理化特性的燃料進行試驗研究。本文將BTL添加體積分數為0%、10%、30%、60%和100%的混合燃料簡稱為B0、B10、B30、B60和B100。表2為試驗燃料的主要理化特性指標。
1.3 試驗主要儀器設備
1.3.1 發動機測試系統
試驗測控系統由高壓共軌柴油機、DS-9100燃燒分析儀、Horiba排氣分析儀、AVL439消光煙度計、3090 EEPS PM粒徑譜儀等組成。圖1為測試系統結構簡圖。PM粒度分布測量采用美國TSI公司生產的基于電遷移性測量技術的3090 EEPSTM發動機排氣粒徑儀進行，粒徑測量范圍為5.6～560 nm。
1.3.2 PM分布測試系統
為滿足試驗研究的需要，自行設計了排氣PM二級稀釋采樣系統對發動機排氣進行分流稀釋，可滿足粒度儀采樣條件及測量要求。圖2為PM粒度分布測試系統簡圖。第1級稀釋管道中，通過調節閥門開度，控制排氣量，將稀釋比控制在20左右。第2級稀釋采用全流稀釋，通過調節二級管道的空氣量控制第2級稀釋比，試驗中通過測量排氣管及稀釋風洞的CO2濃度確定風洞稀釋比。經過試驗測量，總稀釋比控制在100以上均可滿足粒度儀的測量要求。PM粒度分布及PM粒數均通過TSI 3090 EEPSTM排氣粒徑儀測量，并可實現風洞稀釋比的同步測量。
1.4試驗方案及試驗方法
為揭示燃料特性本身對于發動機燃燒和排放的影響規律，試驗中對于不同燃料的試驗工況均采用等空燃比進行調整。發動機轉速為1 600 r/min，空燃比分別為29、33、45.5、63和109，分別對應發動機75%、60%、40%、20%和10%負荷。為保證試驗結果的準確性，更換不同燃料均在發動機運行半小時后進行試驗，每次測量之前將排氣引到稀釋風洞中一段時間，保證稀釋風洞達到飽和狀態。
2 試驗結果及分析
2.1 石化柴油、BTL PM粒度分布對比
圖3和圖4分別為發動機轉速為1 600 r/min、不同負荷工況下歐IV石化柴油和純BTL PM粒度分布對比。從圖3中可知，對于石化柴油，PM粒數分布曲線呈單峰結構，峰值區域在0～100 nm之間，以積聚態PM為主，PM體積濃度、表面積濃度亦呈單峰分布，峰值區域在50～200 nm之間。與石化柴油相比，BTL燃料的PM粒徑明顯減小，粒數分布呈雙峰結構，核態PM峰值區域在5～20 nm之間，積聚態PM峰值區域在30～100 nm之間，核態PM峰值遠高于積聚態PM。PM體積濃度、表面積濃度分布呈單峰結構，峰值區域亦在50～200 nm之間。
造成兩種燃料PM粒度分布規律存在明顯差異的主要原因是：生物柴油具有較高的含氧量和十六烷值，正構烷烴較少，易于裂解生成較多的碳核及揮發性有機物，而來自燃料的未燃HC的揮發性較差更容易達到飽和狀態并凝結成大量核態PM。較高的十六烷值導致燃燒的滯燃期縮短，預混合燃燒量減少，在前期燃燒過程中生成較多的核態PM。同時，較高的含氧量使缸內后期擴散燃燒過程得到改善，抑制了核態PM向積聚態的轉化，因此BTL燃料的核態PM峰值遠高于積聚態峰值。
對比不同負荷工況下PM粒度分布特征可以看出，對于石化柴油隨負荷的增加PM數量濃度逐漸增加，超過60%負荷增加更加明顯，并且小粒徑的核態所占比例逐漸減小。主要原因是小負荷工況時，缸內燃燒條件不好，滯燃期長，空燃比過大，燃燒溫度低，未燃HC增多，生成的核態PM不容易聚集，導致小負荷工況小粒徑的核態PM增多。大負荷工況空燃比小，缸內易產生局部過濃區域，使PM生成迅速增多，峰值急劇上升，PM中可溶有機成分減少，以積聚態PM為主，PM體積濃度、表面積濃度分布曲線與粒數濃度分布曲線變化趨勢基本一致。
對于生物柴油，核態PM粒數濃度峰值在中等負荷達到最大值，隨負荷增加峰值急劇下降且逐漸向小粒徑方向偏移;積聚態PM峰值隨負荷增大而上升并逐漸向大粒徑方向移動。原因是在小負荷工況下，缸內未燃HC較多，使核態PM難于凝聚為積聚態，因此10%負荷核態峰值較低、積聚態峰值較高。在20%～40%負荷區域內，缸內燃燒溫度上升、空燃比下降，燃燒得到改善，未燃HC減少，核態PM向積聚態PM轉變的趨勢減小，因此核態PM峰值上升明顯，同時，積聚態峰值稍有上升。在60%～75%大負荷區域內，空燃比進一步減小，缸內局部缺氧區域嚴重，燃燒溫度上升，生成核態PM的數量增多并迅速積聚成積聚態PM[8-9],導致核態PM迅速減少，峰值區域向小粒徑偏移,積聚態PM增加且峰值區域向大粒徑偏移。
2.2 不同添加比例BTL混合燃料PM粒度分布
圖5為不同添加比例BTL混合燃料在不同負荷工況下PM粒度分布對比。可見在中、小負荷工況下，燃料PM粒度分布逐漸由石化柴油積聚態大粒徑單峰結構向BTL燃料的雙峰結構過渡;當BTL添加比例超過30%，核態PM數量增多,占PM總數的40%以上，50 nm以上的積聚態PM減少且峰值區域向小粒徑方向偏移。與石化柴油相比，添加比例小于60%的混合燃料，PM總數略有下降。在大負荷工況下，不同添加比例的BTL混合燃料粒數濃度分布均為單峰結構，峰值區域在50～200 nm之間，以積聚態PM為主，PM總數下降。在所有工況下，PM體積濃度和表面積濃度分布均呈單峰結構，峰值區域在50～200 nm之間，添加比例超過60%后迅速下降。
研究發現PM粒度分布受燃料特性的影響較大。在小負荷工況下，BTL燃料粒數濃度分布呈雙峰結構且核態峰值遠高于積聚態峰值，石化柴油為積聚態單峰結構且峰值區域粒徑較BTL大。因此，添加比例較小時，核態PM濃度和積聚態PM濃度變化不明顯，添加比例超過60%，積聚態PM濃度明顯減小且峰值區域向小粒徑方向移動，核態PM濃度上升幅度較大。在大負荷工況下，BTL燃料的核態PM更多地向積聚態PM轉變，核態PM濃度迅速降低，積聚態PM濃度上升，石化柴油積聚態PM濃度在大負荷工況下上升更為明顯。因此，添加比較小時粒數排放粒度分布與石化柴油基本一致，添加比例超過60%后，BTL燃料的高含氧量使缸內燃燒得到改善，大粒徑積聚態粒數濃度迅速下降。
3 結論
(1)高壓共軌柴油機PM排放粒徑絕大部分在300 nm以下;BTL燃料PM排放粒度分布呈雙峰結構，以小粒徑核態PM為主，占PM總數的60%以上，峰值區域在5～20 nm之間，積聚態峰值區域在30～100 nm之間;石化柴油PM排放粒度分布呈單峰結構，以積聚態PM居多，占PM總數的55%左右，峰值區域在50～100 nm之間。
(2)不同負荷工況下的PM粒度分布規律有所不同，BTL燃料核態PM粒數濃度峰值在中等負荷達到最大值，隨負荷增加峰值急劇下降且逐漸向小粒徑方向偏移;積聚態PM粒數濃度峰值隨負荷增大而上升并逐漸向大粒徑方向移動。對于石化柴油隨負荷的增加PM數量濃度逐漸增加，超過60%后其負荷增加更加明顯且小粒徑核態PM所占比例逐漸減小。
(3)對于BTL混合燃料，在中、小負荷工況下，隨著BTL添加比例增加，燃料PM粒度分布逐漸由單峰結構向雙峰結構過渡;核態PM數量增多，50 nm以上的積聚態PM減少且峰值區域向小粒徑方向偏移。在大負荷工況下，各添加比燃料粒數濃度分布均為單峰結構，峰值區域在50～70 nm之間，以積聚態PM為主。
參考文獻(References):
The European.Union.Commssion regulation (EC)No 692/2008 of 18 July 2008[S]. Official Journal of the European Union，2008.
KITTELSON D，ARNOLD M， WATTS W. Review of Diesel Particulate Matter Sampling Methods[R]. Minnesota: University of Minnesota，1999.
劉雙喜，寧智，付娟，等.柴油機排氣微粒冷卻演變特性的實驗研究[J].環境科學，2007,28(6)：1193-1197.
Liu Shuangxi, Ning Zhi, Fu Juan,et al. Evolution Characteristics of Diesel Particles Under Cooling Condition[J]. Environmental Science，2007，28(6)： 1193-1197.(in Chinese)
LEE K O，Zhu Jinyu，CIATTI S. Sizes，Graphitic Structures and Fractal Geometry of Light-Duty Diesel Engine Particulates[C]. SAE Paper，2003-01-3169.
Li Xinling，Huang Zhen，Wang Jiasong. Particle size distribution from a GTL engine[C]. Science of the Total Environment ，382(2007)：295-303.
KITTELSON D B. Engines and Nano-particles: A Review[J]. Journal of Aerosol Science，1998，29(5/6)：575-588.
王曉燕，李芳，葛蘊珊，等.甲醇柴油與生物柴油微粒排放粒徑分布特性[J].農業機械學報，2009，40(8)：7-12.
Wang Xiaoyan，Li Fang，Ge Yunshan，et al.Particle Size Distribution of Particulate Matter Emission from the Diesel Engine Burning Methanol-diesel Fuel and Biodiesel[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40(8)：7-12.(in Chinese)
陳虎，陳文淼，王建昕，等.柴油機燃用乙醇-柴油含氧燃料時微粒特性的分析[J].內燃機學報，2005，23(4)：307-312.
Chen Hu，Chen Wenmiao，Wang Jianxin，et al. Study on PM Emission Characteristics of Diesel Engine Fueled with Ethanol Diesel Blend[J]. Transactions of CSICE，2005， 23(4)：307-312.(in Chinese)
孫萬臣，譚滿志，陳士寶，等.燃料特性對柴油機排放微粒粒度分布的影響[J].汽車工程，2010，32(7)：570-574，595.
Sun Wanchen，Tan Manzhi，Chen Shibao，et al. Effects of Fuel Properties on Particle Size Distribution in Diesel Engine Emiss ion[J]. Automotive Engineering，2010，32(7)：570-574，595.(in Chinese)
柴油機共軌新技術論文篇二
燃油噴射參數對高壓共軌柴油機性能的影響
【摘 要】目前，高壓共軌噴油系統在直噴柴油機中使用非常普遍。其不但能夠單獨控制噴油壓力的同時，還能夠實現高精度噴油量，進而按照發動機以及車輛的運行狀況對燃油噴射進行調整，最終為實現高效，干凈以及低噪音的燃燒過程提供控制指標參數，其已經逐步成為柴油機燃油噴射系統發展的最新方向。本文使用GT-POWER軟件構建高壓共軌柴油機的整機模型，同時對計算值和試驗值進行對比，以其保證整機模型擁有充分的可靠性。通過模擬分析，具體分析噴油壓力，預噴油量以及其他方面對柴油機性能的影響。本文通過模擬研究后發現，加大預噴油量可以有利于減少二氧化氮的排放量，然而預噴油量最好不能太大否則可能會影響發動機的性能。另外適度的加大噴油壓力有利于提升發動機的性能以及經濟性，同時減少Soot的排放量，然而二氧化氮的排放有不斷遞增的態勢。當然這些因素并不是單獨存在的，而是相互作用，相互配合影響著柴油發動機的不同性能，所以務必要強化他們之間的協同配合，提升高壓共軌柴油機的總體性能。
【關鍵詞】燃油噴射參數;高壓共軌;性能
0.引言
目前，高壓共軌噴油系統在直噴柴油機中使用非常普遍。其不但能夠單獨控制噴油壓力的同時，還能夠實現高精度噴油量，進而按照發動機以及車輛的運行狀況對燃油噴射進行調整，最終為實現高效，干凈以及低噪音的燃燒過程提供控制指標參數，其已經逐步成為柴油機燃油噴射系統發展的最新方向。
1.模擬模型
1.1模擬模型的構建
具體構建模型涵蓋了進氣歧管，氣缸，以及噴油器等等。在GT-POWER軟件確立的模型。其主要模塊是初始環境變量模塊，依次標志著增壓中冷后的進氣狀態，以及渦輪前的排氣狀態，其壓力，溫度等不同參數的設立來自于發動機臺架試驗數據，保障了模型的準確性。
1.2模擬模型的檢驗
為了能夠更好的檢驗模型的科學可靠性，把發動機外特點下的計算值以及試驗值進行了對比。發動機主要的性能指標的計算值以及試驗值的誤差都在10%之內，同時變化結果非常接近。盡管Soot排放的計算值同試驗值存在一定程度的差異，但是變化結果也差不多相同。因此，通過GT-POWER軟件模擬模型能夠清楚的表明原發動機的動力性，而且還可以用在定性研究排放性能[1]。
1.3參數的選擇以及原始條件的設立
對噴油壓力以及噴油定時的柔性控制和不同次數的噴射都是高壓共軌燃油噴射系統的獨有的，同時在一定程度上制約了整機性能。在電控高壓共軌系統中，預噴正時一般也是按照主噴正時融合主預間隔來具體明確的。所以在噴射方案為每循環兩次噴射的基礎之上，本文從模擬樣機電噴控制策略模擬研究了噴油壓力，以及預噴油量等對于整機性能的影響程度。
2.模擬結果研究
2.1噴油壓力
在其他參數沒有變化的情況下，提升噴油壓力。從模擬結果來看，噴油壓力的不斷遞增，可靠扭矩以及二氧化氮在趨于增大，但是可靠燃油消耗率卻在降低。從具體原因來看，這是由于提升了噴油壓力可以提升燃油霧化質量，同時推動油氣混合，進而改革了燃燒過程。噴油壓力提升之后，預混合燃燒的比重也在不斷遞增，燃燒重心也在趨于提前，整個燃燒過程也在趨于簡短，這時發動機的熱效率得到提升，所以可靠扭矩得到遞增，燃油消耗率降低。然而噴油壓力提升之后，在滯燃期內噴入氣缸的燃油和組成的混合氣都可能在一定程度上得到提升，讓氣缸內最大爆發壓力可能取得一定程度上提升，這些種種因素的影響都會使得二氧化氮的排放量遞增。另外如果噴油壓力過高的話，其不但會使噴油泵驅動扭矩以及功率遞增，同時還可能對于燃油噴射系統的結構強度和密封性提出非常嚴格的需求[2]。
2.2預噴油量
在其他參數不變化的情況下，依次設立預噴油量為循環噴油量具體指標參數。具體分析出，預噴油量的遞增，可靠扭矩也會趨于降低，可靠燃油消耗率也在趨于加大，然而在轉速達到1000r/min的時候，其變化不是特別的明顯。二氧化氮排放在隨著噴油量遞增的同時，也在出現明顯的降低，然而在轉速達到1000r/min的時候，其指標不會出現下降，反而出現上升的態勢。具體來看，這是由于在循環噴油量沒有變化的情況下，預噴油量出現遞增，但是主噴油量會出現顯著的降低，另外預噴射的燃燒過程基本上都出現在止點之前的，預噴燃油的燃燒在提升缸內壓力以及溫度的同時，同時也會使得壓縮負功的遞增，因此，預噴油量不斷遞增，可靠扭矩減低，燃油消耗率就會加大[3]。
3.結語
綜上所述，本文通過模擬研究后發現，加大預噴油量可以有利于減少二氧化氮的排放量，然而預噴油量最好不能太大否則可能會影響發動機的性能。另外適度的加大噴油壓力有利于提升發動機的性能以及經濟性，同時減少Soot的排放量，然而二氧化氮的排放有不斷遞增的態勢。當然這些因素并不是單獨存在的，而是相互作用，相互配合影響著柴油發動機的不同性能，所以務必要強化他們之間的協同配合，提升高壓共軌柴油機的總體性能。
【參考文獻】
[1]譚靖宇，石秀勇，陳泓等.燃油噴射參數對高壓共軌柴油機性能的影響[J].上海汽車，2012，3(10)：22-23.
[2]劉少華.柴油機燃用BED多組份燃料的燃燒過程研究[D].昆明理工大學，2013，11(28)：13-22.
[3]崔磊.高壓共軌柴油機混合氣形成及燃燒特性的研究[D].吉林大學，2013，(5)：10-22.
[4]陳杰，郭少平，朱輝.分時多任務機制在汽油機電控單元中的應用[J];車用發動機，2000(01).
[5]朱天樂，王建昕，傅立新，郝吉明.柴油機排氣后處理技術[J].車用發動機，2002(06).
[6]汪志剛，張敬國.高速強力電磁閥的研究現狀[J].車用發動機，2003(01).
[7]宋軍，喬信起，黃震，李書澤，王巖.柴油機電控噴射系統發展現狀[J].車用發動機，2003(03).
[8]仇滔，劉興華.電控單體泵供油系統仿真研究[J];車用發動機，2005(02).
[9]劉振明，李珩，歐陽光耀.電控噴油器電磁閥驅動電路的改進設計及試驗研究[J].車用發動機，2009(01).
[10]王沛，馬修真，范立云，晏佳.電控單體泵噴油電磁閥驅動控制電路設計[J].車用發動機，2011(02).