【日】　M.Ishii　K.Shimokawa　K.Machida　H.Nakajima

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發(fā)展動(dòng)向

高速公路長(zhǎng)途運(yùn)輸卡車專用重型柴油機(jī)的燃油耗改善研究

【日】M.IshiiK.ShimokawaK.MachidaH.Nakajima

對(duì)高效率柴油機(jī)、混合動(dòng)力系統(tǒng)、廢熱回收系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)，以及先進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)等能夠改善高速公路長(zhǎng)途運(yùn)輸重型卡車燃油耗的可能途徑進(jìn)行了研究。介紹了改善柴油機(jī)本身燃油耗性能所用策略及實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果。獨(dú)立發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，當(dāng)卡車在高速公路上行駛時(shí)，采用高制動(dòng)平均有效壓力、兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)、雙循環(huán)廢氣再循環(huán)(高壓循環(huán)和低壓循環(huán))系統(tǒng)、新型燃燒室和新型噴嘴噴油系統(tǒng)的小型化柴油機(jī)，可大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況的燃油耗。

燃油耗柴油機(jī)重型卡車長(zhǎng)途運(yùn)輸

0　前言

每當(dāng)新的排放法規(guī)生效時(shí)，就會(huì)有一些重型商用車柴油機(jī)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，柴油卡車排放超標(biāo)問題得到了有效解決。此外，柴油機(jī)由于其熱效率高，現(xiàn)在不僅用于重型卡車，而且還用于小型轎車。這種變化將有助于減少CO2排放量，改善全球環(huán)境。

另一方面，由于在長(zhǎng)期的使用過程中已經(jīng)對(duì)柴油機(jī)各方面技術(shù)進(jìn)行了全面的研究，現(xiàn)在僅憑單項(xiàng)新技術(shù)的開發(fā)很難實(shí)現(xiàn)燃油耗的大幅改善。所以，進(jìn)一步降低柴油機(jī)燃油耗的關(guān)鍵技術(shù)將集中于動(dòng)力總成各個(gè)組成部分相互取長(zhǎng)補(bǔ)短的技術(shù)(如發(fā)動(dòng)機(jī)組件、混合動(dòng)力系統(tǒng)、廢熱回收(WHR)系統(tǒng)、后處理裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等)。具體來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)排量將大幅減小，以充分減少發(fā)動(dòng)機(jī)本身的摩擦損失量，獲得高的熱效率[1-2]，然后采用混合動(dòng)力系統(tǒng)補(bǔ)充和輔助加速性能[3]。重型長(zhǎng)途運(yùn)輸卡車主要在高速公路上行駛，車速幾乎沒有變化，因此，在這些駕駛工況下的廢熱和減速能量可作為能量源加以回收利用[4]。在冷態(tài)時(shí)，采用低溫高性能的后處理系統(tǒng)有助于提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，反之，柴油機(jī)的空間速度低和排氣溫度高，又可以輔助后處理系統(tǒng)。

有助于降低柴油機(jī)本身燃油耗的主要技術(shù)是減少摩擦損失和泵氣損失。因此，現(xiàn)在急需綜合采用多項(xiàng)技術(shù)，如高平均有效壓力(BMEP)小型化發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行、在抑制泵氣損失的同時(shí)將廢氣引入氣缸[5-7]、在低空燃比條件下實(shí)現(xiàn)充分燃燒[8-9]。

本文對(duì)高BMEP小型化柴油機(jī)、高壓比渦輪增壓系統(tǒng)，以及優(yōu)化燃燒等有助于極大改善燃油耗，同時(shí)又對(duì)滿足1.0g/(kW·h)(日本2016排放法規(guī)限值)穩(wěn)態(tài)氮氧化物(NOx)排放要求的技術(shù)進(jìn)行了研究，并針對(duì)日本國(guó)內(nèi)高速公路重型長(zhǎng)途運(yùn)輸卡車駕駛工況等技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。

1　柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)高熱效率的策略

1.1熱平衡改善方法

圖1所示為重型卡車在日本高速公路上以80km/h行駛時(shí)柴油機(jī)熱平衡的典型實(shí)例[10]。制動(dòng)輸出功僅占輸入總能量的約40%，而剩余60%的能量卻以冷卻損失、排氣損失、摩擦損失和泵氣損失的形式散失掉。很明顯，改善熱平衡有助于降低燃油耗。對(duì)于柴油機(jī)本身，必須改善制動(dòng)輸出功、減少各種損失，以及回收廢熱。

圖1　高速公路駕駛工況下重型柴油機(jī)的熱平衡

1.1.1高BMEP小型化柴油機(jī)

直至20世紀(jì)90年代，主流商用車重型柴油機(jī)仍舊采用大排量自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。但是，在21世紀(jì)出現(xiàn)了采用渦輪增壓器的較小排量柴油機(jī)，不僅與大排量發(fā)動(dòng)機(jī)具有相同的功率輸出、扭矩和排放特性，同時(shí)燃油耗較低。因此，進(jìn)一步改善這些柴油機(jī)性能的有效方法是進(jìn)一步減小排量、采用高BMEP，以及減小摩擦損失。此外，減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)減重有正面作用。

1.1.2渦輪增壓系統(tǒng)與廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)

對(duì)于相同排量的柴油機(jī)，當(dāng)BMEP增大時(shí)，進(jìn)氣量和EGR量也隨之增大，因此必須采用高壓比渦輪增壓系統(tǒng)。假設(shè)渦輪增壓效率相同，由于高壓比渦輪增壓系統(tǒng)使排氣壓力升高，進(jìn)而導(dǎo)致泵氣損失增大，燃油耗惡化。所以，當(dāng)采用高壓比渦輪增壓系統(tǒng)時(shí)，大幅提高渦輪增壓器效率和抑制泵氣損失增加也是至關(guān)重要的。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)，單級(jí)渦輪增壓器的高效區(qū)較窄，因此，很難在發(fā)動(dòng)機(jī)的所有工況區(qū)域內(nèi)同時(shí)獲得高壓比和高效率。所以，對(duì)于高BMEP小型化柴油機(jī)必須重新考慮采用渦輪增壓系統(tǒng)，一般認(rèn)為兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)是1項(xiàng)更加有效的技術(shù)。兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是渦輪增壓器在扭矩點(diǎn)附近具有較高的效率，并且更易實(shí)現(xiàn)燃油耗的降低。這種系統(tǒng)非常適合經(jīng)常在大扭矩工況點(diǎn)附近工作的重型卡車。因?yàn)樵鰤鹤龉ω?fù)荷均分給2個(gè)渦輪增壓器，所以這種兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)還具有比單級(jí)渦輪增壓器更加可靠的優(yōu)點(diǎn)。

另一方面，由于兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)在寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)具有較高的渦輪增壓效率，因此有利于產(chǎn)生泵氣功。高壓循環(huán)EGR(HPL-EGR)無(wú)法在泵氣功條件下向氣缸供給廢氣。因此，為了向氣缸供給廢氣，必須采用關(guān)閉可變幾何截面渦輪增壓器噴嘴的方法來(lái)保持具有較高背壓的泵氣損失。但是，采用這種方法會(huì)導(dǎo)致燃油耗惡化。因此，能夠同時(shí)抑制泵氣損失和確保EGR的技術(shù)是非常有必要。即使在泵氣功條件下，低壓循環(huán)EGR(LPL-EGR)也能向氣缸供給廢氣。因此，研究了將HPL-EGR和LPL-EGR集成到高效率渦輪增壓系統(tǒng)中的雙循環(huán)EGR(DL-EGR)系統(tǒng)的應(yīng)用。

1.1.3燃燒系統(tǒng)

減少進(jìn)氣量是減少泵氣損失的有效方法，同時(shí)還可以降低燃油耗。但是，在高EGR率條件(NOx排放低于1.0g/(kW·h))下減少進(jìn)氣量會(huì)增加碳煙排放的風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須改善空氣與噴入燃油的混合情況，實(shí)現(xiàn)充分燃燒，從而減少低空燃比條件下的碳煙排放量。對(duì)燃燒室形狀和噴嘴幾何結(jié)構(gòu)等能夠改善空燃混合狀態(tài)的可能途徑進(jìn)行了研究。

接著，重點(diǎn)研究發(fā)動(dòng)機(jī)的熱損失。從壓縮沖程中期開始，直至排氣沖程結(jié)束期間，氣缸內(nèi)氣體的溫度高于氣缸套壁面溫度、氣缸蓋表面溫度和活塞表面溫度。熱量從氣缸內(nèi)氣體傳遞給各氣缸壁，導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的熱量損失。這表明減少氣缸內(nèi)燃?xì)庀蚶鋮s液的傳熱損失非常重要。采用具有較高隔熱度的活塞和氣缸蓋等零部件是減少這樣傳熱的1種有效方法。

2　試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)

2.1試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

采用1款排量9L發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)。為了獲得與13L發(fā)動(dòng)機(jī)相同的功率和扭矩，對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)開發(fā)。表1列出了該發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格，圖2所示為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

圖2　試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)

改善柴油機(jī)常用工況范圍內(nèi)的燃油耗是減少不同種類和用途柴油機(jī)CO2排放量的有效途徑。圖3所示為重型卡車在東京至名古屋Tomei高速公路上以80km/h行駛時(shí)的燃油使用頻率分布情況。由于道路坡度的變化導(dǎo)致分布較為分散，但是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速集中在1000r/min附近。分析了1000r/min發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下每種負(fù)荷的燃油消耗量，結(jié)果表明最大燃油消耗量出現(xiàn)在35%扭矩負(fù)載。根據(jù)這些結(jié)果，將1000r/min發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和35%扭矩負(fù)載選作改善燃油耗的評(píng)價(jià)點(diǎn)。然后，研究了能夠在該點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大燃油耗改善的柴油機(jī)系統(tǒng)。

圖3　高速公路行駛期間的燃油耗頻率

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1高BMEP小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

采用高BMEP小型化柴油機(jī)是減小摩擦的1種有效方法，而要抑制泵氣損失必須采用兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。圖4所示為9L試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和13L基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖摩擦與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。采用小型化發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)減小所有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的摩擦損失，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，摩擦減少約20%，將該點(diǎn)作為燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)。結(jié)果表明，將柴油機(jī)排量從13L減小到9L改善了熱平衡，同時(shí)降低了燃油耗。此外，與單級(jí)渦輪增壓器相比，采用兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)旨在減少泵氣損失，同時(shí)在更為寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍內(nèi)獲得更高的渦輪增壓器效率。最終，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在評(píng)價(jià)點(diǎn)的燃油耗降低了1.4%，同時(shí)達(dá)到了日本2016排放法規(guī)限值。

圖4　測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦量

3.2渦輪增壓系統(tǒng)與EGR系統(tǒng)的影響

3.2.1兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)

圖5(a)所示為裝有單級(jí)渦輪增壓器的13L基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)運(yùn)行線。運(yùn)行線是在全負(fù)荷下測(cè)得的。圖5(b)所示為裝有單級(jí)渦輪增壓器的9L試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷下估算的壓氣機(jī)運(yùn)行線。該運(yùn)行線的估算前提是，假設(shè)柴油機(jī)排量從13L減小至9L，可以獲得與13L排量發(fā)動(dòng)機(jī)相同的扭矩，并且能夠達(dá)到日本2016排放法規(guī)限值。如圖5(b)所示，根據(jù)預(yù)測(cè)，采用單級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的9L試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由于喘振而無(wú)法正常運(yùn)行。因此，研究采用兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。對(duì)于兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)，每個(gè)渦輪增壓器均分負(fù)荷，所以是1種獲得高效率和避免喘振的有效方法。同時(shí)，對(duì)2個(gè)渦輪增壓器進(jìn)行了選擇，考慮到對(duì)HPL-EGR的控制能力，高壓級(jí)選擇可變幾何截面渦輪增壓器，低壓級(jí)選擇定容式渦輪增壓器。在本研究中，每個(gè)渦輪增壓器的容積取決于其在標(biāo)定點(diǎn)保持與13L發(fā)動(dòng)機(jī)相同燃油耗，以及在燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)獲得更高效率的能力。

圖5(c)所示為裝有兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的9L試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓級(jí)壓氣機(jī)運(yùn)行線。圖5(d)為兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的9L試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓級(jí)壓氣機(jī)的運(yùn)行線。

圖6所示為裝有兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的9L試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗特性圖。燃油耗的最佳點(diǎn)出現(xiàn)在1100r/min附近，也臨近燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)。因此，認(rèn)為這兩個(gè)渦輪增壓器的容積適用于9L試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)。這些結(jié)果表明，找到每個(gè)渦輪增壓器的容積平衡是匹配最佳燃油耗區(qū)域和燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)的關(guān)鍵。

圖5　壓氣機(jī)的運(yùn)行線

圖6　安裝了合適渦輪增壓器的試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗特性圖

3.2.2DL-EGR系統(tǒng)

在DL-EGR系統(tǒng)中，即使在泵氣功條件下廢氣也能通過LPL-EGR進(jìn)入氣缸，并且，甚至在渦輪增壓器高效區(qū)也能減少NOx排放。此外，通過控制HPL-EGR與LPL-EGR的比值，可使渦輪增壓器運(yùn)行線移動(dòng)至高效區(qū)，這樣做的目的就是同時(shí)實(shí)現(xiàn)低NOx排放和低燃油耗。

圖7(a)所示為僅采用HPL-EGR時(shí)的高壓級(jí)壓氣機(jī)運(yùn)行線，圖7(b)所示為采用DL-EGR，以及在HPL-EGR和LPL-EGR經(jīng)過優(yōu)化后的運(yùn)行線。這些運(yùn)行線表明涵蓋了在每個(gè)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下測(cè)得的負(fù)荷工況。通過采用DL-EGR，將圖7(a)中發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速端的運(yùn)行線從渦輪增壓器低效區(qū)移至圖7(b)中的較高效區(qū)。尤其在燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)主動(dòng)采用LPL-EGR會(huì)極大改善渦輪增壓器效率。另一方面，在高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速端僅采用HPL-EGR，因?yàn)椴捎肏PL-EGR可使運(yùn)行線出現(xiàn)在渦輪增壓器高效區(qū)。應(yīng)用這些技術(shù)可以使所有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行線匯集成高效區(qū)內(nèi)的1條運(yùn)行線。

圖7　高壓級(jí)壓氣機(jī)的運(yùn)行線

3.2.3定容式渦輪增壓器

如上所述，高壓級(jí)壓氣機(jī)運(yùn)行線可以自由變化，通過采用DL-EGR可使多條運(yùn)行線合并成1條單獨(dú)的運(yùn)行線。因此，為了進(jìn)一步改善燃油耗，采用具有性能高效但流量范圍狹窄的定容式渦輪增壓器取代可變幾何截面渦輪增壓器。當(dāng)高壓級(jí)選用定容式渦輪增壓器時(shí)，需重新檢查低壓級(jí)所需的適當(dāng)容積。在高壓級(jí)渦輪增壓器上布置了1個(gè)旁通閥，以精準(zhǔn)控制增壓壓力和背壓。在高渦輪流量時(shí)控制旁通閥來(lái)減少泵氣損失，這是在燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)和標(biāo)定點(diǎn)獲得良好性能的必要條件。

圖8所示為采用定容式渦輪增壓器條件下1000r/min時(shí)渦輪增壓系統(tǒng)的效率改善結(jié)果。在所有負(fù)荷區(qū)域內(nèi)都獲得了較高的渦輪增壓器效率，在燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)效率提高了1.9%。采用該渦輪增壓系統(tǒng)與EGR系統(tǒng)，燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)的燃油耗改善了5.2%。

圖8　渦輪增壓系統(tǒng)的效率改善(轉(zhuǎn)速1000r/min)

3.3燃燒系統(tǒng)的影響

3.3.1新型燃燒室與噴嘴幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了獲得較低的NOx排放，試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)需要有約30%的EGR率。這表明改善噴入燃油與空氣的混合和減少碳煙量都非常重要。因此，為了有助于改善這種混合，對(duì)1種新的燃燒室形狀及噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

圖9(a)所示為所研究的上凸型燃燒室。這種形狀充分利用燃油噴霧動(dòng)量來(lái)改善擠流區(qū)的混合情況。圖9(b)為噴霧特性示意圖。首先，噴入的燃油噴霧到達(dá)凹坑壁面的凹痕內(nèi)。然后，噴霧沿著渦流方向旋轉(zhuǎn)，并沿著凹腔壁面做曲線運(yùn)動(dòng)。最后，噴霧廣泛分布在擠流區(qū)內(nèi)。這種噴霧特性會(huì)改善燃油與空氣的混合情況，并使當(dāng)量比向較低的方向移動(dòng)。

圖9　上凸型燃燒室形狀的詳圖

圖10所示為根據(jù)傳統(tǒng)縮口型和新型上凸型燃燒室模擬結(jié)果得到的當(dāng)量比分布情況。然后，比較了擴(kuò)散燃燒階段上止點(diǎn)后15°CA和20°CA曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的當(dāng)量比分布情況。比較結(jié)果表明，上凸型燃燒室內(nèi)擠流區(qū)的殘余空氣區(qū)域減小(當(dāng)量比不高于0.5的區(qū)域)，所以，預(yù)期這種新型燃燒室的總當(dāng)量比會(huì)更低。當(dāng)量比不低于2.0時(shí)，擠流區(qū)內(nèi)的燃油會(huì)產(chǎn)生大量碳煙，因此，盡可能減少這些區(qū)域很重要。為了確保減小這些區(qū)域，根據(jù)圖10中所示的分布分析了每個(gè)當(dāng)量比下的燃油量(燃油頻率)。圖11所示為上止點(diǎn)后20°CA處擠流區(qū)內(nèi)當(dāng)量比與燃油頻率的關(guān)系。如圖11所示，由于采用了上凸型活塞，當(dāng)量比不低于2.0時(shí)的頻率下降，分布也向低當(dāng)量比端移動(dòng)。這些模擬結(jié)果表明，空氣與燃油的混合情況得到了改善，并且碳煙量也減少了。

圖10　根據(jù)模擬得到的當(dāng)量比分布

圖11　根據(jù)模擬得到的擠流區(qū)內(nèi)當(dāng)量比頻率

通過模擬獲得空氣與噴入燃油混合改善后，將這種新型燃燒室應(yīng)用到試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖12所示為新型和傳統(tǒng)燃燒室的評(píng)價(jià)結(jié)果。圖中的曲線給出了燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)處過量空氣系數(shù)與碳煙排放量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，采用新型燃燒室使碳煙量減少。出現(xiàn)這種結(jié)果是由于空氣與噴入燃油的混合情況得到了改善，模擬分析結(jié)果也具有相同的現(xiàn)象。此外，與傳統(tǒng)縮口型燃燒室相比，新形狀的燃燒室能夠在較低的過量空氣系數(shù)條件下獲得目標(biāo)碳煙排放量。因此，由于空氣量減少，還能減少泵氣損失。

圖12　燃燒室形狀對(duì)碳煙特性的影響(評(píng)價(jià)試驗(yàn))

對(duì)于噴油系統(tǒng)，采用較小直徑噴孔的噴嘴通常是改善燃油噴霧霧化的有效途徑。在本研究中，采用9孔和10孔噴嘴取代基準(zhǔn)8孔噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)，但噴嘴流量保持相同，確定是否能改善燃油噴霧的霧化(由于噴孔數(shù)增加，因此噴孔直徑減小)。此外，噴孔數(shù)增多預(yù)計(jì)還可以改善燃油噴霧在燃燒室內(nèi)的擴(kuò)散。

圖13(a)所示為不同噴嘴結(jié)構(gòu)在燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果。由于9孔噴嘴最有效地利用了燃油霧束之間的空氣，因此，碳煙量大大減少。但是，對(duì)于10孔噴嘴，由于獨(dú)立燃油霧束之間相互干擾，從而導(dǎo)致碳煙排放量增大。

圖13(b)和圖13(c)為全負(fù)荷下的試驗(yàn)結(jié)果。這些結(jié)果表明，在1000r/min工況下，9孔噴嘴的碳煙排放量與8孔噴嘴的水平相等，因此，與在燃油耗

圖13　噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)碳煙特性的影響(評(píng)價(jià)試驗(yàn))

評(píng)價(jià)點(diǎn)得到的結(jié)果相比，改善量相當(dāng)小。碳煙改善效果小的原因是在全負(fù)荷下的氣缸內(nèi)壓力高，且噴孔數(shù)增加縮短了燃油霧束的貫穿距離。在1800r/min發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，噴孔數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致碳煙排放增多。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，氣缸內(nèi)渦流變強(qiáng)，隨著噴孔數(shù)增多，燃油霧束之間的相互干擾變得更強(qiáng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和上述分析可得出，9孔噴嘴是改善碳煙排放的最佳噴嘴。

通過采用新形狀燃燒室和優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)的噴油系統(tǒng)使碳煙排放量減少，由于所需的空氣量減少，泵氣損失也隨之減小。這些改進(jìn)又使燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)的燃油耗改善0.9%。

3.3.2隔熱活塞

本研究對(duì)隔熱活塞進(jìn)行了測(cè)試，以減少冷卻損失。隔熱方法是改變活塞材料。試驗(yàn)活塞采用的材料是鑄鋼，與普通鋼或球墨鑄鐵相比，其導(dǎo)熱系數(shù)小。首先，將熱電偶安裝在球墨鑄鐵活塞(基準(zhǔn)活塞)和鑄鋼活塞上，測(cè)量活塞溫度分布情況。然后，根據(jù)測(cè)得的溫度分布情況計(jì)算活塞的散熱量。圖14為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。與球墨鑄鐵活塞相比，鑄鋼活塞在燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)的散熱量減少了30%。盡管如此，試驗(yàn)結(jié)果表明，這種散熱量減少的代價(jià)是發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率下降，同時(shí)NOx和碳煙排放量增大。采用較高增壓壓力補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的下降、增大EGR率以減少NOx排放，以及增加空氣量以減少碳煙排放都會(huì)導(dǎo)致泵氣損失增加，無(wú)法實(shí)現(xiàn)降低燃油耗的目標(biāo)。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，為了更有效地利用散熱量減少的優(yōu)勢(shì)，必須改善燃燒使其更適用于隔熱活塞。最終，排除了對(duì)鑄鋼活塞的使用。

圖14　根據(jù)試驗(yàn)過程中溫度測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到的活塞散熱量

3.4燃油耗改善

圖15示出了采用兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)、DL-EGR系統(tǒng)，以及具有新型燃燒室和新型噴嘴結(jié)構(gòu)的燃燒系統(tǒng)的高BMEP小型化柴油機(jī)對(duì)降低燃油耗的影響。最終，這些改善使燃油耗評(píng)價(jià)點(diǎn)的燃油耗下降7.5%，同時(shí)還能達(dá)到日本2016排放法規(guī)水平。

圖15　每種發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)改造對(duì)燃油耗的影響

4　結(jié)論

本研究嘗試將改善柴油機(jī)本身熱效率作為改善重型長(zhǎng)途運(yùn)輸商用卡車燃油耗的1種方法。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，研究了最適用于在日本高速公路上行駛的柴油卡車，同時(shí)還能達(dá)到日本2016排放法規(guī)水平的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。研究結(jié)果如下：

(1) 通過采用小型化柴油機(jī)使摩擦損失減少。通過采用在寬廣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)具有高渦輪增壓效率的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)減少了泵氣損失，這些改進(jìn)使燃油耗下降1.4%。

(2) 選擇了適合高速公路行駛工況的渦輪增壓器，采用無(wú)噴嘴葉片的定容式渦輪增壓器以提高渦輪增壓器效率，采用DL-EGR系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化渦輪增壓器的運(yùn)行線，這些改進(jìn)使燃油耗下降5.2%。

(3) 通過采用新形狀的燃燒室和新噴嘴結(jié)構(gòu)減少了碳煙排放量，所需的空氣量減少有助于減少泵氣損失，這些改進(jìn)使燃油耗下降0.9%。

(4) 采用上述的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)最終可使燃油耗總計(jì)下降7.5%。

5　未來(lái)計(jì)劃

與13L發(fā)動(dòng)機(jī)相比，采用9L小型化柴油機(jī)減少了摩擦損失。因此，應(yīng)該研究發(fā)動(dòng)機(jī)排量進(jìn)一步減小對(duì)降低燃油耗的影響。比油耗的最佳燃油耗點(diǎn)位于比本研究中評(píng)價(jià)點(diǎn)更高的負(fù)荷，因此，對(duì)渦輪增壓器進(jìn)行深入優(yōu)化能夠使燃油耗下降得更多。改善燃燒被認(rèn)為是將隔熱活塞轉(zhuǎn)化成1種可行技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。盡管采用這種隔熱活塞減少了散熱量，但泵氣損失增加，表明燃油耗無(wú)法實(shí)現(xiàn)降低。如果通過改善燃燒可以減少所需空氣量，那么就可減少泵氣損失，并且通過有效利用散熱量減少的優(yōu)勢(shì)來(lái)進(jìn)一步降低燃油耗。

此外，還應(yīng)該研究這些技術(shù)的可靠性，以及應(yīng)用于實(shí)踐的相關(guān)成本。另一方面，燃油耗改善還會(huì)使排氣溫度下降，因此，還必須對(duì)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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2015-07-08)