高压共轨柴油机性能和排放规律的试验研究
高压共轨柴油机性能和排放规律的试验研究[20191208102536]
摘 要
为了提高柴油机的燃油经济性和动力性，降低污染物排放和噪声等，必须对柴油机相关参数进行测试。高压共轨柴油机试验台架是进行柴油机性能测试试验的工具，它可以准确的测定当前运行工况发动机的功率，油耗，排放温度和水温等参数，并配合不透光烟度计，废气排放仪对当前排放情况进行测定。
本次试验在不同的发动机转速和扭矩之下，对发动机油耗量以及HC,NOx，CO,PM四大污染排放物进行精确测定。测定扭矩分别为90，120，150（N·m）；转速分别为1800,2400,3600（r/min）。试验结果表明，随着转速和扭矩的增加，动力性能提高，燃油经济性下降；氮氧化物排放量在1800r/min和3600r/min时较高，而在2400r/min时较低，同时在发动机1800r/min时，随着扭矩的上升，氮氧化物排放量显著提高；一氧化碳排放量极少几乎为0；碳氢化合物排放量在1800r/min时较低，而在2400r/min和3600r/min时较高；微粒的排放量随转速和扭矩的增加成稳态趋势逐步提升。
关键字:柴油机高压共轨性能排放
目 录
一、绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.1.1选题背景 1
1.1.2研究意义 2
1.2国内外的研究现状 3
1.2.1 高压共轨柴油机的性能研究 3
1.2.2 高压共轨柴油机的排放研究 4
1.2.3 高压共轨柴油机的燃烧模式 5
1.3本文的主要研究工作 6
二、高压共轨柴油机试验台架介绍 7
2.1 台架的功能 7
2.2 测试系统 8
2.3 冷却系统 9
2.4 进气系统 11
2.5 本章小结 11
三、高压共轨柴油机性能与排放规律研究 13
3.1试验用机 13
3.2测试条件和仪器设备 14
3.3试验方案 15
3.4排放标准及排放污染物的危害 16
3.5试验结果与分析 18
3.5.1 性能测试结果 18
3.5.2 排放测试结果 20
3.6本章小结 22
四、全文总结与展望 22
4.1全文总结 24
4.2工作展望 24
参考文献 25
致谢 26一、绪论
1.1选题背景及意义
1.1.1选题背景
由于高压共轨系统可以让柴油在高压状态喷射，并且具有灵活的多段喷射以及不要需改动发动机本体等一系列优势，已成为当今电控柴油机发展的一大热点。高压共轨柴油机的起动过程拥有着与众不同的特点。发动机的起动性能是评价其性能优劣的重要指标之一，柴油机亦是如此，国内外已经开展了大量的研究工作来改善其起动过程[1]。
自柴油燃油喷射系统经过第一次演变，从机械控制式发展到电子控制式系统后，电子喷射系统又前前后后经历了三次重要变革，即位置式燃油喷射系统、时间式燃油喷射系统与时间压力式燃油喷射系统（共轨系统）。高压共轨系统实现了喷射过程的分离和压力建立的模式，从而使得控制过程更具有精确性，能更准确地实现小油量的精准控制，越好地实现燃油的多次喷射。
自从1991年日本电装公司发表第一篇ECD-U2高压共轨系统的论文以来，国外燃油系统制造商认识到了高压共轨系统的发展前景，纷纷投入巨额资金和人力来开发建设共轨系统。随后德国博世公司于1995年发表了可以用于轿车的高压共轨系统，采用了径向柱塞转子式供油泵，同时喷油器电磁阀采用球阀结构[2]。目前博世公司共轨系统在欧洲的柴油发动机轻型车和乘用车上已经得到普遍应用，如德国戴姆勒-奔驰公司C系列轿车、德国大众的奥迪3.3L型V列8缸涡轮增压柴油机、意大利AlfaRemeo156轿车、美国康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全电控柴油机及美国通用公司和日本五十铃公司合资生产的Duramax6600柴油机等。德尔福公司在1998年推出轿车MultecDCR1400共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，它的喷油器电磁阀设计在喷油器内，使得喷油器的体积小巧精致；西门子也在2000年推出了相同的共轨系统，其喷油器采用了压电式执行器，使得响应时间更短；而日本电装公司如前文所述，在1991年研究开发出的ECD-U2第一代产品，并于1995年匹配上五十铃的6HK1柴油机、Hino的J08C柴油机，经许多年的改进与完善后，最新产品已经用于轿车新型的ECD-U2P系统。
现今，共轨燃油喷射系统在世界上的应用十分普遍，博世公司已经生产出了2500万套的共轨系统，并且在江苏无锡投资建设了研发技术中心和生产工厂，实现了本地化生产。此后，长城汽车与博世公司联合开发出了高压共轨柴油发动机，此外华泰、奥迪、奔驰等品牌也先后推出了采用共轨系统的汽车。我国的部分大学、某些研究所和企业也通过合作或独立自主研发的方式，取得了各具特色的研究成果，并伴随有数十项专利公布。因此，虽然我国在电控直喷式柴油机研究方面已经积累了一定的经验，但实事求是来说与国外还存在一定差距，这些差距主要体现在制造工艺的精度和批量生产的质量保证上。此外，国内共轨系统相关配套体系并不健全，部分零部件必须依靠进口，如单片机芯片、共轨压力传感器等[3]。
由于高压共轨柴油机强大的技术潜力，今天各大制造商已经把目光锁定在了共轨系统第3代—压电式共轨系统上，压电执行器替代了电磁阀，从而得到了更加精确的喷射控制。取消了回油管设置，在结构上更简单。压力在200～2000帕之间可弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOx的排放量。
1.1.2研究意义
日趋严重的能源危机已经成为全世界内燃机行业关注的焦点问题，也使柴油机越来越受到汽车用户青睐。与汽油机相比柴油机有很多优势：能够减少20%-25%的CO2尾气排放，在低速时拥有更好的加速性能，平均燃油消耗要低25%-30%，在驾驶乐趣方面也有优势。因此，有人对全球汽车产量中柴油机的发展趋势进行了大胆预测，并按区域划分世界汽车产量中的柴油机比例,欧洲国家走在世界前列。但是，与汽油机相比较，柴油机的污染物排放控制又是一个大难点。为了满足排放标准，柴油机先进的燃油喷射系统-高压共轨技术已经成为成为业内人士所关注的焦点。
随着排放标准的不断提高，柴油发动机必须采用电控喷射系统。目前国内柴油电控系统主要有单体泵和共轨等，与国外先进技术相比较，虽然仍不具备对等的实力，却胜在发展势头良好。如无锡油泵油嘴研究所自主研发的共轨系统已在无锡的公交车上使用，情况良好。同时国内从事电控柴油机研发的企业数量较多，相信今后中国在电控柴油机市场一定会有所作为。柴油机今后的发展一定会成为车用的主流趋势。这也是我研究的意义所在。
1.2国内外的研究现状
1.2.1 高压共轨柴油机的性能研究
费栋梁等人[4]最近做了一个车用高压共轨柴油机冷起动性能的研究。对匹配高压共轨燃油系统的柴油机，使用冷起动试验台架进行试验，研究其冷起动性能，主要是最低起动温度和起动时间，同时试验在冷起动情况下，主喷提前角对于冷起动性能的影响。试验证明，匹配高压共轨燃油系统的柴油机，可以有效的提高冷起动性能。
刘立东等人[5]近期做了一个F-T柴油对电控高压共轨柴油机性能及排放影响的研究。在满足国Ⅲ排放的现代高压共轨柴油机上,研究了掺烧不同比例F-T柴油混合燃料对发动机性能和排放的影响.结果表明,随着掺烧比例的加大,发动机的动力性略有下降,在外特性上,与燃烧国Ⅲ柴油相比,燃用F-T柴油时,扭矩最大下降2.2%,而燃油消耗率最高下降7.1%,有效热效率提高了4.5%.在十三工况的排放上,碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和颗粒(PM)的比排放量较国Ⅲ柴油均有明星下降,其中尤以燃用F-T柴油下降的幅度最大,PM降低了25.5%、NOx降低了11.7%、HC降低了39.3%、CO降低了33.9%。因此F-T柴油是柴油机的优良替代燃料。
电控高压共轨系统还提供了更广阔的扩展功能和燃烧过程中的更大自由度，它可以使柴油发动机具有更低的排放、更好的燃油经济性和在更低噪声情况下运行[6]。可以说，柴油机电控技术的研究已达到相当完善的程度，高压共轨系统将成为21世纪柴油机燃油喷射系统的主流。
刘瑞林等人[7]最近对高压共轨柴油机高海拔工作的性能进行了仿真研究。他们采用GT-Power软件建立了高压共轨柴油机工作过程模型,研究了等油量和等空燃比条件下柴油机性能随高原环境条件的变化规律。结果表明:等油量下,柴油机扭矩和燃油消耗率在海拔3000m以内中高转速范围基本保持不变；在海拔4000m以上标定转速下增压器超速,海拔5000m,900r/min时发动机因空燃比过低而无法运行。等空燃比下,同0m海拔相比,海拔5000m不同转速下发动机燃油消耗率平均增加7.2％,扭矩平均下降近40％,动力性下降严重。等油量或等空燃比方法不符合我国高原实际情况,需要建立新的柴油机性能高海拔修正或预测方法。
1.2.2 高压共轨柴油机的排放研究
张岳秋等人[8]近期做了一个电喷高压共轨柴油机燃用生物柴油性能的研究。通过实验研究了燃用生物柴油对电喷高压共轨柴油机的动力性、经济性和排放性的影响。结果表明,生物柴油B100和B20均可以有效降低PM、HC、CO和烟度排放,但是动力性下降、油耗率上升、NOx排放有明显增加;与柴油相比生物柴油B100的PM和DS(干碳烟)排放分别降低50%～70%、80%～85%,B20的PM和DS排放分别降低25%～35%、30%～40%。生物柴油B100和B20的NOx排放相比柴油上升5%～20%。
范泽龙等人[9]最近做了一个高压共轨柴油机燃用煤制柴油、传统柴油及其混合燃料的排放比较的研究。利用现代高压共轨直喷柴油机，在ESC循环和负荷特性模式下系统研究煤制柴油这一新型清洁燃料的常规和非常规排放特性，并与燃用传统柴油时的排放特性进行了比较。其中负荷特性试验模式采用了3个转速，每个转速采用4个负荷．研究表明，高转速高负荷条件下煤制柴油能大幅降低NOx排放，怠速和低负荷条件下能大幅降低HC和CO排放，高转速低负荷下能大幅降低PM排放。PM排放随燃料中煤制柴油含量增加而下降，而HC、CO、NOx排放在煤制柴油体积分数为30%和50%时基本相同．燃料中煤制柴油体积分数增加，PM粒径变小，数目增多。
张旭升等人[10]曾经做了一个共轨柴油机燃用生物柴油限制与非限制排放特性研究。在高压共轨柴油机上对生物柴油混合燃料(源自食用废油)的排放物进行了研究.结果表明,限制性气体排放中,随着生物柴油混合比例的增加,NOx的排放量明显升高,同时在氧化催化器后NOx中的NO2体积分数也逐步增大;烟度则随着燃料混合比例的增加呈线性下降。非限制性气体排放中,外特性工况下的生物柴油混合燃料的乙醛排放量随混合比的增加而降低；SO2气体排放量也随着燃料混合比例的增加逐步下降,纯生物柴油可降低20%～60%。生物柴油的颗粒粒径分布表明,生物柴油的核态纳米颗粒对混合燃料的硫含量非常敏感,由于纯生物柴油硫含量低,故可以有效降低颗粒的总数量浓度。
1.2.3 高压共轨柴油机的燃烧模式
李德刚[11]曾经做了一个基于整车性能的高压共轨柴油机燃烧系统的研究。进气涡流比和转速对缸内流动特性有着重要的影响。对于本文选择的三种涡流比1.4,1.8,2.1,在发动机转速3000r/min和喷雾参数一定条件下,对于挤流强度及其保持性来说,进气涡流比越高,挤流强度越大,但喷雾结束后挤流强度衰减相对较快且挤流强度保持性降低。进气涡流比越小,挤流强度保持性越好；对于涡流强度及其保持性来说,进气涡流比越高,涡流强度越大,但涡流强度保持性与进气涡流比关系不大；通过相同涡流比(1.8)不同转速(3000r/min和3600r/min)的分析可发现,无喷雾时,两种不同转速工况的挤流强度及其保持性基本相同,转速3000r/min时,挤流强度在喷雾结束之前与喷雾结束后均较大,而转速3600r/min时,挤流强度保持性相对较好可促进扩散燃烧。
王军等人[12]曾经做了一个高压共轨柴油机燃烧匹配的研究。在柴油机引入高压共轨喷油系统后,进行了柴油机燃烧参数匹配研究。分析了高压共轨系统对喷嘴和燃烧室以及进气涡流要求；结合理想气体压缩公式和升功率计算公式,计算了不同压缩比的柴油机气缸压力和升功率；按照燃烧室结构尺寸设计经验范围,设计了不同结构形式的缩口燃烧室,满足不同压缩比的要求。根据最大循环喷油量和喷射压力的要求,计算5、6孔喷嘴基本参数.按最佳涡流比的原则,计算了喷孔参数所要求的涡流比。采用单部件顺序匹配试验,进行燃烧系统不同方案的匹配试验,通过试验数据分析得到,6孔、缩口大口径浅坑燃烧室、涡流比2.0是该柴油机燃烧系统较合理的参数。
宋文福[13]研究了一次高压共轨柴油机燃烧特性的数值模拟研究。运用AVL公司的大型液压仿真软件HYDSIM建立共轨喷油器的仿真模型，同时构建高压共轨喷油泵试验台，从喷油规律和喷油量两方面验证了仿真模型的准确性及精度。然后，论文在AVL公司的大型CFD计算软件FIRE的基础上建立了柴油机燃烧室仿真模型，并以共轨喷油器仿真模型计算得到的喷油特性为基础，对不同喷油压力下共轨柴油机的燃烧特性进行了数值模拟。仿真结果表明：高压共轨喷油压力增加，喷油速率加快，燃油雾化更好，不仅使燃烧速度加快，而且燃烧更接近于上止点完成，使缸内平均燃烧压力和平均温度升高，有利于提高柴油机的燃烧热效率和改善其作功能力。并且，随着共轨喷油压力的增加，燃烧始点提前，最大放热率增加,放热率重心提前，燃烧持续期缩短，有利于改善柴油机的燃烧状况，提高燃油利用率，改善发动机的整体性能。在其它参数不变的情况下，喷油压力增加，气缸内局部最高温度增加，氮氧化物的主要生成区域偏大，形成速率加快，生成总量增加；喷油压力降低，喷油持续期延长，燃油雾化变差，碳烟生成量增多。
1.3本文的主要研究工作
初期先进行论文材料的收集与整理，对高压共轨柴油机的各类相关知识进行了解。随后摘录相关背景与拟定研究意义，熟悉国内外的研究现状，包括高压共轨柴油机的性能，排放和燃烧模式的研究。接着着手实验的相关流程，对实验用高压共轨柴油机试验台架的功能，各系统等的参数指标进行整理与罗列，并制定出试验方案；由指导老师带领完成高压共轨柴油机性能和排放的相关试验。测定扭矩分别为90，120，150（N·m）；转速分别为1800,2400,3600（r/min）相互交叉的9组实验数据；将其绘制成图表，观察得出功率，油耗率以及HC,NOx，CO,PM随转速和扭矩变化之间的关系。最后初步得出高压共轨柴油机局部的性能（动力性、燃油经济性）和排放测试结果。最后对试验结果进行分析，修正参数，绘制图表，得出试验结论，完成工作。
二、高压共轨柴油机试验台架介绍
2.1 台架的功能
系统构成如图2-1所示。带数控系统的测功机,可以稳定准确地控制发动机的工作状态,并采集与测功机有关的测试参数。智能化油耗仪和排放仪通过GPIB接口与主机进行连接,可以在试验过程中自主完成对油耗和相应排放的测量,并将测量结果记录在主计算机中。自行研制开发的带微处理器的信号调理以及适配器模块,主要用于对电控参数的采集和处理。高压共轨电控柴油机所需要的测试参数除了普通柴油机常规测试的一些参数(如:功率，转速,扭矩,比油耗,机油压力，机油温度等)外,还需要测试某些关键的电控参数,如:主喷脉宽(TWV_main_w),预喷脉宽(TWV_pre_w),喷油提前角(TWV_R),主喷预喷间隔,高压油泵电磁阀开启脉宽(PCV_ON)等。这些电控参数对电控发动机非常重要,其准确与否严重影响到发动机的经济性,动力性与排放数值。例如油泵电磁阀开启脉宽可以控制共轨油压的建立,而共轨油压会影响到燃油喷雾的质量,喷雾的质量则对发动机的燃烧产生直接影响,发动机的燃烧的好坏与发动机的性能密切相关。
摘 要
为了提高柴油机的燃油经济性和动力性，降低污染物排放和噪声等，必须对柴油机相关参数进行测试。高压共轨柴油机试验台架是进行柴油机性能测试试验的工具，它可以准确的测定当前运行工况发动机的功率，油耗，排放温度和水温等参数，并配合不透光烟度计，废气排放仪对当前排放情况进行测定。
本次试验在不同的发动机转速和扭矩之下，对发动机油耗量以及HC,NOx，CO,PM四大污染排放物进行精确测定。测定扭矩分别为90，120，150（N·m）；转速分别为1800,2400,3600（r/min）。试验结果表明，随着转速和扭矩的增加，动力性能提高，燃油经济性下降；氮氧化物排放量在1800r/min和3600r/min时较高，而在2400r/min时较低，同时在发动机1800r/min时，随着扭矩的上升，氮氧化物排放量显著提高；一氧化碳排放量极少几乎为0；碳氢化合物排放量在1800r/min时较低，而在2400r/min和3600r/min时较高；微粒的排放量随转速和扭矩的增加成稳态趋势逐步提升。
关键字:柴油机高压共轨性能排放
目 录
一、绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.1.1选题背景 1
1.1.2研究意义 2
1.2国内外的研究现状 3
1.2.1 高压共轨柴油机的性能研究 3
1.2.2 高压共轨柴油机的排放研究 4
1.2.3 高压共轨柴油机的燃烧模式 5
1.3本文的主要研究工作 6
二、高压共轨柴油机试验台架介绍 7
2.1 台架的功能 7
2.2 测试系统 8
2.3 冷却系统 9
2.4 进气系统 11
2.5 本章小结 11
三、高压共轨柴油机性能与排放规律研究 13
3.1试验用机 13
3.2测试条件和仪器设备 14
3.3试验方案 15
3.4排放标准及排放污染物的危害 16
3.5试验结果与分析 18
3.5.1 性能测试结果 18
3.5.2 排放测试结果 20
3.6本章小结 22
四、全文总结与展望 22
4.1全文总结 24
4.2工作展望 24
参考文献 25
致谢 26一、绪论
1.1选题背景及意义
1.1.1选题背景
由于高压共轨系统可以让柴油在高压状态喷射，并且具有灵活的多段喷射以及不要需改动发动机本体等一系列优势，已成为当今电控柴油机发展的一大热点。高压共轨柴油机的起动过程拥有着与众不同的特点。发动机的起动性能是评价其性能优劣的重要指标之一，柴油机亦是如此，国内外已经开展了大量的研究工作来改善其起动过程[1]。
自柴油燃油喷射系统经过第一次演变，从机械控制式发展到电子控制式系统后，电子喷射系统又前前后后经历了三次重要变革，即位置式燃油喷射系统、时间式燃油喷射系统与时间压力式燃油喷射系统（共轨系统）。高压共轨系统实现了喷射过程的分离和压力建立的模式，从而使得控制过程更具有精确性，能更准确地实现小油量的精准控制，越好地实现燃油的多次喷射。
自从1991年日本电装公司发表第一篇ECD-U2高压共轨系统的论文以来，国外燃油系统制造商认识到了高压共轨系统的发展前景，纷纷投入巨额资金和人力来开发建设共轨系统。随后德国博世公司于1995年发表了可以用于轿车的高压共轨系统，采用了径向柱塞转子式供油泵，同时喷油器电磁阀采用球阀结构[2]。目前博世公司共轨系统在欧洲的柴油发动机轻型车和乘用车上已经得到普遍应用，如德国戴姆勒-奔驰公司C系列轿车、德国大众的奥迪3.3L型V列8缸涡轮增压柴油机、意大利AlfaRemeo156轿车、美国康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全电控柴油机及美国通用公司和日本五十铃公司合资生产的Duramax6600柴油机等。德尔福公司在1998年推出轿车MultecDCR1400共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，它的喷油器电磁阀设计在喷油器内，使得喷油器的体积小巧精致；西门子也在2000年推出了相同的共轨系统，其喷油器采用了压电式执行器，使得响应时间更短；而日本电装公司如前文所述，在1991年研究开发出的ECD-U2第一代产品，并于1995年匹配上五十铃的6HK1柴油机、Hino的J08C柴油机，经许多年的改进与完善后，最新产品已经用于轿车新型的ECD-U2P系统。
现今，共轨燃油喷射系统在世界上的应用十分普遍，博世公司已经生产出了2500万套的共轨系统，并且在江苏无锡投资建设了研发技术中心和生产工厂，实现了本地化生产。此后，长城汽车与博世公司联合开发出了高压共轨柴油发动机，此外华泰、奥迪、奔驰等品牌也先后推出了采用共轨系统的汽车。我国的部分大学、某些研究所和企业也通过合作或独立自主研发的方式，取得了各具特色的研究成果，并伴随有数十项专利公布。因此，虽然我国在电控直喷式柴油机研究方面已经积累了一定的经验，但实事求是来说与国外还存在一定差距，这些差距主要体现在制造工艺的精度和批量生产的质量保证上。此外，国内共轨系统相关配套体系并不健全，部分零部件必须依靠进口，如单片机芯片、共轨压力传感器等[3]。
由于高压共轨柴油机强大的技术潜力，今天各大制造商已经把目光锁定在了共轨系统第3代—压电式共轨系统上，压电执行器替代了电磁阀，从而得到了更加精确的喷射控制。取消了回油管设置，在结构上更简单。压力在200～2000帕之间可弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOx的排放量。
1.1.2研究意义
日趋严重的能源危机已经成为全世界内燃机行业关注的焦点问题，也使柴油机越来越受到汽车用户青睐。与汽油机相比柴油机有很多优势：能够减少20%-25%的CO2尾气排放，在低速时拥有更好的加速性能，平均燃油消耗要低25%-30%，在驾驶乐趣方面也有优势。因此，有人对全球汽车产量中柴油机的发展趋势进行了大胆预测，并按区域划分世界汽车产量中的柴油机比例,欧洲国家走在世界前列。但是，与汽油机相比较，柴油机的污染物排放控制又是一个大难点。为了满足排放标准，柴油机先进的燃油喷射系统-高压共轨技术已经成为成为业内人士所关注的焦点。
随着排放标准的不断提高，柴油发动机必须采用电控喷射系统。目前国内柴油电控系统主要有单体泵和共轨等，与国外先进技术相比较，虽然仍不具备对等的实力，却胜在发展势头良好。如无锡油泵油嘴研究所自主研发的共轨系统已在无锡的公交车上使用，情况良好。同时国内从事电控柴油机研发的企业数量较多，相信今后中国在电控柴油机市场一定会有所作为。柴油机今后的发展一定会成为车用的主流趋势。这也是我研究的意义所在。
1.2国内外的研究现状
1.2.1 高压共轨柴油机的性能研究
费栋梁等人[4]最近做了一个车用高压共轨柴油机冷起动性能的研究。对匹配高压共轨燃油系统的柴油机，使用冷起动试验台架进行试验，研究其冷起动性能，主要是最低起动温度和起动时间，同时试验在冷起动情况下，主喷提前角对于冷起动性能的影响。试验证明，匹配高压共轨燃油系统的柴油机，可以有效的提高冷起动性能。
刘立东等人[5]近期做了一个F-T柴油对电控高压共轨柴油机性能及排放影响的研究。在满足国Ⅲ排放的现代高压共轨柴油机上,研究了掺烧不同比例F-T柴油混合燃料对发动机性能和排放的影响.结果表明,随着掺烧比例的加大,发动机的动力性略有下降,在外特性上,与燃烧国Ⅲ柴油相比,燃用F-T柴油时,扭矩最大下降2.2%,而燃油消耗率最高下降7.1%,有效热效率提高了4.5%.在十三工况的排放上,碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和颗粒(PM)的比排放量较国Ⅲ柴油均有明星下降,其中尤以燃用F-T柴油下降的幅度最大,PM降低了25.5%、NOx降低了11.7%、HC降低了39.3%、CO降低了33.9%。因此F-T柴油是柴油机的优良替代燃料。
电控高压共轨系统还提供了更广阔的扩展功能和燃烧过程中的更大自由度，它可以使柴油发动机具有更低的排放、更好的燃油经济性和在更低噪声情况下运行[6]。可以说，柴油机电控技术的研究已达到相当完善的程度，高压共轨系统将成为21世纪柴油机燃油喷射系统的主流。
刘瑞林等人[7]最近对高压共轨柴油机高海拔工作的性能进行了仿真研究。他们采用GT-Power软件建立了高压共轨柴油机工作过程模型,研究了等油量和等空燃比条件下柴油机性能随高原环境条件的变化规律。结果表明:等油量下,柴油机扭矩和燃油消耗率在海拔3000m以内中高转速范围基本保持不变；在海拔4000m以上标定转速下增压器超速,海拔5000m,900r/min时发动机因空燃比过低而无法运行。等空燃比下,同0m海拔相比,海拔5000m不同转速下发动机燃油消耗率平均增加7.2％,扭矩平均下降近40％,动力性下降严重。等油量或等空燃比方法不符合我国高原实际情况,需要建立新的柴油机性能高海拔修正或预测方法。
1.2.2 高压共轨柴油机的排放研究
张岳秋等人[8]近期做了一个电喷高压共轨柴油机燃用生物柴油性能的研究。通过实验研究了燃用生物柴油对电喷高压共轨柴油机的动力性、经济性和排放性的影响。结果表明,生物柴油B100和B20均可以有效降低PM、HC、CO和烟度排放,但是动力性下降、油耗率上升、NOx排放有明显增加;与柴油相比生物柴油B100的PM和DS(干碳烟)排放分别降低50%～70%、80%～85%,B20的PM和DS排放分别降低25%～35%、30%～40%。生物柴油B100和B20的NOx排放相比柴油上升5%～20%。
范泽龙等人[9]最近做了一个高压共轨柴油机燃用煤制柴油、传统柴油及其混合燃料的排放比较的研究。利用现代高压共轨直喷柴油机，在ESC循环和负荷特性模式下系统研究煤制柴油这一新型清洁燃料的常规和非常规排放特性，并与燃用传统柴油时的排放特性进行了比较。其中负荷特性试验模式采用了3个转速，每个转速采用4个负荷．研究表明，高转速高负荷条件下煤制柴油能大幅降低NOx排放，怠速和低负荷条件下能大幅降低HC和CO排放，高转速低负荷下能大幅降低PM排放。PM排放随燃料中煤制柴油含量增加而下降，而HC、CO、NOx排放在煤制柴油体积分数为30%和50%时基本相同．燃料中煤制柴油体积分数增加，PM粒径变小，数目增多。
张旭升等人[10]曾经做了一个共轨柴油机燃用生物柴油限制与非限制排放特性研究。在高压共轨柴油机上对生物柴油混合燃料(源自食用废油)的排放物进行了研究.结果表明,限制性气体排放中,随着生物柴油混合比例的增加,NOx的排放量明显升高,同时在氧化催化器后NOx中的NO2体积分数也逐步增大;烟度则随着燃料混合比例的增加呈线性下降。非限制性气体排放中,外特性工况下的生物柴油混合燃料的乙醛排放量随混合比的增加而降低；SO2气体排放量也随着燃料混合比例的增加逐步下降,纯生物柴油可降低20%～60%。生物柴油的颗粒粒径分布表明,生物柴油的核态纳米颗粒对混合燃料的硫含量非常敏感,由于纯生物柴油硫含量低,故可以有效降低颗粒的总数量浓度。
1.2.3 高压共轨柴油机的燃烧模式
李德刚[11]曾经做了一个基于整车性能的高压共轨柴油机燃烧系统的研究。进气涡流比和转速对缸内流动特性有着重要的影响。对于本文选择的三种涡流比1.4,1.8,2.1,在发动机转速3000r/min和喷雾参数一定条件下,对于挤流强度及其保持性来说,进气涡流比越高,挤流强度越大,但喷雾结束后挤流强度衰减相对较快且挤流强度保持性降低。进气涡流比越小,挤流强度保持性越好；对于涡流强度及其保持性来说,进气涡流比越高,涡流强度越大,但涡流强度保持性与进气涡流比关系不大；通过相同涡流比(1.8)不同转速(3000r/min和3600r/min)的分析可发现,无喷雾时,两种不同转速工况的挤流强度及其保持性基本相同,转速3000r/min时,挤流强度在喷雾结束之前与喷雾结束后均较大,而转速3600r/min时,挤流强度保持性相对较好可促进扩散燃烧。
王军等人[12]曾经做了一个高压共轨柴油机燃烧匹配的研究。在柴油机引入高压共轨喷油系统后,进行了柴油机燃烧参数匹配研究。分析了高压共轨系统对喷嘴和燃烧室以及进气涡流要求；结合理想气体压缩公式和升功率计算公式,计算了不同压缩比的柴油机气缸压力和升功率；按照燃烧室结构尺寸设计经验范围,设计了不同结构形式的缩口燃烧室,满足不同压缩比的要求。根据最大循环喷油量和喷射压力的要求,计算5、6孔喷嘴基本参数.按最佳涡流比的原则,计算了喷孔参数所要求的涡流比。采用单部件顺序匹配试验,进行燃烧系统不同方案的匹配试验,通过试验数据分析得到,6孔、缩口大口径浅坑燃烧室、涡流比2.0是该柴油机燃烧系统较合理的参数。
宋文福[13]研究了一次高压共轨柴油机燃烧特性的数值模拟研究。运用AVL公司的大型液压仿真软件HYDSIM建立共轨喷油器的仿真模型，同时构建高压共轨喷油泵试验台，从喷油规律和喷油量两方面验证了仿真模型的准确性及精度。然后，论文在AVL公司的大型CFD计算软件FIRE的基础上建立了柴油机燃烧室仿真模型，并以共轨喷油器仿真模型计算得到的喷油特性为基础，对不同喷油压力下共轨柴油机的燃烧特性进行了数值模拟。仿真结果表明：高压共轨喷油压力增加，喷油速率加快，燃油雾化更好，不仅使燃烧速度加快，而且燃烧更接近于上止点完成，使缸内平均燃烧压力和平均温度升高，有利于提高柴油机的燃烧热效率和改善其作功能力。并且，随着共轨喷油压力的增加，燃烧始点提前，最大放热率增加,放热率重心提前，燃烧持续期缩短，有利于改善柴油机的燃烧状况，提高燃油利用率，改善发动机的整体性能。在其它参数不变的情况下，喷油压力增加，气缸内局部最高温度增加，氮氧化物的主要生成区域偏大，形成速率加快，生成总量增加；喷油压力降低，喷油持续期延长，燃油雾化变差，碳烟生成量增多。
1.3本文的主要研究工作
初期先进行论文材料的收集与整理，对高压共轨柴油机的各类相关知识进行了解。随后摘录相关背景与拟定研究意义，熟悉国内外的研究现状，包括高压共轨柴油机的性能，排放和燃烧模式的研究。接着着手实验的相关流程，对实验用高压共轨柴油机试验台架的功能，各系统等的参数指标进行整理与罗列，并制定出试验方案；由指导老师带领完成高压共轨柴油机性能和排放的相关试验。测定扭矩分别为90，120，150（N·m）；转速分别为1800,2400,3600（r/min）相互交叉的9组实验数据；将其绘制成图表，观察得出功率，油耗率以及HC,NOx，CO,PM随转速和扭矩变化之间的关系。最后初步得出高压共轨柴油机局部的性能（动力性、燃油经济性）和排放测试结果。最后对试验结果进行分析，修正参数，绘制图表，得出试验结论，完成工作。
二、高压共轨柴油机试验台架介绍
2.1 台架的功能
系统构成如图2-1所示。带数控系统的测功机,可以稳定准确地控制发动机的工作状态,并采集与测功机有关的测试参数。智能化油耗仪和排放仪通过GPIB接口与主机进行连接,可以在试验过程中自主完成对油耗和相应排放的测量,并将测量结果记录在主计算机中。自行研制开发的带微处理器的信号调理以及适配器模块,主要用于对电控参数的采集和处理。高压共轨电控柴油机所需要的测试参数除了普通柴油机常规测试的一些参数(如:功率，转速,扭矩,比油耗,机油压力，机油温度等)外,还需要测试某些关键的电控参数,如:主喷脉宽(TWV_main_w),预喷脉宽(TWV_pre_w),喷油提前角(TWV_R),主喷预喷间隔,高压油泵电磁阀开启脉宽(PCV_ON)等。这些电控参数对电控发动机非常重要,其准确与否严重影响到发动机的经济性,动力性与排放数值。例如油泵电磁阀开启脉宽可以控制共轨油压的建立,而共轨油压会影响到燃油喷雾的质量,喷雾的质量则对发动机的燃烧产生直接影响,发动机的燃烧的好坏与发动机的性能密切相关。
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