高压共轨柴油机万有特性的试验研究
高压共轨柴油机万有特性的试验研究[20191208103502]
摘要
目前，汽车燃油需求量的快速增长与世界能源的逐步紧张形成了一对十分严峻的矛盾，这就对车用发动机效率和燃油消耗率等重要的性能参数提出了更高的要求。节能环保性能优越的的高压共轨柴油机，在环境保护意识与节约能源意识不断同步加强的当今社会，已然成为车用发动机的一种优先选择。
本文对国内外高压共轨柴油机技术进行分析并比较，研究高压共轨柴油机的最新进展。而发动机的万有特性，不单单能够为准确的选用内燃机提供参考，还可以为整车动力性、经济性的模拟计算及优化动力传动一体化性能提供分析依据。因此，对发动机的万有特性进行研究及绘制发动机的万有特性曲线，具有重要的意义。
最后，通过柴油机台架试验测试负荷特性和万有特性曲线，通过数据得出在中等偏大的负荷范围下，比油耗最低。全负荷的期间，虽然输出的功率是最大的，但燃料的经济性并非是最优的。在低负荷的情况下，比油耗明显升高。柴油机的最经济区域比较靠近中等负荷，大约在1400-2000r/min左右，扭矩大约在200-250N.m这个范围内，且负荷改变的时候，油耗增加缓慢。
关键字:柴油机高压共轨负荷特性万有特性
目 录
1绪论 1
1.1 课题背景与研究意义 1
1.1.1 课题背景 1
1.1.2 研究意义 3
1.2 本课题的国内外研究现状 4
1.2.1高压共轨柴油机的燃烧模式研究 4
1.2.2高压共轨柴油机的性能研究 4
1.2.3高压共轨柴油机的燃油经济性研究 5
1.3 本文的主要工作 6
2 高压共轨柴油机的万有特性 7
2.1 万有特性的基本理论 7
2.2 万有特性的工程意义 7
2.2.1 动力匹配 7
2.2.2 底盘匹配 9
2.3 万有特性的绘制方法 9
3 高压共轨柴油机万有特性的试验研究 11
3.1 试验用机 11
3.2 试验依据和方案 12
3.3 测量系统 12
3.4 测试条件 15
3.5 试验结果与分析 16
4 全文总结与展望 20
4.1全文总结 20
4.2工作展望 20
参考文献 21
致谢 22
1.绪 论
1.1 课题背景与研究意义
1.1.1 课题背景
发动机是一种可以把其他的能量形式（如化学能、热能，势能等）转化为机械能的机器。其中，热力型发动机是将燃料燃烧的时候所产生的热能转变为机械能的一种动力装置。热力发动机源起和不断发展的历史经历了外燃机和内燃机两个阶段。其中，内燃机是指燃料在发动机的内部燃烧，随后将其放出的热能直接转换为动力的机械，是车用发动机采用最广泛的形式。内燃机根据燃烧的燃料不同，分为汽油机、柴油机等，而本文的重点是对柴油机进行试验研究。作为节能环保发动机的高压共轨柴油机，在环境保护意识与节约能源意识不断同步加强的当今社会，已然成为车用发动机的一种优先选择。
能源是人类存在和不断发展的关键物质基础，能源短缺特别是石油的短缺是十分严峻的全球性问题。目前全球石油的消耗量中百分之四十二用于公路交通，这大约占人类能源消耗总量的百分之十六，发动机作为最广泛应用于公路交通的动力设备，它的性能对能源消耗的影响十分巨大。2010年，汽车燃油的需求大约为1．4亿吨，占总能源消费的百分之四十三；有预计指出到2020年燃油需求大约为2．6亿吨，占总能源消费的百分之五十七；但是到了2030年，这一比率却将有可能达到百分之七十七。汽车燃油需求量的快速增加与世界能源逐步紧张形成了一对十分尖锐的矛盾。因此，这就对车用发动机效率和燃油消耗率等重要性能参数提出了更高和更严苛的要求。
二氧化碳排放一直以来都被公认为是全球性气候变暖的十分重要影响因素，而车用发动机又是环境污染的元凶之一。有统计显示，2004年我国机动车二氧化碳排放为36398000吨，其中北京二氧化碳总量的百分之九十二是来源于机动车的。各国为兑现在《京都议定书》上做出的关于减少二氧化碳排放的承诺，对制定了十分严苛的乘用车排放法规。其中欧盟汽车制造商联合会要求到2012年年底将汽车C02的平均排放量降到每千米1209g，欧盟在2008年实施欧V排放标准，我国2010年执行欧Ⅳ排放标准。排放标准如表1.1所示，从表中不难看出，车辆排放法规的日趋严格对发动机排放性能也提出了更高标准。
表1-1 欧盟执行的汽车排放标准
汽油车（g/km） 柴油车（g/km）
欧Ⅰ 欧Ⅱ 欧Ⅲ 欧Ⅳ 欧Ⅰ 欧Ⅱ 欧Ⅲ 欧Ⅳ
一氧化碳 （CO） 3.16 2.20 1.30 1.0 3.16 1.0 0.64 0.50
碳氢化合物 （HC） 0.2 0.10
氮氧化合物 （NOx） 0.15 0.08 0.5 0.25
HC+NOx 1.13 0.05 1.13 0.70 0.56 0.30
颗粒物 （PM） 0.14 0.08 0.05 0.025
在日益严重的能源危机和环境污染问题面前，国内外内燃机界不断探索汽车工业可持续发展的方式。在技术的不断进步过程当中，人们对柴油机有了更新颖、更深刻地认识。基于传统的柴油机，经过不断的技术改造和新技术使用，特别是电控技术的使用，使得现代柴油机在燃烧组织、燃油喷射、增压技术、排放后处理及结构设计等方面取得了长足的进步。同排量情况下柴油机比汽油机节省燃油可达百分之三十，而二氧化碳的排放却比汽油机要低30．35％，碳氢化合物(HC)和一氧化碳（CO）的排放约是汽油机的10％-17％，而传统柴油机存在的冒黑烟、冷起动困难、噪声大等缺点均已被克服。沃尔沃C30DRlVE配备的1．6升柴油发动机，其二氧化碳排放量仅为999／km，百公里油耗3升以下轿车的开发成功则标志着柴油机技术的又一次飞跃。因此，柴油机作为最高效的内燃机，得到了新的发展机遇。
伴随柴油机技术发展的同时，气体燃料发动机、混合动力汽车、电动汽车、代用燃料汽车等也已取得重大突破，但是受到关键零部件制造技术、整车造价、加油站结构改造、燃料获取等方面的制约，配备这些动力的车辆要在汽车保有量方面达到6亿多辆和年产6000万辆的规模的前提下，这在今后的一二十年里是不可能实现的。而与此相比，现代柴油机技术缺觉更加的成熟可行，无需投入大量的资金和对相关基础设施进行重建或者新建，这成为非汽油能源中最简单实用的中短期解决方案。无论是美国新一代汽车合作计划，还是欧洲清洁经济型轿车开发，都无一例外地选择柴油机作为最佳方案。美国《大众科学》杂志2000年9月专文指出：“至少在今后几十年内，对于燃料消耗总量以及空气质量来说，新一代超洁净、超高效内燃机的影响，将远远超过高技术的替代手段，如果燃料经济性和排放仍存在问题的话，那么第一个解决的途径将是柴油机”[1]。
为此，世界各国政府通过调整车辆购置税和燃油税率等刺激手段，鼓励人们使用柴油车。欧盟于2005年通过决议，要求各成员国通过优惠税收来鼓励柴油汽车的发展，美国国家科学院宣布了包括柴油技术在内的CAFE2020的战略计划。目前，欧美国家100％的重型车、90％轻型车采用柴油机。欧洲柴油机轿车己占轿车年产量32％，法国、西班牙等国高达50％以上。据预测，2001-2014年全球汽车销量将会增长39％，其中，汽油车增长23％而柴油车增长将达到77％，美国调查公司J．D．Power 2004年预测，2015年全球柴油车销量将达2700万辆。全球车用动力“柴油化”趋势业已形成，在今后20年，甚至于在更长时间内，柴油机都将成会为世界车用动力的主流[2]。
1.1.2 研究意义
有鉴于柴油车在环保、节能、经济、安全等多个方面所具有的明显的优势，我国各个有关部门在近几年出台的相关政策中都明确提出要支持发展先进水平的柴油轿车和柴油发动机。
2003年国家环保总局发布的《柴油车排放污染防治技术政策》中明确提出，“国家通过优惠税收等经济政策，鼓励提前达到国家排放标准的柴油车和车用柴油发动机产品的生产和使用”；2004年国家发改委颁布的《汽车产业发展政策》中提出，“重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术”；2005年国家发改委与科技部共同组织起草的《中国节能技术政策大纲》征求意见稿中再次提出，“要鼓励发展节能型柴油车”[3]；2007年国家科技部发布“十一五”期间863项目投资指南中，重点支持轿车柴油机项目的开发。
而发动机的万有特性，不单单能够为准确的选用内燃机提供参考，还可以为整车动力性、经济性的模拟计算及优化动力传动一体化性能提供分析依据。因此，对发动机的万有特性进行研究及绘制发动机的万有特性曲线，具有重要的意义。
1.2 本课题的国内外研究现状
1.2.1高压共轨柴油机的燃烧模式研究
刘永峰等人曾经做了一个高压共轨柴油机燃烧匹配的研究。在柴油机中引入高压共轨喷油系统后,随后进行了柴油机燃烧参数匹配的研究。分析了高压共轨系统对喷嘴和燃烧室以及进气涡流要求，同时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,满足了不同压缩比的要求。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[4]。
李德刚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，得出进气涡流比和转速对缸内流动特性有着重要的影响，对于选择的三种涡流比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[5]。
1.2.2高压共轨柴油机的性能研究
刘宪等人最近对高压共轨柴油机在高海拔下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,同海平面相比,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[6]。
董素荣等人近期做了一个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[7]。
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。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[8]。
1.2.3高压共轨柴油机的燃油经济性研究
范晨阳曾在一台电控高压共轨增压中冷柴油机上进行了燃用B10，B20和B30等3种掺混比例的黄连木籽生物柴油与纯柴油的经济性和排放特性试验。试验发现，在相同转速下，柴油机的燃油消耗率随负荷的增加而降低。2000r／min时，生物柴油在中小负荷的燃油消耗率略低于柴油；大负荷时，4种燃料的燃油消耗率相当；随着负荷的增大，柴油机的cO和THc排放降低，No。升高；相同工况下，生物柴油的NO。排放与生物柴油相当，无明显变化。由此可见，高压共轨柴油机燃用黄连木籽生物柴油可以在N0。排放基本不升高的前提下降低c0和THc的排放[9]。
张志强曾研究发现：(1)随着EGR率的增大，缸内温度和壁面温度下降，导致燃油雾化效果变差，形成的壁面油膜增加，发动机的指示热效率降低和指示燃油消耗率增加，NOx排放大幅降低，而碳烟排放也有一定增加。(2)对喷油定时优化后(相比原机喷油定时提前2°CA)，发动机的热效率和经济性得到改善。(3)经后喷优化(优化方案为Po15－3.75)，碳烟排放降低，并和原机的碳烟排放相近。(4)经低温燃烧及优化后，在保证热效率、经济性和碳烟排放与原机相近前提下，实现NOx排放的大幅降低(从原始工况的1kg燃油排放44.4g降低到11g)，降幅为75.2%[10]。
1.3 本文的主要工作
试验研究的初期先进行论文相关材料的收集与整理工作，主要是参考硕博论文，从而对高压共轨柴油机的各类相关知识进行了解。熟悉国内外的研究现状，包括高压共轨柴油机的燃烧模式、性能、燃油经济性这三个方面。接着着手试验的相关准备工作，对实验用高压共轨柴油机试验台架的功能、各系统的参数指标进行整理与罗列，同时制定试验方案。接着，在指导老师的带领下完成高压共轨柴油机负荷特性和万有特性的相关试验。最后对试验结果进行分析，绘制图表，撰写实验结论，最终完成工作。
2.高压共轨柴油机的万有特性
2.1 万有特性的基本理论
由于发动机的负荷特性和速度特性只能单一的表示某一油量控制机构位置固定时或者是在某一固定转速的情况下，发动机参数间的变化规律，而对于工况变化范围较大的发动机却要分析各种不同工况下的性能，这也就需要有一张可以在图上全面表示出发动机性能的特性曲线，这种能够表达发动机多参数的特性被称为万有特性[11]。
广泛应用的万有特性是以发动机转速n为横坐标，以发动机平均有效压力（或转矩）为纵坐标，在图上画出许多重要特性参数的等值曲线族，而其中最重要的就是等燃油消耗率曲线和等功率曲线，有些时根据需要还可以画出等过量空气系数曲线、等进气管真空度曲线、冒烟极限等[12]。
摘要
目前，汽车燃油需求量的快速增长与世界能源的逐步紧张形成了一对十分严峻的矛盾，这就对车用发动机效率和燃油消耗率等重要的性能参数提出了更高的要求。节能环保性能优越的的高压共轨柴油机，在环境保护意识与节约能源意识不断同步加强的当今社会，已然成为车用发动机的一种优先选择。
本文对国内外高压共轨柴油机技术进行分析并比较，研究高压共轨柴油机的最新进展。而发动机的万有特性，不单单能够为准确的选用内燃机提供参考，还可以为整车动力性、经济性的模拟计算及优化动力传动一体化性能提供分析依据。因此，对发动机的万有特性进行研究及绘制发动机的万有特性曲线，具有重要的意义。
最后，通过柴油机台架试验测试负荷特性和万有特性曲线，通过数据得出在中等偏大的负荷范围下，比油耗最低。全负荷的期间，虽然输出的功率是最大的，但燃料的经济性并非是最优的。在低负荷的情况下，比油耗明显升高。柴油机的最经济区域比较靠近中等负荷，大约在1400-2000r/min左右，扭矩大约在200-250N.m这个范围内，且负荷改变的时候，油耗增加缓慢。
关键字:柴油机高压共轨负荷特性万有特性
目 录
1绪论 1
1.1 课题背景与研究意义 1
1.1.1 课题背景 1
1.1.2 研究意义 3
1.2 本课题的国内外研究现状 4
1.2.1高压共轨柴油机的燃烧模式研究 4
1.2.2高压共轨柴油机的性能研究 4
1.2.3高压共轨柴油机的燃油经济性研究 5
1.3 本文的主要工作 6
2 高压共轨柴油机的万有特性 7
2.1 万有特性的基本理论 7
2.2 万有特性的工程意义 7
2.2.1 动力匹配 7
2.2.2 底盘匹配 9
2.3 万有特性的绘制方法 9
3 高压共轨柴油机万有特性的试验研究 11
3.1 试验用机 11
3.2 试验依据和方案 12
3.3 测量系统 12
3.4 测试条件 15
3.5 试验结果与分析 16
4 全文总结与展望 20
4.1全文总结 20
4.2工作展望 20
参考文献 21
致谢 22
1.绪 论
1.1 课题背景与研究意义
1.1.1 课题背景
发动机是一种可以把其他的能量形式（如化学能、热能，势能等）转化为机械能的机器。其中，热力型发动机是将燃料燃烧的时候所产生的热能转变为机械能的一种动力装置。热力发动机源起和不断发展的历史经历了外燃机和内燃机两个阶段。其中，内燃机是指燃料在发动机的内部燃烧，随后将其放出的热能直接转换为动力的机械，是车用发动机采用最广泛的形式。内燃机根据燃烧的燃料不同，分为汽油机、柴油机等，而本文的重点是对柴油机进行试验研究。作为节能环保发动机的高压共轨柴油机，在环境保护意识与节约能源意识不断同步加强的当今社会，已然成为车用发动机的一种优先选择。
能源是人类存在和不断发展的关键物质基础，能源短缺特别是石油的短缺是十分严峻的全球性问题。目前全球石油的消耗量中百分之四十二用于公路交通，这大约占人类能源消耗总量的百分之十六，发动机作为最广泛应用于公路交通的动力设备，它的性能对能源消耗的影响十分巨大。2010年，汽车燃油的需求大约为1．4亿吨，占总能源消费的百分之四十三；有预计指出到2020年燃油需求大约为2．6亿吨，占总能源消费的百分之五十七；但是到了2030年，这一比率却将有可能达到百分之七十七。汽车燃油需求量的快速增加与世界能源逐步紧张形成了一对十分尖锐的矛盾。因此，这就对车用发动机效率和燃油消耗率等重要性能参数提出了更高和更严苛的要求。
二氧化碳排放一直以来都被公认为是全球性气候变暖的十分重要影响因素，而车用发动机又是环境污染的元凶之一。有统计显示，2004年我国机动车二氧化碳排放为36398000吨，其中北京二氧化碳总量的百分之九十二是来源于机动车的。各国为兑现在《京都议定书》上做出的关于减少二氧化碳排放的承诺，对制定了十分严苛的乘用车排放法规。其中欧盟汽车制造商联合会要求到2012年年底将汽车C02的平均排放量降到每千米1209g，欧盟在2008年实施欧V排放标准，我国2010年执行欧Ⅳ排放标准。排放标准如表1.1所示，从表中不难看出，车辆排放法规的日趋严格对发动机排放性能也提出了更高标准。
表1-1 欧盟执行的汽车排放标准
汽油车（g/km） 柴油车（g/km）
欧Ⅰ 欧Ⅱ 欧Ⅲ 欧Ⅳ 欧Ⅰ 欧Ⅱ 欧Ⅲ 欧Ⅳ
一氧化碳 （CO） 3.16 2.20 1.30 1.0 3.16 1.0 0.64 0.50
碳氢化合物 （HC） 0.2 0.10
氮氧化合物 （NOx） 0.15 0.08 0.5 0.25
HC+NOx 1.13 0.05 1.13 0.70 0.56 0.30
颗粒物 （PM） 0.14 0.08 0.05 0.025
在日益严重的能源危机和环境污染问题面前，国内外内燃机界不断探索汽车工业可持续发展的方式。在技术的不断进步过程当中，人们对柴油机有了更新颖、更深刻地认识。基于传统的柴油机，经过不断的技术改造和新技术使用，特别是电控技术的使用，使得现代柴油机在燃烧组织、燃油喷射、增压技术、排放后处理及结构设计等方面取得了长足的进步。同排量情况下柴油机比汽油机节省燃油可达百分之三十，而二氧化碳的排放却比汽油机要低30．35％，碳氢化合物(HC)和一氧化碳（CO）的排放约是汽油机的10％-17％，而传统柴油机存在的冒黑烟、冷起动困难、噪声大等缺点均已被克服。沃尔沃C30DRlVE配备的1．6升柴油发动机，其二氧化碳排放量仅为999／km，百公里油耗3升以下轿车的开发成功则标志着柴油机技术的又一次飞跃。因此，柴油机作为最高效的内燃机，得到了新的发展机遇。
伴随柴油机技术发展的同时，气体燃料发动机、混合动力汽车、电动汽车、代用燃料汽车等也已取得重大突破，但是受到关键零部件制造技术、整车造价、加油站结构改造、燃料获取等方面的制约，配备这些动力的车辆要在汽车保有量方面达到6亿多辆和年产6000万辆的规模的前提下，这在今后的一二十年里是不可能实现的。而与此相比，现代柴油机技术缺觉更加的成熟可行，无需投入大量的资金和对相关基础设施进行重建或者新建，这成为非汽油能源中最简单实用的中短期解决方案。无论是美国新一代汽车合作计划，还是欧洲清洁经济型轿车开发，都无一例外地选择柴油机作为最佳方案。美国《大众科学》杂志2000年9月专文指出：“至少在今后几十年内，对于燃料消耗总量以及空气质量来说，新一代超洁净、超高效内燃机的影响，将远远超过高技术的替代手段，如果燃料经济性和排放仍存在问题的话，那么第一个解决的途径将是柴油机”[1]。
为此，世界各国政府通过调整车辆购置税和燃油税率等刺激手段，鼓励人们使用柴油车。欧盟于2005年通过决议，要求各成员国通过优惠税收来鼓励柴油汽车的发展，美国国家科学院宣布了包括柴油技术在内的CAFE2020的战略计划。目前，欧美国家100％的重型车、90％轻型车采用柴油机。欧洲柴油机轿车己占轿车年产量32％，法国、西班牙等国高达50％以上。据预测，2001-2014年全球汽车销量将会增长39％，其中，汽油车增长23％而柴油车增长将达到77％，美国调查公司J．D．Power 2004年预测，2015年全球柴油车销量将达2700万辆。全球车用动力“柴油化”趋势业已形成，在今后20年，甚至于在更长时间内，柴油机都将成会为世界车用动力的主流[2]。
1.1.2 研究意义
有鉴于柴油车在环保、节能、经济、安全等多个方面所具有的明显的优势，我国各个有关部门在近几年出台的相关政策中都明确提出要支持发展先进水平的柴油轿车和柴油发动机。
2003年国家环保总局发布的《柴油车排放污染防治技术政策》中明确提出，“国家通过优惠税收等经济政策，鼓励提前达到国家排放标准的柴油车和车用柴油发动机产品的生产和使用”；2004年国家发改委颁布的《汽车产业发展政策》中提出，“重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术”；2005年国家发改委与科技部共同组织起草的《中国节能技术政策大纲》征求意见稿中再次提出，“要鼓励发展节能型柴油车”[3]；2007年国家科技部发布“十一五”期间863项目投资指南中，重点支持轿车柴油机项目的开发。
而发动机的万有特性，不单单能够为准确的选用内燃机提供参考，还可以为整车动力性、经济性的模拟计算及优化动力传动一体化性能提供分析依据。因此，对发动机的万有特性进行研究及绘制发动机的万有特性曲线，具有重要的意义。
1.2 本课题的国内外研究现状
1.2.1高压共轨柴油机的燃烧模式研究
刘永峰等人曾经做了一个高压共轨柴油机燃烧匹配的研究。在柴油机中引入高压共轨喷油系统后,随后进行了柴油机燃烧参数匹配的研究。分析了高压共轨系统对喷嘴和燃烧室以及进气涡流要求，同时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,满足了不同压缩比的要求。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[4]。
李德刚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，得出进气涡流比和转速对缸内流动特性有着重要的影响，对于选择的三种涡流比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[5]。
1.2.2高压共轨柴油机的性能研究
刘宪等人最近对高压共轨柴油机在高海拔下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,同海平面相比,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[6]。
董素荣等人近期做了一个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[7]。
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。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[8]。
1.2.3高压共轨柴油机的燃油经济性研究
范晨阳曾在一台电控高压共轨增压中冷柴油机上进行了燃用B10，B20和B30等3种掺混比例的黄连木籽生物柴油与纯柴油的经济性和排放特性试验。试验发现，在相同转速下，柴油机的燃油消耗率随负荷的增加而降低。2000r／min时，生物柴油在中小负荷的燃油消耗率略低于柴油；大负荷时，4种燃料的燃油消耗率相当；随着负荷的增大，柴油机的cO和THc排放降低，No。升高；相同工况下，生物柴油的NO。排放与生物柴油相当，无明显变化。由此可见，高压共轨柴油机燃用黄连木籽生物柴油可以在N0。排放基本不升高的前提下降低c0和THc的排放[9]。
张志强曾研究发现：(1)随着EGR率的增大，缸内温度和壁面温度下降，导致燃油雾化效果变差，形成的壁面油膜增加，发动机的指示热效率降低和指示燃油消耗率增加，NOx排放大幅降低，而碳烟排放也有一定增加。(2)对喷油定时优化后(相比原机喷油定时提前2°CA)，发动机的热效率和经济性得到改善。(3)经后喷优化(优化方案为Po15－3.75)，碳烟排放降低，并和原机的碳烟排放相近。(4)经低温燃烧及优化后，在保证热效率、经济性和碳烟排放与原机相近前提下，实现NOx排放的大幅降低(从原始工况的1kg燃油排放44.4g降低到11g)，降幅为75.2%[10]。
1.3 本文的主要工作
试验研究的初期先进行论文相关材料的收集与整理工作，主要是参考硕博论文，从而对高压共轨柴油机的各类相关知识进行了解。熟悉国内外的研究现状，包括高压共轨柴油机的燃烧模式、性能、燃油经济性这三个方面。接着着手试验的相关准备工作，对实验用高压共轨柴油机试验台架的功能、各系统的参数指标进行整理与罗列，同时制定试验方案。接着，在指导老师的带领下完成高压共轨柴油机负荷特性和万有特性的相关试验。最后对试验结果进行分析，绘制图表，撰写实验结论，最终完成工作。
2.高压共轨柴油机的万有特性
2.1 万有特性的基本理论
由于发动机的负荷特性和速度特性只能单一的表示某一油量控制机构位置固定时或者是在某一固定转速的情况下，发动机参数间的变化规律，而对于工况变化范围较大的发动机却要分析各种不同工况下的性能，这也就需要有一张可以在图上全面表示出发动机性能的特性曲线，这种能够表达发动机多参数的特性被称为万有特性[11]。
广泛应用的万有特性是以发动机转速n为横坐标，以发动机平均有效压力（或转矩）为纵坐标，在图上画出许多重要特性参数的等值曲线族，而其中最重要的就是等燃油消耗率曲线和等功率曲线，有些时根据需要还可以画出等过量空气系数曲线、等进气管真空度曲线、冒烟极限等[12]。
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