孙洪杰
广州港股份有限公司铁路分公司 广东广州510000
[摘要]随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，满足新验证循环确定的欧６ｄ排放法规和实际驾驶排放循环的要求是乘用车内燃机面临的一项巨大挑战。由于柴油机具有良好的低燃油耗特性，因此，其在完成欧洲２０２０ＣＯ２车队排放目标方面能够起到重要作用，但是，需要使其在极端工况条件下也能够完全控制氮氧化物（ＮＯｘ）排放的能力，同时限制整机成本和复杂度。减少ＣＯ２和ＮＯｘ排放被认为是柴油机发展的主要驱动力。在这种背景下，排气后处理系统和燃烧系统就是未来开发的两个主要技术领域。介绍这两种技术的发展过程以及到目前为止ＮＯｘ的减排结果。开发了一种能够预测柴油机燃烧进展及其主要特性的方法。
[关键词]柴油机；后处理；排放；挑战
自从发明家鲁道夫·狄塞尔于1892年发明柴油机以来，柴油发动机由于其突出的扭矩大、热效率高、经济性能好、可燃用劣质柴油等突出特点被广泛应用于船舶行业、拖拉机、坦克等重型装甲，以及载货汽车等方面。在现代科学技术高速发展下，柴油机仍然在交通、农业、军事、交通物流诸多领域占有统治性地位。
1选择合理燃烧室及气缸
在柴油机实际运行及应用过程中，为能够使燃油经济性得以有效提升，首先就是应当保证所选择的柴油机具有合理结构的燃烧室，对于不同结构的燃烧室而言，其燃烧消耗效率也存在较大的差异。目前，在柴油机中应用的燃烧室类型主要包括两种，分别为分割型与统一型，其中对于统一型燃烧室而言，由于其一个空间中集中，占用面积较小，散热面积比较小，所产生的热量损失也就比较少，具有较高的热效率。所以，在工程机械以及运输机械中，通常情况下都是选择统一型燃烧室的柴油机[1]。在满足该条件的基础上，依据机器实际使用条件，选择性能与质量均能够符合要求的适当类型柴油机。目前，陶瓷发动机有着越来越广泛的应用，这种发动机具有较强的耐高温特点，可使所产生的散热损失得以减少，使热效率得以有效提升，可使燃料消耗率得以有效降低，促使燃料使用经济性能够得以有效提升。此外，在保证气缸密闭性良好的基础上，对于压缩冲程终了，可有效保障气缸内部气体应有的温度及压力，也就能够使混合气燃烧温度得以有效提升，在此基础上也就能够使柴油机动力性得以提升，并且可提升燃料使用经济性。
2气门切换策略
停缸一般可采用如下3种气门切换策略:(1)在排气冲程结束时先立即关闭并停用进气门，以此可不向气缸中注入新鲜空气和外部排气再循环气体;(2)在进气冲程过程中或结束时先关闭并停用进气门，以此可向气缸中注入一定量的新鲜空气和外部排气再循环气体;(3)在已燃的缸内气体被排出气缸之前，先关闭排气门，以此可将高温排气滞留在气缸内。当活塞在进气冲程中向下运动时，气缸压力会低于大气压力，从而形成较高的真空度。但在此情况下，可能会对润滑油消耗产生负面影响，润滑油消耗主要是通过活塞环和气门导管处的机油损失所造成的[2]。在停用的气缸中，当其处于进气冲程时，缸内的高真空度会将机油通过第一道和第二道气环的开口间隙区域吸入燃烧室。目前，相关研究结果显示:在停用的气缸中，缸内最高压力通常较低，仅有200～300kPa，而在进气冲程下止点处的缸内压力大约仅有20kPa的绝对压力。
在柴油机的每个热力循环过程的大多数时间内，停用气缸的内部压力均低于大气，并存在一定的真空度。停缸时气门操作顺序的原则是在下述几项之间寻求最佳平衡:(1)避免缸内出现不良真空现象;(2)尽量保持气缸温度;(3)出于对耐久性和发动机振动的考虑，在缸内维持可接受的最高气体压力;(4)尽量减少泵气损失。由于柴油机无需在进气节流和真空度下运行，因此，通常可考虑采用第二种切换策略，即在进气冲程中先吸入较冷的充量并关闭和停用进气门。
3燃烧系统开发方法
3.1系统设计
作为案例研究，选择了意大利ＦＣＡ公司的１．６Ｌ４缸１２０ＨＰ①柴油机。当前的产品发动机配备了１６０ＭＰａ的具有电磁阀喷油器和喷油速率（ＩＲＳ）成形能力的共轨系统、可变截面涡轮增压器（ＶＧＴ）、固定涡流气缸盖，以及冷却低压（ＬＰ）和高压（ＨＰ）ＥＧＲ系统。喷油器喷嘴具有８个喷孔，静态液压流量（ＨＦＲ）为７３５ｍｍ３／ｍｉｎ。燃烧室形状采用的是传统“墨西哥帽”设计。
3.2系统模拟优化
在部分负荷工况下进行了ＣＦＤ燃烧分析。典型输出量包括总指示燃油消耗率（ＧＩＳＦＣ）、ＮＯｘ和碳烟排放，以及峰值燃烧压力，其中ＧＩＳＦＣ采用的仅是ＩＶＣ与ＥＶＯ之间的计算结果。如上所述，试验设计程序能够生成用于各类优化分析的代理模型，并且有助于确定输入和输出参数之间的定性互动关系。每一种分析所采用燃烧系统的输入参数各不相同，包括喷嘴伸出长度、ＩＶＣ处的初始涡流强度、总ＥＧＲ率和喷油正时[3]。为了限制ＣＦＤ分析的总数，喷油形式保持不变，仅改变预喷射喷油始点（ＳＯＩ）。
3.3模拟工具
集成了几种模拟工具以对备选燃烧系统进行多目标优化分析。采用商业软件ＳｔａｒＣＤ（ＣＤ Ａｄａｐｃｏ）对从进气门关闭（ＩＶＣ）到排气门打开（ＥＶＯ）过程进行三维ＣＦＤ分析。采用雷诺平均Ｎ－Ｓ（ＲＡＮＳ）法计算柴油燃料喷射、混合过程、燃烧相位和污染物形成。模型模拟初级和二次液滴的分解，利用ＥＣＦＭ－ＣＬＥＨ模型模拟燃烧。
4结语
考虑到未来的欧洲排放法规，ＣＯ２和ＮＯｘ减排被认为是未来柴油机发展的主要驱动力。在这种背景下，排气后处理系统和燃烧系统被确定为未来开发的两个主要领域。为预测燃烧发展及其主要性能特性，开发了一种新型三维ＣＦＤ模拟方法。利用这种方法比较了几种备选燃烧系统，优先选择那些最具潜力的系统，然后在发动机上对其进行测试。经过验证，模拟与试验结果关联性良好。与三维ＣＦＤ模拟结果一致，发动机外排放与燃油耗极大改善，且最大功率增加。通过增大最高喷油压力及减小喷嘴液压流量会进一步改善系统性能。 参考文献
［1］伍赛特．柴油机行业技术特点及应用前景分析研究［J］．内燃机，2018(5):56－59．
［2］伍赛特．内燃机与燃气轮机的差异对比［J］．内燃机，2018(4):10－13．
[3]李娟. 未来工程发动机材料面临的挑战与发展趋向[J]. 景德镇学院学报, 2011, 26(4):33-34.