CA4D32-12型柴油机燃烧室及供油提前角的试验研究

王启航，张松涛，吴彩丽，金喆

（1.西安康明斯发动机有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大连柴油机有限公司，大连116022）

CA4D32-12型柴油机燃烧室及供油提前角的试验研究

王启航1，张松涛2，吴彩丽2，金喆2

（1.西安康明斯发动机有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大连柴油机有限公司，大连116022）

对CA4D32-12型柴油机进行了燃烧室、静态供油提前角的试验研究，就这些因素对排放物的影响进行了分析，并确定了CA4D32-12型柴油机的优化匹配方案。通过优化匹配，进一步提高了CA4D32-12柴油机的性能和排放指标。

柴油机燃烧室静态供油提前角匹配试验

1 引言

由于环境和能源的压力，世界各国对汽车的动力性、经济性和排放指标的要求日趋严格。我国在2000年执行欧Ⅰ指标的排放标准，2004年9月开始执行相当于欧Ⅱ的排放标准，2007年执行相当于欧Ⅲ的排放标准。面对越来越严格的排放法规，大连柴油机分公司与一汽长春技术中心联合在CA4D32-12型增压中冷柴油机上进行了大量研究开发工作。本文是在增压器、中冷器、喷油器和喷油泵匹配优化的基础上，通过燃烧室的改进来进一步改善CA4D32-12型发动机的性能和排放指标，供油提前角优化试验为CA4D32-12型发动机排放的最终技术参数定型提供了依据。

2 试验条件

试验机为一台CA4D32-12型车用直喷式柴油机，其主要技术参数见表1。排放试验按GB17691－2001《压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法》、GB14691－1999《汽车排放污染物限值及测试方法》、GB/T17692－1999《汽车用发动机净功率测试方法》和ECE-R49规定的试验循环13工况进行[1]。试验中控制中冷器出水水温＜50℃，主要设备及仪器见表2。

3 优化匹配试验

3.1 燃烧室的匹配

改进燃烧系统，优化燃烧室形状，是改善燃烧

降低排放的最重要措施之一。对于CA4D32-12型柴油机，燃烧室优化的主要目的是降低微粒排放，特别是要解决原燃烧室外特性低速烟度较大的问题。为了加强燃烧室的空气流动，促进空气与燃油的混合，需要采取措施改进涡流存续期。根据国外的有关研究，缩口、平台式燃烧室能够增强活塞下行时的燃烧室挤流涡流，与直壁燃烧室相比，其底部涡流强度提高约50%，总的涡流水平要比直壁燃烧室的高[2]。

来稿日期：2012-03-17

表1 CA4D32-12柴油机主要参数

表2 设备及仪器

3.1.1 压缩比

提高压缩比主要是为改善低温起动性能和减少白烟。一般说，提高压缩比能改善起动性能，但不利于排放[2]。

K系数(K系数定义为燃烧室容积与压缩终点容积之比)是燃烧室设计的重要参数。但受加工条件的限制，通过调整缸体、曲轴、连杆、活塞、活塞销、轴瓦以及气缸垫的相关尺寸链来减小压缩余隙的难度很大。在保持原机压缩余隙不变，适当降低压缩比，会提高K系数。K系数的提高即增大燃烧室的容积，会使空气利用率进一步提高，有利于油气的均质混合。但压缩比太低会造成冷起动的问题，同时也会引起冷起动时冷机工况下的烟度增大。

因此，压缩比的选取既要考虑K系数，同时又要满足发动机低温起动性能和不冒白烟的要求。考虑到满足欧Ⅱ排放法规，供油提前角的减小受冷起动条件的限制，压缩比只进行了略微的调整，由原机的18调整到17.5。以保证柴油机在-15℃时不利用辅助设备，能顺利起动。

3.1.2 燃烧室形状

燃烧室直径与深度之比是影响排放的重要参数[3,4]。为了降低烟度，满足排放颗粒的限值，燃烧室的设计通常要考虑到油束碰壁速度、贯穿度、涡流比及涡流存续期。利用燃烧室的结构，加强活塞上行时形成的挤流强度，加强滞燃期内的燃油与空气的雾化和混合，尽可能地减少由于燃油分布不均匀形成的碳烟和NOx。延长活塞下行时的涡流存续期，加强气流运动，在扩散燃烧期，有利于已经形成的碳烟被氧化的过程，进一步降低烟度[3,4]。原燃烧室及改进的燃烧室如图1所示。

图1 原燃烧室及改进的燃烧室

改进的燃烧室与原燃烧室相比，燃烧室容积加大，满足了压缩比从18降到17.5的要求。燃烧室深度和收口角度相应地增大，凸台的高度略微抬高，改进后燃烧室的直径与深度比比原燃烧室的有所下降。

3.1.3 2种燃烧室排放及外特性试验研究

在台架上，CA4D32-12型柴油机采用原燃烧室和改进的燃烧室进行了13工况排放及外特性的试验研究。2种燃烧室排放的测试结果如图2所示，表3给出了排放测试结果。

从上述试验结果可以看出，改进后的燃烧室，有效降低了13工况下的烟度，特别是6、8工况点的烟度。

采用改进的燃烧室后，由于燃烧室收口角度增大，燃烧室深度加大，即直径和深度比减小，使得靠近室壁和底部有较高的周向涡流强度，可使室壁上的油膜蒸发加快，空气卷入量增多，燃油和空气的混合得到改善，避免了出现局部混合气过浓的现象，使燃烧得到改善。这种空气运动的加强，加快了火焰反应速度，使扩散燃烧迅速。改进后的燃烧室，特别是6、8工况点的烟度下降。由于权重的影响，使微粒加权后的排放量有了明显的改进。试验表明，改进的燃烧室有利于微粒排放的改善。

图2 原燃烧室及改进的燃烧室

2种燃烧室外特性测试结果如图3所示。改进的燃烧室在烟度上特别是低速与原燃烧室相比有了很明显的改进。在1 400～2 800 r/min外特性燃油消耗率接近，但在2 800～3 200 r/min略差于原燃烧室。分析其原因是由于燃烧室直径与深度比的减小，喷油泵在高速全负荷的喷油压力较高，油束的贯穿度较大，因此这种改进在一定程度上牺牲了高转速全负荷的经济性。但综合评价是改进后的燃烧室达到预期目的，特别是外特性得到了比较满意的烟度指标。

表3 2种燃烧室13工况排放测试结果

图3 2种燃烧室外特性的测试结果

3.2 静态供油提前角的试验研究

静态供油提前角是柴油机最重要的可调参数。它对焰前反应、着火过程、滞燃期长短、燃烧速度、最大压力升高率、压力升高加速度、最高燃烧压力和最高燃烧温度都有明显的、本质的影响，进而影响着NOx、HC、CO和碳烟的排放水平。一般规律是：当供油提前角较大时，由于喷油时缸内的温度和压力较低，焰前反映慢，滞燃期较长，滞燃期内积累的预混合好的燃烧量较多。因而一旦着

火，燃烧速度，压力升高率以及最高燃烧压力和最高燃烧温度都比较高。相应地，油耗会较低，NOx排放率较高，预混合燃烧量增加，形成的碳烟扩散燃烧变少，颗粒排放降低。

在CA4D32-12型柴油机上，分别试验了6℃A、8℃A2种供油提前角。2种提前角的排放测试结果如表4所示，对NOx、烟度及油耗的测试结果如图4所示。

表4 2种供油提前角的排放测试结果

从测试结果分析，随着供油提前角的减少，缸内最大爆发压力降低，NOx的排放量下降，油耗上升。在13工况点上，8℃A静态提前角的燃油消耗率都低于6℃A静态提前角，体现出油耗对静态提前角的敏感性。静态提前角增加，则滞燃期延长，使滞燃期内的燃油量占循环喷油量的分量增加，而扩散燃烧的燃油量占循环喷油量的分量减少。静态提前角增加即喷油始点前移，滞燃期长，喷入油量多，整个燃烧过程热效率会提高，从而改善了经济性。可喜的是，静态供油提前角从8℃A到6℃A，微粒排放及13工况烟度没有明显的变化，微粒排放物对静态供油提前角反应出了不敏感性。分析主要原因，是由于高性能的气道，特别是改进的燃烧室，使得涡流存续期加长，使得在扩散燃烧，仍有比较强的涡流运动，促进了已经形成碳烟的快速氧化，特别反应在10、11、12工况点上；6℃A静态提前角的烟度好于8℃A静态提前角，同时体现在13工况排放的微粒排放上，6℃A静态提前角体现着略微的优势。

图4 2种供油提前角对比试验结果

1朱国朝，李津，宁金城等.降低CA6110ZLA3型柴油机NOx和PM排放的试验研究[J]．内燃机工程，2003（6）：42-45．

2李勤编.现代内燃机排气污染物的测量与控制[M].机械工业出版社，1998．

3王启航，张松涛，李世杰等．降低CA498型柴油机排放的试验研究[J]．现代车用动力．2005（3）：35-39．

4[日]滨口孝一，植草泰治，中田辉男等．Duramax 6600发动机降低排放技术的现状与未来[J].国外内燃机，2002（4）：24-28．

Experiment Study on Combustion Chamber and Advance Angle of Fuel Supply for the CA4D32-12 Diesel Engine

Wang Qihang1,Zhang Songtao2,Wu Caili2,Jin Zhe2
（1.Xi'an Cummins Engine Company,Xi'an 710200,China; 2.DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian,116022,China）

The matching experiments on the combustion chamber and advance angle of fuel supply are carried out,and the analysis on the effect of these factors on emissions is made.Finally,the optimized scheme for the CA4D32-12 diesel engine is determined.The performance and emissions of the CA4D32-12 diesel engine with the optimized scheme are improved.

diesel engine,combustion chamber,advance angle of fuel supply,match experiment

王启航（1971－），男，工学硕士，主要研究方向为轻型车用柴油机整机开发。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.004