喷嘴参数对柴油机喷油规律与性能的影响

李华莹，刘建敏，郭猛超

（装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072）

我国高原面积相当广阔，大量柴油动力机械都运行在这些区域.当海拔高度从海平面上升到4 000m时，大气压力从101.3kPa降到61.6kPa，空气密度从1.22kg·m－3下降到0.82kg·m－3，空气中氧的体积质量从0.25kg·m－3下降到0.17kg·m－3，年平均空气温度在5℃以下［1－2］.由此对柴油机缸内工作过程和性能带来的影响主要有：气缸内进气量减少，气缸内的进气终点压力低于设计标准，致使压缩终点压力达不到应有的水平；过量空气系数下降，可燃混合气过浓，着火延迟期变长，燃烧过程拖后，后燃现象严重；由于循环供油量基本保持不变，使得缸内一部分燃料由于缺氧而不能完全燃烧做功.因而使得柴油机热负荷增大，动力性、经济性和排放变差，甚至柴油机的可靠性和寿命都会受到影响.可见对高原在用柴油机进行性能改进非常重要.

当前，针对发动机高原性能改进的方法主要有增加柴油机进气量和优化缸内喷雾燃烧等［3－6］.由于研究对象为一台紧凑型大功率发动机，动力舱没有空间对增压器进行改造或加装中冷器，因此笔者提出通过对喷嘴参数的改进，进而优化喷雾和燃烧，最终实现对高原运行柴油机性能的改善.

1 柴油机工作过程模型及验证

采用模块化建模的方法，将进气总管、进气支管、进排气门、喷油嘴、气缸与曲轴箱、排气支管、排气总管、压气机和涡轮等模块集成为柴油机整体模型.考虑工程实际需求，在计算进排气管内的流动与传热时，用一维流动计算代替实际的三维流动计算.在进行缸内喷雾和燃烧计算时，使用广安博之（Hiroyasu）模型，该模型假定燃料直接以油滴形式射入燃烧室，认为燃烧速率主要由油滴蒸发速率控制，对喷雾锥角、贯穿度和油滴破裂滞后期的计算都考虑了压差的影响，因此一定程度上可反映不同海拔的影响.缸内传热计算采用沃希尼（Woschni）公式.由于广安模型对缸内碳烟（Soot）浓度峰值的预测不够准确［7－8］，笔者采用Nagle-Strickland-Constable（NSC）碳烟氧化模型预测碳烟排放量；NOx排放的模拟，在假定缸内N和O反应处于局部平衡的情况下，利用扩展的Zeldovich公式计算.该型柴油机为V型，水冷四冲程，直喷；增压方式为废气涡轮增压；缸数为12缸，缸径为150mm；压缩比为13～14；排量为38.8L；喷孔数为8个，喷孔直径为0.35mm.使用的喷油器为带缝隙滤的多孔长针阀密封式结构.

为了验证模型的正确性，在环境气压为101.3kPa，环境温度为29℃时进行了发动机台架试验.试验工况为额定功率点.测试仪器为奥地利李斯特公司（AVL）的数据采集及燃烧分析仪器.图1为缸内压力曲线计算与实测对比图，模型的精度满足工程要求.在此基础上，计算出海拔4 000m时的缸内压力与平均温度，作为喷射系统建模的缸内边界条件.

图1 缸内压力对比曲线Fig.1 Contrast curve of cylinder pressure between experiment and simulation

2 喷嘴参数对柴油机喷油规律的影响

采用GT-FUEL建立柴油机喷射系统模型.模型以燃料的一维非稳态可压缩流理论、燃油喷射系统各机械组件的动力学和结构传热理论为基础.

固定循环喷油量为186mg，启喷压力为20.6MPa，其他喷射参数不变，就喷孔数N、喷孔直径dc、喷孔夹角β、流量系数μ对柴油机喷油规律的影响进行了变参数研究，如图2—图5所示.

很明显，对于相同的循环喷油量，喷孔总面积越大，喷油速率就越快，同时喷油持续期就会缩短.亦可以看出，喷孔数和喷孔直径对喷油规律影响最为敏感，喷孔流量系数对喷油规律影响明显，喷孔夹角对喷油规律影响微弱.就喷孔数和喷孔直径的影响而言，在喷油初始时，由于针阀开启量小，这时座面处的通流截面小于各喷孔通流面积之和，座面处节流是影响喷油量的主要因素，因此在其他参数都一致情况下，不同喷油器的喷油速率曲线基本重合.随着针阀的开启量增大，喷孔节流成为影响喷油率的主要因素，喷孔面积大的喷油速率则大［9］.喷孔面积过小导致喷油压力过高和高压油路中残液余力过高，易产生不正常喷射，如二次喷射等.喷孔面积过大易导致燃油雾化质量变差，也易导致不正常喷射.可见孔径、孔数以及喷射系统各参数的优化匹配对于改进缸内喷雾和燃烧至关重要.在喷油器的加工过程，若采用液体挤压研磨工艺，去除毛刺，并使喷孔和压力室交界处产生一定的圆角，使流量系数提高到0.70～0.85，可提高柴油的流动速度.

以该柴油机高原功率需求为目标参数，柴油机每循环喷入气缸的油量Q和喷孔面积fc为

式中：Be为比油耗，g·kW－1·h－1；P为柴油机输出功率，kW；i为汽缸数；n为柴油机转速，r·min－1；ρ为燃油密度，g·cm－3；Z为冲程系数，四冲程取0.5.

利用式（1）与式（2）得出该柴油机喷嘴的喷孔面积应在0.25～0.50mm2取值.为了详细研究喷孔直径和喷孔数对柴油机性能的影响，结合以上单因素变化的仿真分析，笔者设计了9种喷嘴方案，喷孔夹角为140°，喷孔流量系数取0.7.具体如表1所示.

3 喷嘴参数对柴油机燃烧特性的影响

图6是发动机额定功率点时不同喷油嘴对柴油机缸内燃烧特性的影响.

表1 喷孔基本参数Tab.1 Parameters of spray holes

图6 不同喷油器柴油机燃烧特性Fig.6 Combustion characteristics of diesel with different injector

从图6中可以看出，当喷孔面积从0.769mm2降低到0.344mm2：放热速度变快，放热重心前移近8°；瞬时放热率峰值最大上升35%；说明喷孔面积小（一定范围内）对于燃油雾化有利，易于快速燃烧.使用大喷孔面积的喷油器，在混合气燃烧前阶段的放热率低于小喷孔面积喷油器，而中后期则高出小喷孔喷油器，，这也说明了喷孔直径较大，则在燃烧的初始阶段，燃油液滴直径较大，雾化质量较差，燃烧速度较迟缓，而后随着缸内气体温度和压力的升高开始快速燃烧.同时发现，当dc＝0.25mm，喷孔面积在0.35～0.50mm2时，其放热率峰值基本相当，放热率曲线比较接近.说明固定供油量，燃烧室型式和其他喷油参数不变的情况下，喷孔面积存在一个有利于喷雾和燃烧的区间.缸内最高爆发压力pmax增大12%，喷孔直径越小，喷雾的液滴直径就越小，雾化质量就越好，利于形成良好的燃烧，但是过小的喷孔直径会使得喷射压力过高，如果油束过细，会使得同时着火燃烧的燃油增多，压力迅速升高.本例中，缸内最大爆发压力可达到8.7MPa，仍在柴油机机械负荷的控制参数范围之内.从各方案的缸内平均温度计算结果来看，喷孔面积变小，可使燃烧始点提前，缸内温度峰值上升近200℃.当dc＝0.25mm，喷孔数为7，8，10时，柴油机功率比较接近，但是7孔缸内温度比10孔缸内温度高近乎100℃，加剧了高原柴油机的热负荷.

4 喷嘴参数对柴油机性能的影响

图7给出了喷嘴参数对在海拔4 000m时运行柴油机的动力性、经济性和排放的影响.由前面的分析，在循环供油量不变的情况下，喷孔面积越小（在一定范围内），相当于喷油压力增大，喷油速率加快，这样就提高了单位燃油的喷射能量，使得喷雾更加细化，油束的贯穿速度更快，由此使柴油机的油气混合更加均匀.喷射压力的提高缩短了着火滞燃期，弱化了高原影响，这是因为滞燃期随压力升高而减短，由于压力增加后混合气密度增加，分子运动平均自由行程减短，反应物分子间碰撞机率增加，从而使焰前反应速度加快，化学延迟缩短；混合气密度增加后，又使得传热过程加强，缩短了传热和汽化时间，物理延迟亦缩短.同时也加速了扩散燃烧期内的油气混合，使扩散燃烧速度明显提高.随着喷孔面积减小，缸内油束贯穿距离下降，油滴破碎时间缩短，燃油蒸发雾化速度加快，空气利用率提高，燃油碰壁现象减弱，索特（SMD）直径减小，高原的喷雾和燃烧得以改善，进而使性能有所改进.减小喷孔直径能提高燃油喷射压力，缩短油束射程，燃油雾化更好；喷孔数目N的增加则使喷雾的分布空间更广，混合更均匀［10］.但数据表明，单独增加喷孔数目，并不能改善柴油机性能.由图7a，b，c可知，当dc从0.35mm降低到0.25mm，喷孔面积在0.35～0.50mm2时，与使用原机喷嘴相比，功率最大恢复8.5%；油耗下降8.8%以上，排气温度下降35℃以上.由图7d可知，由于缸内温度显著升高，因此NOx排放最大增加近40%；根据NOx和Soot排放的折衷效应，同时考虑到Soot氧活化作用明显，Soot排放最大下降35%.喷孔数N过多易造成油束的干涉现象，重叠区域的燃油浓度高，因缺乏足够的空气可能会导致燃油裂解形成碳烟.图7e中方案8的Soot排放最为严重.从图7中可以看出，单独通过喷嘴结构参数的改变，并不能使柴油机各性能同时达到最优.

图7 喷油器参数对柴油机性能的影响Fig.7 Performance of diesel with diffierent injector parameters

以海拔4 000m柴油机动力性为目标区间，得出喷嘴参数变化后，柴油机相对于平原运行时的功率变化率与喷孔面积的关系，如图8及式（3）所示.

当喷孔面积小于0.27或大于0.65时，柴油机性能明显出现拐点.在0.27～0.65mm2之间时，柴油机功率变化率X（%）和喷孔面积fc（mm2）近似满足：

可见，在海拔4 000m时，在循环供油量和其他喷油参数不变的条件下，将原喷嘴喷孔的直径减小至0.25mm，喷孔面积减小至原来的25%～60%（如：N＝10，dc＝0.25mm的喷嘴）可使柴油机动力性、经济性明显改善.

图8 海拔4 000m环境下，功率变化和喷孔面积的关系Fig.8 Relationship of power variation and spray hole area

5 结论

（1）以广安博之喷雾、燃烧模型和一维非定常可压缩理论为基础，建立高原环境柴油机缸内燃烧与喷射系统耦合模型，可研究喷射系统参数在高原环境下对柴油机性能的影响规律，试验表明模型具有一定精度.

（2）变参数研究表明，喷孔数和喷孔直径对喷油规律影响最为敏感，喷孔流量系数对喷油规律影响明显，喷孔夹角对喷油规律基本没有影响.喷油质量流量（速率）分别随喷孔数目、喷孔直径增大而迅速增加，但是当不同喷孔数和喷孔直径匹配后，柴油机喷油规律和性能随喷孔面积变化明显，研究表明，在海拔4 000m时，该喷嘴喷孔面积在0.30～0.60mm2之间为宜.

（3）在海拔4 000m时，通过喷嘴结构参数的改进，可使柴油机缸内放热重心前移近8°；瞬时放热率峰值上升近35%；缸内最高爆发压力pmax增大12%；动力性和经济性提升8%以上.

（4）单独增大喷孔数对高原运行柴油机性能影响微小；单独缩小喷孔直径可以改进性能.综合热负荷与动力性，在海拔4 000m时，可选择N＝10，dc＝0.25mm的喷嘴.若在某些海拔高度，热负荷仍不能满足控制参数要求，可通过调整供油提前角和最大循环供油量的方式解决.

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