CA4DC2-12E3型柴油机喷油器的匹配试验研究

王启航，张松涛，侯方，金喆，韩祖豪，吴彩丽

（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）

CA4DC2-12E3型柴油机喷油器的匹配试验研究

王启航1，张松涛2，侯方2，金喆2，韩祖豪2，吴彩丽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）

在CA4DC2-12E3型发动机上，试验研究喷油嘴凸出量和喷油器流量对柴油机性能及排放指标的影响。试验结果表明，优化后的喷油器方案对柴油机的排放和性能指标均有明显的改善。

喷油嘴凸出量喷油器流量性能和排放优化

1 前言

喷油过程是柴油机燃烧过程中极为重要的一个组成部分。燃烧过程三要素（油、气、室）中的“油”既包括燃油本身的物理-化学性质，又包括燃油的喷射过程及其与燃烧室及气流运动的匹配。喷油过程组织得好坏将直接影响燃烧过程的组织与效果，从而亦决定着发动机的整机性能。燃烧过程中燃油的雾化、加热、蒸发、扩散、与空气的混合，着火、燃烧、放热、碳烟和废气有害成分的形成，燃烧噪声及振动，以及整机的技术经济性，都与喷油过程有着不可分割的联系。可以说，要提高发动机的运行经济指标和排放指标，就必须改善和控制燃烧过程，首先就要改善和控制喷油过程。喷油过程、燃烧过程和发动机性能三者依次存在着因果关系[1]。

喷油过程是瞬变的、不均质的、双相混合的、变背压的和变流阻的喷射过程。同时，喷射过程的持续时间很短，喷入的燃烧室空间很小，喷油的始点和终点要求很严格，而每循环的喷油量又很少，特别是小功率柴油机的部分负荷工况[1]。

喷油器是柴油机喷油系统中实现燃油喷射的重要部件，喷油器作为燃油喷入气缸的最后环节，其性能直接影响柴油机的燃烧过程[2]。

2 试验发动机和试验设备及仪器

2.1 试验发动机

试验样机为CA4DC2-12E3型柴油机。该机型由长春一汽技术中心和道依茨一汽大连柴油机有限公司联合开发，采用Bosch公司CRS2.0电控共轨系统，匹配车型为2～3 t轻型载货汽车，其主要结构及技术参数如表1所示。

2.2 试验设备及仪器

试验采用主要测试设备如表2所示。

3 试验结果及分析

3.1 喷油嘴凸出量

喷油嘴的凸出量和油束锥角两个相关因素直接影响到油束与燃烧室的相对位置，影响油束落点，还影响到喷雾在燃烧室的分布，从而产生不同的燃烧效果，直接影响发动机的性能[3]。

表1 CA4DC2-12E3型柴油机主要技术参数

表2 设备及仪器

试验用基础喷油器的参数是：流量350 mL/30 s，孔数为6孔，锥度系数k=0，油束锥角为150°。采用了喷油器铜垫片分别为2、2.5和3 mm，进行优化喷油嘴的凸出量。

试验采用了相同的标定MAP，3种铜垫片方案测得的外特性性能曲线如图1所示。从试验结果可以得出，对于150°油束锥角的喷油器匹配3 mm的铜垫片，即喷油嘴凸出量为1.5mm时，外特性燃油消耗率和烟度得到了明显的改善。

对于喷油嘴凸出量来讲，如果该值过大会导致喷油器的头部温度过高，针阀过热，会引起喷油器可靠性问题；但该值过小，油束喷到缸盖的概率增大，导致缸盖过热，引起缸盖三角区的热负荷增加。

图1 3种喷油器铜垫片厚度外特性性能对比

针对该项目，喷油嘴凸出量的推荐值为2～3.5mm。确定喷油嘴凸出量后，靠调整油束锥角来确定油束的落点。喷油器油束锥角过大，油束过多的燃油喷到活塞顶部，燃烧室内的空气得不到充分的利用，烟度会相应的增大；反之，喷油器油束锥角过小，则会导致燃油喷到燃烧室凸台及燃烧室底部的概率更大，使得燃烧室内凸台及燃烧室底部的燃油沉积过多。由于沉积燃油自然蒸发的速率要比空间雾化油滴蒸发率低，蒸发后不能完全燃烧，这样燃油蒸发将分解并形成未燃烃、不完全氧化物和碳烟，导致燃烧过程恶化，烟度上升。

保持油束落点相同。经试验优化的方案，150°油束锥角匹配3 mm的喷油器铜垫片，这样的组合相当于155°油束锥角匹配2 mm的喷油器铜垫片，可满足喷油嘴凸出量2.5 mm的推荐要求。

3.2 标定的优化

试验基础喷油器的参数是：流量350 mL/30 s，孔数为6孔，锥度系数k=0，油束锥角为150°，喷油器铜垫片厚度为3 mm。进行了提前角和轨压MAP的优化标定，为了降低NOx排放的需要，重点在ESC排放测量工况区减小提前角，轨压也适当提高。优化标定后的外特性性能如图2所示，减小提前角和提升轨压，尽管外特性燃油消耗率上升明显，但烟度指标得到了很好的控制，为满足ESC国Ⅲ颗粒排放提供了基础。

3.3 喷油器流量匹配

图2 优化标定的外特性性能对比

测量喷油器流量时，通常在压力差ΔP为10 MPa，时间30 s内的流量来检测。喷油器流量由喷孔的数目、孔径和流量系数决定。喷孔的数目及孔径对燃油在燃烧室空间的分布情况，燃油的雾化及喷油持续期的影响很大，在等效总喷孔截面积相等的情况下，喷孔数目越多，则燃油喷雾在空间分布越均匀且油滴直径越小，雾化越好，有利于降低颗粒的排放。

随着喷孔直径减小，流量系数也减小。这就要求增加喷油嘴的喷孔数，以保持喷油嘴总的燃油流量不变。小孔径多孔喷油嘴在发动机低负荷时碳烟和CO排放较低，而高负荷时的过量空气相对较低，但只要过量空气系数合适，小喷孔喷油嘴在高负荷工况下也能得到较低碳烟和CO排放。小孔径多孔喷油嘴的缺点是由于孔径小，燃油贯穿距较短，喷孔（喷束）之间位置狭窄，从而限制了空气的利用。当发动机负荷较高而增加油量时，由于喷嘴周围局部过量空气系数低，会导致烟度很难控制[4]。

CA4DC2-12E3柴油机采用了Bosch CRS2.0第二代共轨系统，允许的最高轨压为145 MPa。在不同轨压下，测量喷油器电磁阀加电时间与喷油器流量之间关系，如图3所示。为了满足控制精度的要求，保证喷油器流量与电磁阀加电时间的呈线性关系，Bosch公司为该项目推荐的喷油器加电时间控制在1 000 μs以内，这也为喷油器的流量优化提出了新的约束[5]。

为CA4DC2-12E3柴油机匹配的喷油器方案如表3所示。喷油器系数k定义为锥度系数，用喷孔进口直径d进口和出口直径d出口之差来表示（μm）：

图3 喷油器的轨压和加电时间的流量特性曲线

表3 喷油器方案

喷油器方案1和方案2采用相同的轨压和提前角MAP，方案3喷油器是根据前2种方案喷油器试验结果而优化，因其样件提供的时间较晚，采用的MAP根据是ESC工况下NOx排放进行了优化调整。3种方案喷油器的外特性测试结果如图4所示，从测试结果可以看出，采用完全相同的标定MAP图，方案2喷油器即流量400 mL/30 s，k=1.5明显优于方案1喷油器，因为喷油器锥度系数k=1.5的采用，提高了喷油器流量系数，从而增加了喷油器的流量，它使外特性燃油消耗率和烟度指标得到了较明显的改善[6]。

3种喷油器的ESC排放测试结果如图5所示，方案3喷油器即流量450 mL/30 s，锥度系数k=1.5，油束锥角为155°，喷油器铜垫片为2 mm。通过标定MAP的调整，使其NOx满足ESC国Ⅲ排放，可喜的是烟度指标并没有因推迟提前角而明显恶化，13工况的烟度控制在1 FSN以下，这为满足国Ⅲ法规的颗粒排放限值提供了基础。

最终喷油器的优化方案是：流量450 mL（30 s时间内），孔数为6孔，锥度系数k=1.5，油束锥角为155°，喷油器铜垫片的厚度为2 mm。

图4 3种流量喷油器的外特性性能对比

图5 3种流量喷油器的ESC排放测试

4 总结

喷油器的匹配是CA4DC2-12E3国Ⅲ柴油机燃烧系统开发的核心工作之一。通过喷油器铜垫片厚度的试验来优化油束锥角，喷油器流量对外特性性能和排放指标有重要影响，同时要满足Bosch公司推荐的喷油器加电时间小于1000 μs的要求。

1何学良，李疏松编著．内燃机燃烧学[M]．北京：机械工业出版社，1990．

2王启航，王永红，苏庆运等．现代车用柴油机实用技术[M]．大连：大连理工大学出版社，2012．

3王启航，王永红，王华伟等．CA498型柴油机达欧Ⅲ排放的试验研究[J]．车用发动机，2006（4）：19-21．

4李勤编．现代内燃机排气污染物的测量与控制[M]．北京：机械工业出版社，1998．

5王启航，侯方，韩祖豪等．CA4DC2-10E4皮卡国IV排放样车的开发[J]．柴油机设计与制造，2012（4）．

6王启航，张克文，侯方等．K系数喷油嘴的流体动力学（CFD）计算及试验研究[J]．柴油机设计与制造，2012（3）．

Experiment Study on CA4DC2-12E3 Engine Injector

Wang Qihang1,Zhang Songtao2,Hou Fang2,Jin Zhe2,Han Zhuhao2,Wu Caili2
（1.Xi'an Cummins Engine Company,Xi'an 710200,China; 2.DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian,116022,China）

Anexperimentstudy on effects of nozzle tip protrusion and injector flow on exhaust emissions and performance.was conducted on the CA4DC2-12E3.The results showed that:the emission and performance of the CA4DC2-12E3 engine were improved by adopting optimized injector scheme.

nozzle tip protrusion,injector flow,performance and emission optimization

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.03.002

来稿日期：2013-03-27

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。