喷油器特性参数对YC4F50柴油机排放特性的影响

钟玉洁，曾东建，韩伟强,2*

(1.西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039;2.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

由于柴油机热效率高、经济性好，因此被广泛地应用于国民经济的各个领域，成为当今社会应用最为广泛的一种热力机械。然而，传统柴油机在燃烧过程中会生成大量的颗粒物与NO[1]x，如果减小滞燃期，则油束中存在过浓区，碳烟形成速率高。虽然循环后期多数碳烟被氧化，但仍有大量碳烟未被氧化，导致较高的颗粒物排放[2]。如果增大滞燃期，不仅导致形成较多的预混可燃混合气,使得燃烧初期燃烧速度由较快的化学反应速度控制，缸内温度与压力迅速上升，发动机工作粗暴，还导致较多的NOx生成。燃烧过程在很大程度上取决于燃油的喷射参数，合理选择喷油器的特性参数。改变喷雾以及可燃混合气的形成，可改善燃烧过程，从而改善柴油机的排放[3-9]。

本文主要研究喷油器特性参数对非道路用小型柴油机排放的影响。笔者利用8工况法(EPA)[10]，通过对比喷油器不同喷孔直径、喷孔数目、喷孔锥角、油线落点高度均匀性等参数对玉柴YC4F50自然吸气式柴油机排放特性结果的影响规律，得到了喷油器特性参数的最佳组合，使燃油与空气更好地混合，减小了混合气过浓区和过稀区域，从而减少了污染物的形成，实现了喷油器与柴油机的匹配。

1 试验设备与方法

1.1 试验用发动机

试验是在玉柴YC4F50自然吸气式柴油机上进行的，其主要参数见表1。

表1 柴油机主要参数

1.2 仪器设备

排放仪使用AVL公司生产的Digas4000light五气体排放分析仪，测功机为电涡流测功机，该测功机具有恒转速、恒扭矩及定转速扭矩比值的控制功能。燃油流量计采用FCM-D油耗测量仪。柴油机与仪器设备的具体连接原理如图1所示。

1.3 试验方法

试验用喷油器选用无压力室油嘴的喷油器。喷油器的偏转角度为13°，安装旋转角度为45°。试验按美国EPA排放法规规定的非道路用途发动机8工况测试方法进行，试验工况及加权系数见表2。

图1 发动机试验台架连接原理

工况号12345678转速额定转速中间转速怠速扭矩/%10075501010075500加权系数0.150.150.150.10.10.10.10.15

八工况用加权比排放量评价柴油机的排放水平，计算方法为

(1)

式中：X为某种有害物质的加权比排放量，g/kW·h；Xmass为该种有害物质的加权比排放量，g/h；WF为加权系数；i为工况序号；Pei为有效功率，kW。

通过试验研究，本文讨论了喷油器的油嘴孔径、孔数、喷油伞状锥角对试验用柴油机排放特性的影响。喷油器油嘴的孔径和孔数组合方案分别为6×0.15(孔数为6，喷孔直径为0.15 mm)、 6×0.17和5×0.17、5×0.19，伞状锥角分别为150°和155°。试验时，同时测量了2种锥角下，6孔与5孔的喷油器油线落点距离活塞顶面的距离随曲轴转角的变化规律(油嘴喷孔中心到缸盖底面距离固定为2.5 mm)。

2 实验结果与分析

2.1 油线落点高度分析

油线落点高度值接近，沿燃烧室周向等弧长均匀分布时，燃油与空气能够更好地混合，从而减少缸内过浓区域和过稀区域，使燃烧充分并减少污染物的形成。

油线落点高度的标准差δ可以用来表征沿燃烧室周向等弧长均匀分布的程度，标准差的计算公式如下：

(2)

图2、图3分别为6孔与5孔喷油器在不同喷雾伞状锥角下油线落点高度标准方差随曲轴转角的变化规律。标准方差的值越小，则表示油线沿燃烧室周向等弧长均匀分布的程度越高，理论上对柴油机的排放越有利。

图2 6孔喷嘴不同喷雾锥角下油线落点高度标准方差随曲轴转角的变化规律

图3 5孔喷嘴不同喷雾锥角下油线落点高度标准方差随曲轴转角的变化规律

由图2可以看出,6孔喷嘴在固定伞状喷雾锥角下，标准方差随曲轴转角的增加而增大；在固定的曲轴转角下，伞状喷雾锥角155°的落点标准方差小于150°的落点标准方差，即δ155<δ150，这说明6孔喷嘴伞状喷雾锥角为155°时，油线沿燃烧室周向等弧长均匀分布程度较好。由图3可以看出，5孔喷嘴与6孔喷嘴有着相似的规律，伞状喷雾锥角为155°时，油线沿燃烧室周向等弧长均匀分布程度较好。

2.2 5孔、6孔喷嘴2种锥角8工况排放对比

5孔喷嘴与6孔喷嘴分别在155°和150°伞状喷雾锥角下柴油机8工况排放对比规律如图4、图5所示。为了对比方便，将不同的排放物数值在同一图中表示出来，柱状图上方的数字为实际排放物数值缩小的倍数，如PM的真实值为坐标值乘以10-1。喷孔直径均为0.17 mm，从图中可以看出5孔喷嘴与6孔喷嘴均在155°伞状喷雾锥角下具有较好的排放，且油耗较低。与图2、图3中油线落点高度标准方差的分析一致，说明油线沿燃烧室周向等弧长均匀分布程度越好，对柴油机的排放与经济性越有利。

图4 5孔喷嘴2种锥角8工况排放对比图

图5 6孔喷嘴2种锥角8工况排放对比图

2.3 5孔喷嘴2种孔径8工况排放对比

5孔喷嘴不同孔径的八工况排放对比如图6所示。从图中可以看出，在孔数与喷油伞状喷雾锥角相同的情况下，增大喷孔孔径会使微粒(PM)、未燃碳氢(HC)与一氧化碳(CO)的排放均有所下降，而比油耗(be)与氮氧化物(NOx)有所上升。分析原因为适当增大孔径可增加喷嘴的最大射程，从而增加了气相状态下的混合，减少了混合气的过浓区。混合气混合均匀，会使PM、HC、CO排放值降低。而燃烧效率提高，一般会增大缸内平均温度，从而使NOx排放值升高。循环喷油量绝对值的增大则可能是由于在相同的喷射压力下，大孔径喷油嘴的喷油量会增加导致的。

图6 5孔喷嘴2种孔径8工况排放对比图

2.4 6孔喷嘴2种孔径八工况排放对比

6孔喷嘴不同孔径的8工况排放对比如图7所示。从图中可以看出，在孔数与喷油伞状喷雾锥角相同的情况下，增大喷孔孔径会使微粒(PM)、未燃碳氢(HC)与一氧化碳(CO)的排放均有所下降，氮氧化物(NOx)有所上升，其原因与5孔喷嘴基本相同，而比油耗(be)基本不变。这可能是由于增大喷嘴孔径后热效率增加与循环喷油量绝对值的增大效果相互抵消所致。

图7 6孔喷嘴2种孔径8工况排放对比

2.5 孔数对8工况排放的影响

喷嘴孔数不同时8工况排放的规律如图8所示。图中2种喷嘴孔径与伞状喷雾锥角均相同。从图中可以看出，6孔喷嘴较之5孔喷嘴有着较低的PM、HC、CO排放，NOx有所上升，比油耗基本不变。分析原因为在155°的伞状喷雾锥角下，6孔喷嘴的油线落点标准差较5孔喷嘴的小，油束空间分布均匀性好，且油束由5束增加为6束后，使柴油机在滞燃期内形成的预混可燃混合气增加，从而降低了PM、HC、CO排放，并同时可以增加定容燃烧部分，提高了发动机的热效率，从而使6孔喷嘴与5孔喷嘴的比油耗基本相同。

图8 孔数对8工况排放的影响

2.6 6×0.17、5×0.19喷嘴8工况排放对比

通过上述分析，得出6×0.17-155°与5×0.19-155°喷嘴的排放与经济性都较其他喷嘴的好，因此确定在这2种喷嘴中选出匹配玉柴YC4F50自然吸气式柴油机的喷嘴。从图9中可以看出，2种喷嘴的排放物均未超出排放法规的标准值。而6孔喷嘴除了HC+NOx的排放高于5孔喷嘴外，其他排放指标均比5孔喷嘴好，且6孔喷嘴的油耗较低，因此最终确定使用6×0.17-155°喷嘴匹配该柴油机。

图9 8工况排放对比

3 结论

1)油线落点高度标准方差的值越小，则表示油线沿燃烧室周向等弧长均匀分布的程度越高，对YC4F50柴油机的排放越有利。

2)5孔、6孔喷嘴的伞状喷雾锥角在155°时的油线落点高度标准方差比在150°时的小，因此无论是5孔还是6孔喷嘴在伞状喷雾锥角155°时有更好的排放性与经济性。

3)试验最终选择6×0.17-155°喷嘴匹配柴油机，满足了8工况(EPA)排放法规的要求，且经济性较好。

[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1994： 195-197.

[2]Cowley L T. The Influence of Composition and Properties of Diesel Fuel on Particulate Emissions from Heavy Duty Engines [J]. SAE paper, 1993,932732:13-48.

[3]林学东,季雨.喷油系统参数对重型车用增压直喷柴油机NOx排放的影响[J].内燃机学报,1996,14(1):46-50.

[4]朱锡,芬张健,董尧清.优化喷油器参数改善CA6113柴油机性能的试验研究[J]. 内燃机燃油喷射和控制,1998(4):20-25.

[5]张海燕,徐蔡舟.喷油器参数对柴油机排放的影响[J].柴油机设计与制造,2004(1):15-19.

[6]尉庆国,王艳华,刘新华,等.缸内直喷汽油机多孔喷油器喷雾特性试验研究[J].车用发动机,2012(5):71-76.

[7]陈本林,曾东建,杜兵.模糊综合评判在大型柴油机喷油器生产决策中的应用[J].四川工业学院学报,2004(3)：126-128.

[8]张睿,徐建新,凌励逊,等.基于响应特性的电控喷油器关键参数设计研究[J].柴油机,2012(6):6-9.

[9]王军,熊庆辉,张幽彤.大流量压电式喷油器设计与试验[J].农业机械学报,2011,11(42):10-14.

[10]熊永华,杜发荣.用EPA 八工况法测量农用柴油机排放时各工况的分担率[J].山东内燃机,2005(3):30-32.