喷雾锥角对柴油机性能和排放的影响研究

李庚华 陈怀望 曹明柱 王晓鹏 王云鹏

摘 要：文章对两种不同喷雾锥角的喷油器在某款柴油机上进行性能和排放试验。试验结果表明，不同喷雾锥角对发动机的低端性能影响较大；同时，微小的喷雾锥角差异也会对发动的排放产生较大影響。所以在燃烧开发阶段，需要对不同的喷雾锥角进行详细的开发，使发动机的综合考虑性能指标达到最佳。

关键词：喷雾锥角；低端性能；排放

中图分类号：TK428 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）17-0007-02

1 概 述

随着排放法规的的不断升级，排放限值越来越严格。发动机的燃烧效果直接影响到发动机的尾气的排放结果，所以在发动机的燃烧开发过程中，油嘴选型工作尤为重要，选择一款合适的油嘴对于发动机的排放效果对于发动机排放和性能的达成起到重要作用。

喷油器的油嘴喷雾锥角是指喷油油束与喷油器轴线之间的角度。如图1所示，油嘴喷雾锥角关系到油束的落点位置，对燃油与空气的混合有着重要影响，即使很小的角度偏差也会影响发动机的性能和排放，所以在燃烧开发阶段需要对油嘴的喷雾锥角进行详细的开发。

2 试验描述

为了对验证喷雾锥角对发动机的性能和排放的影响，本文选择了某款国V发动机作为试验样机，发动机主要参数，见表1。

设计了两种喷雾锥角的喷油器，喷雾锥角为155 °和156 °，喷油器的其他参数等完全相同，具体参数，见表2。通过在不同负荷下的功率、扭矩、烟度、排放等各种参数进行比较，说明不同喷雾锥角对发动机性能和排放的影响。

2.1 试验设备

本试验采用AVL DynoRoad电力测功机，HORIBA直采排放设备，并且安装各种传感器和燃烧分析仪，监控台架运行，台架布置主体如图2所示。

主要的试验设备，见表3

2.2 试验过程

在此试验中，使用两个不同喷雾锥角的喷油器，分别编号为N1、N2。进行两组喷油器的外特性试验、关键工况点试验 ，测试喷油器的喷雾锥角对发动机性能和排放的影响。

3 试验结果与分析

3.1 喷雾锥角对发动机性能影响分析

4 000 rpm的功率曲线和烟度曲线，分别如图3和图4所示，发动机在4 000 rpm额定功率点时，保持其他燃烧参数不变，只调整增压压力，测得两个不同喷雾锥角的喷油器的功率与烟度变化。

由图3和图4可以看出，两种喷雾锥角的喷油器在额定点的功率基本相同，烟度也都很小，都能满足设计指标，并且所以两种喷雾锥角的喷油器在油量比较大，且空气量比较充的情况下，影响不大。

2 000 rpm外特性时的扭矩及烟度曲线，分别如图5和图6所示。功率点相同，在高负荷空气量充足的情况下，较小的喷雾锥角差异对性能及该点的烟度基本没有影响。

1 000 rpm扭矩气曲线和烟度曲线，分别如图7和图8所示，发动机在1 000 rpm外特性时，保持其他燃烧参数不变，只调整过量空气系数，测得在两种不同喷雾锥角情况下的扭矩及烟度变化。从图中可以看出，在各种过量空气系数下，N1的扭矩明显比N2的扭矩大，且烟度比N2的小。1 000 r时，发动机的转速低，增压器没有介入工作，空气量相对不足，这时发动机的扭矩、烟度直接与油束喷射的位置及燃油混合有较大关系，大角度的喷油器落点更接近燃烧室的上部，燃油雾化好，燃烧充分、性能好，烟度比较低。

两种喷射角度喷油器在不同外特性点的性能和表现有及大差别。其主要原因是在较高转速和负荷下，缸内温度高且空气量充足的情况下，由于喷射角度的微小变化导致油气混合的差异不明显，而在较低转速和负荷的情况下，气量也不充分，所以喷射角度会导致油气混合不一致，从而性能和烟度都有明显差别。

3.2 喷雾锥角对发动机排放影响分析

该发动机采用EGR+DOC+DPF的排放技术路线，通过调整EGR率降低发动机的NOx排放，同时需要关注发动机soot的排放水平；所以研究油嘴喷雾锥角对排放的影响时主要研究不同EGR率下NOx与Soot的关系。根据发动机主要匹配3.5 t以下车型，测试循环为NEDC循环，根据匹配车型的选取了以下三个试验工况点，1 350 rpm/5 bar、2 000 rpm/6.5 bar、2 900 rpm/14 bar，即对应的发动机转速和平均有效压力。

发动机分别在这三个NEDC循环排放关键点下，测得的NOx和Soot排放值的trade-off关系图，分别如图9、图10和图11所示。

在这三个排放关键点，N1的的NOx排放都比N2大，其主要原因是锥角较大的情况下，燃油喷射到更接近燃烧室出口位置，气体流速快，燃油雾化好，燃烧好、燃烧压力和温度比较高，在相同的soot排放情况下NOx会排放比较高。

4 结 语

根据对不同喷雾锥角的两组喷油器在不同工况下的性能和排放的比较可以得出以下结论：

①在增压器介入工作或大空气流量的情况、较大负荷下，较小的喷雾锥角差异对性能的影响不明显。

②在低转速，空气流量小，或增压器没有介入工作的情况下，较大的喷雾锥角对发动机的性能有较大的提升，特别对于小排量增压发动机的低端扭矩提升有明显的作用。

③在各排放点上，较小的喷雾锥角对NOx排放有利。

④在燃烧开发过程中，对喷雾锥角的选择需要根据性能和排放的实际需求进行选择。在喷油器的流量、垫片厚度等主要指标选定的情况下，有必要对喷油器的喷雾锥角进行详细的开发，使发动机的性能和排放达到最优，可以大大缩短减少标定阶段的周期。

参考文献：

[1] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 王健昕.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011.

[3] 蒋德明.内燃机涡轮增压[M].北京：机械工业出版社，1986.

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