喷油器结构对柴油机性能和排放的影响

2022-06-13曲兴年周明胜王双龙

内燃机与配件 2022年7期

关键词：喷油器柴油机负荷

1 前言

柴油机的着火方式为压燃，活塞运行至上止点附近，燃油在高压下由喷油器孔射入燃烧室内，通过气流运动与空气混合，在高温高压作用下着火。柴油机燃烧的好坏与燃油的喷射、雾化及其同空气的混合情况息息相关。为了解决柴油机NO

排放高的问题，大多数机型都引入了EGR。但由此带来的进气组分的变化会使颗粒排放增加，因此根据燃烧室结构进行喷油器参数的匹配也相当重要。大量理论与试验表明，喷油器的几何特征尺寸、喷油器的流量对混合气的形成和柴油机的性能有很大影响。

2 试验用发动机和喷油器参数

2.1 试验用发动机为Y 型柴油机。具体参数见表2.1所示。

2.2 喷雾锥角及喷油器流量对柴油机性能和排放的影响。

新的喷油器方案有4个，喷油器J1(流量610mL/min)，喷油器J2(流量750mL/min)，J1、J2喷油器的喷孔数为8，喷孔锥角为148°；喷油器S1(喷孔锥角148°)，喷油器S2(喷孔锥角150°)， S1、S2喷油器的喷孔数为8，流量均为750mL/min。

转基因大豆GTS40-3-2标准品（10%、1%）购于European Reference Materials (ERM)；转基因标准品（100%）、非转基因标准品来源于中检院质控样品；Takara MiniBEST Universal Genomic DNA Extraction Kit、Premix Ex Taq (Probe qPCR)购于大连宝生物公司；ddPCR Supermix for Probes购于美国Bio-rad公司；PCR引物和探针由上海生工合成；豆奶饮料购于湖北市场流通领域。

喷油器参数如表2.2所示。

由表4可知，两种茼蒿叶片的SPAD值x与叶绿素总含量y（单位：mg/g，下同）之间的相关性如下，其中“小叶茼蒿”的各个模型的相关系数普遍大于“大叶茼蒿”的各个模型的相关系数。“小叶茼蒿”相关性最高的函数模型是线性函数y=0.0355x-0.8439（r=0.943**），“大叶茼蒿”相关性最高的函数模型指数函数是y=0.5196e00068（xr=0.133）。

3 喷油器流量对柴油机性能的影响

全负荷工况下，不同流量的喷油器对应的过量空气系数见图3.1。由图可知，在给定转速范围内，J2喷油器的过量空气系数略高，但差别并不明显。

图5.3是全负荷时，不同油嘴凸出量对应的soot排放值，油嘴凸出量对烟度有一定的影响。在给定转速范围内，油嘴凸出量为2.0mm时的烟度比其余两种油嘴凸出量小。在高转速区，油嘴凸出量为2.5mm时的烟度增加趋势较另外两种油嘴凸出量明显，尤其在额定点时，烟度排放相比最差。

图3.2是全负荷功率曲线，不同流量下的功率曲线基本重合。图3.3是全负荷时的比油耗曲线，由图可知J2 喷油器的有效燃油消耗率明显低于J1喷油器。由图3.4和3.5可知，喷油器流量对NO

排放的影响不大，J2喷油器对应的NO

排放稍稍高于J1喷油器，而在soot方面则有所下降，中高转速下尤其明显。

这可能是因为，喷油器流量变大，燃油流速加快，与空气的混合速率也增大，单位时间内形成的混合气也变多；同时，油束的高速运动使得混合气更加均匀。从而缸内燃烧更加充分，有利于比油耗和soot的降低。但是，这也会使得NO

排放有所上升。

从表4-1中可以看出，采用S1喷油器时NO

排放有轻微上升，但是在比油耗和颗粒排放上，S1喷油器略优于S2喷油器。因为喷孔锥角过大时，油束易进入活塞顶部的挤流区，导致碳烟增加。故本次优化方案喷油器喷孔锥角拟采用148°。

这一时期的广告用字还存在使用《第二次汉字简化方案（草案）》中公布的、后来被废止的简化字（简称“二简字”）的现象。1977年底，二简字一经推行就被大量使用，如1978年刊登在报纸上的电影广告将“导演”印为“导 ”，将“电影”印为“电 ”[4]。二简字在1986年被正式废除，绝少出现在印刷出版物中，只有街头手书的招牌广告上偶尔一现。与繁体字有着深厚的传统文化基础相比，二简字的根基不稳，迅速退出规范字领域理所当然。1987年的《规定》中禁止使用二简字，印刷品中二简字的消失是《规定》实施成效的体现，而街头广告中偶尔出现的手书二简字，又反映了《规定》执行不到位。

从表3.1中可以看出，使用J2喷油器后，各类排放物均有所下降且燃油经济性也有一定改善。综合考虑发动机全负荷性能和13工况加权比排放计算结果，本次优化方案喷油器流量拟采用750mL/min。

4 喷孔锥角对柴油机性能的影响

喷孔锥角对柴油机混合气形成、燃烧有很大的影响，属于喷油器的一个重要参数。在喷孔数及喷孔直径一定的条件下，喷孔锥角不同，喷雾油束在燃烧室内的发展情况也不一样。

随着喷孔锥角的增大,喷射范围变大。喷孔锥角过大时，燃油易喷射到活塞的顶隙部分并在压缩过程中进入挤流区，柴油机燃烧不充分，碳烟也会增加；如果喷孔锥角较小，则不能利用双唇的破碎作用，使得燃油直接进入凹坑中，沿壁面分布的燃油较多，不能充分发挥空间雾化油气相互运动的优势，燃烧也不能充分进行。因此，需选择合适的喷孔锥角，使得油束与燃烧室形状相匹配，以获得较好燃烧特性和较低的排放。在上节的基础上，依据工程经验选取S1、S2两种方案的喷油器，喷油器流量均为750mL/min，喷孔锥角分别为148°和150°。

不同喷孔夹角的全负荷性能曲线见图4.1。在所有转速范围内，S1、S2两种方案的喷油器相对应的全负荷性能基本相同。表4.1为分别采用S1、S2喷油器时，柴油机13工况加权比排放计算结果。

表3.1为分别采用J1、J2喷油器时，柴油机13工况加权比排放计算结果。

5 油嘴凸出量对柴油机性能与排放的影响

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为了进一步优化燃烧系统，提高发动机各项性能，本节主要进行了油嘴凸出量对柴油机性能影响的实验研究。设计了2.0mm，1.5mm和1.0mm三种喷油器垫片，各自对应的油嘴凸出量分别为1.5mm，2.0mm和2.5mm，在全负荷工况下测试了配有不同油嘴凸出量的发动机的性能，并经ESC测试循环，对排放等进行了考核。

图5.2是全负荷时的油耗率曲线。在低转速区，油嘴凸出量为2.0mm对应的比油耗比其它两个油嘴凸出量对应的比油耗高，在高转速区和额定点时，同样如此。

油嘴凸出量是指喷油器的的喷油嘴超出气缸盖，进入燃烧室的深度，一般通过调整喷油器和缸盖上安装孔间垫片的厚度来调节。油嘴凸出量影响燃油的落点位置及其与空气的混合状况，是缸内燃烧好坏的重要影响因素，进而对发动机的性能有着重要意义。

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图5.1是全负荷时的功率曲线，有图可知油嘴凸出量对发动机功率影响不大。油嘴凸出量为2.0mm时，在低转速区，功率略低于1.5mm和2.5mm对应的功率。同时，在额定转速点，其功率也低于另外两种油嘴凸出量的功率，差值约为2kW，但已达到发动机功率要求。

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图5.4是全负荷时,不同油嘴凸出量对应的NO

排放值。在中高转速区，油嘴凸出量为2.0mm对应的NO

排放值稍高，其他两个油嘴凸出量对应的NO

排放值基本相同。除了研究不同油嘴凸出量对全负荷发动机性能的影响，本节还通过ESC测试循环，分析了油嘴凸出量与排放的关系。试验时，发动机采用EGR+DOC+POC的技术路线，在其他条件相同的情况下，比较不同油嘴凸出量时的排放情况。表5.1是13工况加权比排放计算结果。

从表中可以看出，油嘴凸出量不同时，NO

，HC，CO，soot的排放水平大致相当。油嘴凸出量为2.0mm时，柴油机颗粒排放有所降低。

可能因为油嘴伸入气缸内过深，油束会直接喷射到燃烧室底部，底部沉积燃油的蒸发速率小于雾化油滴的蒸发速率，蒸发后难以完全燃烧；而油嘴凸出量过小时，油嘴头部距离活塞顶部和燃烧室较远，油束在压缩空气冲击下上扬，影响其在空气中的合理分布，不能充分喷入压缩空气中，导致形成的混合气质量差。综上所述，油嘴凸出量过大或过小都会使得颗粒排放增加。兼顾发动机性能和排放要求，本次优化设计方案油嘴凸出量拟定位2.0mm。