噴油器特性參數(shù)對YC4F50柴油機排放特性的影響

鐘玉潔，曾東建，韓偉強,2*

(1.西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039;2.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

由于柴油機熱效率高、經(jīng)濟性好，因此被廣泛地應用于國民經(jīng)濟的各個領域，成為當今社會應用最為廣泛的一種熱力機械。然而，傳統(tǒng)柴油機在燃燒過程中會生成大量的顆粒物與NO[1]x，如果減小滯燃期，則油束中存在過濃區(qū)，碳煙形成速率高。雖然循環(huán)后期多數(shù)碳煙被氧化，但仍有大量碳煙未被氧化，導致較高的顆粒物排放[2]。如果增大滯燃期，不僅導致形成較多的預混可燃混合氣,使得燃燒初期燃燒速度由較快的化學反應速度控制，缸內溫度與壓力迅速上升，發(fā)動機工作粗暴，還導致較多的NOx生成。燃燒過程在很大程度上取決于燃油的噴射參數(shù)，合理選擇噴油器的特性參數(shù)。改變噴霧以及可燃混合氣的形成，可改善燃燒過程，從而改善柴油機的排放[3-9]。

本文主要研究噴油器特性參數(shù)對非道路用小型柴油機排放的影響。筆者利用8工況法(EPA)[10]，通過對比噴油器不同噴孔直徑、噴孔數(shù)目、噴孔錐角、油線落點高度均勻性等參數(shù)對玉柴YC4F50自然吸氣式柴油機排放特性結果的影響規(guī)律，得到了噴油器特性參數(shù)的最佳組合，使燃油與空氣更好地混合，減小了混合氣過濃區(qū)和過稀區(qū)域，從而減少了污染物的形成，實現(xiàn)了噴油器與柴油機的匹配。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗用發(fā)動機

試驗是在玉柴YC4F50自然吸氣式柴油機上進行的，其主要參數(shù)見表1。

表1 柴油機主要參數(shù)

1.2 儀器設備

排放儀使用AVL公司生產(chǎn)的Digas4000light五氣體排放分析儀，測功機為電渦流測功機，該測功機具有恒轉速、恒扭矩及定轉速扭矩比值的控制功能。燃油流量計采用FCM-D油耗測量儀。柴油機與儀器設備的具體連接原理如圖1所示。

1.3 試驗方法

試驗用噴油器選用無壓力室油嘴的噴油器。噴油器的偏轉角度為13°，安裝旋轉角度為45°。試驗按美國EPA排放法規(guī)規(guī)定的非道路用途發(fā)動機8工況測試方法進行，試驗工況及加權系數(shù)見表2。

圖1 發(fā)動機試驗臺架連接原理

工況號12345678轉速額定轉速中間轉速怠速扭矩/%10075501010075500加權系數(shù)0.150.150.150.10.10.10.10.15

八工況用加權比排放量評價柴油機的排放水平，計算方法為

(1)

式中：X為某種有害物質的加權比排放量，g/kW·h；Xmass為該種有害物質的加權比排放量，g/h；WF為加權系數(shù)；i為工況序號；Pei為有效功率，kW。

通過試驗研究，本文討論了噴油器的油嘴孔徑、孔數(shù)、噴油傘狀錐角對試驗用柴油機排放特性的影響。噴油器油嘴的孔徑和孔數(shù)組合方案分別為6×0.15(孔數(shù)為6，噴孔直徑為0.15 mm)、 6×0.17和5×0.17、5×0.19，傘狀錐角分別為150°和155°。試驗時，同時測量了2種錐角下，6孔與5孔的噴油器油線落點距離活塞頂面的距離隨曲軸轉角的變化規(guī)律(油嘴噴孔中心到缸蓋底面距離固定為2.5 mm)。

2 實驗結果與分析

2.1 油線落點高度分析

油線落點高度值接近，沿燃燒室周向等弧長均勻分布時，燃油與空氣能夠更好地混合，從而減少缸內過濃區(qū)域和過稀區(qū)域，使燃燒充分并減少污染物的形成。

油線落點高度的標準差δ可以用來表征沿燃燒室周向等弧長均勻分布的程度，標準差的計算公式如下：

(2)

圖2、圖3分別為6孔與5孔噴油器在不同噴霧傘狀錐角下油線落點高度標準方差隨曲軸轉角的變化規(guī)律。標準方差的值越小，則表示油線沿燃燒室周向等弧長均勻分布的程度越高，理論上對柴油機的排放越有利。

圖2 6孔噴嘴不同噴霧錐角下油線落點高度標準方差隨曲軸轉角的變化規(guī)律

圖3 5孔噴嘴不同噴霧錐角下油線落點高度標準方差隨曲軸轉角的變化規(guī)律

由圖2可以看出,6孔噴嘴在固定傘狀噴霧錐角下，標準方差隨曲軸轉角的增加而增大；在固定的曲軸轉角下，傘狀噴霧錐角155°的落點標準方差小于150°的落點標準方差，即δ155<δ150，這說明6孔噴嘴傘狀噴霧錐角為155°時，油線沿燃燒室周向等弧長均勻分布程度較好。由圖3可以看出，5孔噴嘴與6孔噴嘴有著相似的規(guī)律，傘狀噴霧錐角為155°時，油線沿燃燒室周向等弧長均勻分布程度較好。

2.2 5孔、6孔噴嘴2種錐角8工況排放對比

5孔噴嘴與6孔噴嘴分別在155°和150°傘狀噴霧錐角下柴油機8工況排放對比規(guī)律如圖4、圖5所示。為了對比方便，將不同的排放物數(shù)值在同一圖中表示出來，柱狀圖上方的數(shù)字為實際排放物數(shù)值縮小的倍數(shù)，如PM的真實值為坐標值乘以10-1。噴孔直徑均為0.17 mm，從圖中可以看出5孔噴嘴與6孔噴嘴均在155°傘狀噴霧錐角下具有較好的排放，且油耗較低。與圖2、圖3中油線落點高度標準方差的分析一致，說明油線沿燃燒室周向等弧長均勻分布程度越好，對柴油機的排放與經(jīng)濟性越有利。

圖4 5孔噴嘴2種錐角8工況排放對比圖

圖5 6孔噴嘴2種錐角8工況排放對比圖

2.3 5孔噴嘴2種孔徑8工況排放對比

5孔噴嘴不同孔徑的八工況排放對比如圖6所示。從圖中可以看出，在孔數(shù)與噴油傘狀噴霧錐角相同的情況下，增大噴孔孔徑會使微粒(PM)、未燃碳氫(HC)與一氧化碳(CO)的排放均有所下降，而比油耗(be)與氮氧化物(NOx)有所上升。分析原因為適當增大孔徑可增加噴嘴的最大射程，從而增加了氣相狀態(tài)下的混合，減少了混合氣的過濃區(qū)。混合氣混合均勻，會使PM、HC、CO排放值降低。而燃燒效率提高，一般會增大缸內平均溫度，從而使NOx排放值升高。循環(huán)噴油量絕對值的增大則可能是由于在相同的噴射壓力下，大孔徑噴油嘴的噴油量會增加導致的。

圖6 5孔噴嘴2種孔徑8工況排放對比圖

2.4 6孔噴嘴2種孔徑八工況排放對比

6孔噴嘴不同孔徑的8工況排放對比如圖7所示。從圖中可以看出，在孔數(shù)與噴油傘狀噴霧錐角相同的情況下，增大噴孔孔徑會使微粒(PM)、未燃碳氫(HC)與一氧化碳(CO)的排放均有所下降，氮氧化物(NOx)有所上升，其原因與5孔噴嘴基本相同，而比油耗(be)基本不變。這可能是由于增大噴嘴孔徑后熱效率增加與循環(huán)噴油量絕對值的增大效果相互抵消所致。

圖7 6孔噴嘴2種孔徑8工況排放對比

2.5 孔數(shù)對8工況排放的影響

噴嘴孔數(shù)不同時8工況排放的規(guī)律如圖8所示。圖中2種噴嘴孔徑與傘狀噴霧錐角均相同。從圖中可以看出，6孔噴嘴較之5孔噴嘴有著較低的PM、HC、CO排放，NOx有所上升，比油耗基本不變。分析原因為在155°的傘狀噴霧錐角下，6孔噴嘴的油線落點標準差較5孔噴嘴的小，油束空間分布均勻性好，且油束由5束增加為6束后，使柴油機在滯燃期內形成的預混可燃混合氣增加，從而降低了PM、HC、CO排放，并同時可以增加定容燃燒部分，提高了發(fā)動機的熱效率，從而使6孔噴嘴與5孔噴嘴的比油耗基本相同。

圖8 孔數(shù)對8工況排放的影響

2.6 6×0.17、5×0.19噴嘴8工況排放對比

通過上述分析，得出6×0.17-155°與5×0.19-155°噴嘴的排放與經(jīng)濟性都較其他噴嘴的好，因此確定在這2種噴嘴中選出匹配玉柴YC4F50自然吸氣式柴油機的噴嘴。從圖9中可以看出，2種噴嘴的排放物均未超出排放法規(guī)的標準值。而6孔噴嘴除了HC+NOx的排放高于5孔噴嘴外，其他排放指標均比5孔噴嘴好，且6孔噴嘴的油耗較低，因此最終確定使用6×0.17-155°噴嘴匹配該柴油機。

圖9 8工況排放對比

3 結論

1)油線落點高度標準方差的值越小，則表示油線沿燃燒室周向等弧長均勻分布的程度越高，對YC4F50柴油機的排放越有利。

2)5孔、6孔噴嘴的傘狀噴霧錐角在155°時的油線落點高度標準方差比在150°時的小，因此無論是5孔還是6孔噴嘴在傘狀噴霧錐角155°時有更好的排放性與經(jīng)濟性。

3)試驗最終選擇6×0.17-155°噴嘴匹配柴油機，滿足了8工況(EPA)排放法規(guī)的要求，且經(jīng)濟性較好。

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