250 MPa噴油壓力對(duì)輕型柴油機(jī)噴油器幾何結(jié)構(gòu)的影響

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0 前言

柴油機(jī)因其稀薄燃燒特性和較高的壓縮比而具有高熱效率和高扭矩，但同時(shí)會(huì)排放出大量氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)。在嚴(yán)格的排放法規(guī)限制下，要求柴油機(jī)必須大量減少NOx和PM排放。柴油機(jī)的噴油裝置(FIE)對(duì)其燃油噴霧形成、空-燃混合、燃燒和排放至關(guān)重要。噴油器特性和噴油壓力是噴油裝置的主要影響因素，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以降低柴油機(jī)的燃油耗和排放。

隨著噴油裝置的改進(jìn)，柴油機(jī)的噴油壓力已經(jīng)得到了提高。開發(fā)的噴油裝置可使重型和輕型柴油機(jī)的噴油壓力分別達(dá)到300 MPa和250 MPa[1-2]。隨著噴油壓力的不斷提高，以及制造商不斷開發(fā)新技術(shù)，噴孔直徑可縮小至100 μm。對(duì)具有高噴油壓力的重型柴油機(jī)已有了大量研究[3-5]。為改善柴油噴霧的形成和燃燒，以減少柴油機(jī)的NOx和PM排放，已經(jīng)針對(duì)噴油器噴孔特性開展了幾項(xiàng)研究[4-6]。采用更小噴孔和更高噴油壓力的噴油器具有更高的霧化和氣化水平，有利于形成均勻的空-燃混合物，從而減少PM排放[6-7]。前期的一些研究顯示，增加噴孔數(shù)會(huì)對(duì)高負(fù)荷工況下的NOx-PM折中關(guān)系產(chǎn)生不利影響，但是能改善兩者在低負(fù)荷工況下的折中關(guān)系[8-9]。另外，增加噴孔數(shù)和減小噴孔直徑會(huì)減小噴霧貫穿距，從而惡化重型柴油機(jī)的燃油效率[10]。此外，采用具有更多噴孔數(shù)的噴油器在相鄰噴嘴之間出現(xiàn)噴霧重疊的可能性更高，從而導(dǎo)致PM排放增多。

對(duì)噴油器噴孔數(shù)的前期研究主要集中在大型船用發(fā)動(dòng)機(jī)范圍，該用途噴油器采用的噴孔直徑較大，約為0.2 mm，噴油壓力低于160 MPa[8-10]。對(duì)具有高噴油壓力的輕型發(fā)動(dòng)機(jī)研究則相對(duì)較少。尤其是噴油器噴嘴幾何結(jié)構(gòu)對(duì)具有高噴油壓力(250 MPa)和微噴孔(直徑100 μm)輕型柴油機(jī)影響因素的研究更為稀少。因此，該研究評(píng)價(jià)了具有250 MPa噴油壓力的輕型柴油機(jī)噴孔數(shù)和噴孔直徑等噴嘴幾何結(jié)構(gòu)的影響。

研究目的是評(píng)估2種情況下的噴孔數(shù)影響。選用的3種噴油器具有相同的液壓流量(HFR)，其中2種噴油器具有相同的噴孔直徑。采用不同噴孔數(shù)和噴孔直徑組合(8孔-105 μm，9孔-100 μm，10孔-95 μm)的3種噴油器具有相同的液壓流量。為了進(jìn)一步全面了解噴孔數(shù)和噴孔直徑的影響，對(duì)8孔-95 μm和10孔-95 μm這兩種噴油器噴嘴進(jìn)行了評(píng)估。此外，還為車用發(fā)動(dòng)機(jī)的噴孔數(shù)和噴孔直徑優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)裝置

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)采用的是由商用1.6 L 4缸柴油機(jī)改造的1臺(tái)0.4 L單缸壓燃式柴油機(jī)。試驗(yàn)采用的燃料是傳統(tǒng)柴油。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖和詳細(xì)參數(shù)分別見圖1和表1。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)1臺(tái)直流測(cè)功機(jī)維持。

圖1 單缸0.4 L柴油機(jī)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

表1 單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)

通過(guò)安裝在預(yù)熱塞位置的壓電式壓力傳感器(Kistler 6056A型)對(duì)缸內(nèi)壓力每隔0.2°CA測(cè)量1次。利用電荷放大器(Kistler 5011型)對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。根據(jù)每100個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)平均得到的缸內(nèi)壓力曲線獲得放熱率。利用排氣分析儀(Horiba MEXA-1500D型)測(cè)量氣態(tài)NOx排放。PM排放通過(guò)煙度計(jì)(AVL 415S型)進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果以濾紙煙度值FSN的形式顯示。EGR系統(tǒng)由位于進(jìn)氣和排氣歧管之間的EGR閥控制。

為了實(shí)現(xiàn)高壓燃油噴射，安裝了可將燃油加壓至250 MPa的噴油裝置。采用的商用柴油機(jī)高壓泵由1個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。噴油壓力由1個(gè)共軌控制閥驅(qū)動(dòng)器控制。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和噴油驅(qū)動(dòng)器控制噴油循環(huán)、噴油脈寬和噴油器電流。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器能夠基于上止點(diǎn)(TDC)設(shè)定最小單位為1°CA的噴油正時(shí)。油箱的溫度控制在313 K。

4種電磁閥式噴油器的具體參數(shù)見表2。試驗(yàn)中采用的噴油器是輕型柴油機(jī)實(shí)際采用噴油器的變體。這些電磁閥式噴油器具有相同的電磁閥系統(tǒng)和噴油器結(jié)構(gòu)。4種噴油器在80～250 MPa壓力下的噴油延遲為395 μm，誤差6 μm。4種噴油器分成2組，其中8孔、9孔和10孔噴油器在10 MPa下具有相同的液壓流量(560 mL/min)；8孔和10孔噴油器具有相同的噴孔直徑為95 μm。噴孔直徑為95 μm的8孔噴油器10 MPa的液壓流量為460 mL/min。除噴孔數(shù)、噴孔直徑和液壓流量外，噴油器的其他特性均相同。

表2 噴油器的具體參數(shù)

噴油器的液壓流量定義為10 MPa噴油壓力下每分鐘的燃油體積。這代表了噴油器噴嘴的燃油流動(dòng)特性。液壓流量之間的比較可以看作是相同噴油壓力條件下噴油速率的比較。與具有小液壓流量的噴油器相比，具有大液壓流量的噴油器噴射同等量燃油所需的時(shí)間短。因此，在10 MPa下，具有相同液壓流量(560 mL/min)的3種噴油器要噴射相同量的燃油所需的噴油持續(xù)期相同。要噴射相同量的燃油，在10 MPa下液壓流量為460 L/min的8孔噴油器則需要更大的噴油脈寬。

1.2 試驗(yàn)條件

表3所示為發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)條件。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定為1 800 r/min。每種噴油器采用3種噴油壓力，分別為80 MPa、160 MPa和250 MPa。該發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷條件下的每循環(huán)噴油量為15 mg。對(duì)于15 mg的噴油量，通過(guò)帶有溫控的噴油量測(cè)量系統(tǒng)在大氣壓力條件下測(cè)得每個(gè)噴油器的噴油脈寬。由于氣缸壓力的原因，會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生由壓力引起的噴油量誤差。如果采用的壓力相對(duì)較高，產(chǎn)生的誤差就會(huì)較小。由于3種噴油器采用的是相同噴油器系統(tǒng)，因此，各噴油器之間的噴油量誤差要小很多。

表3 研究噴孔數(shù)影響所采用的試驗(yàn)條件

比較氣缸壓力和放熱率所采用的噴油正時(shí)(電磁閥噴油始點(diǎn))為上止點(diǎn)前8°CA。通過(guò)以2°CA時(shí)間間隔改變噴油正時(shí)，測(cè)量缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，然后計(jì)算包括泵氣功和每噴油正時(shí)(50°CA)的指示平均有效壓力(IMEP)。廢氣排放試驗(yàn)噴油正時(shí)的設(shè)定條件是在不采用EGR的工況下，出現(xiàn)在上止點(diǎn)后5°CA。具有相同液壓流量的3種噴油器在80 MPa、160 MPa和250 MPa噴油壓力下的固定噴油正時(shí)分別為上止點(diǎn)前11°CA、8°CA和7°CA。噴孔直徑為95 μm的8孔噴油器在80 MPa、160 MPa和250 MPa噴油壓力下的噴油正時(shí)分別為上止點(diǎn)前12°CA、9°CA和7°CA。

總EGR率定義見式1。EGR率持續(xù)增加直至CO排放超過(guò)1%?？侲GR率的應(yīng)用范圍為0%～33%。

(1)

式中，[CO2]進(jìn)氣、[CO2]排氣和[CO2]大氣分別代表進(jìn)氣、排氣和大氣中的CO2濃度。

滲瀝液產(chǎn)生量受地表降水、地下水以及垃圾自身降解特性的影響，地表水對(duì)滲瀝液產(chǎn)生量的影響可以通過(guò)雨污分流措施加以控制，而地下水的影響則可以通過(guò)防滲襯墊系統(tǒng)加以隔離，但在沒(méi)有防滲處理措施的填埋場(chǎng)中，地下水和滲瀝液的影響是相互作用的。對(duì)簡(jiǎn)易垃圾場(chǎng)的滲瀝液遷移問(wèn)題，必須首先掌握?qǐng)鰠^(qū)地下水滲流場(chǎng)分布情況，其次分析滲瀝液的擴(kuò)散路徑與范圍，最終確定柔性垂直防滲墻的合理阻隔位置［3］。

2 結(jié)果與討論

2.1 相同液壓流量條件下噴孔數(shù)的影響

首先，通過(guò)比較具有相同液壓流量的3種噴油器檢驗(yàn)了噴油器噴孔數(shù)和噴孔直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的綜合影響。圖2所示為各種噴油壓力下3種噴油器的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線。壓力數(shù)據(jù)采用的是總體平均值，估算得出循環(huán)變動(dòng)的IMEP和變動(dòng)系數(shù)(COV)在每種條件下均低于3%。當(dāng)噴油壓力升高時(shí)，IMEP變動(dòng)系數(shù)減小。3種噴油器的缸內(nèi)壓力軌跡具有相似的曲線，具有較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑的噴油器的缸內(nèi)壓力略高。對(duì)于每一種噴油壓力，3種噴油器具有類似的最高放熱率。盡管如此，具有較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑的噴油器燃燒相位提前。噴孔直徑較小會(huì)加速燃油霧化和汽化，導(dǎo)致早燃。但是著火之后，由于液壓流量相同導(dǎo)致噴油速率相同，因此各噴油器的放熱率最大值類似。

圖2 缸內(nèi)壓力和放熱率計(jì)算結(jié)果(噴孔數(shù)和噴孔直徑分別為8孔-105 μm、9孔-100 μm、10孔-95 μm；噴油壓力分別為80 MPa、160 MPa和250 MPa；EGR率=0%)

圖3示出了3種噴油器的點(diǎn)火延遲和燃燒持續(xù)期。試驗(yàn)結(jié)果是根據(jù)對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行總體平均計(jì)算得到的。點(diǎn)火延遲被定義為10%已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)(MFB 10)條件下距電磁閥噴油器噴油始點(diǎn)正時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)。燃燒持續(xù)期或MFB 10～MFB 90表示為達(dá)到10%～90% MFB的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)。根據(jù)放熱率曲線推論可知，具有較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑的噴油器點(diǎn)火延遲更短。圖4所示為160 MPa噴油壓力下3種噴油器的MFB曲線。該圖表明，3種噴油器距MFB 90的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)相似，因?yàn)槊糠N噴油器的點(diǎn)火延遲與燃燒持續(xù)期之和類似。MFB 90的曲軸轉(zhuǎn)角大小主要由噴油壓力決定。

圖3 點(diǎn)火延遲和燃燒持續(xù)期(噴孔數(shù)和噴孔直徑分別為8孔-105 μm、9孔-100 μm、10孔-95 μm；噴油壓力分別為80 MPa、160 MPa和250 MPa；EGR率=0%)

圖4 已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線(噴孔數(shù)和噴孔直徑分別為8孔-105 μm、9孔-100 μm、10孔-95 μm；噴油壓力為160 MPa；EGR率=0%)

圖5示出了在80 MPa、160 MPa和250 MPa噴油壓力，以及EGR率在0%～33%條件范圍下3種噴油器的NOx-PM排放折中關(guān)系。PM排放由煙度計(jì)的濾紙煙度值表示。當(dāng)EGR率增大時(shí)，NOx排放減少，PM排放增多。在80 MPa噴油壓力下，當(dāng)EGR率增至26%以上時(shí)，PM排放開始迅速增加，而NOx排放低于2.5 g/(kW·h)。在160 MPa和250 MPa噴油壓力下，當(dāng)對(duì)應(yīng)的EGR率分別為24%和21%時(shí)，PM排放開始增多，NOx排放分別為3 g/(kW·h)和4 g/(kW·h)。

在噴油壓力為80 MPa和160 MPa時(shí)，通過(guò)采用小噴孔直徑和多噴孔數(shù)噴油器，NOx-PM折中關(guān)系得到改善。在噴油壓力為80 MPa和160 MPa時(shí)，通過(guò)縮小9孔和10孔噴油器的噴孔直徑改善了燃油霧化和汽化，由于液壓流量相同，2種噴油器的噴霧面積類似，導(dǎo)致這兩種噴油器的PM排放低于8孔噴油器。但是，在250 MPa噴油壓力下，3種噴油器的NOx和PM排放基本類似，PM排放極低。在250 MPa噴油壓力下，壓力影響處主導(dǎo)地位，PM排放接近0.003 g/(kW·h)，3種噴油器沒(méi)有太大差異。

圖5 NOx-PM排放折中關(guān)系(噴孔數(shù)和噴孔直徑分別為8孔-105 μm、9孔-100 μm、10孔-95 μm；噴油壓力分別為80 MPa、160 MPa和250 MPa)

圖6所示為在無(wú)EGR和NOx排放為4 g/(kW·h)時(shí)所采用2種EGR率條件下的PM排放結(jié)果。測(cè)量方法將應(yīng)用于采用EGR+選擇性催化還原(SCR)混合技術(shù)的柴油機(jī)在實(shí)際駕駛條件下的PM排放測(cè)量。這種方法針對(duì)涉及NOx和PM排放的應(yīng)用更加高效。3種噴油器需要采用類似的EGR率，誤差控制在1%以內(nèi)。在80 MPa、160 MPa和250 MPa噴油壓力下，NOx排放為4 g/(kW·h)時(shí)的EGR率分別為15%、18%和20%。

圖6 無(wú)EGR條件下的PM排放(a)與NOx排放減少至4 g/kWh時(shí)EGR率條件下的PM排放(b)比較示意圖

在無(wú)EGR條件下，對(duì)于每一種噴油壓力，采用較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑的噴油器PM排放更少。在80 MPa噴油壓力有EGR條件下，較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑有助于改善燃油霧化，從而減少PM排放。在較高噴油壓力下采用EGR，3種噴油器的PM排放基本類似，但PM排放趨勢(shì)與無(wú)EGR條件下不同。在采用EGR條件下，較高噴油壓力起主要作用。噴嘴幾何結(jié)構(gòu)的變化對(duì)PM排放無(wú)明顯影響。在這種條件下，由于較大噴孔直徑導(dǎo)致的噴霧貫穿距離增大也有助于減少PM排放，其PM減少效果與較小噴孔直徑導(dǎo)致燃油霧化改善從而減少PM的效果類似。

圖7所示為3種噴油器NOx排放與指示燃油消耗率(ISFC)的折中關(guān)系。隨EGR率增大，NOx排放減少。ISFC隨溫度下降略有降低，放熱量更少。同時(shí)，由于燃燒延遲導(dǎo)使得燃燒相位優(yōu)化。然而ISFC在高EGR率條件下迅速升高，這是因?yàn)檩^高EGR率的稀釋作用及燃燒相位進(jìn)一步延遲導(dǎo)致燃燒效率惡化。8孔噴油器的ISFC略低于9孔和10孔噴油器。ISFC之間最大能差約為1%。尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作條件下，當(dāng)NOx排放低于4 g/(kW·h)時(shí)，ISFC之間的差異可忽略不計(jì)。因?yàn)?種噴油器具有相同的液壓流量和類似的放熱率曲線，因此，3種噴油器具有類似的NOx-ISFC折中水平。

圖7 NOx排放-ISFC折中關(guān)系

2.2 相同噴孔直徑條件下噴油器噴孔數(shù)的影響

在具有相同噴孔直徑的8孔和10孔噴油器上對(duì)噴孔數(shù)影響進(jìn)行了分析。圖8所示為具有相同噴孔直徑的8孔和10孔噴油器在160 MPa噴油壓力和8°CA BTDC噴油正時(shí)條件下的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線。由于10孔噴油器具有更高的液壓流量和噴油速率，因此，10孔噴油器的缸內(nèi)壓力和放熱率峰值更高。與8孔噴油器相比，10孔噴油器的供油速度更快，因此，其最大放熱率和最高缸內(nèi)壓力數(shù)值更高。

圖8 具有相同噴孔直徑(95 μm)的8孔和10孔噴油器在160 MPa噴油壓力下的缸內(nèi)壓力和放熱率計(jì)算結(jié)果(EGR率=0%)

圖9所示為8孔和10孔噴油器在160 MPa噴油壓力下的MFB曲線。盡管2種噴油器具有相同的噴孔直徑和類似的燃油霧化，但是，8孔噴油器的點(diǎn)火延遲更長(zhǎng)。噴孔數(shù)增多會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火延遲縮短。通過(guò)3種噴油器的比較得出，8孔和10孔噴油器在達(dá)到MFB 90時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角基本相同。

圖9 具有相同噴孔直徑(95 μm)的8孔和10孔噴油器在160 MPa噴油壓力下的已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線(EGR率=0%)

圖10所示為8孔和10孔噴油器在各種EGR率和噴油壓力條件下的NOx-PM排放折中關(guān)系。結(jié)果顯示在3種噴油壓力下，10孔噴油器呈出了更佳的NOx-PM折中關(guān)系。采用相同噴孔直徑的燃油霧化效果類似。如果噴油量相同，較多噴孔數(shù)會(huì)減小單個(gè)噴孔的燃油流量。因此，利用增加噴孔數(shù)使得空燃混合物更加稀薄，從而減少PM排放。在250 MPa噴油壓力下，2種噴油器的PM排放差值變小。在減少PM排放方面，250 MPa噴油壓力起決定性作用。

圖11所示為8孔和10孔噴油器在各種EGR率和噴油壓力條件下的NOx-ISFC折中關(guān)系。在每種噴油壓力下，10孔噴油器的ISFC均低于8孔噴油器，這是因?yàn)?0孔噴油器的液壓流量更大。如圖11示出的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線，10孔噴油器的放熱率更高。由于定容燃燒在薩巴特循環(huán)中的比例增大，從而導(dǎo)致IMEP升高。

圖11 具有相同噴孔直徑(95 μm)的8孔和10孔噴油器在80 MPa、160 MPa和250 MPa噴油壓力下的NOx-ISFC折中關(guān)系

3 總結(jié)

在具有不同噴嘴幾何結(jié)構(gòu)的幾種噴油器上對(duì)噴孔數(shù)和噴孔直徑的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。比較了具有不同噴孔數(shù)和噴孔直徑組合(8孔-105 μm、9孔-100 μm、10孔-95 μm)的3種噴油器。然后，比較了具有相同噴孔直徑(95 μm)的8孔和10孔噴油器。試驗(yàn)是在中、高負(fù)荷和250 MPa噴油壓力條件下在1臺(tái)排量0.4 L的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的。主要試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下：

(1)具有相同液壓流量的噴油器具有類似的最大放熱率，以及相似的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線。具有更多噴孔數(shù)和更小噴孔直徑的噴油器的點(diǎn)火延遲更短。與具有相同噴孔直徑(95 μm)的10孔噴油器相比，8孔噴油器的最大放熱率更低，點(diǎn)火延遲更長(zhǎng)。

(2)在80 MPa和160 MPa噴油壓力下，當(dāng)EGR率由0增大至33%時(shí)，具有較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑的噴油器的NOx-PM排放折中關(guān)系得到改善。但是，在250 MPa噴油壓力下，具有相同液壓流量的3種噴油器具有類似的PM排放水平。在較高EGR率和噴油壓力下，PM排放差值變小。與具有相同噴孔直徑(95 μm)的10孔噴油器相比，8孔噴油器的PM排放更多。

(3)具有相同液壓流量的3種噴油器的ISFC類似。與具有相同噴孔直徑(95 μm)的10孔噴油器相比，8孔噴油器的ISFC更高。

(4)在減少PM排放方面，250 MPa的噴油壓力起決定性作用。

在設(shè)計(jì)噴嘴幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)化噴孔數(shù)和噴孔直徑。在本文的噴孔數(shù)和噴孔直徑范圍內(nèi)，較多噴孔數(shù)、較小噴孔直徑以及較大液壓流量有助于減少排放和提高燃油效率。