噴嘴參數(shù)對柴油機噴油規(guī)律與性能的影響

李華瑩，劉建敏，郭猛超

（裝甲兵工程學(xué)院 機械工程系，北京 100072）

我國高原面積相當廣闊，大量柴油動力機械都運行在這些區(qū)域.當海拔高度從海平面上升到4 000m時，大氣壓力從101.3kPa降到61.6kPa，空氣密度從1.22kg·m－3下降到0.82kg·m－3，空氣中氧的體積質(zhì)量從0.25kg·m－3下降到0.17kg·m－3，年平均空氣溫度在5℃以下［1－2］.由此對柴油機缸內(nèi)工作過程和性能帶來的影響主要有：氣缸內(nèi)進氣量減少，氣缸內(nèi)的進氣終點壓力低于設(shè)計標準，致使壓縮終點壓力達不到應(yīng)有的水平；過量空氣系數(shù)下降，可燃混合氣過濃，著火延遲期變長，燃燒過程拖后，后燃現(xiàn)象嚴重；由于循環(huán)供油量基本保持不變，使得缸內(nèi)一部分燃料由于缺氧而不能完全燃燒做功.因而使得柴油機熱負荷增大，動力性、經(jīng)濟性和排放變差，甚至柴油機的可靠性和壽命都會受到影響.可見對高原在用柴油機進行性能改進非常重要.

當前，針對發(fā)動機高原性能改進的方法主要有增加柴油機進氣量和優(yōu)化缸內(nèi)噴霧燃燒等［3－6］.由于研究對象為一臺緊湊型大功率發(fā)動機，動力艙沒有空間對增壓器進行改造或加裝中冷器，因此筆者提出通過對噴嘴參數(shù)的改進，進而優(yōu)化噴霧和燃燒，最終實現(xiàn)對高原運行柴油機性能的改善.

1 柴油機工作過程模型及驗證

采用模塊化建模的方法，將進氣總管、進氣支管、進排氣門、噴油嘴、氣缸與曲軸箱、排氣支管、排氣總管、壓氣機和渦輪等模塊集成為柴油機整體模型.考慮工程實際需求，在計算進排氣管內(nèi)的流動與傳熱時，用一維流動計算代替實際的三維流動計算.在進行缸內(nèi)噴霧和燃燒計算時，使用廣安博之（Hiroyasu）模型，該模型假定燃料直接以油滴形式射入燃燒室，認為燃燒速率主要由油滴蒸發(fā)速率控制，對噴霧錐角、貫穿度和油滴破裂滯后期的計算都考慮了壓差的影響，因此一定程度上可反映不同海拔的影響.缸內(nèi)傳熱計算采用沃希尼（Woschni）公式.由于廣安模型對缸內(nèi)碳煙（Soot）濃度峰值的預(yù)測不夠準確［7－8］，筆者采用Nagle-Strickland-Constable（NSC）碳煙氧化模型預(yù)測碳煙排放量；NOx排放的模擬，在假定缸內(nèi)N和O反應(yīng)處于局部平衡的情況下，利用擴展的Zeldovich公式計算.該型柴油機為V型，水冷四沖程，直噴；增壓方式為廢氣渦輪增壓；缸數(shù)為12缸，缸徑為150mm；壓縮比為13～14；排量為38.8L；噴孔數(shù)為8個，噴孔直徑為0.35mm.使用的噴油器為帶縫隙濾的多孔長針閥密封式結(jié)構(gòu).

為了驗證模型的正確性，在環(huán)境氣壓為101.3kPa，環(huán)境溫度為29℃時進行了發(fā)動機臺架試驗.試驗工況為額定功率點.測試儀器為奧地利李斯特公司（AVL）的數(shù)據(jù)采集及燃燒分析儀器.圖1為缸內(nèi)壓力曲線計算與實測對比圖，模型的精度滿足工程要求.在此基礎(chǔ)上，計算出海拔4 000m時的缸內(nèi)壓力與平均溫度，作為噴射系統(tǒng)建模的缸內(nèi)邊界條件.

圖1 缸內(nèi)壓力對比曲線Fig.1 Contrast curve of cylinder pressure between experiment and simulation

2 噴嘴參數(shù)對柴油機噴油規(guī)律的影響

采用GT-FUEL建立柴油機噴射系統(tǒng)模型.模型以燃料的一維非穩(wěn)態(tài)可壓縮流理論、燃油噴射系統(tǒng)各機械組件的動力學(xué)和結(jié)構(gòu)傳熱理論為基礎(chǔ).

固定循環(huán)噴油量為186mg，啟噴壓力為20.6MPa，其他噴射參數(shù)不變，就噴孔數(shù)N、噴孔直徑dc、噴孔夾角β、流量系數(shù)μ對柴油機噴油規(guī)律的影響進行了變參數(shù)研究，如圖2—圖5所示.

很明顯，對于相同的循環(huán)噴油量，噴孔總面積越大，噴油速率就越快，同時噴油持續(xù)期就會縮短.亦可以看出，噴孔數(shù)和噴孔直徑對噴油規(guī)律影響最為敏感，噴孔流量系數(shù)對噴油規(guī)律影響明顯，噴孔夾角對噴油規(guī)律影響微弱.就噴孔數(shù)和噴孔直徑的影響而言，在噴油初始時，由于針閥開啟量小，這時座面處的通流截面小于各噴孔通流面積之和，座面處節(jié)流是影響噴油量的主要因素，因此在其他參數(shù)都一致情況下，不同噴油器的噴油速率曲線基本重合.隨著針閥的開啟量增大，噴孔節(jié)流成為影響噴油率的主要因素，噴孔面積大的噴油速率則大［9］.噴孔面積過小導(dǎo)致噴油壓力過高和高壓油路中殘液余力過高，易產(chǎn)生不正常噴射，如二次噴射等.噴孔面積過大易導(dǎo)致燃油霧化質(zhì)量變差，也易導(dǎo)致不正常噴射.可見孔徑、孔數(shù)以及噴射系統(tǒng)各參數(shù)的優(yōu)化匹配對于改進缸內(nèi)噴霧和燃燒至關(guān)重要.在噴油器的加工過程，若采用液體擠壓研磨工藝，去除毛刺，并使噴孔和壓力室交界處產(chǎn)生一定的圓角，使流量系數(shù)提高到0.70～0.85，可提高柴油的流動速度.

以該柴油機高原功率需求為目標參數(shù)，柴油機每循環(huán)噴入氣缸的油量Q和噴孔面積fc為

式中：Be為比油耗，g·kW－1·h－1；P為柴油機輸出功率，kW；i為汽缸數(shù)；n為柴油機轉(zhuǎn)速，r·min－1；ρ為燃油密度，g·cm－3；Z為沖程系數(shù)，四沖程取0.5.

利用式（1）與式（2）得出該柴油機噴嘴的噴孔面積應(yīng)在0.25～0.50mm2取值.為了詳細研究噴孔直徑和噴孔數(shù)對柴油機性能的影響，結(jié)合以上單因素變化的仿真分析，筆者設(shè)計了9種噴嘴方案，噴孔夾角為140°，噴孔流量系數(shù)取0.7.具體如表1所示.

3 噴嘴參數(shù)對柴油機燃燒特性的影響

圖6是發(fā)動機額定功率點時不同噴油嘴對柴油機缸內(nèi)燃燒特性的影響.

表1 噴孔基本參數(shù)Tab.1 Parameters of spray holes

圖6 不同噴油器柴油機燃燒特性Fig.6 Combustion characteristics of diesel with different injector

從圖6中可以看出，當噴孔面積從0.769mm2降低到0.344mm2：放熱速度變快，放熱重心前移近8°；瞬時放熱率峰值最大上升35%；說明噴孔面積?。ㄒ欢ǚ秶鷥?nèi)）對于燃油霧化有利，易于快速燃燒.使用大噴孔面積的噴油器，在混合氣燃燒前階段的放熱率低于小噴孔面積噴油器，而中后期則高出小噴孔噴油器，，這也說明了噴孔直徑較大，則在燃燒的初始階段，燃油液滴直徑較大，霧化質(zhì)量較差，燃燒速度較遲緩，而后隨著缸內(nèi)氣體溫度和壓力的升高開始快速燃燒.同時發(fā)現(xiàn)，當dc＝0.25mm，噴孔面積在0.35～0.50mm2時，其放熱率峰值基本相當，放熱率曲線比較接近.說明固定供油量，燃燒室型式和其他噴油參數(shù)不變的情況下，噴孔面積存在一個有利于噴霧和燃燒的區(qū)間.缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力pmax增大12%，噴孔直徑越小，噴霧的液滴直徑就越小，霧化質(zhì)量就越好，利于形成良好的燃燒，但是過小的噴孔直徑會使得噴射壓力過高，如果油束過細，會使得同時著火燃燒的燃油增多，壓力迅速升高.本例中，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力可達到8.7MPa，仍在柴油機機械負荷的控制參數(shù)范圍之內(nèi).從各方案的缸內(nèi)平均溫度計算結(jié)果來看，噴孔面積變小，可使燃燒始點提前，缸內(nèi)溫度峰值上升近200℃.當dc＝0.25mm，噴孔數(shù)為7，8，10時，柴油機功率比較接近，但是7孔缸內(nèi)溫度比10孔缸內(nèi)溫度高近乎100℃，加劇了高原柴油機的熱負荷.

4 噴嘴參數(shù)對柴油機性能的影響

圖7給出了噴嘴參數(shù)對在海拔4 000m時運行柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放的影響.由前面的分析，在循環(huán)供油量不變的情況下，噴孔面積越?。ㄔ谝欢ǚ秶鷥?nèi)），相當于噴油壓力增大，噴油速率加快，這樣就提高了單位燃油的噴射能量，使得噴霧更加細化，油束的貫穿速度更快，由此使柴油機的油氣混合更加均勻.噴射壓力的提高縮短了著火滯燃期，弱化了高原影響，這是因為滯燃期隨壓力升高而減短，由于壓力增加后混合氣密度增加，分子運動平均自由行程減短，反應(yīng)物分子間碰撞機率增加，從而使焰前反應(yīng)速度加快，化學(xué)延遲縮短；混合氣密度增加后，又使得傳熱過程加強，縮短了傳熱和汽化時間，物理延遲亦縮短.同時也加速了擴散燃燒期內(nèi)的油氣混合，使擴散燃燒速度明顯提高.隨著噴孔面積減小，缸內(nèi)油束貫穿距離下降，油滴破碎時間縮短，燃油蒸發(fā)霧化速度加快，空氣利用率提高，燃油碰壁現(xiàn)象減弱，索特（SMD）直徑減小，高原的噴霧和燃燒得以改善，進而使性能有所改進.減小噴孔直徑能提高燃油噴射壓力，縮短油束射程，燃油霧化更好；噴孔數(shù)目N的增加則使噴霧的分布空間更廣，混合更均勻［10］.但數(shù)據(jù)表明，單獨增加噴孔數(shù)目，并不能改善柴油機性能.由圖7a，b，c可知，當dc從0.35mm降低到0.25mm，噴孔面積在0.35～0.50mm2時，與使用原機噴嘴相比，功率最大恢復(fù)8.5%；油耗下降8.8%以上，排氣溫度下降35℃以上.由圖7d可知，由于缸內(nèi)溫度顯著升高，因此NOx排放最大增加近40%；根據(jù)NOx和Soot排放的折衷效應(yīng)，同時考慮到Soot氧活化作用明顯，Soot排放最大下降35%.噴孔數(shù)N過多易造成油束的干涉現(xiàn)象，重疊區(qū)域的燃油濃度高，因缺乏足夠的空氣可能會導(dǎo)致燃油裂解形成碳煙.圖7e中方案8的Soot排放最為嚴重.從圖7中可以看出，單獨通過噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，并不能使柴油機各性能同時達到最優(yōu).

圖7 噴油器參數(shù)對柴油機性能的影響Fig.7 Performance of diesel with diffierent injector parameters

以海拔4 000m柴油機動力性為目標區(qū)間，得出噴嘴參數(shù)變化后，柴油機相對于平原運行時的功率變化率與噴孔面積的關(guān)系，如圖8及式（3）所示.

當噴孔面積小于0.27或大于0.65時，柴油機性能明顯出現(xiàn)拐點.在0.27～0.65mm2之間時，柴油機功率變化率X（%）和噴孔面積fc（mm2）近似滿足：

可見，在海拔4 000m時，在循環(huán)供油量和其他噴油參數(shù)不變的條件下，將原噴嘴噴孔的直徑減小至0.25mm，噴孔面積減小至原來的25%～60%（如：N＝10，dc＝0.25mm的噴嘴）可使柴油機動力性、經(jīng)濟性明顯改善.

圖8 海拔4 000m環(huán)境下，功率變化和噴孔面積的關(guān)系Fig.8 Relationship of power variation and spray hole area

5 結(jié)論

（1）以廣安博之噴霧、燃燒模型和一維非定?？蓧嚎s理論為基礎(chǔ)，建立高原環(huán)境柴油機缸內(nèi)燃燒與噴射系統(tǒng)耦合模型，可研究噴射系統(tǒng)參數(shù)在高原環(huán)境下對柴油機性能的影響規(guī)律，試驗表明模型具有一定精度.

（2）變參數(shù)研究表明，噴孔數(shù)和噴孔直徑對噴油規(guī)律影響最為敏感，噴孔流量系數(shù)對噴油規(guī)律影響明顯，噴孔夾角對噴油規(guī)律基本沒有影響.噴油質(zhì)量流量（速率）分別隨噴孔數(shù)目、噴孔直徑增大而迅速增加，但是當不同噴孔數(shù)和噴孔直徑匹配后，柴油機噴油規(guī)律和性能隨噴孔面積變化明顯，研究表明，在海拔4 000m時，該噴嘴噴孔面積在0.30～0.60mm2之間為宜.

（3）在海拔4 000m時，通過噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進，可使柴油機缸內(nèi)放熱重心前移近8°；瞬時放熱率峰值上升近35%；缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力pmax增大12%；動力性和經(jīng)濟性提升8%以上.

（4）單獨增大噴孔數(shù)對高原運行柴油機性能影響微小；單獨縮小噴孔直徑可以改進性能.綜合熱負荷與動力性，在海拔4 000m時，可選擇N＝10，dc＝0.25mm的噴嘴.若在某些海拔高度，熱負荷仍不能滿足控制參數(shù)要求，可通過調(diào)整供油提前角和最大循環(huán)供油量的方式解決.

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