CA4DC2-12E3型柴油機噴油器的匹配試驗研究

王啟航，張松濤，侯方，金喆，韓祖豪，吳彩麗

（1．西安康明斯發(fā)動機有限公司，西安710200；2．道依茨一汽大連柴油機有限公司，大連116022）

CA4DC2-12E3型柴油機噴油器的匹配試驗研究

王啟航1，張松濤2，侯方2，金喆2，韓祖豪2，吳彩麗2

（1．西安康明斯發(fā)動機有限公司，西安710200；2．道依茨一汽大連柴油機有限公司，大連116022）

在CA4DC2-12E3型發(fā)動機上，試驗研究噴油嘴凸出量和噴油器流量對柴油機性能及排放指標(biāo)的影響。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的噴油器方案對柴油機的排放和性能指標(biāo)均有明顯的改善。

噴油嘴凸出量噴油器流量性能和排放優(yōu)化

1 前言

噴油過程是柴油機燃燒過程中極為重要的一個組成部分。燃燒過程三要素（油、氣、室）中的“油”既包括燃油本身的物理-化學(xué)性質(zhì)，又包括燃油的噴射過程及其與燃燒室及氣流運動的匹配。噴油過程組織得好壞將直接影響燃燒過程的組織與效果，從而亦決定著發(fā)動機的整機性能。燃燒過程中燃油的霧化、加熱、蒸發(fā)、擴散、與空氣的混合，著火、燃燒、放熱、碳煙和廢氣有害成分的形成，燃燒噪聲及振動，以及整機的技術(shù)經(jīng)濟性，都與噴油過程有著不可分割的聯(lián)系?？梢哉f，要提高發(fā)動機的運行經(jīng)濟指標(biāo)和排放指標(biāo)，就必須改善和控制燃燒過程，首先就要改善和控制噴油過程。噴油過程、燃燒過程和發(fā)動機性能三者依次存在著因果關(guān)系[1]。

噴油過程是瞬變的、不均質(zhì)的、雙相混合的、變背壓的和變流阻的噴射過程。同時，噴射過程的持續(xù)時間很短，噴入的燃燒室空間很小，噴油的始點和終點要求很嚴(yán)格，而每循環(huán)的噴油量又很少，特別是小功率柴油機的部分負(fù)荷工況[1]。

噴油器是柴油機噴油系統(tǒng)中實現(xiàn)燃油噴射的重要部件，噴油器作為燃油噴入氣缸的最后環(huán)節(jié)，其性能直接影響柴油機的燃燒過程[2]。

2 試驗發(fā)動機和試驗設(shè)備及儀器

2.1 試驗發(fā)動機

試驗樣機為CA4DC2-12E3型柴油機。該機型由長春一汽技術(shù)中心和道依茨一汽大連柴油機有限公司聯(lián)合開發(fā)，采用Bosch公司CRS2.0電控共軌系統(tǒng)，匹配車型為2～3 t輕型載貨汽車，其主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.2 試驗設(shè)備及儀器

試驗采用主要測試設(shè)備如表2所示。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 噴油嘴凸出量

噴油嘴的凸出量和油束錐角兩個相關(guān)因素直接影響到油束與燃燒室的相對位置，影響油束落點，還影響到噴霧在燃燒室的分布，從而產(chǎn)生不同的燃燒效果，直接影響發(fā)動機的性能[3]。

表1 CA4DC2-12E3型柴油機主要技術(shù)參數(shù)

表2 設(shè)備及儀器

試驗用基礎(chǔ)噴油器的參數(shù)是：流量350 mL/30 s，孔數(shù)為6孔，錐度系數(shù)k=0，油束錐角為150°。采用了噴油器銅墊片分別為2、2.5和3 mm，進(jìn)行優(yōu)化噴油嘴的凸出量。

試驗采用了相同的標(biāo)定MAP，3種銅墊片方案測得的外特性性能曲線如圖1所示。從試驗結(jié)果可以得出，對于150°油束錐角的噴油器匹配3 mm的銅墊片，即噴油嘴凸出量為1.5mm時，外特性燃油消耗率和煙度得到了明顯的改善。

對于噴油嘴凸出量來講，如果該值過大會導(dǎo)致噴油器的頭部溫度過高，針閥過熱，會引起噴油器可靠性問題；但該值過小，油束噴到缸蓋的概率增大，導(dǎo)致缸蓋過熱，引起缸蓋三角區(qū)的熱負(fù)荷增加。

圖1 3種噴油器銅墊片厚度外特性性能對比

針對該項目，噴油嘴凸出量的推薦值為2～3.5mm。確定噴油嘴凸出量后，靠調(diào)整油束錐角來確定油束的落點。噴油器油束錐角過大，油束過多的燃油噴到活塞頂部，燃燒室內(nèi)的空氣得不到充分的利用，煙度會相應(yīng)的增大；反之，噴油器油束錐角過小，則會導(dǎo)致燃油噴到燃燒室凸臺及燃燒室底部的概率更大，使得燃燒室內(nèi)凸臺及燃燒室底部的燃油沉積過多。由于沉積燃油自然蒸發(fā)的速率要比空間霧化油滴蒸發(fā)率低，蒸發(fā)后不能完全燃燒，這樣燃油蒸發(fā)將分解并形成未燃烴、不完全氧化物和碳煙，導(dǎo)致燃燒過程惡化，煙度上升。

保持油束落點相同。經(jīng)試驗優(yōu)化的方案，150°油束錐角匹配3 mm的噴油器銅墊片，這樣的組合相當(dāng)于155°油束錐角匹配2 mm的噴油器銅墊片，可滿足噴油嘴凸出量2.5 mm的推薦要求。

3.2 標(biāo)定的優(yōu)化

試驗基礎(chǔ)噴油器的參數(shù)是：流量350 mL/30 s，孔數(shù)為6孔，錐度系數(shù)k=0，油束錐角為150°，噴油器銅墊片厚度為3 mm。進(jìn)行了提前角和軌壓MAP的優(yōu)化標(biāo)定，為了降低NOx排放的需要，重點在ESC排放測量工況區(qū)減小提前角，軌壓也適當(dāng)提高。優(yōu)化標(biāo)定后的外特性性能如圖2所示，減小提前角和提升軌壓，盡管外特性燃油消耗率上升明顯，但煙度指標(biāo)得到了很好的控制，為滿足ESC國Ⅲ顆粒排放提供了基礎(chǔ)。

3.3 噴油器流量匹配

圖2 優(yōu)化標(biāo)定的外特性性能對比

測量噴油器流量時，通常在壓力差ΔP為10 MPa，時間30 s內(nèi)的流量來檢測。噴油器流量由噴孔的數(shù)目、孔徑和流量系數(shù)決定。噴孔的數(shù)目及孔徑對燃油在燃燒室空間的分布情況，燃油的霧化及噴油持續(xù)期的影響很大，在等效總噴孔截面積相等的情況下，噴孔數(shù)目越多，則燃油噴霧在空間分布越均勻且油滴直徑越小，霧化越好，有利于降低顆粒的排放。

隨著噴孔直徑減小，流量系數(shù)也減小。這就要求增加噴油嘴的噴孔數(shù)，以保持噴油嘴總的燃油流量不變。小孔徑多孔噴油嘴在發(fā)動機低負(fù)荷時碳煙和CO排放較低，而高負(fù)荷時的過量空氣相對較低，但只要過量空氣系數(shù)合適，小噴孔噴油嘴在高負(fù)荷工況下也能得到較低碳煙和CO排放。小孔徑多孔噴油嘴的缺點是由于孔徑小，燃油貫穿距較短，噴孔（噴束）之間位置狹窄，從而限制了空氣的利用。當(dāng)發(fā)動機負(fù)荷較高而增加油量時，由于噴嘴周圍局部過量空氣系數(shù)低，會導(dǎo)致煙度很難控制[4]。

CA4DC2-12E3柴油機采用了Bosch CRS2.0第二代共軌系統(tǒng)，允許的最高軌壓為145 MPa。在不同軌壓下，測量噴油器電磁閥加電時間與噴油器流量之間關(guān)系，如圖3所示。為了滿足控制精度的要求，保證噴油器流量與電磁閥加電時間的呈線性關(guān)系，Bosch公司為該項目推薦的噴油器加電時間控制在1 000 μs以內(nèi)，這也為噴油器的流量優(yōu)化提出了新的約束[5]。

為CA4DC2-12E3柴油機匹配的噴油器方案如表3所示。噴油器系數(shù)k定義為錐度系數(shù)，用噴孔進(jìn)口直徑d進(jìn)口和出口直徑d出口之差來表示（μm）：

圖3 噴油器的軌壓和加電時間的流量特性曲線

表3 噴油器方案

噴油器方案1和方案2采用相同的軌壓和提前角MAP，方案3噴油器是根據(jù)前2種方案噴油器試驗結(jié)果而優(yōu)化，因其樣件提供的時間較晚，采用的MAP根據(jù)是ESC工況下NOx排放進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。3種方案噴油器的外特性測試結(jié)果如圖4所示，從測試結(jié)果可以看出，采用完全相同的標(biāo)定MAP圖，方案2噴油器即流量400 mL/30 s，k=1.5明顯優(yōu)于方案1噴油器，因為噴油器錐度系數(shù)k=1.5的采用，提高了噴油器流量系數(shù)，從而增加了噴油器的流量，它使外特性燃油消耗率和煙度指標(biāo)得到了較明顯的改善[6]。

3種噴油器的ESC排放測試結(jié)果如圖5所示，方案3噴油器即流量450 mL/30 s，錐度系數(shù)k=1.5，油束錐角為155°，噴油器銅墊片為2 mm。通過標(biāo)定MAP的調(diào)整，使其NOx滿足ESC國Ⅲ排放，可喜的是煙度指標(biāo)并沒有因推遲提前角而明顯惡化，13工況的煙度控制在1 FSN以下，這為滿足國Ⅲ法規(guī)的顆粒排放限值提供了基礎(chǔ)。

最終噴油器的優(yōu)化方案是：流量450 mL（30 s時間內(nèi)），孔數(shù)為6孔，錐度系數(shù)k=1.5，油束錐角為155°，噴油器銅墊片的厚度為2 mm。

圖4 3種流量噴油器的外特性性能對比

圖5 3種流量噴油器的ESC排放測試

4 總結(jié)

噴油器的匹配是CA4DC2-12E3國Ⅲ柴油機燃燒系統(tǒng)開發(fā)的核心工作之一。通過噴油器銅墊片厚度的試驗來優(yōu)化油束錐角，噴油器流量對外特性性能和排放指標(biāo)有重要影響，同時要滿足Bosch公司推薦的噴油器加電時間小于1000 μs的要求。

1何學(xué)良，李疏松編著．內(nèi)燃機燃燒學(xué)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1990．

2王啟航，王永紅，蘇慶運等．現(xiàn)代車用柴油機實用技術(shù)[M]．大連：大連理工大學(xué)出版社，2012．

3王啟航，王永紅，王華偉等．CA498型柴油機達(dá)歐Ⅲ排放的試驗研究[J]．車用發(fā)動機，2006（4）：19-21．

4李勤編．現(xiàn)代內(nèi)燃機排氣污染物的測量與控制[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1998．

5王啟航，侯方，韓祖豪等．CA4DC2-10E4皮卡國IV排放樣車的開發(fā)[J]．柴油機設(shè)計與制造，2012（4）．

6王啟航，張克文，侯方等．K系數(shù)噴油嘴的流體動力學(xué)（CFD）計算及試驗研究[J]．柴油機設(shè)計與制造，2012（3）．

Experiment Study on CA4DC2-12E3 Engine Injector

Wang Qihang1,Zhang Songtao2,Hou Fang2,Jin Zhe2,Han Zhuhao2,Wu Caili2
（1.Xi'an Cummins Engine Company,Xi'an 710200,China; 2.DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian,116022,China）

Anexperimentstudy on effects of nozzle tip protrusion and injector flow on exhaust emissions and performance.was conducted on the CA4DC2-12E3.The results showed that:the emission and performance of the CA4DC2-12E3 engine were improved by adopting optimized injector scheme.

nozzle tip protrusion,injector flow,performance and emission optimization

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.03.002

來稿日期：2013-03-27

王啟航（1971－），男，工學(xué)碩士，主要研究方向為輕型車用柴油機整機開發(fā)。