新型噴嘴噴孔改善空氣利用率降低碳煙排放

【德】 K．Hielscher M．Brauer R．Baar

1 起因

噴嘴噴孔是噴油系統(tǒng)中燃油經(jīng)過的終端，因此對混合氣的形成和燃燒的影響至關重要。在廢氣排放法規(guī)對有害物排放限值日益加嚴的背景下，柴油機噴油系統(tǒng)的開發(fā)采用了越來越小的噴孔直徑。由于噴孔縮小，加快了初始燃油噴束的改變，燃油蒸發(fā)得也更快，最終形成了更為稀薄的可燃混合氣，這原則上有利于降低碳煙排放。此外，更小的噴孔降低了燃油噴束的動量，因而無論是液態(tài)燃油還是氣態(tài)燃油的貫穿深度都有所減小。在配裝轎車的柴油機氣缸直徑相對較小的情況下，燃油可能貫穿至活塞頂燃燒室凹坑壁面，并在此轉(zhuǎn)向，在切向和徑向形成所謂的壁面射流(圖1(a))，因而在燃油噴束動量足夠的情況下，燃油會向燃燒室中央反向流動(回流)，這能加強與空氣的混合并降低碳煙排放，但是當在壁面上形成油膜時也可能增加碳煙排放。為了更好地利用在傳統(tǒng)柴油機燃燒過程中各個燃油噴束之間尚未被利用的空氣范圍(圖1(b))，試驗了1種14孔噴嘴和1種“6+6”噴孔噴嘴(圖1(c))，換用了比通常更小或更大的噴孔，因此通過更為稀薄的燃燒能降低碳煙排放。

2 試驗裝置及其試驗

為了評價噴嘴的潛力，在傳統(tǒng)的透明單缸試驗機上進行測試。2種新型噴嘴的燃燒過程相當于2.2 L排量和氣缸直徑為83 mm的轎車用柴油機，透明發(fā)動機活塞的火力岸被加大，所使用的共軌噴油系統(tǒng)采用樣品噴油器工作。新型噴嘴是具有噴孔直徑非常小的14孔噴嘴和12孔噴嘴，后者在噴孔圓周上布置了6個較小的噴孔和6個較大的噴孔(表1)，它們分別與8孔基準噴嘴具有相同的液壓流量。

圖1 燃油噴束-壁面相互作用，傳統(tǒng)柴油機燃燒過程的“6+6”噴孔噴嘴

表1 試驗噴嘴噴孔的配置

在透明發(fā)動機的活塞頂面上有1個光學通道用于高速攝影。下文僅介紹對碳煙的分析，這些噴嘴在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min和高壓過程平均指示壓力為0．82 MPa的部分負荷運行工況點進行試驗，噴油策略是噴油壓力為80 MPa的2次預噴射(VE)和1次主噴射(HE)。與測試廢氣排放的發(fā)動機相比，透明發(fā)動機上的增壓壓力和增壓空氣溫度都提高了，以便對較小的壓縮比及壁面熱損失方面的差異進行比較。

3 測試廢氣排放的發(fā)動機試驗結(jié)果

圖2 指示燃油耗、燃燒曲線和顆粒物排放值示意圖

所有被測試的噴嘴的指示燃油耗(biHD)呈現(xiàn)出較小的差異(圖2(a))，形成這種差異的原因是燃燒過程中不同的燃燒效率和等容度(圖2(b))，但是這種差異總是處于測試精度范圍內(nèi)。與此相反，顆粒物排放量卻呈現(xiàn)出顯著的差異(圖2(c))。采用新型的HD355/14孔高壓噴嘴測得的顆粒物排放值為0.42 g/(kW·h)，即使其噴孔直徑較小，但是其顆粒物排放值卻是基準噴嘴HD355/8孔的6倍，而采用HD400/6+6孔高壓噴嘴測得的顆粒物排放值為0.23 g/(kW·h)，仍是基準噴嘴HD400/8孔的2．5倍。2種8孔基準噴嘴的比較表明，HD355/8孔噴嘴較小的噴孔原則上對顆粒物排放值起到了有利的效果。

4 透明發(fā)動機的試驗結(jié)果

首先，應對HD355/8孔噴嘴和HD355/14孔噴嘴在重要時刻進行了比較(圖3)。作為實例，以人工色彩示出了5個測試循環(huán)中的第一個循環(huán)的燃燒狀況。在361．8°CA即主噴射起始點后約4°CA時，2種噴嘴的燃燒火焰端抵達活塞壁面，而液體燃油卻并沒有到達壁面。在8孔噴嘴情況下形成壁面射流，而在14孔噴嘴情況下，對于與燃燒室凹坑壁面之間明顯的相互作用而言，其噴束動量似乎太小。在8孔噴嘴的情況下，燃油噴束扭矩存在尚未被利用的空氣范圍，而采用14孔噴嘴時就較好地利用了這些空氣，當然此時各火焰在燃燒室中部范圍內(nèi)有部分重疊。

在8孔噴嘴的情況下，在363．6°CA時因在燃燒室凹坑壁面上轉(zhuǎn)向，燃燒就開始向燃燒室中部回流，在邊緣深色燃油云霧處(圖3中用紅色圈出)就可看到該區(qū)域。在14孔噴嘴情況下，沒有出現(xiàn)這種回流現(xiàn)象。當然，此時各個燃燒區(qū)域在壁面附近也會有所重疊搭接，這可能是高碳煙排放的1個原因，因為此處可能出現(xiàn)非常濃的燃燒區(qū)域。14孔噴嘴在366．6°CA時就開始逐漸出現(xiàn)回流，而在8孔噴嘴情況下這種現(xiàn)象已廣泛發(fā)展。在達到375．9°CA時，8孔噴嘴的燃燒回流現(xiàn)象幾乎已遍及整個燃燒室，而在14孔噴嘴的情況下，在燃燒室中部尚存在未被利用的區(qū)域，這可能會導致碳煙氧化程度變差。

圖3 HD355/8孔噴嘴與HD355/14孔噴嘴碳煙自身發(fā)光的比較

圖4示出了HD400/8孔和HD400/6+6孔噴嘴的比較。在362．4°CA即主噴射始點后約4°CA時，2種噴嘴都會在燃燒室凹坑壁面上形成壁面射流。在HD400/6+6孔噴嘴下，燃燒室中部范圍的空氣被較好地利用，同時與14孔噴嘴相比，也不存在各支火焰過多的重疊搭接，當然因噴孔直徑不同貫穿深度沒有明顯的差異，以致于壁面附近的燃燒區(qū)域沒有重疊。在363．3°CA時，8孔噴嘴有燃燒回流現(xiàn)象，而HD400/6+6孔噴嘴約晚1°CA才開始出現(xiàn)燃燒回流現(xiàn)象。隨著365．7°CA時主噴射結(jié)束，8孔噴嘴在整個燃燒室凹坑范圍內(nèi)就形成燃燒回流?？梢钥吹脚c8個噴孔相對應的8個深色區(qū)域，而在HD400/6+6孔噴嘴情況下僅能看到6個深色區(qū)域，顯然是小噴孔噴束的動量太小，由于HD400/6+6孔噴嘴的噴孔較多，較好地利用了燃燒室中部的空氣。在369．6°CA時，8孔噴嘴的燃燒回流大約達到了半徑的2/3，而在HD400/6+6孔噴嘴的條件下僅達到半徑的一半。

圖4 HD400/8孔噴嘴與HD400/6+6孔噴嘴碳煙自身發(fā)光的比較

5 空氣利用和回流的分析

圖5(a)示出了采用不同噴嘴時的空氣利用率，其中所拍攝的燃燒照片采用像素方式進行評判，若超過強度窗口閾值的話，則被評判為空氣已被充分利用了。357°CA范圍內(nèi)的首個局部最大值是第二次預噴射的轉(zhuǎn)化，隨后空氣利用率的提升則歸因于主噴射燃油開始燃燒。在359～370°CA之間，這些新型噴嘴顯示出了相對于它們各自基準噴嘴的優(yōu)勢，這不僅是因噴孔數(shù)量增多且燃油的貫穿度較小所致。8孔噴嘴的空氣利用率約從363°CA開始提升，歸因于燃燒的回流，而新型噴嘴因燃燒回流不太顯著，從370°CA起就呈現(xiàn)出空氣利用率方面的缺陷，因為燃燒室中部的空氣幾乎沒有被利用。在372～380°CA之間，計算的空氣利用率與所測得的顆粒物排放量相對應。從385°CA開始，所選擇的方法就不能再用于評定空氣利用率了。

圖5 空氣利用率和燃燒室中徑向流動速度示意圖

總的來說，燃燒回流似乎是對在較晚發(fā)生的主燃燒過程中空氣利用率所產(chǎn)生的影響，以及由此產(chǎn)生的碳煙氧化。為了能定量地表示這種效果，利用粒子圖像速度儀(PIV)進行分析。以便能由碳煙照片計算流動速度。圖5(b)示出了所計算的徑向流動速度。首個流動速度的模型的提升與明顯的燃燒回流相吻合。顯然，產(chǎn)生最高徑向流動速度的噴嘴所形成的顆粒物排放量最少。14孔噴嘴因其噴孔較小而沒有足夠的噴束動量產(chǎn)生顯著的回流燃燒，但是進一步的試驗表明，除了噴孔直徑之外，噴油持續(xù)時間也對回流燃燒具有重要的影響。若對HD400/8孔和HD400/6+6孔噴嘴進行比較，則即使噴油起始點相同，HD400/6+6孔噴嘴的回流燃燒開始得較晚，可能是由于大噴孔燃油的回流阻礙了小噴孔燃油的回流，HD400/6+6孔噴嘴的燃油回流首先發(fā)生在大噴孔范圍內(nèi)。因此當在整個燃燒室凹坑范圍內(nèi)產(chǎn)生回流時，其平均流動速度才達到8孔噴嘴的水平。

6 結(jié)論和展望

試驗研究的目標是通過采用新型噴嘴噴孔配置改善空氣利用率來降低碳煙排放。在所分析的運行工況中，14孔噴嘴的顆粒物排放達到了8孔基準噴嘴顆粒排放值的6倍。在主噴射開始時，采用14孔噴嘴能改善燃燒室中部范圍的空氣，并利用剩余區(qū)域的空氣，但是會使較晚燃燒過程中的空氣利用率比基準噴嘴的差，這會對碳煙氧化產(chǎn)生不利的影響。由于噴孔較小，對于產(chǎn)生值得重視的燃燒向燃燒室中部回流而言，燃油噴束動量太小，這樣就會形成空氣沒有被利用的區(qū)域。此外，各支燃燒火焰彼此交叉，以致于極易產(chǎn)生碳煙非常濃的燃燒區(qū)域。

采用新型HD400/6+6孔噴嘴的顆粒物排放量會達到其基準噴嘴的2．5倍。采用這種噴嘴在主燃燒開始時也會改善空氣利用率，此時在燃燒室中部范圍各個燃燒區(qū)域幾乎沒有重疊，當然小噴孔的燃燒火焰貫穿深度要大到使圓周方向上的壁面射流相交。但是同時為了產(chǎn)生燃油回流，噴孔又不能太小，因此燒盡階段的空氣利用率要比采用基準噴嘴的差。因而，未來應針對燃油噴束動量差異較大的HD400/6+6孔噴嘴進行進一步的試驗研究。