一款高性能柴油機(jī)的噴油器選型試驗(yàn)研究

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

噴油器將柴油以一定的噴射壓力和一定的方向成霧狀噴入燃燒室，是柴油機(jī)的關(guān)鍵零部件。噴油器選型試驗(yàn)是在燃燒室已經(jīng)確定的情況下，通過(guò)試驗(yàn)方法選擇出動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放和噪聲等指標(biāo)最優(yōu)的噴油器。噴油器選型試驗(yàn)是柴油機(jī)正向開發(fā)過(guò)程中最基礎(chǔ)和最重要的試驗(yàn)環(huán)節(jié)，選型結(jié)果基本決定了柴油機(jī)的性能和排放，一般安排在騾機(jī)階段的第一臺(tái)性能開發(fā)樣機(jī)上，作為首個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行。

對(duì)于高壓共軌柴油機(jī)，噴油器選型主要是選擇最優(yōu)的噴射夾角、噴油嘴伸出高度、噴油孔數(shù)和噴油器流量。4個(gè)噴油器參數(shù)與柴油在缸內(nèi)的燃燒直接相關(guān)，從而影響到柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放和噪聲。

本文基于某正向開發(fā)的高性能柴油機(jī)，對(duì)7款不同參數(shù)的噴油器進(jìn)行選型試驗(yàn)。通過(guò)分析大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出各個(gè)參數(shù)變化對(duì)柴油機(jī)性能和排放影響的規(guī)律，選擇出最佳的噴油器參數(shù)，從而鎖定最優(yōu)噴油器。

1 柴油機(jī)與噴油器

在本研究中，性能開發(fā)的硬件選型主要包括噴油器、增壓器和高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)的選型。噴油器選型是性能開發(fā)的首個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。其他與燃燒相關(guān)的參數(shù)和零部件已在設(shè)計(jì)階段通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)(CAE)等手段得以確定。

試驗(yàn)選用1臺(tái)兩級(jí)增壓水-空中冷高性能柴油機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。

在本研究中，采用博世公司的CRI2-20高壓共軌噴油器，針對(duì)噴射夾角、噴油嘴伸出高度、噴油孔數(shù)，以及噴油器流量4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選型。噴射夾角和噴油嘴伸出高度均影響油束相對(duì)于燃燒室的空間位置，影響油束與氣流的混合和噴霧在燃燒室中的分布，從而產(chǎn)生不同的燃燒效果。在其他3個(gè)參數(shù)不變的情況下，噴油孔數(shù)增多則噴油霧化好，燃燒充分，有利于降低顆粒物(PM)和燃油耗。同時(shí)，如果噴油器流量減小則噴油孔徑小，有利于噴油霧化，并降低PM和燃油耗，如果噴油加電時(shí)間長(zhǎng)，等同于噴油正時(shí)后退，排氣溫升高，對(duì)燃油耗有負(fù)面影響。

在本研究中，噴油嘴伸出高度是通過(guò)噴油器墊片厚度調(diào)整的。墊片厚度增加，則噴油嘴伸出高度就小，反之亦然。

本文所述的噴油器流量(HFR)參照博世公司的定義，指在10 MPa的噴射壓力下，30 s內(nèi)流過(guò)油嘴的燃油體積，單位為cm3/30 s。

經(jīng)過(guò)CAE仿真計(jì)算，確定了本研究用于選型的噴油器參數(shù)矩陣，如表2所示。

表2 A1～A6噴油器參數(shù)矩陣

2 試驗(yàn)工況點(diǎn)及試驗(yàn)方法

2.1 工況點(diǎn)選取

本研究所開發(fā)的柴油機(jī)將應(yīng)用于輕型車和重型車。具體實(shí)施方案為輕、重機(jī)型硬件一致，僅通過(guò)標(biāo)定和后處理系統(tǒng)滿足兩種車型的應(yīng)用要求。故在試驗(yàn)工況點(diǎn)選擇的時(shí)候要綜合考慮兩種車型的性能和排放，選出適合兩種車型的試驗(yàn)點(diǎn)。根據(jù)如下原則選擇試驗(yàn)工況點(diǎn)：(1)優(yōu)先選擇輕型車和重型車外特性特征點(diǎn)；(2)優(yōu)先選擇部分負(fù)荷區(qū)域排放嚴(yán)重的特征點(diǎn)，并兼顧輕型車和重型車排放循環(huán)工況。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性及整車匹配信息，計(jì)算出輕型車全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)循環(huán)(WLTC)工況點(diǎn)、重型車全球統(tǒng)一重型車試驗(yàn)循環(huán)(WHTC)工況點(diǎn)和全球統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(WHSC)工況點(diǎn)。排放循環(huán)工況點(diǎn)及選擇出的試驗(yàn)工況點(diǎn)見圖1。

圖1 試驗(yàn)工況點(diǎn)

每個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)的試驗(yàn)方法不同。一般選擇對(duì)該特征點(diǎn)影響最大的參數(shù)因子，進(jìn)行變因子試驗(yàn)。試驗(yàn)工況點(diǎn)的試驗(yàn)方法如表3所示。

表3 試驗(yàn)工況點(diǎn)試驗(yàn)方法

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)原則

為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性和可比性，試驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格限制環(huán)境壓力、溫度、中冷后進(jìn)氣溫度、燃油溫度、排氣背壓等試驗(yàn)控制條件，并嚴(yán)格控制最大爆發(fā)壓力、最高增壓壓力、最高渦輪前排氣壓力和溫度等試驗(yàn)邊界條件，防止這些因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。

本文中噴油器選型的評(píng)價(jià)原則包括：達(dá)到動(dòng)力性目標(biāo)；油耗和排放最佳；噴油器墊片厚度在±0.5 mm的偏差范圍內(nèi)，并具有良好的排放穩(wěn)定性。

本文暫不對(duì)噴油器的動(dòng)力性潛力和噪聲等指標(biāo)展開論述。

3.2 A1噴油器試驗(yàn)結(jié)果分析

首先對(duì)A1噴油器搭配2.0 mm噴油器墊片進(jìn)行試驗(yàn)。圖2為工況點(diǎn)7的試驗(yàn)結(jié)果。圖中“A1+2.0 mm”表示A1噴油器搭配2.0 mm噴油器墊片的試驗(yàn)結(jié)果，其他類同。試驗(yàn)中保持油軌壓力和增壓壓力一致，只使用HP-EGR，燃燒中心(CA50)控制在上止點(diǎn)(TDC)后11°CA。該點(diǎn)排放目標(biāo)是氮氧化物(NOx)小于0.6 g/(kW·h)，煙度小于1.5 FSN。該噴油器與墊片組合，與排放目標(biāo)相差較遠(yuǎn)。

圖2 A1與A2在工況點(diǎn)7的結(jié)果

圖3為工況點(diǎn)8的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中保持油軌壓力和增壓壓力一致，只使用LP-EGR，CA50控制在TDC后11°CA。該點(diǎn)排放目標(biāo)是NOx小于0.5 g/(kW·h)，煙度小于2.5 FSN。該噴油器與墊片組合，與排放目標(biāo)相差較遠(yuǎn)。

其他工況點(diǎn)排放也較差，在此不再贅述，因此終止A1的試驗(yàn)。

3.3 A2噴油器試驗(yàn)結(jié)果分析

為了降低煙度，下一步選擇流量較小的A2噴油器進(jìn)行試驗(yàn)。首先使用A2噴油器搭配厚度為2.0 mm噴油器墊片進(jìn)行試驗(yàn)，工況點(diǎn)7和8的試驗(yàn)結(jié)果分別見圖2和3。排放結(jié)果比“A1+2.0 mm”工況點(diǎn)略好。

然后對(duì)不同的噴油嘴伸出高度進(jìn)行試驗(yàn)。圖2為工況點(diǎn)7的試驗(yàn)結(jié)果。墊片厚度增加后煙度和油耗明顯降低，墊片厚度在3.5 mm時(shí)油耗最低，煙度略高于厚度墊片3.0 mm，表明繼續(xù)增大墊片厚度排放有惡化趨勢(shì)。圖3為工況點(diǎn)8的試驗(yàn)結(jié)果。墊片厚度在3.5 mm時(shí)，煙度和油耗最低。綜合其他工況點(diǎn)的結(jié)果，最終確定與A2匹配性最佳的墊片厚度為3.5 mm。

3.4 A6噴油器試驗(yàn)結(jié)果分析

A6與A2孔數(shù)一致，噴射夾角和流量較大。通過(guò)A6與A2的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以選擇出最佳流量，故下一步選擇A6進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4和圖5分別為工況點(diǎn)7和工況點(diǎn)8的試驗(yàn)結(jié)果。墊片厚度2.5 mm的煙度和油耗最低，增大或減小墊片厚度，排放和油耗有惡化趨勢(shì)。綜合其他工況點(diǎn)的結(jié)果，最終確定與A6匹配最佳的墊片厚度為2.5 mm。

3.5 A5噴油器試驗(yàn)結(jié)果分析

A5與A6的噴射夾角和流量一致，孔數(shù)增大。通過(guò)A5與A6的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以選擇出最佳孔數(shù)，故下一步選擇A5進(jìn)行試驗(yàn)。

圖6和圖7分別為工況點(diǎn)7和工況點(diǎn)8的試驗(yàn)結(jié)果。墊片厚度3.0 mm的煙度和油耗最低，增大或減小墊片厚度排放和油耗有惡化趨勢(shì)。對(duì)于排放而言，3款墊片的差異較小，顯示了很好的可靠性。綜合其他工況點(diǎn)的結(jié)果，最終確定與A5匹配最佳的墊片厚度為3.0 mm，且墊片厚度在3±0.5 mm范圍內(nèi)具有良好的排放穩(wěn)定性。

3.6 A2、A5、A6噴油器匹配最佳墊片試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)將A2、A5、A6匹配最佳墊片厚度的數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 A6在工況點(diǎn)8的結(jié)果

圖6 A5在工況點(diǎn)7的結(jié)果

圖7 A5在工況點(diǎn)8的結(jié)果

圖8為工況點(diǎn)1的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中保持油軌壓力、增壓壓力和最大爆發(fā)壓力一致，不使用EGR，煙度目標(biāo)小于3.0 FSN，渦前排放溫度小于830 ℃。3款噴油器的煙度均處于較低水平且差異不大。在排放溫度一致的情況下，3款噴油器的油耗基本一致。

圖8 A2、A5、A6匹配最佳墊片在工況點(diǎn)1的結(jié)果

圖9為工況點(diǎn)6的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中保持油軌壓力和增壓壓力一致，只使用LP-EGR，CA50控制在TDC后11°CA。該點(diǎn)的排放目標(biāo)是NOx小于0.6 g/(kW·h)，煙度小于2.5 FSN。在低NOx區(qū)域，3款噴油器的油耗基本一致。A2和A5煙度基本一致，且略低于A6。

圖10為工況點(diǎn)7的試驗(yàn)結(jié)果。A6的油耗略好于A2和A5。3款噴油器的煙度基本一致。

圖9 A2、A5、A6匹配最佳墊片在工況點(diǎn)6的結(jié)果

圖10 A2、A5、A6匹配最佳墊片在工況點(diǎn)7的結(jié)果

圖11為工況點(diǎn)8的試驗(yàn)結(jié)果。在低NOx區(qū)域，3款噴油器的油耗基本一致。A2和A5的油耗好于A6。

圖11 A2、A5、A6匹配最佳墊片在工況點(diǎn)8的結(jié)果

3.7 A1～A6噴油器選型總結(jié)

將A2、A5、A6匹配最佳墊片的試驗(yàn)結(jié)果匯總在表4。表4中以“A6+2.5 mm”為基準(zhǔn)，對(duì)比“A2+3.5 mm”和“A5+3.0 mm”的優(yōu)劣。

通過(guò)“A5+3.0 mm”與“A6+2.5 mm”的對(duì)比，表明8孔(A5)噴油器的油耗和排放總體優(yōu)于7孔(A6)噴油器。

通過(guò)“A2+3.5 mm”與“A6+2.5 mm”的對(duì)比，表明流量減小有利于油耗和排放。同時(shí)，A2的數(shù)據(jù)表明HFR為430 cm3/30 s的噴油器可以達(dá)到功率目標(biāo)。

表4 A2、A5、A6匹配最佳墊片試驗(yàn)結(jié)果匯總

由于“A1+2.0 mm”排放較差，本文終止了A1試驗(yàn)。項(xiàng)目后續(xù)試驗(yàn)表明與A1匹配最佳的墊片厚度為3.5 mm，其排放和油耗與“A5+3.0 mm”接近。

A3與A2相比只是流量加大，由于大流量噴油器的油耗和煙度沒有優(yōu)勢(shì)，故放棄對(duì)A3的試驗(yàn)。A4與A5相比也只是流量加大，因此放棄了該試驗(yàn)。

綜上所述，“A5+3.0 mm”是A1～A6噴油器與墊片組合中的最優(yōu)組合，墊片厚度在3±0.5mm范圍內(nèi)，具有良好的排放穩(wěn)定性。

4 A7噴油器試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 A7方案的提出

上述結(jié)果表明，HFR為430 cm3/30 s的噴油器可以達(dá)到功率目標(biāo)，且油耗和排放總體優(yōu)于HFR為460 cm3/30 s的噴油器。基于前期已選擇出的最優(yōu)噴油器A5的參數(shù)，僅降低流量HFR從460 cm3/30 s至430 cm3/30 s，將會(huì)進(jìn)一步降低油耗和排放。本研究將新噴油器命名為A7，孔數(shù)為7孔，噴射夾角為158°，HFR為460 cm3·30 s-1。

4.2 A5與A7噴油器試驗(yàn)結(jié)果分析

A7噴油流量較A5減少達(dá)6.5%，變化較小，鑒于本研究開發(fā)周期限制，不再進(jìn)行不同噴油嘴伸出高度的試驗(yàn)。本研究使用“A7+3.0 mm”進(jìn)行試驗(yàn)，并與“A5+3.0 mm”進(jìn)行對(duì)比分析。

圖12為工況點(diǎn)1的試驗(yàn)結(jié)果。A7的煙度較好，但是油耗和排放溫度略高。由于A7流量減小，相同噴油量下噴油加電時(shí)間長(zhǎng)，等同于噴油正時(shí)后退，故對(duì)排放溫度和油耗有負(fù)面影響。A7排放溫度高表明發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率潛能差。但是兩款噴油器均能達(dá)到功率目標(biāo)，而且功率點(diǎn)為非常用工況，油耗和最大功率潛能對(duì)客戶的影響可以忽略不計(jì)。

圖13～圖15分別為工況點(diǎn)6～8的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，在3個(gè)工況下，A7的油耗和煙度均明顯優(yōu)于A5。

將A5和A7的試驗(yàn)結(jié)果匯總在表5中，可以看出“A7+3.0 mm”總體油耗、排放較好，功率點(diǎn)油耗略差，但對(duì)客戶使用的影響可以忽略不計(jì)。

圖12 A5和A7在工況點(diǎn)1的結(jié)果

圖13 A5和A7在工況點(diǎn)6的結(jié)果

圖14 A5和A7在工況點(diǎn)7的結(jié)果

圖15 A5和A7在工況點(diǎn)8的結(jié)果

工況點(diǎn)1234567891011工況4 000 r/min2.41 MPa2 400 r/min3.02 MPa1 500 r/min3.02 MPa1 000 r/min1.54 MPa2 200 r/min1.60 MPa2 600 r/min0.90 MPa2 000 r/min0.30 MPa1 800 r/min0.80 MPa1 500 r/min0.30 MPa3 500 r/min2.49 MPa1 775 r/min2.93 MPa比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度A5+3.0 mm0000000000000000000000A7+3.0 mm-+0+++++++000+++0+-0++

5 結(jié)論

柴油機(jī)噴油器選型試驗(yàn)的工況點(diǎn)要優(yōu)先選擇外特性特征點(diǎn)和排放特征點(diǎn)。每個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)的試驗(yàn)方法不同，一般選擇對(duì)特征點(diǎn)影響最大的參數(shù)因子，進(jìn)行變因子試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中要嚴(yán)格保證試驗(yàn)控制條件和邊界條件，確保試驗(yàn)結(jié)果的有效性和可比性。

柴油機(jī)高壓共軌噴油器選型主要針對(duì)噴射夾角、噴油嘴伸出高度、噴油孔數(shù)和噴油器流量4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選型。在噴油器參數(shù)矩陣定義中，要用盡量少的樣件數(shù)覆蓋所定義的噴射夾角、孔數(shù)和流量，以減少工作量。

在其他3個(gè)參數(shù)變化的情況下，最佳墊片厚度不同。所以本研究首先對(duì)具有排放、油耗潛力的A2、A5、A6 3款噴油器進(jìn)行不同的噴油嘴伸出高度試驗(yàn)，選出各自最優(yōu)的墊片厚度，然后再進(jìn)行對(duì)比，從而確定“A5+3.0 mm”是A1～A6噴油器與墊片組合中的最優(yōu)組合，且墊片厚度在3±0.5 mm范圍內(nèi)具有良好的排放穩(wěn)定性。

在本研究中，噴油器孔數(shù)增多，流量減小對(duì)油耗和排放有益。據(jù)此提出了新的噴油器方案A7，并與A5進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示A7噴油器總體的油耗和排放較好，功率點(diǎn)油耗略差，但對(duì)客戶的影響可以忽略不計(jì)。最終選擇A7+3.0 mm為本研究最優(yōu)的噴油器與墊片組合。