高效低排放柴油機噴油器噴嘴幾何結(jié)構(gòu)研究

班智博，官 維, ，趙 華，林鐵堅，潘明章

(1. 廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 南寧 530004；2. 布魯內(nèi)爾大學 工程設(shè)計和物理科學學院，英國 倫敦 UB8 3PH；3. 廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004)

近年來，為了應對越來越嚴重的空氣污染，排放法規(guī)不斷加嚴，迫使發(fā)動機研究者和制造商在發(fā)動機設(shè)計的各個領(lǐng)域進一步優(yōu)化燃燒系統(tǒng)．在現(xiàn)代柴油機的燃燒系統(tǒng)設(shè)計中，為了提高燃料的轉(zhuǎn)換效率并降低發(fā)動機的排放，需要對活塞的幾何結(jié)構(gòu)、缸內(nèi)的空氣流動、噴油策略和噴油器噴嘴的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[1]．為了在發(fā)動機效率和排放之間尋求最佳平衡，將噴油器與活塞進行良好的匹配．由于噴孔直徑、噴孔數(shù)、噴孔布置和噴霧錐角等參數(shù)直接影響燃油的霧化、蒸發(fā)，進而影響空氣與燃油的混合過程[2]．為了減小噴霧液滴的尺寸，噴嘴孔徑趨于減?。辉谳^高的噴射壓力下，使用較小的噴孔直徑可減小燃油貫穿距，從而避免液體燃油撞擊氣缸壁．使用較小的噴孔直徑還能增強燃油霧化和增加空氣夾帶等，這些都有助于提高空氣與燃油的混合，從而形成更均勻的混合氣，最終降低碳煙排放和燃油消耗，但同時會增加氮氧化物的排放．然而，較小的噴孔直徑會增加噴油持續(xù)時間，且難以獲取足夠高的噴油速率并導致燃燒效率降低，因而必須通過增加噴射壓力來提高噴油速率．增加噴孔的數(shù)量會使噴射的油束重疊，顆粒排放增加．有研究顯示，直徑較小的噴孔對應的噴孔數(shù)量越多，會造成噴射的穿透性下降，影響空氣與燃油的混合質(zhì)量，從而不利于提升重載柴油機的指示熱效率．

噴孔截面面積是噴嘴結(jié)構(gòu)的一個重要特征，因為它對噴嘴內(nèi)部流場特性以及噴嘴上的空化現(xiàn)象和湍流的演變具有重要影響[3]．與圓柱孔形狀相比，K形噴孔(錐形噴孔)具有噴射角小、穿透力強、噴射速度高和噴射特性穩(wěn)定等優(yōu)點．Benajes等[4]研究了兩種不同噴嘴孔形狀(圓柱形和錐形)的流動特性表明，錐形噴嘴比圓柱形噴嘴具有更高的流量系數(shù)．研究還發(fā)現(xiàn)，由于空化現(xiàn)象的出現(xiàn)，高噴射壓力下的流動潰滅(flow collapsing)只發(fā)生在圓柱形噴嘴處．Desantes等[5]分析了噴嘴錐度對空化形成的影響表明，增大K因子值(K系數(shù))可以有效降低空化出現(xiàn)的可能性．研究還表明，錐形噴嘴在減少點火延遲的同時，由于霧化增強和更好的空燃混合，在減少碳煙排放方面具有潛力．但由于擴散燃燒水平較高，其產(chǎn)生了較高的氮氧化物排放量[6]．Kong等[7]對K形噴孔進行了升級，即在K形噴孔基礎(chǔ)上對噴孔入口加工了一個相對較大的圓形邊緣，形成Ks噴孔，其優(yōu)點是在進口段可以更高效地將燃油壓力轉(zhuǎn)化為噴霧速度，并可以減少油束在噴孔下游的流動分離．

許多研究還表明，燃燒室、渦流比和噴油器之間存在一個最佳組合，可以最大限度地提高燃油效率并降低發(fā)動機廢氣排放．因此，有必要對噴孔的幾何形狀進行研究，使噴孔與燃燒室達到最佳匹配．筆者在裝有高壓共軌系統(tǒng)的單缸重載柴油機上進行了試驗，分析噴孔直徑、噴孔形狀和噴霧錐角等幾何參數(shù)對發(fā)動機燃燒、排放和效率的影響，并根據(jù)發(fā)動機NOx排放量和歐Ⅵ法規(guī)NOx限值估算了選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)中尿素消耗量，進行了發(fā)動機總體效率分析，以確定總液體消耗最低的噴油嘴幾何結(jié)構(gòu)．

1 試驗建立

1.1 臺架及發(fā)動機參數(shù)

在單缸重載柴油機試驗臺上開展了試驗，測試臺架如圖1所示．壓縮空氣由帶有閉環(huán)控制的AVL 515滑片壓縮機組供應，該機組與電機相連．用熱式質(zhì)量流量計測量進氣質(zhì)量流量．在進氣和排氣系統(tǒng)中安裝了兩個大的緩沖罐，以抑制由于發(fā)動機的氣體交換引起的進氣和排氣歧管中的壓力波動．同時還安裝了兩個壓力傳感器來測量進氣和排氣口的瞬時壓力．進氣歧管壓力由進氣節(jié)流閥微調(diào)，而排氣背壓則通過位于排氣緩沖罐下游的蝶閥獨立控制．燃油質(zhì)量流量則是通過兩個Coriolis流量計分別測量燃油系統(tǒng)供應的總?cè)加土髁亢蛷母邏河捅眉皣娪推骰亓骰貋淼娜加土髁?，最終發(fā)動機消耗的燃油流量為這兩個燃油質(zhì)量流量計測得的流量之差．

圖1 試驗臺架示意Fig.1 Schematic diagram of test bench

從圖1中還可知，瞬時缸內(nèi)壓力通過采樣間隔最小為0.25°CA的壓電式壓力傳感器測量．采集的200個發(fā)動機循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)經(jīng)過電荷放大器記錄和進行平均，然后用于放熱率(HRR)計算，即

式中：γ為發(fā)動機比熱比，研究中默認為常量，取值為1.33；p和V分別為發(fā)動機缸內(nèi)壓力和容積；θ為發(fā)動機的曲軸轉(zhuǎn)角．

排放測試使用Horiba排放分析儀測量廢氣(NOx、HC、CO2和CO)．為了進行高壓取樣并避免冷凝，在排氣取樣點和排放分析儀之間使用了高壓取樣模塊和加熱管．使用AVL 415SE煙度計在排氣背壓閥下游測量煙度，然后根據(jù)文獻[8]將測得的煙度數(shù)FSN轉(zhuǎn)化為以mg/m3表示．最后根據(jù)文獻[9]將所有測得的排放轉(zhuǎn)化為以凈指示氣體排放表示．

研究用發(fā)動機是根據(jù)玉柴K系列柴油機改裝的單缸柴油機，其中燃燒室形狀為縮口ω型，進氣方式采用基于螺旋氣道的強渦流氣流運動形式．其基本參數(shù)如表1所示．

表1 發(fā)動機基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of engines

1.2 試驗設(shè)計方案說明

表2為5個噴油器基本參數(shù)，開展了試驗設(shè)計方案(design of experiment，DOE)研究分析，它們具有不同的燃油質(zhì)量流量、噴嘴孔結(jié)構(gòu)布置和噴霧錐角．其中噴嘴孔結(jié)構(gòu)布置如圖2所示．圖2a為圓柱形狀的噴孔；圖2b為帶倒角的K噴孔；圖2c為錐形噴孔，在K噴孔基礎(chǔ)上加大倒角幅度．

表2 噴油器基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of injectors

圖2 不同噴油器噴孔形狀對比Fig.2 Comparison of different nozzle hole-shapes

選擇圓柱形和Ks噴孔進行試驗對比．其中Ks噴孔的錐度大小定義為K因子，如公式(2)所示．

式中：Din為噴孔內(nèi)孔直徑；Dout為噴孔外孔直徑；L為噴孔的長度．

試驗工況從歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)中選擇6個工況點進行，如表3所示．通過比較5個不同噴嘴幾何結(jié)構(gòu)噴油器的測試結(jié)果，從發(fā)動機性能和排放方面找出最佳的噴油器．

表3 發(fā)動機運行工況Tab.3 Operation conditions of engines

在表3中的每個工況點，進行兩種不同的噴射壓力下的單次噴射，噴油壓力pinj分別為130MPa和170MPa；在最大缸內(nèi)壓力限值180MPa的范圍內(nèi)，通過噴油正時(SOI)掃點的方式進行試驗尋優(yōu)，獲得最低燃油消耗率，同時分析噴油器在不同工況和不同噴油策略下對發(fā)動機經(jīng)濟性和排放的影響．

2 結(jié)果分析

2.1 噴嘴形狀的影響

通過對燃燒相關(guān)指標分析表2的圓柱噴孔(噴油器5)和Ks噴孔(噴油器3)的差異，圖3顯示了所有測試點的著火延遲，其中著火延遲定義為噴油時刻至燃燒放熱量累積5%這段期間對應的曲軸轉(zhuǎn)角．從圖3中可以看出，Ks孔噴油器的著火延遲比圓柱孔噴油器的著火延遲要短．這是由于Ks孔的流量系數(shù)較高，空化的可能性較小[10]，從而增強了噴射燃料的霧化穩(wěn)定性，使燃油霧化質(zhì)量提升，從而改善缸內(nèi)空氣與燃油的混合效果，放熱始點提前．

圖3 著火延遲對比Fig.3 Comparison of ignition delay

圖4 為發(fā)動機在相同噴油正時下改變?nèi)加蛧娚鋲毫r兩個不同噴孔形狀的噴油器在1147r/min、50%負荷工況下的缸內(nèi)壓力和放熱率對比．Ks孔噴油器導致較短的著火滯燃期使燃燒始點提前，從而增加壓力升高率．但由于預混燃燒程度較低，導致放熱速率的峰值較低．另外，噴射壓力增加能改善空燃混合，帶來更高的放熱率峰值．

圖4 兩種噴油器在50%負荷和1147r/min時燃燒特征分析Fig.4 Combustion characteristic analysis for the two injectors with 50% load and 1147r/min

圖5顯示了在1147r/min、50%負荷下兩種噴油器在不同SOI下的發(fā)動機性能．與圓柱孔相比，Ks孔在恒定SOI和噴射壓力下指示燃油消耗率(ISFC)較佳．這主要是因為當燃料轉(zhuǎn)換效率提高時，發(fā)動機維持相同的功率輸出所需的燃油噴射量減少，從而過量空氣系數(shù)較高．同時還可以看到較高的過量空氣系數(shù)和較早的燃燒有助于降低排氣溫度．因此，Ks孔噴油器中更快速的燃燒導致更高效的燃油轉(zhuǎn)化和更低的傳熱損失，最終Ks孔噴油器比圓柱孔噴油器的指示熱效率平均提高了1.6%．此外，提前噴油結(jié)合高噴射壓力有助于提高指示熱效率，從而降低燃油消耗率，這是由于改善了混合氣的質(zhì)量和提高了預混燃燒的程度．但是噴射壓力對兩種噴油器在燃油消耗率上的影響基本相似．

圖5 兩種噴油器在50%負荷和1147r/min時性能指標Fig.5 Performance index for the two injectors with 50%load and 1147r/min

圖6 為兩種噴油器在不同噴射壓力和噴油提前角下的廢氣(NOx、soot和HC和CO)排放．所有的方案均顯示，提前噴油和提高噴射壓力均能降低soot排放，但NOx排放會顯著增加．與圓柱孔相比，Ks孔形狀噴油器的碳煙排放較低，且對噴油正時和噴射壓力的敏感性也較低．這是因為Ks孔能增強空氣燃料混合和具有更高的過量空氣系數(shù)．在給定的噴油正時下，Ks孔的NOx排放量略低于圓柱孔噴油器，這是由于預混燃燒程度相對較低導致燃燒溫度峰值較低所致．噴油正時和噴射壓力的變化對HC的排放影響不大；但與圓柱孔噴油器相比，Ks孔噴油器增加了HC排放．這可能是因為當量比較低、火焰淬火風險較高以及廢氣溫度降低，這使得HC在后期燃燒過程中氧化程度降低[8]．

圖7為6個測試點采用相同的噴油正時和噴射壓力下Ks孔噴油器和圓柱孔噴油器在燃油消耗率和排放方面所取得的效益．整體來看，兩種噴油器的NOx排放差別不大．Ks孔噴油器在較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，NOx排放略有降低，而在較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，NOx排放有所增加．但在所有工況下，使用Ks孔噴油器均可顯著降低碳煙排放．這主要是由于Ks孔噴油器具有更好的燃油霧化和更高的過量空氣系數(shù)[9]．Ks孔噴油器在大多數(shù)測試點對應的燃油消耗率都有所降低，這是因為搭配Ks孔噴油器的發(fā)動機混合氣質(zhì)量提升，燃燒過程加快，燃燒溫度和廢氣溫度降低，從而改善了燃燒質(zhì)量和降低了傳熱損失．因此，確定了Ks孔形狀的噴油器為最佳噴油器，在后續(xù)研究中將進一步優(yōu)化其各項參數(shù)．

圖7 排放與燃油消耗率對比Fig.7 Comparison of emission and fuel consumption

2.2 噴孔直徑的影響

排放污染物與燃油噴射特性，特別是瞬時燃油流量、噴霧的演變及其與燃燒室內(nèi)與新鮮空氣的相互作用有著密切的關(guān)系[11]．對具有不同噴油器流量(即不同孔徑)的兩個Ks孔噴油器(即表2中噴油器1和3)進行了比較．噴油器流量越高，表明噴嘴孔直徑越大．

圖8顯示了兩個不同燃油流量的噴油器在1147 r/min和50%負荷時缸內(nèi)壓力和放熱率變化情況．噴油器流量減小(孔徑減小)時，燃燒提前，這是因為較小孔徑噴射的液滴較小，其霧化、蒸發(fā)和混合速度更快，形成可燃混合物所需的時間較短．結(jié)果表明：油、氣混合速度加快，預混燃燒比例減少，放熱率峰值越低；而更早的放熱導致缸內(nèi)壓力峰值更高．

圖8 不同燃油流量在50%負荷和1147r/min時缸內(nèi)壓力和放熱率Fig.8 Cylinder pressure and heat release rate of the injector with 50% load and 1147r/min atdifferent fuel flow rates

圖9顯示不同噴射壓力和提前角下噴油器流量對發(fā)動機性能的影響．相對較大流量噴油器的燃油消耗率更低，指示效率更高，排溫更低，過量空氣系數(shù)更大．這是因為較大的噴孔會產(chǎn)生較長的燃油貫穿距和較短的噴射持續(xù)時間，燃油噴射持續(xù)期的縮短能在一定程度上延長燃油與空氣的混合時間，從而使燃油與空氣混合更加充分．另外，噴油持續(xù)期短能減短燃燒持續(xù)期，較大的過量空氣系數(shù)使缸內(nèi)平均燃燒溫度較低，從而降低氣缸壁的熱損失，也會進一步改善燃油消耗率[12]．

圖9 不同燃油流量在50%負荷和1147r/min時性能對比Fig.9 Performance comparison of the engine with 50% load and 1147r/min at different fuel flow rates

圖10 顯示了在不同噴射壓力和噴油正時下不同方案的排放對比．小流量噴油器的NOx排放較低，主要是噴油持續(xù)期延長導致燃燒持續(xù)期更長，燃燒重心靠后，燃燒溫度降低．而小流量噴油器的噴霧粒徑更小，同時小流量噴油器更小的噴霧貫穿距有利于減小燃油撞壁風險，這些因素都有利于減少碳煙生成．另外，小流量噴油器的HC排放顯著降低，是因為小流量噴孔貫穿距離段，噴霧顆粒小，霧化效果好，因而點火延遲短；并且可以減少局部過稀的混合氣，這是產(chǎn)生未燃HC排放的主要來源．

圖10 不同燃油流量在50%負荷和1147r/min時排放對比Fig.10 Emission comparison of the injector with 50% load and 1147r/min at different fuel flow rates

圖11為兩種噴油器研究的6個工況下的性能及排放對比．大流量噴油器在燃油消耗率方面占優(yōu)，在排放上的表現(xiàn)整體不如小流量噴油器．

圖11 兩種噴油器的NOx和soot排放及ISFC比較Fig.11 Comparison of NOx，soot，and ISFC for the two injetors

2.3 噴孔噴霧錐角影響

噴油器凸出高度可以通過安裝在噴油器和氣缸蓋之間的墊圈進行調(diào)整，墊圈越厚噴油器伸出量越?。治隽藝婌F錐角與墊圈厚度對性能及排放的影響，探索各噴油器的最佳墊圈厚度，以使其與燃燒室和所采用的噴射策略相匹配．

為了更好地確定每個噴油器的最佳墊圈厚度，繪制了3個噴油器(即表2中噴油器2～4)的發(fā)動機指示熱效率廢氣排放隨墊圈厚度的變化，如圖12所示．結(jié)果表明，噴射錐角越大，結(jié)合使用較薄的墊圈厚度來提高噴射器的突出高度，獲得更好的發(fā)動機指示熱效率和更低的廢氣排放，反之亦然．

圖12 不同墊圈厚度下的排放及性能對比Fig.12 Comparison of emission and performance of the engine under different washer thicknesses

2.4 發(fā)動機總效率分析

重型柴油機SCR系統(tǒng)中尿素水溶液的消耗必須作為用戶使用成本進行考慮，需將燃油消耗量與尿素消耗量終合考慮，即得到發(fā)動機總效率指標．在噴油器幾何形狀的研究中，對發(fā)動機總體效率進行分析，以確定獲得最低總液體消耗的最佳噴油器配置．

根據(jù)文獻[13—15]，SCR系統(tǒng)中的尿素消耗量murea可估算為每g/(kW·h)氮氧化物還原所需的柴油當量燃料流量 mdiesel的1%，以滿足歐Ⅵ對NOx排放的限值NOxⅥ(0.4g/(kW·h))，即

式中：N Oxout為發(fā)動機NOx排放．

由于不同國家和地區(qū)的柴油和尿素的相對價格不同，假定尿素的價格與柴油相同．將柴油燃油消耗率加上尿素的估算使用量murea，即可計算出總的液體消耗量mtotal．

通過公式(5)可算出總的熱效率NIEcorr．

式中：Pi為凈功率；柴油低熱值LHVdiesel＝42.9MJ/kg．

圖13全面評估了3個搭配不同噴霧錐角的噴油器分別在50%和100%負荷下對總液體消耗量和總效率的影響．工況點為50%負荷時總液體消耗量明顯偏低，而工況點為100%負荷時總液體消耗量明顯偏高．這是因為隨著負荷的增大，柴油消耗量增多同時原排NOx生成增加，最終導致尿素消耗量增大，因而總液體消耗量在100%負荷時明顯比50%負荷大．噴霧錐角為146°和153°的噴油器可降低總液體消耗，并提高總效率．這是由于最小噴霧錐角噴油器的NOx排放較低．當在發(fā)動機滿負荷下進行比較時，最小噴霧錐角的噴油器在降低NOx排放和總?cè)加拖穆史矫姹憩F(xiàn)出更大的潛力，從而導致NIEcorr的增加．

圖13 50%和100%負荷下的總液體消耗量和總效率分析Fig.13 Analyses of total fluid consumption and overall efficiency at 50% and 100% loads

在合適的噴油器墊圈厚度下，優(yōu)化噴霧錐角有可能改善NIEcorr以及總的液體消耗量，降低發(fā)動機的運行成本．根據(jù)研究結(jié)果確定了噴霧錐角為146°結(jié)合墊圈厚度為2.0mm時的噴油器為實現(xiàn)缸內(nèi)和后處理NOx排放控制最佳平衡的最優(yōu)噴油器結(jié)構(gòu)．

3 結(jié)論

(1) 相對于圓柱孔噴嘴，由于Ks孔噴嘴的燃油霧化效果更佳，且具有更高的流量系數(shù)及更長的貫穿距，導致燃油與空氣混合更加充分，從而使得燃油消耗量和顆粒排放更低，但NOx排放略高．

(2) 與小流量噴油器(小孔徑)相比，更高流量(較大孔徑)噴油器能達到更低的燃油消耗率，這是因為縮短了噴油持續(xù)期，并具有更大的貫穿距；但同時燃油液滴增大，霧化效果變差；更長的噴射距離生成更強的液滴霧化沖擊以及較差的空氣利用，導致大流量噴嘴產(chǎn)生較高的碳煙排放．

(3) 噴嘴凸出高度顯著影響噴射燃油與燃燒室的相互作用，從NOx-soot和NOx-ISFC角度考慮，大噴霧錐角需要匹配更大的凸出高度，小噴霧錐角則需要小的凸出高度．

(4) 在噴孔幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，發(fā)現(xiàn)噴油正時和噴射壓力影響顯著，噴油正時可以改變噴油時刻活塞在缸內(nèi)的位置，而噴射壓力對噴油油束的穿透力有很大影響．

(5) 發(fā)動機整體效率分析表明，最小噴射角為146°且墊圈厚度為2.0mm，結(jié)合Ks孔布局和1.7L/min流量的噴油器，可實現(xiàn)較低的氮氧化物排放，從而達到最低的總液體消耗量和較高的總效率，有助于最大限度地降低發(fā)動機的總運行成本．