崔慧峰,廖善彬, 梁 昱,周立迎

(1.江鈴汽車股份有限公司,江西 南昌 330001；2.貴陽學(xué)院 機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

噴孔形狀對柴油機性能影響的試驗研究

崔慧峰1,廖善彬1, 梁 昱2,周立迎2

(1.江鈴汽車股份有限公司,江西 南昌 330001；2.貴陽學(xué)院 機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

以一臺2.5L柴油機為依托，在發(fā)動機性能試驗臺架上，對比研究了配備具有相同流量的漸縮形噴孔噴嘴和圓柱形噴孔噴嘴發(fā)動機經(jīng)濟性和排放性的差異。試驗結(jié)果顯示：在較高轉(zhuǎn)速及較高負(fù)荷下，相比于圓柱形噴孔噴嘴，漸縮形噴孔噴嘴具有一定的油耗和Soot排放優(yōu)勢，但隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的降低，上述優(yōu)勢逐漸減弱；漸縮形噴孔噴嘴的Soot排放對EGR率變化的敏感度要弱于圓柱形噴孔噴嘴；不管是漸縮形噴孔噴嘴還是圓柱形噴孔噴嘴，隨著EGR率的升高，NOx排放基本上均是呈線性降低的，但EGR率相同時，漸縮形噴孔噴嘴的NOx排放均是略高于圓柱形噴孔噴嘴的。該研究結(jié)果可為柴油機油嘴的匹配選型提供試驗和理論指導(dǎo)。

漸縮形噴孔；圓柱形噴孔；柴油機；試驗；經(jīng)濟性；排放性

0 前言

噴油器作為燃油噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性具有重要影響。隨著柴油機排放法規(guī)的日益嚴(yán)格及燃油經(jīng)濟性要求的逐步提高，在噴油壓力逐步增加及噴孔結(jié)構(gòu)尺寸逐步減小的情況下，噴嘴幾何參數(shù)對燃油的噴射、霧化、蒸發(fā)、混合、燃燒及排放的影響及其影響規(guī)律的試驗和數(shù)值模擬研究，日益受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視[1-5]。

噴油器k系數(shù)表征的是噴孔橫截面積沿其軸向上的變化情況，是噴油器的主要幾何參數(shù)之一，可定義如下[6]：

(1)

對于k系數(shù)大于0的漸縮形噴孔噴嘴，國內(nèi)外已對其進行過較多研究：J.Benajes等[7]實驗研究了漸縮型噴孔對共軌燃油噴射系統(tǒng)噴油速率的影響；R.Payri等[8]試驗研究了漸縮型噴孔內(nèi)的空穴對燃油噴射的影響；J.Dernotte等[9]試驗研究了燃油密度和粘度對漸縮型噴孔流動特性的影響；Sibendu Soma等[10]通過數(shù)值模擬的方法研究了漸縮型噴孔對燃油噴射、柴油機燃燒及排放的影響；王啟航和張克文[11]通過數(shù)值模擬的方法研究了噴嘴進口壓力對漸縮型噴孔內(nèi)燃油流動的影響；夏興蘭等[12]通過數(shù)值模擬的方法分析了k系數(shù)的不同對噴孔內(nèi)空穴分布及流速分布的影響。但在通過試驗的方法進行漸縮形噴孔噴嘴對發(fā)動機性能影響的試驗研究方面，相關(guān)報道還較少。

為此，本文以一臺2.5L柴油機為依托，進行了流量、孔數(shù)及油束夾角等均相同而孔徑不同的漸縮形噴孔噴嘴和圓柱形噴孔噴嘴的發(fā)動機性能試驗，系統(tǒng)研究了漸縮形噴孔噴嘴對發(fā)動機性能的影響，并與圓柱形噴孔噴嘴進行了對比分析。

1 試驗裝置及方法

試驗發(fā)動機為一臺2.5L缸內(nèi)直噴、高壓共軌、增壓中冷的四缸柴油機，臺架布置示意如圖1所示(試驗進行過程中，需對進排氣側(cè)的二氧化碳同時測試，下圖所示臺架示意圖未示出進氣側(cè)二氧化碳測試通道)。

圖1 臺架布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test bench

試驗用噴油器主要參數(shù)如表1所示(圓柱形噴孔噴嘴簡記K0噴嘴、漸縮形噴孔噴嘴簡記Ks噴嘴)。

表1 試驗噴嘴主要參數(shù)Tab.1 Main geometric parameters of experimental nozzles

對于兩種噴油器，在任一工況點，通過臺架的設(shè)置、EGR閥開度的調(diào)節(jié)、進氣量和循環(huán)噴油量的閉環(huán)控制，來確保發(fā)動機相同的轉(zhuǎn)速及功率和扭矩的輸出，并得到試驗所需的EGR率。為系統(tǒng)了解配備漸縮形噴孔噴嘴和圓柱形噴孔噴嘴發(fā)動機性能的差異，本文在不同的轉(zhuǎn)速、不同的負(fù)荷及不同的EGR率下，對柴油機較為關(guān)注的BSFC、Soot排放和NOx排放進行了較為全面的測試。

2 計算結(jié)果對比分析

2.1 有效燃油消耗率的對比

圖2所示為不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下Ks油嘴和K0油嘴有效燃油消耗率隨EGR率變化的對比情況。從圖中可以看出，在較高轉(zhuǎn)速、較大負(fù)荷下，對于一定范圍內(nèi)相同的EGR率，Ks油嘴的有效燃油消耗率均是低于K0油嘴的；但隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的降低，上述改善優(yōu)勢逐漸減弱；對于較低的負(fù)荷及較低的轉(zhuǎn)速，兩種油嘴的有效燃油消耗率基本相當(dāng)。即：在中高轉(zhuǎn)速及中大負(fù)荷運行工況下，相比于K0油嘴，Ks油嘴具有一定的燃油消耗率優(yōu)勢。

a)3000rpm65%負(fù)荷

b)2500rpm50%負(fù)荷

c)2000rpm37.5%負(fù)荷

d)1500rpm25%負(fù)荷 圖2 有效燃油消耗率的對比Fig.2 BSFC comparisons between ConN and CylN

2.2 Soot排放的對比

圖3所示為不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下Ks油嘴和K0油嘴Soot排放隨EGR率變化的對比情況。從圖中可以看出，任一工況下，Ks油嘴的Soot排放對EGR率變化的敏感度均弱于K0油嘴，即隨著EGR率的變化，Ks油嘴的Soot排放是較K0油嘴穩(wěn)定的。同時，與上述規(guī)律相一致，在任一運行工況下，隨著EGR率的提高，Ks油嘴較K0油嘴對Soot排放的改善程度逐漸提高。從圖3還可看出，在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷運行工況點，Ks油嘴較K0油嘴對Soot排放的改善程度是較為明顯的，但隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的降低，上述改善程度逐漸減弱；對于低速低負(fù)荷運行工況點，當(dāng)EGR率較小時，Ks油嘴和K0油嘴的Soot排放是基本相當(dāng)?shù)?，只有EGR率較高時，Ks油嘴較K0油嘴對Soot排放的改善才漸趨明顯。

a)3000rpm65%負(fù)荷

b)2500rpm50%負(fù)荷

c)2000rpm37.5%負(fù)荷

d)1500rpm25%負(fù)荷 圖3 Soot排放的對比Fig.3 Soot comparisons between ConN and CylN

2.3 NOx排放的對比

圖4所示為不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下Ks油嘴和K0油嘴NOx排放隨EGR率變化的對比情況。從圖中可以看出，任一工況下，不管是Ks油嘴還是K0油嘴，隨著EGR率的升高，NOx排放基本上均是呈線性降低的。同時，任一工況下，當(dāng)EGR率相同時，Ks油嘴的NOx排放均略高于K0油嘴。但與負(fù)荷和轉(zhuǎn)速對Ks油嘴和K0油嘴有效燃油消耗率差異及Soot排放差異影響規(guī)律不同的是，負(fù)荷和轉(zhuǎn)速對Ks油嘴和K0油嘴NOx排放差異的影響并沒有呈現(xiàn)出較為明顯的變化規(guī)律。

a)3000rpm65%負(fù)荷

b)2500rpm50%負(fù)荷

c)2000rpm37.5%負(fù)荷

d)1500rpm25%負(fù)荷 圖4 NOx排放的對比Fig.4 NOx comparisons between ConN and CylN

3 結(jié)論

以一臺2.5L柴油機為依托，在發(fā)動機性能試驗臺架上，進行了具有相同流量的Ks油嘴和K0油嘴的性能試驗，由對比分析可知：

(1)在中高轉(zhuǎn)速及中大負(fù)荷運行工況下，相比于K0油嘴，Ks油嘴具有一定的燃油消耗率優(yōu)勢，但隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的降低，上述改善程度逐漸降低。

(2)Ks油嘴的Soot排放對EGR率變化的敏感度是弱于K0油嘴的；在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷運行工況點，Ks油嘴較K0油嘴對Soot排放的改善程度是較為明顯的，但隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的降低，上述改善程度也是逐漸降低的。

(3)不管是Ks油嘴還是K0油嘴，隨著EGR率的升高，NOx排放基本上均是呈線性降低的。但相同工況下對于相同的EGR率，Ks油嘴的NOx排放是略高于K0油嘴的。

[1]崔慧峰，羅福強，董少鋒，等. 柴油機漸縮形噴孔噴嘴流動特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2013,44 (11): 19-25.

[2]鄭躍偉，崔慧峰. 基于CFD的柴油機漸擴形噴孔噴嘴空穴流動特性研究[J]. 內(nèi)燃機, 2015(2): 18-22.

[3]J.M. Desantes, J.M. García-Oliver, J.M. Pastor, J.G. Ramírez-Hernández. Influence of nozzle geometry on ignition and combustion for high-speed direct injection diesel engines under cold start conditions[J]. Fuel, 2011 (90):3359-3368.

[4]Dong Q et al. Spray characteristics of V-type intersecting hole nozzles for diesel engines[J]. Fuel (2012),http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2012.07.021.

[5]R. Payri, F.J. Salvador, J. Gimeno, J. de la Morena. Effects of nozzle geometry on direct injection diesel engine combustion process[J]. Applied Thermal Engineering, 2009(29): 2051-2060.

[6]胡林峰，夏興蘭，郭立新. 噴油嘴偶件內(nèi)部流動特性的研究[J]. 現(xiàn)代車用動力, 2009(4): 7-13.

[7]J. Benajes, J. V. Pastor, R. Payri, A. H. Plazas. Analysis of the Influence of Diesel Nozzle Geometry in the Injection Rate Characteristic[J]. Journal of Fluids Engineering, 2004(126): 63-71.

[8]R. Payri, J.M. Garc?′a, F.J. Salvador, J. Gimeno. Using spray momentum flux measurements to understand the influence of diesel nozzle geometry on spray characteristics [J]. Fuel, 2005(84): 551-561.

[9]J. Dernotte, C. Hespel, F. Foucher et al. Influence of physical fuel properties on the injection rate in a Diesel injector[J]. Fuel, 2012 (96): 153-160.

[10]Sibendu Soma, Anita I. Ramirez, Douglas E. Longman, Suresh K. Aggarwal. Effect of nozzle orifice geometry on spray, combustion, and emission characteristics under diesel engine conditions[J]. Fuel, 2011 (90):1267-1276.

[11]王啟航, 張克文. K系數(shù)噴油嘴噴孔內(nèi)氣液兩相流動的三維模擬[J]. 柴油機設(shè)計與制造, 2009, 16(4): 173-178.

[12]夏興蘭, 郭立新, 楊海濤, 許喆. 共軌噴油器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃油流動和噴霧特性的影響[C]. ENERGY, 2010, 35 (6): 2484-2492.

Experimental Study on Effect of Nozzle Hole Shapes on Diesel Performances

CUI Hui-feng1，LIAO Shan-bin1，LIANG Yu2，ZHOU Li-ying2

(1. Jiangling Motors Co., Ltd., Nanchang，330001，China;2. School of Mechanical Engineering, Guiyang University ，Guiyang ，550005，China)

With a 2.5L diesel engine, a lot of diesel performance experiments were carried out on test bench under different operating conditions, and the economy performances and the emission performances of the engines equipped with convergent hole nozzle (ConN) and cylindrical hole nozzle (CylN) were analyzed. The results show that: the BSFC and the Soot of ConN are better than those of CylN under higher speed and higher load, but with the increase of engine speed and engine load, the above advantages of ConN are decreased gradually. For ConN, meanwhile, the EGR sensitivity of the Soot emission is weaker than that of CylN. With the increasement of the EGR rate, the NOx is reduced linearly for both of ConN and CylN, but for the same EGR rate, the NOx emission of ConN is higher than that of CylN. This study could provide experimental and theoretical guidance for nozzle selecting and matching of diesel engine.

convergent hole; cylindrical hole; diesel; experiment; economy performance; emission performance

2016-09-13

江鈴汽車股份有限公司經(jīng)濟型共軌項目(項目編號：A112022)；國家自然科學(xué)基金項目：“乙醇-柴油雙直噴發(fā)動機混合氣形成與燃燒機理研究”(項目編號：51366002)。

崔慧峰(1984-)，男，河南平頂山人，中級工程師、博士。主要研究方向：發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

TK423

A

1673-6125(2016)04-046-04