陳 杰，胡啟坤，黃加亮，2

（1. 集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門361021；2. 福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門361021）

噴油器孔徑對柴油機燃燒和排放性能影響的試驗研究

陳 杰1，胡啟坤1，黃加亮1，2

（1. 集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門361021；
2. 福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門361021）

結(jié)合油泵試驗臺和濟南柴油機廠4190ZLC型船用柴油機臺架試驗，研究了噴油器孔徑（0.30mm，0.28mm，0.26mm）對電控組合泵燃油噴射性能、柴油機經(jīng)濟性能和排放性能影響。試驗結(jié)果表明：隨著噴油器噴孔直徑的減小，燃油噴油速率降低，噴射壓力增大，噴油持續(xù)期增大，最低燃油消耗率對應(yīng)的噴油正時提前，燃油消耗率增加，NO x排放濃度降低，CO排放濃度明顯升高。試驗結(jié)果可為柴油機燃油噴射系統(tǒng)改進提供參考。

柴油機臺架試驗；噴油器孔徑；燃燒性能；排放性能

0　引 言

隨著石油能源危機和環(huán)境污染問題的日趨嚴重，相關(guān)法規(guī)對柴油機的經(jīng)濟性和排放性能提出了越來越高的要求。柴油機排放的污染物主要為NO x和碳煙微粒［1］。在諸多因素中，燃油噴射系統(tǒng)是影響柴油機NO x和碳煙微粒排放量重要的因素之一［2］。噴油器是連接燃油噴射系統(tǒng)和燃燒室的重要部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃油噴射壓力、燃油與空氣的混合程度有很大影響，直接影響到柴油機的燃燒和排放性能［3-5］。因此，對噴油器結(jié)構(gòu)尺寸的研究是柴油機燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化改進的重要內(nèi)容［6］。試驗中將4190ZLC型船用中速柴油機機械噴射泵改為EP1000型電控組合泵。通過臺架試驗，找出噴油器孔徑對柴油機燃燒與排放性能的影響規(guī)律。

1　研究方法和試驗裝置

試驗對象為廢氣渦輪增壓的四沖程直噴式柴油機，經(jīng)實驗室改造后，原機械噴油泵換成了成都威特EP1000型電控組合泵。在油泵試驗臺上進行燃油噴射系統(tǒng)噴射特性試驗；在柴油機臺架試驗時，開展燃油噴射系統(tǒng)的匹配與標定優(yōu)化研究。噴油規(guī)律測量在6PSDW 300油泵試驗臺上進行，該試驗臺采用EFS8427電磁閥驅(qū)動模塊和IFR600瞬時油量測量儀。試驗臺組成見圖1（a）。試驗參數(shù)：柱塞直徑選用13mm，凸輪型線速度選用0.46mm/°CA，高壓油管的長度為900mm，內(nèi)徑為1.8mm，噴油器噴孔數(shù)為8個；噴孔直徑分別為0.26mm，0.28mm和0.30mm。

發(fā)動機試驗臺架上，高壓油管連接電控噴油泵，噴油器處均設(shè)置壓力傳感器，以測定高壓油管內(nèi)油壓。柴油機試驗臺架組成見圖1（b）。4190ZLC型柴油機主要參數(shù)見表1。

圖1　試驗臺架組成

表1　4190ZLC型柴油機相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2　試驗結(jié)果與分析

2.1噴油器通流面積對燃油噴射特性的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，分別對噴孔直徑為0.26mm，0.28mm及0.30mm的噴油器進行試驗。圖2為試驗測得的各噴孔直徑下的噴油規(guī)律和噴油壓力曲線。試驗結(jié)果表明：噴油器孔徑對噴油速率、泵端燃油壓力和嘴端燃油壓力有較大影響。由圖2（a）可知：在燃油噴射初期，噴油速率曲線基本重合，隨后曲線分離，且隨著噴孔直徑減小，噴油速率變??；0.30mm與0.26mm和0.28mm孔徑噴油器相比，燃油噴射速率明顯增大；試驗中各噴孔直徑的噴油器循環(huán)噴油量基本相同，隨噴孔直徑增大，噴油脈寬逐漸減小。這是因為在噴油初始時刻，針閥開啟量很小，針閥座面處節(jié)流是影響噴油速率的主要原因，造成了初期噴油速率曲線基本重合；隨后針閥開啟量增大，影響噴油速率的主要因素為噴孔節(jié)流，在噴油器孔數(shù)相同的情況下，孔徑越大，噴孔總通流面積越大，則噴油速率也越大，噴油脈寬越小。

圖2（b）和圖2（c）為不同噴孔直徑噴油器下的泵端和嘴端燃油壓力曲線。表2為不同噴孔直徑噴油器下的噴油持續(xù)期。從噴油器中噴出的燃油必須有較高的噴射壓力，才能夠形成霧化效果較好的油氣混合氣。由圖可知：噴油器孔徑對泵端與嘴端燃油壓力影響效果基本相同，最高噴射壓力均隨著孔徑的減小而增大，0.26mm孔徑噴油器噴油壓力變化明顯，噴射持續(xù)期也增長；泵端和嘴端燃油壓力高壓區(qū)域變化趨勢基本一致。額定工況下，噴油器孔徑為0.26mm時泵端和嘴端燃油噴射壓力最大，分別可達82.5MPa和82.1MPa，這是因為0.28mm和0.30mm孔徑噴油器與0.26mm孔徑噴孔噴油器相比，噴油器噴孔總通流面積分別增大了16%和33%，造成噴油壓力升高峰值較0.26mm孔徑低很多。由流體動力學(xué)可知，在噴油器其他參數(shù)不變的條件下，較小的噴孔直徑能夠獲得較高的噴射壓力，噴出的燃油粒徑變小，噴霧錐角也增大，油氣混合更均勻。但是孔徑減小也會使噴油持續(xù)時間變長［7］，后燃可能性增加，對柴油機經(jīng)濟性的提高產(chǎn)生不利影響。

圖2　不同噴孔直徑下的噴油速率和噴油壓力曲線

表2　噴孔直徑對噴油持續(xù)期的影響

2.2噴孔直徑對缸內(nèi)壓力及壓力升高率的影響

利用缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)可以分析柴油機的燃燒和動力性能的優(yōu)劣。對0.26mm，0.28mm和0.30mm孔徑噴油器下的柴油機燃燒性能進行測試。試驗利用DEWE-2010燃燒分析儀測量柴油機缸內(nèi)壓力，從中提取額定工況下 50個工作循環(huán)的氣缸壓力值；對曲線進行均化和光順處理，并采用多變指數(shù)法修正上止點，最終得到了各噴孔直徑下的缸內(nèi)壓力曲線。

圖3為不同噴孔直徑噴油器下的缸內(nèi)壓力和壓力升高率曲線。由圖3可知：隨著噴孔直徑的減小，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力和壓力升高率都增大，且峰值出現(xiàn)時刻提前。這是因為噴孔直徑越小，燃油噴射壓力越大，噴出的燃油油滴直徑越小，霧化效果就越好，滯燃期內(nèi)形成更多可燃混合氣，燃燒劇烈，缸內(nèi)壓力迅速升高。但是壓力升高率過大，運動部件所受沖擊負荷過大，也會造成柴油機工作粗獷，會縮短發(fā)動機壽命。

圖3　不同噴孔直徑下的缸內(nèi)壓力和壓力升高率曲線

2.3噴孔直徑對燃燒放熱率及燃燒溫度的影響

圖4為額定工況下不同噴孔直徑噴油器的燃燒放熱率和缸內(nèi)燃燒溫度曲線。由圖4可知：隨著噴孔直徑減小，燃燒放熱率增大，缸內(nèi)燃燒溫度的峰值也增大，峰值出現(xiàn)時刻提前。因為隨著噴孔直徑減小，噴油壓力增大，噴霧質(zhì)量改善，燃燒速度加快，滯燃期縮短，燃燒開始時刻提前，燃燒放熱率峰值增大，缸內(nèi)燃燒溫度也升高。但是，在高負荷時噴油量大，小孔徑噴油器會造成噴油脈寬大，燃燒持續(xù)期延長，后燃嚴重。

圖5為不同孔徑噴油器下增壓器后排氣溫度隨負荷變化的曲線。從圖5可知：在中低負荷時，噴油器噴孔直徑越小，排氣溫度越低；在高負荷時，噴油器噴孔直徑越小排氣溫度高。這是因為在中低負荷時，噴油量小，各孔徑噴油器的噴油持續(xù)期都短，燃燒溫度相對較低，而大孔徑噴油器的噴油速率高，大量燃油快速噴入缸內(nèi)，迅速霧化燃燒，造成缸內(nèi)燃燒溫度高，渦輪增壓器后的排氣溫度也高。隨著負荷升高，噴油量增大，小孔徑噴油器噴油持續(xù)期明顯加長，后燃現(xiàn)象嚴重，造成排氣溫度高。

2.4噴孔直徑對柴油機經(jīng)濟性的影響

圖6為在額定工況下不同噴孔直徑噴油器的燃油消耗率隨噴油定時變化曲線。從圖6可知：隨著噴孔直徑減小，經(jīng)濟性最佳噴油定時提前，0.26mm孔徑噴油器最佳噴油定時為31°，0.28mm孔徑為28°，0.30mm孔徑為27°；0.30mm孔徑最低時燃油消耗率為213.5g/kW·h。這是因為在額定工況下，噴油量大，大孔徑噴油器噴油速率高，大量的燃油在燃油噴射初期進入氣缸，此時氣缸內(nèi)過量空氣系數(shù)大，燃油能與空氣進行良好的混合，燃燒充分，燃油消耗率低，經(jīng)濟性好。

圖7為在50%Pb，75%Pb和100%Pb3種工況下，不同噴孔直徑噴油器的燃油消耗率隨負荷變化的對比曲線。由圖7可知：低負荷工況時，隨著噴孔直徑減小，燃油消耗率降低。這是因為在低負荷時，油氣混合效果主要受到噴油壓力影響，小孔徑噴油器的噴油壓力高，燃油霧化效果好，缸內(nèi)燃燒壓力高，進而燃油消耗率低。

圖4　不同孔徑噴油器下燃燒放熱率及缸內(nèi)溫度曲線

圖5　不同孔徑噴油器下增壓器后溫度隨負荷變化曲線

圖6　額定工況下不同孔徑噴油器燃油消耗率

圖7　不同工況下各孔徑噴油器燃油消耗率

2.5噴孔直徑對柴油機排放性能的影響

圖8為在50%Pb，75%Pb和100%Pb3種工況下，不同噴孔直徑噴油器的NO x和CO排放濃度隨負荷變化的對比曲線。由圖8（a）可知：高負荷工況時，隨著噴孔直徑增大，NO x濃度排放升高。這是因為在高負荷時，大孔徑噴油器的噴油速率高，噴油持續(xù)期短，進氣渦流成為影響油氣混合效果的主要因素，而且進氣量較大，氧氣濃度高，引起NO x排放濃度高。

由圖 8（b）可知：隨著負荷升高，各噴孔直徑噴油器下的 CO排放濃度均增大，且噴孔直徑越小，CO排放濃度越高。這是因為隨著負荷升高，噴油量增大，而燃燒持續(xù)時間隨著轉(zhuǎn)速增大而縮短，燃油在較短時間內(nèi)不能完全燃燒，所以CO排放濃度升高明顯；而且小孔徑噴油器的噴油持續(xù)期長，噴霧貫穿距小，混合氣集中在噴油器附近，造成后續(xù)燃油燃燒時O2不足，大量燃油未能參與燃燒，生成大量CO，經(jīng)濟性下降。

圖8　不同工況下各噴孔直徑噴油器NO x和CO排放濃度曲線

3　結(jié) 語

通過電控柴油機噴油器噴孔直徑改變的試驗來研究其對柴油機燃燒與排放特性的影響，分析結(jié)果表明：1） 噴油器噴孔直徑對燃油噴射特性影響較大，隨著噴孔直徑減小，噴油速率減小，噴油壓力增大；2） 小孔徑噴油器對缸內(nèi)氣體流動強度要求不高，但其噴油持續(xù)期過長，對提高柴油機經(jīng)濟性和排放性能不利；3） 不同孔徑噴油器燃燒排放特性隨柴油機工況變化較大，應(yīng)根據(jù)柴油機常用工況合理選取噴油器，以期在滿足排放要求的前提下獲得最佳經(jīng)濟性。

［1］ 司鵬鹍，陳貴升，王 鑫，等. 燃燒室和噴油器結(jié)構(gòu)對重型柴油機性能與排放的影響［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013， 44 （11）：12-18.

［2］ 張惠明，趙奎翰，樊久銘，等. 噴孔直徑對直噴式柴油機碳粒生成過程的影響［J］. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，1999，5（4）：408-415.

［3］ Tow T C， Pierpont D A， Reitz R D. Reducing particulate and NO x em issions by using multiple injections in a heavy duty D. I. diesel engine［C］//SAE Paper， 940897， 1994.

［4］ Pontoppidan M， Ausiello F， Bella G， et al. Study of the impact of variations in the diesel nozzle geometry parameters on the layout of multiple injection strategy［C］//SAE Paper， 2002.

［5］ 李華瑩，劉建敏，郭猛超. 噴嘴參數(shù)對柴油機噴油規(guī)律與性能的影響［J］. 中國工程機械學(xué)報，2012， 10（2）：242-247.

［6］ 李 琦，薛 陽，史德寶，等. 噴油正時對柴油機燃燒和排放性能影響的試驗分析［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)，2013， 35（8）：108-114.

［7］ 王 沛，劉福水，商海昆，等. 電控單體泵柴油機供油系統(tǒng)參數(shù)對排放特性的影響［J］. 內(nèi)燃機工程，2014 （6）： 42-46.

Experimental Study on the Influence of Nozzle Diameter on Diesel Engine Combustion and Em ission Performance

CHEN Jie1， Hu Qi-kun1， HUANG Jia-liang1，2

（1. Marine Engineering Institute， Jimei University， Xiamen， Fujian 361021；2. Fujian Provincial Key Laboratory of Naval Architecture and Ocean Engineering， Xiamen， Fujian 361021）

Based on the experiments on the oil pump test bench and the Jinan diesel engine factory 4190ZLC type marine diesel engine test bench， it studies the influence of nozzle diameter （0.30mm， 0.28mm， 0.26mm） on the electronically controlled pump oil injection performance， diesel engine economical performance and emission. The experiment results show that w ith the decrease of nozzle hole diameter， the injection rate decreases， the injection pressure increases， the duration of the injection extends， the injection tim ing corresponding to m inimum fuel consumption rate shifts ahead， the fuel consumption increases， the NO x emission density decreases and the CO emission density increases significantly. The experiment results may provide references for the improvement of the diesel engine fuel injection system.

diesel engine bench test； nozzle diameter； combustion performance； em ission performance

電氣與自動化

U664.121

A

2095-4069 （2016） 02-0032-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.007

2015-11-04

福建省自然科學(xué)基金（2012J01230）；福建省科技廳資助省屬高校專項基金（JK2013025）

陳杰，男，碩士，1990年生。研究方向為柴油機性能優(yōu)化與排氣測試分析。