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0 前言

柴油機因其稀薄燃燒特性和較高的壓縮比而具有高熱效率和高扭矩，但同時會排放出大量氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)。在嚴格的排放法規(guī)限制下，要求柴油機必須大量減少NOx和PM排放。柴油機的噴油裝置(FIE)對其燃油噴霧形成、空-燃混合、燃燒和排放至關重要。噴油器特性和噴油壓力是噴油裝置的主要影響因素，需要對其進行優(yōu)化以降低柴油機的燃油耗和排放。

隨著噴油裝置的改進，柴油機的噴油壓力已經(jīng)得到了提高。開發(fā)的噴油裝置可使重型和輕型柴油機的噴油壓力分別達到300 MPa和250 MPa[1-2]。隨著噴油壓力的不斷提高，以及制造商不斷開發(fā)新技術，噴孔直徑可縮小至100 μm。對具有高噴油壓力的重型柴油機已有了大量研究[3-5]。為改善柴油噴霧的形成和燃燒，以減少柴油機的NOx和PM排放，已經(jīng)針對噴油器噴孔特性開展了幾項研究[4-6]。采用更小噴孔和更高噴油壓力的噴油器具有更高的霧化和氣化水平，有利于形成均勻的空-燃混合物，從而減少PM排放[6-7]。前期的一些研究顯示，增加噴孔數(shù)會對高負荷工況下的NOx-PM折中關系產(chǎn)生不利影響，但是能改善兩者在低負荷工況下的折中關系[8-9]。另外，增加噴孔數(shù)和減小噴孔直徑會減小噴霧貫穿距，從而惡化重型柴油機的燃油效率[10]。此外，采用具有更多噴孔數(shù)的噴油器在相鄰噴嘴之間出現(xiàn)噴霧重疊的可能性更高，從而導致PM排放增多。

對噴油器噴孔數(shù)的前期研究主要集中在大型船用發(fā)動機范圍，該用途噴油器采用的噴孔直徑較大，約為0.2 mm，噴油壓力低于160 MPa[8-10]。對具有高噴油壓力的輕型發(fā)動機研究則相對較少。尤其是噴油器噴嘴幾何結構對具有高噴油壓力(250 MPa)和微噴孔(直徑100 μm)輕型柴油機影響因素的研究更為稀少。因此，該研究評價了具有250 MPa噴油壓力的輕型柴油機噴孔數(shù)和噴孔直徑等噴嘴幾何結構的影響。

研究目的是評估2種情況下的噴孔數(shù)影響。選用的3種噴油器具有相同的液壓流量(HFR)，其中2種噴油器具有相同的噴孔直徑。采用不同噴孔數(shù)和噴孔直徑組合(8孔-105 μm，9孔-100 μm，10孔-95 μm)的3種噴油器具有相同的液壓流量。為了進一步全面了解噴孔數(shù)和噴孔直徑的影響，對8孔-95 μm和10孔-95 μm這兩種噴油器噴嘴進行了評估。此外，還為車用發(fā)動機的噴孔數(shù)和噴孔直徑優(yōu)化設計提供了參考標準。

1 研究方法

1.1 試驗裝置

發(fā)動機試驗采用的是由商用1.6 L 4缸柴油機改造的1臺0.4 L單缸壓燃式柴油機。試驗采用的燃料是傳統(tǒng)柴油。試驗發(fā)動機裝置的結構示意圖和詳細參數(shù)分別見圖1和表1。試驗過程中發(fā)動機轉速通過1臺直流測功機維持。

圖1 單缸0.4 L柴油機試驗裝置結構示意圖

表1 單缸發(fā)動機的具體參數(shù)

通過安裝在預熱塞位置的壓電式壓力傳感器(Kistler 6056A型)對缸內壓力每隔0.2°CA測量1次。利用電荷放大器(Kistler 5011型)對壓力數(shù)據(jù)進行采集。根據(jù)每100個發(fā)動機循環(huán)平均得到的缸內壓力曲線獲得放熱率。利用排氣分析儀(Horiba MEXA-1500D型)測量氣態(tài)NOx排放。PM排放通過煙度計(AVL 415S型)進行測量，檢測結果以濾紙煙度值FSN的形式顯示。EGR系統(tǒng)由位于進氣和排氣歧管之間的EGR閥控制。

為了實現(xiàn)高壓燃油噴射，安裝了可將燃油加壓至250 MPa的噴油裝置。采用的商用柴油機高壓泵由1個電動機驅動。噴油壓力由1個共軌控制閥驅動器控制。通過發(fā)動機控制器和噴油驅動器控制噴油循環(huán)、噴油脈寬和噴油器電流。發(fā)動機控制器能夠基于上止點(TDC)設定最小單位為1°CA的噴油正時。油箱的溫度控制在313 K。

4種電磁閥式噴油器的具體參數(shù)見表2。試驗中采用的噴油器是輕型柴油機實際采用噴油器的變體。這些電磁閥式噴油器具有相同的電磁閥系統(tǒng)和噴油器結構。4種噴油器在80～250 MPa壓力下的噴油延遲為395 μm，誤差6 μm。4種噴油器分成2組，其中8孔、9孔和10孔噴油器在10 MPa下具有相同的液壓流量(560 mL/min)；8孔和10孔噴油器具有相同的噴孔直徑為95 μm。噴孔直徑為95 μm的8孔噴油器10 MPa的液壓流量為460 mL/min。除噴孔數(shù)、噴孔直徑和液壓流量外，噴油器的其他特性均相同。

表2 噴油器的具體參數(shù)

噴油器的液壓流量定義為10 MPa噴油壓力下每分鐘的燃油體積。這代表了噴油器噴嘴的燃油流動特性。液壓流量之間的比較可以看作是相同噴油壓力條件下噴油速率的比較。與具有小液壓流量的噴油器相比，具有大液壓流量的噴油器噴射同等量燃油所需的時間短。因此，在10 MPa下，具有相同液壓流量(560 mL/min)的3種噴油器要噴射相同量的燃油所需的噴油持續(xù)期相同。要噴射相同量的燃油，在10 MPa下液壓流量為460 L/min的8孔噴油器則需要更大的噴油脈寬。

1.2 試驗條件

表3所示為發(fā)動機的試驗條件。在發(fā)動機試驗中，發(fā)動機轉速固定為1 800 r/min。每種噴油器采用3種噴油壓力，分別為80 MPa、160 MPa和250 MPa。該發(fā)動機在中高負荷條件下的每循環(huán)噴油量為15 mg。對于15 mg的噴油量，通過帶有溫控的噴油量測量系統(tǒng)在大氣壓力條件下測得每個噴油器的噴油脈寬。由于氣缸壓力的原因，會在發(fā)動機內部產(chǎn)生由壓力引起的噴油量誤差。如果采用的壓力相對較高，產(chǎn)生的誤差就會較小。由于3種噴油器采用的是相同噴油器系統(tǒng)，因此，各噴油器之間的噴油量誤差要小很多。

表3 研究噴孔數(shù)影響所采用的試驗條件

比較氣缸壓力和放熱率所采用的噴油正時(電磁閥噴油始點)為上止點前8°CA。通過以2°CA時間間隔改變噴油正時，測量缸內壓力數(shù)據(jù)，然后計算包括泵氣功和每噴油正時(50°CA)的指示平均有效壓力(IMEP)。廢氣排放試驗噴油正時的設定條件是在不采用EGR的工況下，出現(xiàn)在上止點后5°CA。具有相同液壓流量的3種噴油器在80 MPa、160 MPa和250 MPa噴油壓力下的固定噴油正時分別為上止點前11°CA、8°CA和7°CA。噴孔直徑為95 μm的8孔噴油器在80 MPa、160 MPa和250 MPa噴油壓力下的噴油正時分別為上止點前12°CA、9°CA和7°CA。

總EGR率定義見式1。EGR率持續(xù)增加直至CO排放超過1%。總EGR率的應用范圍為0%～33%。

(1)

式中，[CO2]進氣、[CO2]排氣和[CO2]大氣分別代表進氣、排氣和大氣中的CO2濃度。

滲瀝液產(chǎn)生量受地表降水、地下水以及垃圾自身降解特性的影響，地表水對滲瀝液產(chǎn)生量的影響可以通過雨污分流措施加以控制，而地下水的影響則可以通過防滲襯墊系統(tǒng)加以隔離，但在沒有防滲處理措施的填埋場中，地下水和滲瀝液的影響是相互作用的。對簡易垃圾場的滲瀝液遷移問題，必須首先掌握場區(qū)地下水滲流場分布情況，其次分析滲瀝液的擴散路徑與范圍，最終確定柔性垂直防滲墻的合理阻隔位置［3］。

2 結果與討論

2.1 相同液壓流量條件下噴孔數(shù)的影響

首先，通過比較具有相同液壓流量的3種噴油器檢驗了噴油器噴孔數(shù)和噴孔直徑對發(fā)動機燃燒特性的綜合影響。圖2所示為各種噴油壓力下3種噴油器的缸內壓力和放熱率曲線。壓力數(shù)據(jù)采用的是總體平均值，估算得出循環(huán)變動的IMEP和變動系數(shù)(COV)在每種條件下均低于3%。當噴油壓力升高時，IMEP變動系數(shù)減小。3種噴油器的缸內壓力軌跡具有相似的曲線，具有較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑的噴油器的缸內壓力略高。對于每一種噴油壓力，3種噴油器具有類似的最高放熱率。盡管如此，具有較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑的噴油器燃燒相位提前。噴孔直徑較小會加速燃油霧化和汽化，導致早燃。但是著火之后，由于液壓流量相同導致噴油速率相同，因此各噴油器的放熱率最大值類似。

圖2 缸內壓力和放熱率計算結果(噴孔數(shù)和噴孔直徑分別為8孔-105 μm、9孔-100 μm、10孔-95 μm；噴油壓力分別為80 MPa、160 MPa和250 MPa；EGR率=0%)

圖3示出了3種噴油器的點火延遲和燃燒持續(xù)期。試驗結果是根據(jù)對壓力數(shù)據(jù)進行總體平均計算得到的。點火延遲被定義為10%已燃質量分數(shù)(MFB 10)條件下距電磁閥噴油器噴油始點正時的曲軸轉角度數(shù)。燃燒持續(xù)期或MFB 10～MFB 90表示為達到10%～90% MFB的曲軸轉角度數(shù)。根據(jù)放熱率曲線推論可知，具有較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑的噴油器點火延遲更短。圖4所示為160 MPa噴油壓力下3種噴油器的MFB曲線。該圖表明，3種噴油器距MFB 90的曲軸轉角度數(shù)相似，因為每種噴油器的點火延遲與燃燒持續(xù)期之和類似。MFB 90的曲軸轉角大小主要由噴油壓力決定。

圖3 點火延遲和燃燒持續(xù)期(噴孔數(shù)和噴孔直徑分別為8孔-105 μm、9孔-100 μm、10孔-95 μm；噴油壓力分別為80 MPa、160 MPa和250 MPa；EGR率=0%)

圖4 已燃質量分數(shù)曲線(噴孔數(shù)和噴孔直徑分別為8孔-105 μm、9孔-100 μm、10孔-95 μm；噴油壓力為160 MPa；EGR率=0%)

圖5示出了在80 MPa、160 MPa和250 MPa噴油壓力，以及EGR率在0%～33%條件范圍下3種噴油器的NOx-PM排放折中關系。PM排放由煙度計的濾紙煙度值表示。當EGR率增大時，NOx排放減少，PM排放增多。在80 MPa噴油壓力下，當EGR率增至26%以上時，PM排放開始迅速增加，而NOx排放低于2.5 g/(kW·h)。在160 MPa和250 MPa噴油壓力下，當對應的EGR率分別為24%和21%時，PM排放開始增多，NOx排放分別為3 g/(kW·h)和4 g/(kW·h)。

在噴油壓力為80 MPa和160 MPa時，通過采用小噴孔直徑和多噴孔數(shù)噴油器，NOx-PM折中關系得到改善。在噴油壓力為80 MPa和160 MPa時，通過縮小9孔和10孔噴油器的噴孔直徑改善了燃油霧化和汽化，由于液壓流量相同，2種噴油器的噴霧面積類似，導致這兩種噴油器的PM排放低于8孔噴油器。但是，在250 MPa噴油壓力下，3種噴油器的NOx和PM排放基本類似，PM排放極低。在250 MPa噴油壓力下，壓力影響處主導地位，PM排放接近0.003 g/(kW·h)，3種噴油器沒有太大差異。

圖5 NOx-PM排放折中關系(噴孔數(shù)和噴孔直徑分別為8孔-105 μm、9孔-100 μm、10孔-95 μm；噴油壓力分別為80 MPa、160 MPa和250 MPa)

圖6所示為在無EGR和NOx排放為4 g/(kW·h)時所采用2種EGR率條件下的PM排放結果。測量方法將應用于采用EGR+選擇性催化還原(SCR)混合技術的柴油機在實際駕駛條件下的PM排放測量。這種方法針對涉及NOx和PM排放的應用更加高效。3種噴油器需要采用類似的EGR率，誤差控制在1%以內。在80 MPa、160 MPa和250 MPa噴油壓力下，NOx排放為4 g/(kW·h)時的EGR率分別為15%、18%和20%。

圖6 無EGR條件下的PM排放(a)與NOx排放減少至4 g/kWh時EGR率條件下的PM排放(b)比較示意圖

在無EGR條件下，對于每一種噴油壓力，采用較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑的噴油器PM排放更少。在80 MPa噴油壓力有EGR條件下，較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑有助于改善燃油霧化，從而減少PM排放。在較高噴油壓力下采用EGR，3種噴油器的PM排放基本類似，但PM排放趨勢與無EGR條件下不同。在采用EGR條件下，較高噴油壓力起主要作用。噴嘴幾何結構的變化對PM排放無明顯影響。在這種條件下，由于較大噴孔直徑導致的噴霧貫穿距離增大也有助于減少PM排放，其PM減少效果與較小噴孔直徑導致燃油霧化改善從而減少PM的效果類似。

圖7所示為3種噴油器NOx排放與指示燃油消耗率(ISFC)的折中關系。隨EGR率增大，NOx排放減少。ISFC隨溫度下降略有降低，放熱量更少。同時，由于燃燒延遲導使得燃燒相位優(yōu)化。然而ISFC在高EGR率條件下迅速升高，這是因為較高EGR率的稀釋作用及燃燒相位進一步延遲導致燃燒效率惡化。8孔噴油器的ISFC略低于9孔和10孔噴油器。ISFC之間最大能差約為1%。尤其在發(fā)動機實際工作條件下，當NOx排放低于4 g/(kW·h)時，ISFC之間的差異可忽略不計。因為3種噴油器具有相同的液壓流量和類似的放熱率曲線，因此，3種噴油器具有類似的NOx-ISFC折中水平。

圖7 NOx排放-ISFC折中關系

2.2 相同噴孔直徑條件下噴油器噴孔數(shù)的影響

在具有相同噴孔直徑的8孔和10孔噴油器上對噴孔數(shù)影響進行了分析。圖8所示為具有相同噴孔直徑的8孔和10孔噴油器在160 MPa噴油壓力和8°CA BTDC噴油正時條件下的缸內壓力和放熱率曲線。由于10孔噴油器具有更高的液壓流量和噴油速率，因此，10孔噴油器的缸內壓力和放熱率峰值更高。與8孔噴油器相比，10孔噴油器的供油速度更快，因此，其最大放熱率和最高缸內壓力數(shù)值更高。

圖8 具有相同噴孔直徑(95 μm)的8孔和10孔噴油器在160 MPa噴油壓力下的缸內壓力和放熱率計算結果(EGR率=0%)

圖9所示為8孔和10孔噴油器在160 MPa噴油壓力下的MFB曲線。盡管2種噴油器具有相同的噴孔直徑和類似的燃油霧化，但是，8孔噴油器的點火延遲更長。噴孔數(shù)增多會導致點火延遲縮短。通過3種噴油器的比較得出，8孔和10孔噴油器在達到MFB 90時的曲軸轉角基本相同。

圖9 具有相同噴孔直徑(95 μm)的8孔和10孔噴油器在160 MPa噴油壓力下的已燃質量分數(shù)曲線(EGR率=0%)

圖10所示為8孔和10孔噴油器在各種EGR率和噴油壓力條件下的NOx-PM排放折中關系。結果顯示在3種噴油壓力下，10孔噴油器呈出了更佳的NOx-PM折中關系。采用相同噴孔直徑的燃油霧化效果類似。如果噴油量相同，較多噴孔數(shù)會減小單個噴孔的燃油流量。因此，利用增加噴孔數(shù)使得空燃混合物更加稀薄，從而減少PM排放。在250 MPa噴油壓力下，2種噴油器的PM排放差值變小。在減少PM排放方面，250 MPa噴油壓力起決定性作用。

圖11所示為8孔和10孔噴油器在各種EGR率和噴油壓力條件下的NOx-ISFC折中關系。在每種噴油壓力下，10孔噴油器的ISFC均低于8孔噴油器，這是因為10孔噴油器的液壓流量更大。如圖11示出的缸內壓力和放熱率曲線，10孔噴油器的放熱率更高。由于定容燃燒在薩巴特循環(huán)中的比例增大，從而導致IMEP升高。

圖11 具有相同噴孔直徑(95 μm)的8孔和10孔噴油器在80 MPa、160 MPa和250 MPa噴油壓力下的NOx-ISFC折中關系

3 總結

在具有不同噴嘴幾何結構的幾種噴油器上對噴孔數(shù)和噴孔直徑的影響進行了試驗研究。比較了具有不同噴孔數(shù)和噴孔直徑組合(8孔-105 μm、9孔-100 μm、10孔-95 μm)的3種噴油器。然后，比較了具有相同噴孔直徑(95 μm)的8孔和10孔噴油器。試驗是在中、高負荷和250 MPa噴油壓力條件下在1臺排量0.4 L的單缸發(fā)動機上進行的。主要試驗結果總結如下：

(1)具有相同液壓流量的噴油器具有類似的最大放熱率，以及相似的缸內壓力和放熱率曲線。具有更多噴孔數(shù)和更小噴孔直徑的噴油器的點火延遲更短。與具有相同噴孔直徑(95 μm)的10孔噴油器相比，8孔噴油器的最大放熱率更低，點火延遲更長。

(2)在80 MPa和160 MPa噴油壓力下，當EGR率由0增大至33%時，具有較多噴孔數(shù)和較小噴孔直徑的噴油器的NOx-PM排放折中關系得到改善。但是，在250 MPa噴油壓力下，具有相同液壓流量的3種噴油器具有類似的PM排放水平。在較高EGR率和噴油壓力下，PM排放差值變小。與具有相同噴孔直徑(95 μm)的10孔噴油器相比，8孔噴油器的PM排放更多。

(3)具有相同液壓流量的3種噴油器的ISFC類似。與具有相同噴孔直徑(95 μm)的10孔噴油器相比，8孔噴油器的ISFC更高。

(4)在減少PM排放方面，250 MPa的噴油壓力起決定性作用。

在設計噴嘴幾何結構時，應該優(yōu)化噴孔數(shù)和噴孔直徑。在本文的噴孔數(shù)和噴孔直徑范圍內，較多噴孔數(shù)、較小噴孔直徑以及較大液壓流量有助于減少排放和提高燃油效率。