陳志勇 朱長(zhǎng)欽 楊 陳 李瑞欣 關(guān) 力

（浙江春風(fēng)動(dòng)力股份有限公司 浙江 杭州 311100）

引言

近年來，我國大排量摩托車（排量250 mL 以上）產(chǎn)銷量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2020 年全年產(chǎn)銷量達(dá)到2.0×105輛，較2013 年增長(zhǎng)14 倍，預(yù)計(jì)未來銷量會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。大排量摩托車相比小排量摩托車油耗和排放更高，為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的油耗和排放法規(guī)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身的技術(shù)提升提出了更高的要求。我國在2019 年開始實(shí)施摩托車排放國四標(biāo)準(zhǔn)[1]，氣態(tài)排放物要求進(jìn)一步加嚴(yán)，而歐洲已于2020 年開始實(shí)施摩托車排放歐五標(biāo)準(zhǔn)[2]，以HC 排放為例，歐五法規(guī)將其限值從歐四的170 mg/km 加嚴(yán)至100 mg/km，預(yù)計(jì)我國也會(huì)在未來幾年推出近似于歐五的國五排放法規(guī)。

大排量摩托車更加追求高速動(dòng)力性，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上更加追求發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和最大轉(zhuǎn)矩的結(jié)果，比如更大的進(jìn)氣凸輪包角和氣門重疊角、高流量進(jìn)氣道[3]。更大的進(jìn)氣凸輪包角和氣門重疊角可以幫助提升發(fā)動(dòng)機(jī)高速下的充氣效率，減少缸內(nèi)殘余廢氣，提升新鮮空氣量[4]，但是在低速小負(fù)荷工況，大的氣門重疊角會(huì)導(dǎo)致廢氣回流，降低燃燒效率。摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)一般為自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，氣道設(shè)計(jì)追求低的流量損失和高的充氣效率[5]，因此會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)低的湍流強(qiáng)度，不利于混合氣的形成和快速燃燒。

噴油器的設(shè)計(jì)直接影響了油氣混合過程，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放水平，尤其對(duì)于大排量高功率摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，其噴油器靜態(tài)流量一般需求較高，噴孔孔徑較大，不利于噴霧的霧化與蒸發(fā)。且摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用氣道噴射噴油器，噴射壓力較低，在進(jìn)氣道和進(jìn)氣門背面易產(chǎn)生油膜。因此改進(jìn)噴油嘴結(jié)構(gòu)，提升燃油霧化水平，促進(jìn)油氣充分混合對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)尤為重要。

本文對(duì)3 款不同噴嘴結(jié)構(gòu)的氣道噴射噴油器進(jìn)行試驗(yàn)研究。首先對(duì)不同噴油器的粒徑進(jìn)行測(cè)量，研究不同噴油器霧化情況，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行不同噴油器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響研究。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文中噴霧粒徑采用顆粒液滴測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量[6]，如圖1 所示，設(shè)備采用激光作為照明源，結(jié)合高分辨率相機(jī)，可以在超短曝光時(shí)間的情況下捕捉高速運(yùn)動(dòng)的噴霧液滴。噴油器布置在激光光源和相機(jī)中間，通過調(diào)整相機(jī)位置和聚焦平面，可以獲得不同噴霧位置的粒徑信息。由于采樣窗口較小，試驗(yàn)需重復(fù)約50 次拍攝，確保采集的液滴數(shù)量足夠多，保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果更接近真實(shí)結(jié)果。

圖1 液滴測(cè)量系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)在汽油機(jī)性能臺(tái)架上進(jìn)行，主要設(shè)備包括電力測(cè)功機(jī)，瞬時(shí)油耗儀，燃燒分析儀和排放分析儀，能同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放情況進(jìn)行測(cè)量。本文所用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)450 mL 排量的兩缸四沖程摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1.2 噴油器結(jié)構(gòu)

本文對(duì)3 款不同噴嘴結(jié)構(gòu)的氣道噴射噴油器進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要差異為噴孔個(gè)數(shù)及噴霧錐角，具體參數(shù)如表2 所示。

表2 噴油器基本參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)每缸只有一個(gè)噴油器，噴油器產(chǎn)生2 個(gè)油束分別噴入左右兩個(gè)進(jìn)氣門，每個(gè)油束各由一半噴孔產(chǎn)生，單個(gè)油束的夾角定義為油束錐角，2 個(gè)油束中心線之間的角度定義為油束夾角。噴油器孔數(shù)分別為6 孔、8 孔和12 孔，各孔噴油器除了孔數(shù)的不同，在噴霧形態(tài)方面也有差異，主要表現(xiàn)為單個(gè)油束的錐角變小，油束更加緊湊，有助于減小和避免濕壁現(xiàn)象，但是不利于燃油的霧化。在最大噴油流量相同的情況下，增加噴油孔個(gè)數(shù)可以減小單個(gè)油孔的噴孔直徑，有利于提升燃油霧化水平。

1.3 試驗(yàn)方法

粒徑測(cè)量部分，分別對(duì)噴霧發(fā)展軸向方向20 mm、30 mm 和40 mm 的噴霧位置進(jìn)行粒徑測(cè)量，燃油壓力330 kPa，噴油脈寬4 ms。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)部分，分別選取暖機(jī)工況和冷機(jī)工況進(jìn)行試驗(yàn)。其中暖機(jī)工況為WMTC 循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行占比較大的工況點(diǎn)，代表了發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)完成后常用工況，水溫為85 ℃。冷機(jī)工況為WMTC 循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)完成暖機(jī)過程前的常用工況，因?yàn)槔錂C(jī)過程中，氣道處溫度更低，不利于燃油的霧化和蒸發(fā)，因此冷機(jī)工況更能反映噴油器霧化水平，水溫為40 ℃。具體試驗(yàn)工況如表3 所示。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況r/min@0.1 MPa

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同噴油器粒徑測(cè)量結(jié)果

粒徑結(jié)果用索特平均直徑SMD 表示，它代表了所有測(cè)量粒徑的立方和與平方和之商，常用于評(píng)價(jià)噴霧粒徑整體大小。圖2 是不同噴油器在噴油壓力330 kPa、環(huán)境背壓為常壓下的粒徑測(cè)量結(jié)果。從結(jié)果可以看到，在距離噴油嘴出口較近的位置20 mm 處，3 款噴油器SMD 結(jié)果相同，隨著噴霧沿軸線進(jìn)一步發(fā)展，不同噴油器粒徑結(jié)果開始出現(xiàn)差異。在30 mm和40 mm 處，8 孔噴油器粒徑結(jié)果始終大于6 孔噴油器，表明2 款噴油器因?yàn)棣?角的差異所帶來的影響大于孔數(shù)的影響，更大的β 角導(dǎo)致噴霧更加集中，噴霧發(fā)展過程中受到的空氣剪切力作用較小，不利于噴霧的破碎過程。

圖2 噴霧粒徑測(cè)量結(jié)果

2 款噴油器的粒徑結(jié)果均隨著軸向位置的增大而變大，這是因?yàn)樵谶h(yuǎn)離噴嘴的位置，小液滴霧化蒸發(fā)，導(dǎo)致在總的液滴中占比減小，而大液滴可以持續(xù)發(fā)展到較遠(yuǎn)位置，在遠(yuǎn)離噴嘴位置數(shù)量占比較大，因此導(dǎo)致總的SMD 變大。12 孔噴油器較6 孔噴油器在30 mm 處粒徑較大，在40 mm 處粒徑較小，這可能是噴嘴直徑和β 角共同作用的結(jié)果，在靠近噴嘴出口位置，由于孔數(shù)較多且β 角較小，增加了液滴之間相互碰撞的幾率，產(chǎn)生更多的較大液滴。而在遠(yuǎn)離噴嘴的位置，由于噴霧得到進(jìn)一步發(fā)展，粒徑之間空間增大，碰撞幾率減小，因此粒徑反而較6 孔稍小。整體來看，6 孔噴油器雖然其孔數(shù)較少，但是因?yàn)槠漭^大的β 角，粒徑處于較低水平。

2.2 噴油相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中，不同噴油相位會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放產(chǎn)生明顯的影響，因此，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定過程中確定不同工況下最合適的噴油相位。以5 500 r/min@0.5 MPa 暖機(jī)工況為例，圖3 給出了6 孔噴油器不同噴油相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放的影響，噴油相位WEE 定義為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻往前噴油結(jié)束的角度，即數(shù)值越小，噴射結(jié)束時(shí)刻越晚。

圖3 噴油相位對(duì)油耗和排放的影響

從圖中可以看到，噴油結(jié)束時(shí)刻較早的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗BSFC 較低，一氧化碳CO 排放較低，但是碳?xì)銽HC 排放較高。這是因?yàn)閲娪徒Y(jié)束較早，燃油有充分的時(shí)間與氣道內(nèi)的空氣發(fā)生混合，混合氣更加均勻，燃燒效率較高。但是噴油結(jié)束較早特別是在進(jìn)氣門開啟之前結(jié)束，氣道內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)較弱，此時(shí)噴油增加了濕壁的風(fēng)險(xiǎn)，因此此時(shí)碳?xì)渑欧泡^高；而隨著噴油結(jié)束時(shí)刻逐漸推遲，油耗和CO 排放出現(xiàn)了增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而THC 排放先下降后增加。這是因?yàn)閲娪徒Y(jié)束較晚，油氣混合時(shí)間變短，混合不均勻，導(dǎo)致CO 排放和油耗均增加，而碳?xì)渑欧乓驗(yàn)闅忾T開啟，氣道內(nèi)流速較高，部分混合氣被直接帶入缸內(nèi)，濕壁現(xiàn)象較小。鑒于噴油相位對(duì)油耗和排放的明顯影響，后文中不同噴油器的試驗(yàn)對(duì)比均選擇THC 排放最小的噴油相位進(jìn)行比較。

2.3 暖機(jī)工況噴油器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放的影響

圖4 給出了3 款噴油器在4 個(gè)不同暖機(jī)工況下的油耗和排放結(jié)果，水溫為90 ℃。從油耗結(jié)果可以看出，在大部分工況，8 孔噴油器均具有更高的油耗，6 孔和12 孔噴油器油耗結(jié)果差異不大。這與2.1 小節(jié)中粒徑結(jié)果一致，即8 孔噴油器噴霧粒徑相對(duì)較大，需要的蒸發(fā)時(shí)間更長(zhǎng)，燃油與空氣混合容易不均勻，導(dǎo)致燃燒效率較低，因此油耗更高；6 孔和12 孔噴油器粒徑在遠(yuǎn)離噴嘴的位置粒徑較8 孔小，從而油耗也更低。

圖4 暖機(jī)工況油耗與排放對(duì)比

碳?xì)銽HC 排放結(jié)果除4 000 r/min@0.1 MPa 工況外，其它工況排放大小依次為12 孔、8 孔和6 孔，這是因?yàn)?2 孔和8 孔具有較小的β 角，相同情況下容易導(dǎo)致其有更長(zhǎng)的噴霧貫穿距離，容易發(fā)生噴霧碰壁現(xiàn)象，氣道內(nèi)濕壁的燃油容易在掃氣階段直接被帶入排氣管，導(dǎo)致尾氣中碳?xì)渑欧旁黾?。一氧化碳CO 結(jié)果與油耗結(jié)果相似，即霧化更好、粒徑更小的噴油器更容易產(chǎn)生良好的油氣混合氣，燃燒更加完全，CO 排放更低。

2.4 冷機(jī)工況噴油器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放的影響

圖5 為3 款噴油器在4 個(gè)不同冷機(jī)工況下的油耗和排放結(jié)果，水溫為40 ℃。相比于暖機(jī)工況，冷機(jī)工況下進(jìn)氣道溫度更低，更不利于噴霧的霧化與蒸發(fā)，同時(shí)燃燒室內(nèi)溫度也較低，燃燒速度較慢。對(duì)應(yīng)噴霧霧化較差的8 孔噴油器，在低溫情況下，其燃燒情況更易不穩(wěn)定，特別是對(duì)于氣流運(yùn)動(dòng)較弱的小負(fù)荷情況，燃燒惡化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油耗明顯增加。冷機(jī)工況下，4 個(gè)工況發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載均較低，每循環(huán)噴油器噴油量較少，3 款噴油器排放并未表現(xiàn)出明顯差異。

圖5 冷機(jī)工況油耗與排放對(duì)比

3 結(jié)論

本文首先利用粒徑測(cè)量系統(tǒng)對(duì)比了3 款不同噴嘴結(jié)構(gòu)的氣道噴射噴油器的霧化表現(xiàn)，然后在一臺(tái)450 mL 兩缸四沖程摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了不同噴油器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和排放的影響，得到的主要結(jié)論有：

1）噴油器孔數(shù)越多，β 角越大，噴霧粒徑越小。

2）噴油相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放均有較明顯的影響，噴油結(jié)束越晚，油氣混合時(shí)間越短，油耗和CO排放增加，但是噴油結(jié)束過早，THC 排放增加。

3）暖機(jī)工況下，粒徑較小的噴油器油耗和CO 排放也較低；孔數(shù)越少，THC 排放越低。

4）冷機(jī)工況下，特別是小負(fù)荷工況，粒徑較大的噴油器更易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，油耗增加；小負(fù)荷情況下不同噴油器排放差異較小。