徐建飛

(公安海警學(xué)院訓(xùn)練部，浙江寧波 3 15801)

0 引言

2008年3月31日—4月4日在倫敦召開的國際海事組織海洋環(huán)境保護委員會(MEPC)第57屆會議，正式通過MARPOL 73/78附則VI的修正案，2010年7月1日該修正案開始生效.

MARPOL 73/78公約附則VI的生效和實施對減少船舶造成的大氣污染有著積極的推動意義，勢必要求采用新技術(shù)降低船舶柴油機對環(huán)境的污染，而柴油機的噴嘴結(jié)構(gòu)對噴油器的噴油量、噴油規(guī)律及各孔噴霧特性均有較大影響，進一步影響到霧束與燃燒室及缸內(nèi)氣流的匹配，最終影響柴油機的燃燒過程和廢氣排放［1-2].所以，需以經(jīng)濟性、排放性和燃燒噪聲為指標(biāo)，對噴射系統(tǒng)的噴射始點、噴孔個數(shù)、噴孔直徑、噴射夾角、噴孔長徑比和噴嘴伸出高度等參數(shù)進行優(yōu)化.本文通過噴射系統(tǒng)參數(shù)在裝配電控高壓共軌系統(tǒng)的MWMTBD234V6船用電站柴油機上對柴油機燃燒和排放特性影響的試驗研究，深入理解噴嘴結(jié)構(gòu)及噴油提前角對柴油機燃燒和排放特性的影響規(guī)律，并對試驗結(jié)果進行分析.

1 試驗臺架及測試方案

1.1 試驗臺架

MWMTBD234V6電噴柴油機測試臺架主要由裝備電控高壓共軌燃油系統(tǒng)的MWMTBD234V6柴油機、三相交流發(fā)電機、鹽水池和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成.其中，柴油機的負荷由鹽水池中電流排的深度進行控制，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對柴油機的性能和狀態(tài)參數(shù)進行采集處理.測試發(fā)動機是經(jīng)改裝后、裝備電控高壓共軌燃油系統(tǒng)的MWMTBD234V6柴油機，柴油機負載為上海領(lǐng)馭電機廠生產(chǎn)的KHI180-24型發(fā)電機，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定頻率50 Hz，額定電壓380 V，最大輸出功率225 kW.柴油機技術(shù)規(guī)格參數(shù)見表1.燃燒室為中等渦流強度的ω型燃燒室，發(fā)火次序:A1-B2-A3-B1-A2-B3.

表1 試驗用發(fā)動機相關(guān)參數(shù)

1.2 試驗方案

試驗用的噴嘴方案見表2.本文試驗主要是要了解噴射系統(tǒng)參數(shù)對高壓共軌柴油機性能和排放的影響規(guī)律及其與燃燒室的匹配情況，因此選用1#噴油器在80%負荷下進行不同噴油提前角的對比試驗，噴油提前角分別為上止點前 16°，14°，10°和 6°;選用2#和4#兩種具有相同噴嘴流通截面積的噴油器在60%負荷下進行不同噴孔個數(shù)和孔徑影響的對比試驗;選用1#和5#噴射夾角不同但噴油規(guī)律基本相同的噴油器在60%負荷下進行不同噴射夾角性能影響的研究;選用7#和8#兩種噴油器在60%和80%負荷下進行不同噴孔長徑比性能影響的研究.為具有可比性，試驗中柴油機轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，軌腔壓力始終保持110 MPa不變.

表2 噴嘴方案

1.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

發(fā)動機上需要測試采集的信號主要為表3中的21個參數(shù)，其中5個采集后的參數(shù)進入ECU，2個參數(shù)由 PXI6250采集，11個采集后的參數(shù)被傳至PXI8196，其余3個參數(shù)在各自儀器上顯示記錄.試驗中使用的測試儀器見表4.NI采集的數(shù)據(jù)由Lab-view軟件編制的數(shù)字采集程序統(tǒng)一組合處理，以數(shù)顯框、圖表、曲線等各種形式顯示在計算機屏幕上，并具有存盤、打印、報警等各種功能.

表3 性能試驗采集參數(shù)

表4 性能試驗采集儀器

2 試驗結(jié)果分析

2.1 噴油提前角的影響

噴油提前角是影響柴油機燃燒及排放的重要因素.從表5和測試結(jié)果中可以看出:隨著噴油提前角的減小，排溫略有上升，噪聲減小，燃油消耗率和排氣煙度先減小后增大，NOx排放逐漸改善.NOx主要是在高溫富氧條件下生成的，缸內(nèi)溫度越高，NOx生成量越多.［3]當(dāng)噴油提前角較大時，上止點前的燃燒時間增加，溫度隨著活塞上行進一步升高，使NOx生成量增加，此外由于滯燃期的延長，導(dǎo)致更多的燃料蒸發(fā)混合，提高初始燃燒溫度，促使NOx的生成.碳煙主要在高溫缺氧條件下產(chǎn)生，噴油提前角增大，預(yù)混合氣形成較好，燃燒比較充分;而初期劇烈的燃燒會加快后續(xù)噴進燃油的蒸發(fā)，進一步促使燃油混合，使燃燒變得更加充分;且在膨脹過程中，較大噴油提前角使生成的碳煙在高溫下得到充分氧化，其最終的排放量減少;而噴油提前角較小時，可燃混合氣形成不均勻，大量碳煙在油束液核區(qū)形成，在膨脹過程中高溫氧化的時間短，最終排放量較多.但噴油提前角為上止點前16°時，65%的熱量在上止點前放出，做功效率反而下降，因此同樣功率噴入的燃油要多一些，排氣煙度也會相應(yīng)上升.［4]

2.2 噴孔個數(shù)和孔徑的影響

從表6測試結(jié)果可以看出，方案2的煙度較低，NOx排放較高;方案4的NOx排放較低，煙度較高.這種結(jié)果在放熱率(dQ/dφ)曲線上能得到合理解釋(見圖1)，用缸內(nèi)壓力和溫度曲線分析也說明放熱率曲線能基本、客觀地體現(xiàn)出缸內(nèi)燃燒放熱與排放過程的主要特征.方案4缸內(nèi)平均燃燒溫度雖然很高，但可能火焰前鋒NOx生成區(qū)內(nèi)最高溫度并不一定比方案2的高，導(dǎo)致NOx生成速度降低，另外8條霧束近噴嘴處相互間隔很小，可能存在互相干擾，影響與空氣的混合，導(dǎo)致局部富油缺氧區(qū)生成較多碳煙.［5]

表6 不同孔數(shù)和孔徑的性能測試結(jié)果(方案2:6×0.15，Φ =140，L/D=3.5.方案4:8 ×0.13，Φ =140，L/D=5.4)

圖1 孔數(shù)和孔徑對燃燒放熱率的影響

2.3 噴射夾角的影響

對于孔數(shù)和孔徑相同的噴油器，在同一噴射始點下，噴射夾角不同，油束相對于燃燒室空間的位置就不同，使可燃混合氣形成的條件就不一樣，從而對燃燒過程以及排放特性產(chǎn)生重要的影響.［6]本文采用方案1和方案5兩種噴嘴在60%額定負荷、噴射始點噴油提前角分別為上止點前16°和6°時進行對比試驗，測試結(jié)果見表7.兩種方案噴嘴流量系數(shù)基本相同，在相同負荷下，噴油持續(xù)期差別不大，采用不同噴油提前角同樣可以改變油束在燃燒室空間的位置.從測試結(jié)果可看出，兩種噴油提前角下，噴射夾角對柴油機性能和排放的影響一致，噴射夾角增大則油耗和排溫降低，空氣噪聲變大，NOx生成量增加，煙度值降低.

表7 不同噴射夾角的性能參數(shù)測試結(jié)果(方案1:6×0.2，Φ =140，L/D=4.6.方案 4:6 × 0.2，Φ =110，L/D=3.5)

2.4 噴孔長徑比的影響

噴孔長徑比對噴孔內(nèi)流動和噴霧過程有一定的影響，柴油機的燃燒過程和排放特性也不同.本文采用方案7和方案8兩種不同長徑比的噴嘴在60%和80%額定負荷、噴射始點噴油提前角分別為上止點前14°和10°時進行對比試驗，測試結(jié)果見表8.長徑比大的噴嘴流量系數(shù)大一些，因此方案8的噴油持續(xù)期略短，但較短的噴孔出口面受氣穴影響較大、霧化較好，噴射初始速度也快一些，有利于燃油的初期混合，而方案7著火延遲都較短.在60%負荷時，隨著噴霧的發(fā)展，方案8后期的油束貫穿距增加，噴油速率更大，與空氣的接觸面較大，缸內(nèi)反應(yīng)進程加快，且由于噴油量不多，油束與燃燒室壁面碰撞沉積的燃油很少，因而預(yù)混合燃燒更加劇烈，燃燒導(dǎo)致的高溫高壓反過來又促進油滴的蒸發(fā)混合速率，方案8預(yù)混燃燒放熱的比例占總放熱量的65%(見圖2)，所以能降低油耗和排溫，使碳煙的生成量降低.同時，燃燒噪聲和NOx排放量增大;方案7噴油持續(xù)期較長，擴散燃燒的量增加，燃燒更均勻，因此缸內(nèi)平均壓力及溫度峰值略大，排溫升高.但在80%負荷時，由于噴油量的增加，方案8因霧束碰壁附著在燃燒室壁面的燃油量增加，反而使燃燒進程變緩，油耗和碳煙排放變大.

表8 不同噴孔長徑比的性能參數(shù)測試結(jié)果(方案7:8×0.13，Φ =110，L/D=5.4.方案 4:8 ×0.13，Φ =110，L/D=6.9)

圖2 噴孔長徑比對累積放熱率的影響

3 結(jié)論

(1)噴油提前角從上止點前16°變化到上止點前6°時，燃油消耗率和排氣煙度先減小后增大，排溫略有上升，空氣噪聲減小，NOx排放逐漸改善.

(2)對于相同流通面積的噴嘴，孔數(shù)較多、孔徑較小的噴嘴初期混合氣形成較好，滯燃期短，但孔徑較大、孔數(shù)較少的噴嘴預(yù)混燃燒比例更大，油耗和碳煙排放更低;噴射夾角較大的噴嘴，能充分利用燃燒室凹坑內(nèi)的空氣，混合氣準(zhǔn)備充分且均勻，預(yù)混燃燒的量更大些，油耗和碳煙排放降低，NOx生成增多;長徑比較大的噴嘴在中低負荷時能降低油耗和排溫，使碳煙的生成量降低，但在高負荷時，由于噴油量的增加，霧束碰壁附著在燃燒室壁面的燃油量增加，反而使油耗和碳煙排放變大.

(3)流量系數(shù)較小的噴嘴，有利于油滴的分裂霧化，霧束錐角變大，增強初期燃油與空氣的混合速率，使燃燒迅速發(fā)生，但同時縮短噴霧貫穿距;流量系數(shù)較高的噴嘴，氣穴對霧束的擾動較小，噴霧貫穿距較長，噴霧錐角與貫穿距在柴油機全工況內(nèi)也存在權(quán)衡(trade-off)曲線，在中低負荷時，噴霧貫穿距較長的油滴蒸發(fā)混合更好，能增加空氣利用率，提高預(yù)混燃燒的比例，但在高負荷時，則需要加強氣穴對霧束的擾動，增大噴射夾角縮短貫穿距，減少碰壁的燃油量，從而改善燃油經(jīng)濟性和碳煙排放.

［1]蔣德明.內(nèi)燃機燃燒與排放學(xué)［M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2001.

［2]歐陽光耀.電噴和共軌技術(shù)研究階段性研究報告［R].武漢:海軍工程大學(xué)，2002.

［3]丁河清，呂林，吳錦翔，等.船舶柴油機NOx的排放法規(guī)與控制［J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，2000，24(4):356-359.

［4]林學(xué)東.噴油系統(tǒng)參數(shù)對重型車用增壓直噴柴油機NOx排放的影響［J].內(nèi)燃機學(xué)報，1996，14(1):46-49.

［5]MONTGOMERY D T，孔麗君.噴油器噴嘴孔尺寸和數(shù)量對重載直噴式柴油機霧化特性和性能的影響(下)［J].國外內(nèi)燃機車，1998(11):21-30.

［6]劉斌.旋轉(zhuǎn)噴油器及其霧化特性研究［D].武漢:海軍工程大學(xué)，2005.