鐘玉潔，曾東建，韓偉強(qiáng),2*

(1.西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039;2.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

由于柴油機(jī)熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好，因此被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，成為當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用最為廣泛的一種熱力機(jī)械。然而，傳統(tǒng)柴油機(jī)在燃燒過程中會(huì)生成大量的顆粒物與NO[1]x，如果減小滯燃期，則油束中存在過濃區(qū)，碳煙形成速率高。雖然循環(huán)后期多數(shù)碳煙被氧化，但仍有大量碳煙未被氧化，導(dǎo)致較高的顆粒物排放[2]。如果增大滯燃期，不僅導(dǎo)致形成較多的預(yù)混可燃混合氣,使得燃燒初期燃燒速度由較快的化學(xué)反應(yīng)速度控制，缸內(nèi)溫度與壓力迅速上升，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，還導(dǎo)致較多的NOx生成。燃燒過程在很大程度上取決于燃油的噴射參數(shù)，合理選擇噴油器的特性參數(shù)。改變噴霧以及可燃混合氣的形成，可改善燃燒過程，從而改善柴油機(jī)的排放[3-9]。

本文主要研究噴油器特性參數(shù)對(duì)非道路用小型柴油機(jī)排放的影響。筆者利用8工況法(EPA)[10]，通過對(duì)比噴油器不同噴孔直徑、噴孔數(shù)目、噴孔錐角、油線落點(diǎn)高度均勻性等參數(shù)對(duì)玉柴YC4F50自然吸氣式柴油機(jī)排放特性結(jié)果的影響規(guī)律，得到了噴油器特性參數(shù)的最佳組合，使燃油與空氣更好地混合，減小了混合氣過濃區(qū)和過稀區(qū)域，從而減少了污染物的形成，實(shí)現(xiàn)了噴油器與柴油機(jī)的匹配。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)是在玉柴YC4F50自然吸氣式柴油機(jī)上進(jìn)行的，其主要參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

1.2 儀器設(shè)備

排放儀使用AVL公司生產(chǎn)的Digas4000light五氣體排放分析儀，測(cè)功機(jī)為電渦流測(cè)功機(jī)，該測(cè)功機(jī)具有恒轉(zhuǎn)速、恒扭矩及定轉(zhuǎn)速扭矩比值的控制功能。燃油流量計(jì)采用FCM-D油耗測(cè)量?jī)x。柴油機(jī)與儀器設(shè)備的具體連接原理如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用噴油器選用無壓力室油嘴的噴油器。噴油器的偏轉(zhuǎn)角度為13°，安裝旋轉(zhuǎn)角度為45°。試驗(yàn)按美國(guó)EPA排放法規(guī)規(guī)定的非道路用途發(fā)動(dòng)機(jī)8工況測(cè)試方法進(jìn)行，試驗(yàn)工況及加權(quán)系數(shù)見表2。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架連接原理

工況號(hào)12345678轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速中間轉(zhuǎn)速怠速扭矩/%10075501010075500加權(quán)系數(shù)0.150.150.150.10.10.10.10.15

八工況用加權(quán)比排放量評(píng)價(jià)柴油機(jī)的排放水平，計(jì)算方法為

(1)

式中：X為某種有害物質(zhì)的加權(quán)比排放量，g/kW·h；Xmass為該種有害物質(zhì)的加權(quán)比排放量，g/h；WF為加權(quán)系數(shù)；i為工況序號(hào)；Pei為有效功率，kW。

通過試驗(yàn)研究，本文討論了噴油器的油嘴孔徑、孔數(shù)、噴油傘狀錐角對(duì)試驗(yàn)用柴油機(jī)排放特性的影響。噴油器油嘴的孔徑和孔數(shù)組合方案分別為6×0.15(孔數(shù)為6，噴孔直徑為0.15 mm)、 6×0.17和5×0.17、5×0.19，傘狀錐角分別為150°和155°。試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)測(cè)量了2種錐角下，6孔與5孔的噴油器油線落點(diǎn)距離活塞頂面的距離隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律(油嘴噴孔中心到缸蓋底面距離固定為2.5 mm)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 油線落點(diǎn)高度分析

油線落點(diǎn)高度值接近，沿燃燒室周向等弧長(zhǎng)均勻分布時(shí)，燃油與空氣能夠更好地混合，從而減少缸內(nèi)過濃區(qū)域和過稀區(qū)域，使燃燒充分并減少污染物的形成。

油線落點(diǎn)高度的標(biāo)準(zhǔn)差δ可以用來表征沿燃燒室周向等弧長(zhǎng)均勻分布的程度，標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式如下：

(2)

圖2、圖3分別為6孔與5孔噴油器在不同噴霧傘狀錐角下油線落點(diǎn)高度標(biāo)準(zhǔn)方差隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。標(biāo)準(zhǔn)方差的值越小，則表示油線沿燃燒室周向等弧長(zhǎng)均勻分布的程度越高，理論上對(duì)柴油機(jī)的排放越有利。

圖2 6孔噴嘴不同噴霧錐角下油線落點(diǎn)高度標(biāo)準(zhǔn)方差隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

圖3 5孔噴嘴不同噴霧錐角下油線落點(diǎn)高度標(biāo)準(zhǔn)方差隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

由圖2可以看出,6孔噴嘴在固定傘狀噴霧錐角下，標(biāo)準(zhǔn)方差隨曲軸轉(zhuǎn)角的增加而增大；在固定的曲軸轉(zhuǎn)角下，傘狀噴霧錐角155°的落點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)方差小于150°的落點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)方差，即δ155<δ150，這說明6孔噴嘴傘狀噴霧錐角為155°時(shí)，油線沿燃燒室周向等弧長(zhǎng)均勻分布程度較好。由圖3可以看出，5孔噴嘴與6孔噴嘴有著相似的規(guī)律，傘狀噴霧錐角為155°時(shí)，油線沿燃燒室周向等弧長(zhǎng)均勻分布程度較好。

2.2 5孔、6孔噴嘴2種錐角8工況排放對(duì)比

5孔噴嘴與6孔噴嘴分別在155°和150°傘狀噴霧錐角下柴油機(jī)8工況排放對(duì)比規(guī)律如圖4、圖5所示。為了對(duì)比方便，將不同的排放物數(shù)值在同一圖中表示出來，柱狀圖上方的數(shù)字為實(shí)際排放物數(shù)值縮小的倍數(shù)，如PM的真實(shí)值為坐標(biāo)值乘以10-1。噴孔直徑均為0.17 mm，從圖中可以看出5孔噴嘴與6孔噴嘴均在155°傘狀噴霧錐角下具有較好的排放，且油耗較低。與圖2、圖3中油線落點(diǎn)高度標(biāo)準(zhǔn)方差的分析一致，說明油線沿燃燒室周向等弧長(zhǎng)均勻分布程度越好，對(duì)柴油機(jī)的排放與經(jīng)濟(jì)性越有利。

圖4 5孔噴嘴2種錐角8工況排放對(duì)比圖

圖5 6孔噴嘴2種錐角8工況排放對(duì)比圖

2.3 5孔噴嘴2種孔徑8工況排放對(duì)比

5孔噴嘴不同孔徑的八工況排放對(duì)比如圖6所示。從圖中可以看出，在孔數(shù)與噴油傘狀噴霧錐角相同的情況下，增大噴孔孔徑會(huì)使微粒(PM)、未燃碳?xì)?HC)與一氧化碳(CO)的排放均有所下降，而比油耗(be)與氮氧化物(NOx)有所上升。分析原因?yàn)檫m當(dāng)增大孔徑可增加噴嘴的最大射程，從而增加了氣相狀態(tài)下的混合，減少了混合氣的過濃區(qū)?；旌蠚饣旌暇鶆?，會(huì)使PM、HC、CO排放值降低。而燃燒效率提高，一般會(huì)增大缸內(nèi)平均溫度，從而使NOx排放值升高。循環(huán)噴油量絕對(duì)值的增大則可能是由于在相同的噴射壓力下，大孔徑噴油嘴的噴油量會(huì)增加導(dǎo)致的。

圖6 5孔噴嘴2種孔徑8工況排放對(duì)比圖

2.4 6孔噴嘴2種孔徑八工況排放對(duì)比

6孔噴嘴不同孔徑的8工況排放對(duì)比如圖7所示。從圖中可以看出，在孔數(shù)與噴油傘狀噴霧錐角相同的情況下，增大噴孔孔徑會(huì)使微粒(PM)、未燃碳?xì)?HC)與一氧化碳(CO)的排放均有所下降，氮氧化物(NOx)有所上升，其原因與5孔噴嘴基本相同，而比油耗(be)基本不變。這可能是由于增大噴嘴孔徑后熱效率增加與循環(huán)噴油量絕對(duì)值的增大效果相互抵消所致。

圖7 6孔噴嘴2種孔徑8工況排放對(duì)比

2.5 孔數(shù)對(duì)8工況排放的影響

噴嘴孔數(shù)不同時(shí)8工況排放的規(guī)律如圖8所示。圖中2種噴嘴孔徑與傘狀噴霧錐角均相同。從圖中可以看出，6孔噴嘴較之5孔噴嘴有著較低的PM、HC、CO排放，NOx有所上升，比油耗基本不變。分析原因?yàn)樵?55°的傘狀噴霧錐角下，6孔噴嘴的油線落點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差較5孔噴嘴的小，油束空間分布均勻性好，且油束由5束增加為6束后，使柴油機(jī)在滯燃期內(nèi)形成的預(yù)混可燃混合氣增加，從而降低了PM、HC、CO排放，并同時(shí)可以增加定容燃燒部分，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，從而使6孔噴嘴與5孔噴嘴的比油耗基本相同。

圖8 孔數(shù)對(duì)8工況排放的影響

2.6 6×0.17、5×0.19噴嘴8工況排放對(duì)比

通過上述分析，得出6×0.17-155°與5×0.19-155°噴嘴的排放與經(jīng)濟(jì)性都較其他噴嘴的好，因此確定在這2種噴嘴中選出匹配玉柴YC4F50自然吸氣式柴油機(jī)的噴嘴。從圖9中可以看出，2種噴嘴的排放物均未超出排放法規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)值。而6孔噴嘴除了HC+NOx的排放高于5孔噴嘴外，其他排放指標(biāo)均比5孔噴嘴好，且6孔噴嘴的油耗較低，因此最終確定使用6×0.17-155°噴嘴匹配該柴油機(jī)。

圖9 8工況排放對(duì)比

3 結(jié)論

1)油線落點(diǎn)高度標(biāo)準(zhǔn)方差的值越小，則表示油線沿燃燒室周向等弧長(zhǎng)均勻分布的程度越高，對(duì)YC4F50柴油機(jī)的排放越有利。

2)5孔、6孔噴嘴的傘狀噴霧錐角在155°時(shí)的油線落點(diǎn)高度標(biāo)準(zhǔn)方差比在150°時(shí)的小，因此無論是5孔還是6孔噴嘴在傘狀噴霧錐角155°時(shí)有更好的排放性與經(jīng)濟(jì)性。

3)試驗(yàn)最終選擇6×0.17-155°噴嘴匹配柴油機(jī)，滿足了8工況(EPA)排放法規(guī)的要求，且經(jīng)濟(jì)性較好。

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