陳 杰，胡啟坤，黃加亮，2

（1. 集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門361021；2. 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門361021）

噴油器孔徑對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能影響的試驗(yàn)研究

陳 杰1，胡啟坤1，黃加亮1，2

（1. 集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門361021；
2. 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門361021）

結(jié)合油泵試驗(yàn)臺(tái)和濟(jì)南柴油機(jī)廠4190ZLC型船用柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，研究了噴油器孔徑（0.30mm，0.28mm，0.26mm）對(duì)電控組合泵燃油噴射性能、柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能和排放性能影響。試驗(yàn)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(duì)應(yīng)的噴油正時(shí)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(yàn)結(jié)果可為柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)改進(jìn)提供參考。

柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)；噴油器孔徑；燃燒性能；排放性能

0　引 言

隨著石油能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，相關(guān)法規(guī)對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能提出了越來(lái)越高的要求。柴油機(jī)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(jī)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(duì)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(jī)的燃燒和排放性能［3-5］。因此，對(duì)噴油器結(jié)構(gòu)尺寸的研究是柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的重要內(nèi)容［6］。試驗(yàn)中將4190ZLC型船用中速柴油機(jī)機(jī)械噴射泵改為EP1000型電控組合泵。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，找出噴油器孔徑對(duì)柴油機(jī)燃燒與排放性能的影響規(guī)律。

1　研究方法和試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)對(duì)象為廢氣渦輪增壓的四沖程直噴式柴油機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室改造后，原機(jī)械噴油泵換成了成都威特EP1000型電控組合泵。在油泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行燃油噴射系統(tǒng)噴射特性試驗(yàn)；在柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，開(kāi)展燃油噴射系統(tǒng)的匹配與標(biāo)定優(yōu)化研究。噴油規(guī)律測(cè)量在6PSDW 300油泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，該試驗(yàn)臺(tái)采用EFS8427電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊和IFR600瞬時(shí)油量測(cè)量?jī)x。試驗(yàn)臺(tái)組成見(jiàn)圖1（a）。試驗(yàn)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(zhǎng)度為900mm，內(nèi)徑為1.8mm，噴油器噴孔數(shù)為8個(gè)；噴孔直徑分別為0.26mm，0.28mm和0.30mm。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)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(cè)定高壓油管內(nèi)油壓。柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架組成見(jiàn)圖1（b）。4190ZLC型柴油機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1　試驗(yàn)臺(tái)架組成

表1　4190ZLC型柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1噴油器通流面積對(duì)燃油噴射特性的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，分別對(duì)噴孔直徑為0.26mm，0.28mm及0.30mm的噴油器進(jìn)行試驗(yàn)。圖2為試驗(yàn)測(cè)得的各噴孔直徑下的噴油規(guī)律和噴油壓力曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：噴油器孔徑對(duì)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(yàn)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?yàn)樵趪娪统跏紩r(shí)刻，針閥開(kāi)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(kāi)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(duì)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(zhǎng)；泵端和嘴端燃油壓力高壓區(qū)域變化趨勢(shì)基本一致。額定工況下，噴油器孔徑為0.26mm時(shí)泵端和嘴端燃油噴射壓力最大，分別可達(dá)82.5MPa和82.1MPa，這是因?yàn)?.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(dòng)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(huì)使噴油持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)［7］，后燃可能性增加，對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)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(duì)噴油持續(xù)期的影響

2.2噴孔直徑對(duì)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(jī)的燃燒和動(dòng)力性能的優(yōu)劣。對(duì)0.26mm，0.28mm和0.30mm孔徑噴油器下的柴油機(jī)燃燒性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)利用DEWE-2010燃燒分析儀測(cè)量柴油機(jī)缸內(nèi)壓力，從中提取額定工況下 50個(gè)工作循環(huán)的氣缸壓力值；對(duì)曲線進(jìn)行均化和光順處理，并采用多變指數(shù)法修正上止點(diǎn)，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(shí)刻提前。這是因?yàn)閲娍字睆皆叫。加蛧娚鋲毫υ酱?，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(guò)大，運(yùn)動(dòng)部件所受沖擊負(fù)荷過(guò)大，也會(huì)造成柴油機(jī)工作粗獷，會(huì)縮短發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(shí)刻提前。因?yàn)殡S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(kāi)始時(shí)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(fù)荷時(shí)噴油量大，小孔徑噴油器會(huì)造成噴油脈寬大，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，后燃嚴(yán)重。

圖5為不同孔徑噴油器下增壓器后排氣溫度隨負(fù)荷變化的曲線。從圖5可知：在中低負(fù)荷時(shí)，噴油器噴孔直徑越小，排氣溫度越低；在高負(fù)荷時(shí)，噴油器噴孔直徑越小排氣溫度高。這是因?yàn)樵谥械拓?fù)荷時(shí)，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(duì)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(fù)荷升高，噴油量增大，小孔徑噴油器噴油持續(xù)期明顯加長(zhǎng)，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，造成排氣溫度高。

2.4噴孔直徑對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)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(shí)變化曲線。從圖6可知：隨著噴孔直徑減小，經(jīng)濟(jì)性最佳噴油定時(shí)提前，0.26mm孔徑噴油器最佳噴油定時(shí)為31°，0.28mm孔徑為28°，0.30mm孔徑為27°；0.30mm孔徑最低時(shí)燃油消耗率為213.5g/kW·h。這是因?yàn)樵陬~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(jìn)入氣缸，此時(shí)氣缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)大，燃油能與空氣進(jìn)行良好的混合，燃燒充分，燃油消耗率低，經(jīng)濟(jì)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(fù)荷變化的對(duì)比曲線。由圖7可知：低負(fù)荷工況時(shí)，隨著噴孔直徑減小，燃油消耗率降低。這是因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)，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(jìn)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(fù)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(duì)柴油機(jī)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(fù)荷變化的對(duì)比曲線。由圖8（a）可知：高負(fù)荷工況時(shí)，隨著噴孔直徑增大，NO x濃度排放升高。這是因?yàn)樵诟哓?fù)荷時(shí)，大孔徑噴油器的噴油速率高，噴油持續(xù)期短，進(jìn)氣渦流成為影響油氣混合效果的主要因素，而且進(jìn)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(fù)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?yàn)殡S著負(fù)荷升高，噴油量增大，而燃燒持續(xù)時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速增大而縮短，燃油在較短時(shí)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(zhǎng)，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(shí)O2不足，大量燃油未能參與燃燒，生成大量CO，經(jīng)濟(jì)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(yǔ)

通過(guò)電控柴油機(jī)噴油器噴孔直徑改變的試驗(yàn)來(lái)研究其對(duì)柴油機(jī)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(duì)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(duì)缸內(nèi)氣體流動(dòng)強(qiáng)度要求不高，但其噴油持續(xù)期過(guò)長(zhǎng)，對(duì)提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)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(jī)工況變化較大，應(yīng)根據(jù)柴油機(jī)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(jì)性。

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

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［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.

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［7］ 王 沛，劉福水，商海昆，等. 電控單體泵柴油機(jī)供油系統(tǒng)參數(shù)對(duì)排放特性的影響［J］. 內(nèi)燃機(jī)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(dòng)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(xiàng)基金（JK2013025）

陳杰，男，碩士，1990年生。研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)性能優(yōu)化與排氣測(cè)試分析。