余宏

摘 要：本文首先對(duì)4100QBZL柴油機(jī)噴油嘴結(jié)構(gòu)、性能分析，研究不同噴孔徑、孔數(shù)對(duì)PM排放的影響，在噴油量一定且噴油截面積基本相同的情況下，噴孔直徑與噴孔數(shù)之間成反比關(guān)系。在孔徑選取合適的條件下，要合理選取噴孔數(shù)?？讛?shù)選取合理，混合氣形成均勻，燃燒良好;否則，混合氣形成不均勻，排溫升高，性能惡化。在噴油量一定、噴油截面積基本相同及其他噴射條件相同的情況下，增加噴孔數(shù)通常能使噴注分布更均勻，噴霧質(zhì)量提高。但噴孔數(shù)過多，容易形成相鄰油束互相重疊和干涉，局部混合氣濃度過高，由于其周圍空氣稀少，燃燒不充分，造成煙度及微粒排放增加。

關(guān)鍵詞：噴油嘴孔徑;孔數(shù);PM排放

1. 4100QBZL柴油機(jī)噴油嘴結(jié)構(gòu)、性能分析

4100QBZL柴油機(jī)采用長(zhǎng)型孔式油嘴，相較短型孔式油嘴而言，盡管加工稍微復(fù)雜，但由于配合間隙很小（1.5-3.0μm）的導(dǎo)向部分遠(yuǎn)離高溫區(qū)，不會(huì)象短型孔式油嘴那樣應(yīng)高溫產(chǎn)生變形而引起卡死，長(zhǎng)型多孔式油嘴針閥制成階梯形，靠近燃燒室部分的配合間隙加大到0.5mm左右。4100QBZL柴油機(jī)噴油嘴原采用5×φ0.25噴油嘴，是根據(jù)柴油機(jī)燃燒室、噴油器及氣門位置關(guān)系（見圖1），按照等高度、等弧長(zhǎng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

4100QBZL柴油機(jī)噴油嘴安裝傾角為15°，燃燒室縮口直徑為φ60（φ65.3），活塞壓縮余隙0.9，噴油嘴伸出缸蓋底平面3.0mm，噴油嘴各孔油線落點(diǎn)高度以及相鄰油束在燃燒室外圓上所夾弧長(zhǎng)計(jì)算值見表1。

從計(jì)算結(jié)果可見， 5×φ0.25噴油嘴基本滿足油線落點(diǎn)等高度以及相鄰油束在燃燒室外圓上所夾弧長(zhǎng)相等的要求。依據(jù)油線落點(diǎn)等高度以及相鄰油束在燃燒室外圓上所夾弧長(zhǎng)相等的原則，重新設(shè)計(jì)了6×φ0.23、7×φ0.21噴油嘴。由于3種噴油嘴噴孔總流通截面積大致相等，因此油泵在額定工況下的循環(huán)供油量也基本不變。

噴孔直徑的選擇要綜合考慮噴射壓力和油霧貫穿度的影響。在一定的噴射壓力下，噴孔直徑對(duì)噴油嘴特性的影響與油霧貫穿度有關(guān)。

由廣安公式，油霧貫穿度S=Ct·（d·t） 0.5， （其中d表示噴孔直徑，t表示噴射時(shí)間，Ct表示其他影響油霧貫穿度的參數(shù)）

可以看出，當(dāng)噴射壓力一定時(shí)，噴孔直徑的平方根與油霧貫穿度成正比關(guān)系。這是因?yàn)闇p小噴孔直徑，噴出的油滴平均直徑變小，油霧細(xì)化程度提高，油霧錐角變大，受空氣阻力的影響增大，所以油霧貫穿度減小;反之，噴孔直徑增大，噴出的油滴平均直徑增大，油霧錐角減小，受空氣阻力的影響減小，使油霧貫穿度增大。油霧貫穿度過大，會(huì)使油滴過多地打到燃燒室壁面，形成油膜，在燃燒室壁面出現(xiàn)油多氣少，混合氣濃度不均的情況，生成較多的碳煙粒子。如果油霧貫穿度過小，油束打不到燃燒室壁面，在燃燒室壁面油少氣多，空氣利用率低，并且造成燃燒室局部混合氣不均，顆粒排放也會(huì)增多。

在噴油量一定且噴油截面積基本相同的情況下，噴孔直徑與噴孔數(shù)之間成反比關(guān)系。在孔徑選取合適的條件下，要合理選取噴孔數(shù)?？讛?shù)選取合理，混合氣形成均勻，燃燒良好;否則，混合氣形成不均勻，排溫升高，性能惡化。在噴油量一定、噴油截面積基本相同及其他噴射條件相同的情況下，增加噴孔數(shù)通常能使噴注分布更均勻，噴霧質(zhì)量提高。但噴孔數(shù)過多，容易形成相鄰油束互相重疊和干涉，局部混合氣濃度過高，由于其周圍空氣稀少，燃燒不充分，造成煙度及微粒排放增加。

2.柴油機(jī)噴油嘴孔徑、孔數(shù)對(duì)PM排放影響的實(shí)驗(yàn)與分析

為研究不同噴孔徑、孔數(shù)對(duì)PM排放影響，采用PM噴油泵，在供油提前角10℃A時(shí)，分別對(duì)5×φ0.25、6×φ0.23、7×φ0.21油嘴進(jìn)行外特性試驗(yàn)和13工況試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

注：PM-MIRA：按照MIRA方法計(jì)算的PM值

MIRA計(jì)算方法如下：

首先，通過FSN煙度值計(jì)算微粒的體積質(zhì)量RMIR，單位為kg/m3，RMIR=[k（1）·SZBO5+k（2）·SZBO4+k（3）·SZBO3+k（4）·SZBO2+k（5）·SZBO+k（6）]/1000，SZBO—煙度值，F(xiàn)SN;K（1）=-0.0000774932505;K（2）=0.00148742477;K（3）=-0.00655411281;K（4）=0.0221434144;K（5）=0.0102484352;K（6）=0.00153972

其次，通過微粒的體積質(zhì)量RMIR及排氣質(zhì)量流量MPAB計(jì)算微粒的時(shí)間質(zhì)量EMIR，單位為g/h;EMIR=RMIR·MPAB·R·T/P·1000，MPAB—排氣質(zhì)量流量（ 進(jìn)氣質(zhì)量流量+燃油質(zhì)量流量），kg/h;R—?dú)怏w常數(shù)，287J/kg·k;T—標(biāo)準(zhǔn)溫度，298K（25℃）;P—標(biāo)準(zhǔn)壓力，101300Pa

試驗(yàn)表明（見圖2），孔徑從φ0.25減小到φ0.23，煙度及PM排放下降。這是由于減小噴孔直徑，提高了噴油壓力，使噴出的每一油注能夠迅速產(chǎn)生細(xì)小的微粒，燃油與空氣能充分混合，并且由于油霧貫穿度適當(dāng)，混合氣質(zhì)量提高，燃燒條件改善，因此煙度及PM排放降低。

但噴孔直徑不是越小越好，孔徑過小，噴注射程縮短，油霧貫穿度過小，局部混合氣質(zhì)量不高;孔徑過小還增加了噴油阻力，噴油流量減小，如果噴油壓力沒有足夠高，會(huì)大大增加噴油持續(xù)期，使燃燒速度較慢，后燃增加。在小負(fù)荷情況下，噴油持續(xù)期延長(zhǎng)的影響還不明顯，但在大負(fù)荷時(shí)，負(fù)面影響將十分嚴(yán)重。

噴孔直徑的選擇除了工藝及成本方面的考慮（噴孔直徑過小，加工困難，需要的噴油壓力提高，成本加大）。還要避免過大或過小的油霧貫穿度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放產(chǎn)生的不利影響。在霧化良好的條件下，應(yīng)盡量使噴油壓力不要太高，但要滿足油霧貫穿度大小合適霧化良好的要求。

通過試驗(yàn)可以看出，6、7孔油嘴較5孔油嘴，煙度及PM排放明顯下降。這是由于增加孔數(shù)使油粒在燃燒室內(nèi)的分布更均勻，提高了噴霧質(zhì)量，有利于燃油的蒸發(fā)、擴(kuò)散，有利于油霧與燃燒室內(nèi)的空氣迅速混合，尤其提高了擴(kuò)散燃燒階段油束與空氣混合質(zhì)量，有助于著火后噴入氣缸的燃油與空氣混合，降低擴(kuò)散燃燒階段碳煙生成。

由圖3可見，六孔油嘴與五孔油嘴相比，六孔的總混合容積加大，燃油在燃燒室中分布更廣，混合更充分，單個(gè)噴注較窄，芯部濃混合氣易于擴(kuò)散、燃燒。

增加噴孔數(shù)后，可以降低對(duì)氣流的要求。渦流比可以減小，從而改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

通常認(rèn)為只要在噴射持續(xù)期間，渦流強(qiáng)度能使空氣旋轉(zhuǎn)一個(gè)相當(dāng)于相鄰油束間的夾角就夠了，此時(shí)空氣利用率最高。

從上式可以看出，噴孔數(shù)目越少，噴油持續(xù)時(shí)間越短，所需渦流強(qiáng)度應(yīng)越強(qiáng)。當(dāng)然，上式只具有物理概念上的判斷作用，實(shí)際最佳渦流強(qiáng)度均超過上述計(jì)算結(jié)果。

噴孔數(shù)量并不是越多越好，721孔油嘴較623孔油嘴而言，性能及PM排放還略差。原因是由于721油嘴噴孔數(shù)過多，噴注被過分吹偏，噴注尾被嚴(yán)重拖長(zhǎng)，相鄰油束間距離過小，相鄰噴注間覆蓋區(qū)域重疊，導(dǎo)致局部混合氣不均，燃燒不充分。