喷射系统参数对电喷柴油机性能的影响

徐建飞

(公安海警学院训练部，浙江宁波 3 15801)

0 引言

2008年3月31日—4月4日在伦敦召开的国际海事组织海洋环境保护委员会(MEPC)第57届会议，正式通过MARPOL 73/78附则VI的修正案，2010年7月1日该修正案开始生效.

MARPOL 73/78公约附则VI的生效和实施对减少船舶造成的大气污染有着积极的推动意义，势必要求采用新技术降低船舶柴油机对环境的污染，而柴油机的喷嘴结构对喷油器的喷油量、喷油规律及各孔喷雾特性均有较大影响，进一步影响到雾束与燃烧室及缸内气流的匹配，最终影响柴油机的燃烧过程和废气排放［1-2].所以，需以经济性、排放性和燃烧噪声为指标，对喷射系统的喷射始点、喷孔个数、喷孔直径、喷射夹角、喷孔长径比和喷嘴伸出高度等参数进行优化.本文通过喷射系统参数在装配电控高压共轨系统的MWMTBD234V6船用电站柴油机上对柴油机燃烧和排放特性影响的试验研究，深入理解喷嘴结构及喷油提前角对柴油机燃烧和排放特性的影响规律，并对试验结果进行分析.

1 试验台架及测试方案

1.1 试验台架

MWMTBD234V6电喷柴油机测试台架主要由装备电控高压共轨燃油系统的MWMTBD234V6柴油机、三相交流发电机、盐水池和数据采集系统等组成.其中，柴油机的负荷由盐水池中电流排的深度进行控制，数据采集系统对柴油机的性能和状态参数进行采集处理.测试发动机是经改装后、装备电控高压共轨燃油系统的MWMTBD234V6柴油机，柴油机负载为上海领驭电机厂生产的KHI180-24型发电机，额定转速1 500 r/min，额定频率50 Hz，额定电压380 V，最大输出功率225 kW.柴油机技术规格参数见表1.燃烧室为中等涡流强度的ω型燃烧室，发火次序:A1-B2-A3-B1-A2-B3.

表1 试验用发动机相关参数

1.2 试验方案

试验用的喷嘴方案见表2.本文试验主要是要了解喷射系统参数对高压共轨柴油机性能和排放的影响规律及其与燃烧室的匹配情况，因此选用1#喷油器在80%负荷下进行不同喷油提前角的对比试验，喷油提前角分别为上止点前 16°，14°，10°和 6°;选用2#和4#两种具有相同喷嘴流通截面积的喷油器在60%负荷下进行不同喷孔个数和孔径影响的对比试验;选用1#和5#喷射夹角不同但喷油规律基本相同的喷油器在60%负荷下进行不同喷射夹角性能影响的研究;选用7#和8#两种喷油器在60%和80%负荷下进行不同喷孔长径比性能影响的研究.为具有可比性，试验中柴油机转速保持在额定转速1 500 r/min，轨腔压力始终保持110 MPa不变.

表2 喷嘴方案

1.3 数据采集设备

发动机上需要测试采集的信号主要为表3中的21个参数，其中5个采集后的参数进入ECU，2个参数由 PXI6250采集，11个采集后的参数被传至PXI8196，其余3个参数在各自仪器上显示记录.试验中使用的测试仪器见表4.NI采集的数据由Lab-view软件编制的数字采集程序统一组合处理，以数显框、图表、曲线等各种形式显示在计算机屏幕上，并具有存盘、打印、报警等各种功能.

表3 性能试验采集参数

表4 性能试验采集仪器

2 试验结果分析

2.1 喷油提前角的影响

喷油提前角是影响柴油机燃烧及排放的重要因素.从表5和测试结果中可以看出:随着喷油提前角的减小，排温略有上升，噪声减小，燃油消耗率和排气烟度先减小后增大，NOx排放逐渐改善.NOx主要是在高温富氧条件下生成的，缸内温度越高，NOx生成量越多.［3]当喷油提前角较大时，上止点前的燃烧时间增加，温度随着活塞上行进一步升高，使NOx生成量增加，此外由于滞燃期的延长，导致更多的燃料蒸发混合，提高初始燃烧温度，促使NOx的生成.碳烟主要在高温缺氧条件下产生，喷油提前角增大，预混合气形成较好，燃烧比较充分;而初期剧烈的燃烧会加快后续喷进燃油的蒸发，进一步促使燃油混合，使燃烧变得更加充分;且在膨胀过程中，较大喷油提前角使生成的碳烟在高温下得到充分氧化，其最终的排放量减少;而喷油提前角较小时，可燃混合气形成不均匀，大量碳烟在油束液核区形成，在膨胀过程中高温氧化的时间短，最终排放量较多.但喷油提前角为上止点前16°时，65%的热量在上止点前放出，做功效率反而下降，因此同样功率喷入的燃油要多一些，排气烟度也会相应上升.［4]

2.2 喷孔个数和孔径的影响

从表6测试结果可以看出，方案2的烟度较低，NOx排放较高;方案4的NOx排放较低，烟度较高.这种结果在放热率(dQ/dφ)曲线上能得到合理解释(见图1)，用缸内压力和温度曲线分析也说明放热率曲线能基本、客观地体现出缸内燃烧放热与排放过程的主要特征.方案4缸内平均燃烧温度虽然很高，但可能火焰前锋NOx生成区内最高温度并不一定比方案2的高，导致NOx生成速度降低，另外8条雾束近喷嘴处相互间隔很小，可能存在互相干扰，影响与空气的混合，导致局部富油缺氧区生成较多碳烟.［5]

表6 不同孔数和孔径的性能测试结果(方案2:6×0.15，Φ =140，L/D=3.5.方案4:8 ×0.13，Φ =140，L/D=5.4)

图1 孔数和孔径对燃烧放热率的影响

2.3 喷射夹角的影响

对于孔数和孔径相同的喷油器，在同一喷射始点下，喷射夹角不同，油束相对于燃烧室空间的位置就不同，使可燃混合气形成的条件就不一样，从而对燃烧过程以及排放特性产生重要的影响.［6]本文采用方案1和方案5两种喷嘴在60%额定负荷、喷射始点喷油提前角分别为上止点前16°和6°时进行对比试验，测试结果见表7.两种方案喷嘴流量系数基本相同，在相同负荷下，喷油持续期差别不大，采用不同喷油提前角同样可以改变油束在燃烧室空间的位置.从测试结果可看出，两种喷油提前角下，喷射夹角对柴油机性能和排放的影响一致，喷射夹角增大则油耗和排温降低，空气噪声变大，NOx生成量增加，烟度值降低.

表7 不同喷射夹角的性能参数测试结果(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 喷孔长径比的影响

喷孔长径比对喷孔内流动和喷雾过程有一定的影响，柴油机的燃烧过程和排放特性也不同.本文采用方案7和方案8两种不同长径比的喷嘴在60%和80%额定负荷、喷射始点喷油提前角分别为上止点前14°和10°时进行对比试验，测试结果见表8.长径比大的喷嘴流量系数大一些，因此方案8的喷油持续期略短，但较短的喷孔出口面受气穴影响较大、雾化较好，喷射初始速度也快一些，有利于燃油的初期混合，而方案7着火延迟都较短.在60%负荷时，随着喷雾的发展，方案8后期的油束贯穿距增加，喷油速率更大，与空气的接触面较大，缸内反应进程加快，且由于喷油量不多，油束与燃烧室壁面碰撞沉积的燃油很少，因而预混合燃烧更加剧烈，燃烧导致的高温高压反过来又促进油滴的蒸发混合速率，方案8预混燃烧放热的比例占总放热量的65%(见图2)，所以能降低油耗和排温，使碳烟的生成量降低.同时，燃烧噪声和NOx排放量增大;方案7喷油持续期较长，扩散燃烧的量增加，燃烧更均匀，因此缸内平均压力及温度峰值略大，排温升高.但在80%负荷时，由于喷油量的增加，方案8因雾束碰壁附着在燃烧室壁面的燃油量增加，反而使燃烧进程变缓，油耗和碳烟排放变大.

表8 不同喷孔长径比的性能参数测试结果(方案7:8×0.13，Φ =110，L/D=5.4.方案 4:8 ×0.13，Φ =110，L/D=6.9)

图2 喷孔长径比对累积放热率的影响

3 结论

(1)喷油提前角从上止点前16°变化到上止点前6°时，燃油消耗率和排气烟度先减小后增大，排温略有上升，空气噪声减小，NOx排放逐渐改善.

(2)对于相同流通面积的喷嘴，孔数较多、孔径较小的喷嘴初期混合气形成较好，滞燃期短，但孔径较大、孔数较少的喷嘴预混燃烧比例更大，油耗和碳烟排放更低;喷射夹角较大的喷嘴，能充分利用燃烧室凹坑内的空气，混合气准备充分且均匀，预混燃烧的量更大些，油耗和碳烟排放降低，NOx生成增多;长径比较大的喷嘴在中低负荷时能降低油耗和排温，使碳烟的生成量降低，但在高负荷时，由于喷油量的增加，雾束碰壁附着在燃烧室壁面的燃油量增加，反而使油耗和碳烟排放变大.

(3)流量系数较小的喷嘴，有利于油滴的分裂雾化，雾束锥角变大，增强初期燃油与空气的混合速率，使燃烧迅速发生，但同时缩短喷雾贯穿距;流量系数较高的喷嘴，气穴对雾束的扰动较小，喷雾贯穿距较长，喷雾锥角与贯穿距在柴油机全工况内也存在权衡(trade-off)曲线，在中低负荷时，喷雾贯穿距较长的油滴蒸发混合更好，能增加空气利用率，提高预混燃烧的比例，但在高负荷时，则需要加强气穴对雾束的扰动，增大喷射夹角缩短贯穿距，减少碰壁的燃油量，从而改善燃油经济性和碳烟排放.

［1]蒋德明.内燃机燃烧与排放学［M].西安:西安交通大学出版社，2001.

［2]欧阳光耀.电喷和共轨技术研究阶段性研究报告［R].武汉:海军工程大学，2002.

［3]丁河清，吕林，吴锦翔，等.船舶柴油机NOx的排放法规与控制［J].武汉交通科技大学学报，2000，24(4):356-359.

［4]林学东.喷油系统参数对重型车用增压直喷柴油机NOx排放的影响［J].内燃机学报，1996，14(1):46-49.

［5]MONTGOMERY D T，孔丽君.喷油器喷嘴孔尺寸和数量对重载直喷式柴油机雾化特性和性能的影响(下)［J].国外内燃机车，1998(11):21-30.

［6]刘斌.旋转喷油器及其雾化特性研究［D].武汉:海军工程大学，2005.