喷孔形状对柴油机性能影响的试验研究

崔慧峰,廖善彬, 梁 昱,周立迎

(1.江铃汽车股份有限公司,江西 南昌 330001；2.贵阳学院 机械工程学院，贵州 贵阳 550005)

喷孔形状对柴油机性能影响的试验研究

崔慧峰1,廖善彬1, 梁 昱2,周立迎2

(1.江铃汽车股份有限公司,江西 南昌 330001；2.贵阳学院 机械工程学院，贵州 贵阳 550005)

以一台2.5L柴油机为依托，在发动机性能试验台架上，对比研究了配备具有相同流量的渐缩形喷孔喷嘴和圆柱形喷孔喷嘴发动机经济性和排放性的差异。试验结果显示：在较高转速及较高负荷下，相比于圆柱形喷孔喷嘴，渐缩形喷孔喷嘴具有一定的油耗和Soot排放优势，但随着转速和负荷的降低，上述优势逐渐减弱；渐缩形喷孔喷嘴的Soot排放对EGR率变化的敏感度要弱于圆柱形喷孔喷嘴；不管是渐缩形喷孔喷嘴还是圆柱形喷孔喷嘴，随着EGR率的升高，NOx排放基本上均是呈线性降低的，但EGR率相同时，渐缩形喷孔喷嘴的NOx排放均是略高于圆柱形喷孔喷嘴的。该研究结果可为柴油机油嘴的匹配选型提供试验和理论指导。

渐缩形喷孔；圆柱形喷孔；柴油机；试验；经济性；排放性

0 前言

喷油器作为燃油喷射系统的关键部件，其性能对发动机的动力性、经济性和排放性具有重要影响。随着柴油机排放法规的日益严格及燃油经济性要求的逐步提高，在喷油压力逐步增加及喷孔结构尺寸逐步减小的情况下，喷嘴几何参数对燃油的喷射、雾化、蒸发、混合、燃烧及排放的影响及其影响规律的试验和数值模拟研究，日益受到国内外学者的高度重视[1-5]。

喷油器k系数表征的是喷孔横截面积沿其轴向上的变化情况，是喷油器的主要几何参数之一，可定义如下[6]：

(1)

对于k系数大于0的渐缩形喷孔喷嘴，国内外已对其进行过较多研究：J.Benajes等[7]实验研究了渐缩型喷孔对共轨燃油喷射系统喷油速率的影响；R.Payri等[8]试验研究了渐缩型喷孔内的空穴对燃油喷射的影响；J.Dernotte等[9]试验研究了燃油密度和粘度对渐缩型喷孔流动特性的影响；Sibendu Soma等[10]通过数值模拟的方法研究了渐缩型喷孔对燃油喷射、柴油机燃烧及排放的影响；王启航和张克文[11]通过数值模拟的方法研究了喷嘴进口压力对渐缩型喷孔内燃油流动的影响；夏兴兰等[12]通过数值模拟的方法分析了k系数的不同对喷孔内空穴分布及流速分布的影响。但在通过试验的方法进行渐缩形喷孔喷嘴对发动机性能影响的试验研究方面，相关报道还较少。

为此，本文以一台2.5L柴油机为依托，进行了流量、孔数及油束夹角等均相同而孔径不同的渐缩形喷孔喷嘴和圆柱形喷孔喷嘴的发动机性能试验，系统研究了渐缩形喷孔喷嘴对发动机性能的影响，并与圆柱形喷孔喷嘴进行了对比分析。

1 试验装置及方法

试验发动机为一台2.5L缸内直喷、高压共轨、增压中冷的四缸柴油机，台架布置示意如图1所示(试验进行过程中，需对进排气侧的二氧化碳同时测试，下图所示台架示意图未示出进气侧二氧化碳测试通道)。

图1 台架布置示意图Fig.1 Schematic diagram of test bench

试验用喷油器主要参数如表1所示(圆柱形喷孔喷嘴简记K0喷嘴、渐缩形喷孔喷嘴简记Ks喷嘴)。

表1 试验喷嘴主要参数Tab.1 Main geometric parameters of experimental nozzles

对于两种喷油器，在任一工况点，通过台架的设置、EGR阀开度的调节、进气量和循环喷油量的闭环控制，来确保发动机相同的转速及功率和扭矩的输出，并得到试验所需的EGR率。为系统了解配备渐缩形喷孔喷嘴和圆柱形喷孔喷嘴发动机性能的差异，本文在不同的转速、不同的负荷及不同的EGR率下，对柴油机较为关注的BSFC、Soot排放和NOx排放进行了较为全面的测试。

2 计算结果对比分析

2.1 有效燃油消耗率的对比

图2所示为不同转速、不同负荷下Ks油嘴和K0油嘴有效燃油消耗率随EGR率变化的对比情况。从图中可以看出，在较高转速、较大负荷下，对于一定范围内相同的EGR率，Ks油嘴的有效燃油消耗率均是低于K0油嘴的；但随着转速和负荷的降低，上述改善优势逐渐减弱；对于较低的负荷及较低的转速，两种油嘴的有效燃油消耗率基本相当。即：在中高转速及中大负荷运行工况下，相比于K0油嘴，Ks油嘴具有一定的燃油消耗率优势。

a)3000rpm65%负荷

b)2500rpm50%负荷

c)2000rpm37.5%负荷

d)1500rpm25%负荷 图2 有效燃油消耗率的对比Fig.2 BSFC comparisons between ConN and CylN

2.2 Soot排放的对比

图3所示为不同转速、不同负荷下Ks油嘴和K0油嘴Soot排放随EGR率变化的对比情况。从图中可以看出，任一工况下，Ks油嘴的Soot排放对EGR率变化的敏感度均弱于K0油嘴，即随着EGR率的变化，Ks油嘴的Soot排放是较K0油嘴稳定的。同时，与上述规律相一致，在任一运行工况下，随着EGR率的提高，Ks油嘴较K0油嘴对Soot排放的改善程度逐渐提高。从图3还可看出，在高转速高负荷运行工况点，Ks油嘴较K0油嘴对Soot排放的改善程度是较为明显的，但随着发动机转速和负荷的降低，上述改善程度逐渐减弱；对于低速低负荷运行工况点，当EGR率较小时，Ks油嘴和K0油嘴的Soot排放是基本相当的，只有EGR率较高时，Ks油嘴较K0油嘴对Soot排放的改善才渐趋明显。

a)3000rpm65%负荷

b)2500rpm50%负荷

c)2000rpm37.5%负荷

d)1500rpm25%负荷 图3 Soot排放的对比Fig.3 Soot comparisons between ConN and CylN

2.3 NOx排放的对比

图4所示为不同转速、不同负荷下Ks油嘴和K0油嘴NOx排放随EGR率变化的对比情况。从图中可以看出，任一工况下，不管是Ks油嘴还是K0油嘴，随着EGR率的升高，NOx排放基本上均是呈线性降低的。同时，任一工况下，当EGR率相同时，Ks油嘴的NOx排放均略高于K0油嘴。但与负荷和转速对Ks油嘴和K0油嘴有效燃油消耗率差异及Soot排放差异影响规律不同的是，负荷和转速对Ks油嘴和K0油嘴NOx排放差异的影响并没有呈现出较为明显的变化规律。

a)3000rpm65%负荷

b)2500rpm50%负荷

c)2000rpm37.5%负荷

d)1500rpm25%负荷 图4 NOx排放的对比Fig.4 NOx comparisons between ConN and CylN

3 结论

以一台2.5L柴油机为依托，在发动机性能试验台架上，进行了具有相同流量的Ks油嘴和K0油嘴的性能试验，由对比分析可知：

(1)在中高转速及中大负荷运行工况下，相比于K0油嘴，Ks油嘴具有一定的燃油消耗率优势，但随着转速和负荷的降低，上述改善程度逐渐降低。

(2)Ks油嘴的Soot排放对EGR率变化的敏感度是弱于K0油嘴的；在高转速高负荷运行工况点，Ks油嘴较K0油嘴对Soot排放的改善程度是较为明显的，但随着发动机转速和负荷的降低，上述改善程度也是逐渐降低的。

(3)不管是Ks油嘴还是K0油嘴，随着EGR率的升高，NOx排放基本上均是呈线性降低的。但相同工况下对于相同的EGR率，Ks油嘴的NOx排放是略高于K0油嘴的。

[1]崔慧峰，罗福强，董少锋，等. 柴油机渐缩形喷孔喷嘴流动特性研究[J]. 农业机械学报, 2013,44 (11): 19-25.

[2]郑跃伟，崔慧峰. 基于CFD的柴油机渐扩形喷孔喷嘴空穴流动特性研究[J]. 内燃机, 2015(2): 18-22.

[3]J.M. Desantes, J.M. García-Oliver, J.M. Pastor, J.G. Ramírez-Hernández. Influence of nozzle geometry on ignition and combustion for high-speed direct injection diesel engines under cold start conditions[J]. Fuel, 2011 (90):3359-3368.

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[5]R. Payri, F.J. Salvador, J. Gimeno, J. de la Morena. Effects of nozzle geometry on direct injection diesel engine combustion process[J]. Applied Thermal Engineering, 2009(29): 2051-2060.

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[7]J. Benajes, J. V. Pastor, R. Payri, A. H. Plazas. Analysis of the Influence of Diesel Nozzle Geometry in the Injection Rate Characteristic[J]. Journal of Fluids Engineering, 2004(126): 63-71.

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[11]王启航, 张克文. K系数喷油嘴喷孔内气液两相流动的三维模拟[J]. 柴油机设计与制造, 2009, 16(4): 173-178.

[12]夏兴兰, 郭立新, 杨海涛, 许喆. 共轨喷油器主要结构参数对燃油流动和喷雾特性的影响[C]. ENERGY, 2010, 35 (6): 2484-2492.

Experimental Study on Effect of Nozzle Hole Shapes on Diesel Performances

CUI Hui-feng1，LIAO Shan-bin1，LIANG Yu2，ZHOU Li-ying2

(1. Jiangling Motors Co., Ltd., Nanchang，330001，China;2. School of Mechanical Engineering, Guiyang University ，Guiyang ，550005，China)

With a 2.5L diesel engine, a lot of diesel performance experiments were carried out on test bench under different operating conditions, and the economy performances and the emission performances of the engines equipped with convergent hole nozzle (ConN) and cylindrical hole nozzle (CylN) were analyzed. The results show that: the BSFC and the Soot of ConN are better than those of CylN under higher speed and higher load, but with the increase of engine speed and engine load, the above advantages of ConN are decreased gradually. For ConN, meanwhile, the EGR sensitivity of the Soot emission is weaker than that of CylN. With the increasement of the EGR rate, the NOx is reduced linearly for both of ConN and CylN, but for the same EGR rate, the NOx emission of ConN is higher than that of CylN. This study could provide experimental and theoretical guidance for nozzle selecting and matching of diesel engine.

convergent hole; cylindrical hole; diesel; experiment; economy performance; emission performance

2016-09-13

江铃汽车股份有限公司经济型共轨项目(项目编号：A112022)；国家自然科学基金项目：“乙醇-柴油双直喷发动机混合气形成与燃烧机理研究”(项目编号：51366002)。

崔慧峰(1984-)，男，河南平顶山人，中级工程师、博士。主要研究方向：发动机燃烧系统的设计开发。

TK423

A

1673-6125(2016)04-046-04