喷射压力及流量对发动机油耗及烟度影响的试验研究

0 引言

随着环境污染和能源短缺问题的日益严峻，对发动机排放和油耗提出了越来越高的要求，如何在满足排放的前提下降低油耗一直是发动机领域研究的主题

。目前国六柴油机采用的技术路线主要为高轨压+EGR+DOC+DPF+SCR，其中EGR为废气再循环系统，DOC为氧化型催化器，DPF为颗粒捕集器，SCR为选择性催化还原。为提高后处理的可靠性，必须对发动机原机进行优化匹配以降低原排

。提高共轨喷油器喷射压力和流量是降低排放和油耗的有效措施，它们均可缩短喷油持续期和燃烧持续期，加快扩散燃烧速度，使发动机缸内的最高燃烧压力、最高燃烧温度和放热率都明显增加

。高喷射压力对改善发动机燃油消耗和排气烟度，提高发动机热效率是有效的，但同时也会带来NOx排放的增加，需要用高EGR率降低NOx原排；大喷射流量可降低发动机燃油消耗，但排气烟度会增加，需要用高轨压来降低烟度

。

本文基于某重型13L发动机，研究了共轨喷油器喷射压力及流量两个关键因素对发动机油耗及烟度的影响规律，为发动机匹配高喷射压力及大流量喷油器提供了一定的技术指导。

1 理论研究

喷油器油嘴流量的理论计算公式如下：

其中，

为流量系数；

为节流孔径；

为柴油密度；Δ

：为压差，近似等于喷射压力。

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特定喷射压力下喷油器流量与标准流量的关系如下：

提高喷射压力，发动机机械负荷、热负荷、噪声、NOx会增加，为满足排放法规要求，必须同步提高EGR率来降低NOx，随着EGR率的提高，燃烧相位后移，缸内燃烧速度变慢，油耗会增加。另外，高的EGR率也会引起发动机泵气损失增加，油耗进一步恶化。因此，喷射压力并非越高越好，需要根据发动机系统优化选择最优的喷射压力。

图1为不同喷射压力下的喷雾形状，可以看出，提高喷射压力，可以提高油雾在缸内的贯穿距，同时提升缸内油气混合过程。

2 试验装置及方案

2.1 试验装置

喷油器采用方案1，在工况点1，发动机转速1200 r/min，75%负荷，采集DOE数据，EGR率变化范围为15%～19%，过量空气系数变化范围为1.44～1.61，从图1可以总结出提高喷射压力对油耗和烟度的影响：(1)提高喷射压力，油耗率升高，最佳油耗点的喷射压力在150MPa，相比250MPa油耗降低2g·(kW·h)

，这是由于提高喷射压力，一方面可缩短喷油持续期、着火滞燃期和燃烧持续期，加速扩散燃烧期内的油气混合，明显加快扩散燃烧速度，使发动机缸内的最高燃烧压力、最高燃烧温度和放热率都明显增加；另一方面喷射压力提高，油束在缸内的贯穿距离增加，导致传热损失增大，热效率降低。综合两方面因素，在低速区提高喷射压力，对降低发动机燃油消耗率，提高发动机热效率是有效的。(2)提高喷射压力，烟度降低明显，在NOx排放为6.4 g·(kW·h)

时，250MPa相对150MPa烟度低0.13FSN，降低43%，随着NOx排放增加，烟度降低幅度减少，这是由于提高喷射压力，油束在缸内的贯穿距离增加，燃油雾化良好，同时改善了缸内油气混合过程，有利于燃烧，因此烟度降低。

2.2 试验方案

试验工况见表4，在每个工况点下选择130MPa～180MPa、200MPa、220MPa、250MPa四个轨压，每个轨压下，对提前角、EGR开度、电控放气阀开度三个变参采用空间填充法进行DOE试验设计，NOx范围控制在(2 ～ 12)g·(kW·h)

。试验完成后，采用外包络线拟合的方法进行数据处理。

3 试验结果及分析

3.1 喷射压力影响

试验发动机为某6缸增压中冷电控高压共轨柴油机，发动机技术路线为高轨压+EGR+DOC+DPF+SCR，在发动机本体上布置冷却EGR系统和电控放气阀增压器，增压器出口连接DOC，之后连接DPF、SCR和ASC(氨逃逸催化器)。发动机的技术参数如表1所示，为对比充分，设计4种方案的喷油器，孔数有8孔、10孔两种，油嘴喷雾锥角有151.7°、149°两种，油嘴流量有1000 ml/30s@10MPa、1100 ml/30s@10MPa、1250 ml/30s@10MPa三种，喷油器油嘴详细参数如表2。发动机台架试验设备参数见表3。

其中，

为标准喷油器流量(mL/30s @10MPa)；

为喷射压力

MPa下的喷油器流量(mL/30s @xMPa)。

（2）较大面积蜂窝：先凿去蜂窝处薄弱松散的混凝土和突出的颗粒，冲洗干净。用比原混凝土强度等级高一级的干硬性砂浆填补，避免因砂浆收缩形成裂缝与原混凝土结合不紧密。表面用水泥浆（水泥浆内掺加纯白乳胶漆和少量白水泥）抹平，确保修补材料牢固粘结，无明显痕迹与原混凝土色泽相近。

在工况点3，发动机转速1800 r/min，100%负荷，采集DOE数据，EGR率变化范围为24%～26%，过量空气系数变化范围为1.36～1.38，从图3可以看出：(1)在高速高负荷区，能实现高的EGR率，油耗随着喷射压力的升高而降低，250MPa比200MPa油耗降低1.7g·(kW·h)

；(2)烟度也是随着喷射压力的升高而降低，250MPa比200MPa降低0.5FSN。

在工况点2，发动机转速1500 r/min，100%负荷，采集DOE数据，EGR率变化范围为23%～25%，过量空气系数变化范围为1.37～1.39，从图2可以看出：(1)在较高转速大负荷区，固定截面增压器能实现高的EGR率，最低油耗需求喷射压力增加，喷射压力在220MPa时油耗最低，相比185MPa油耗降低0.8g·(kW·h)

；(2)烟度也是随着喷射压力的升高而降低，250MPa比185MPa降低0.3FSN。

通过对上述公式分析，可以看出提高喷射压力，可以提高实际工况点的喷油器流量，缩短喷油器持续期。同样，提高标准喷油器流量，也可以提高实际工况点的喷油器流量，缩短喷油持续期。

3.2 喷射流量影响

喷油器采用方案2、方案3、方案4，三种方案喷油器油嘴参数只有流量不同，孔数和喷孔锥角一样。在工况点1，发动机转速1200r/min，75%负荷，采集DOE数据，EGR率变化范围为14.5%～19.2%，过量空气系数变化范围为1.47～1.67，从图4可以总结出提高喷射流量对油耗和烟度的影响：(1)提高喷射流量，油耗率降低，最佳油耗点的油嘴流量为1250ml/30s，相比1000ml/30s油耗降低2g·(kW·h)

，这是由于喷油器油嘴流量增大，可缩短喷油持续期和燃烧持续期，加快扩散燃烧速度，使发动机缸内的最高燃烧压力、最高燃烧温度和放热率都明显增加，发动机热效率提高；(2)油嘴流量增大，喷孔直径变大，燃油雾化变差，导致烟度稍微增加，1250ml/30s流量比1000ml/30s增大0.01FSN。

在工况点2，发动机转速1500 r/min，100%负荷，采集DOE数据，EGR率变化范围为22.5%～23.4%，过量空气系数变化范围为1.34～1.36，从图5可以看出：(1)油耗率也是随着喷射流量的增加而降低，1250ml/30s流量比1000ml/30s油耗降低2.8g·(kW·h)

；(2)烟度在NOx为4.5g·(kW·h)

时，基本相当，由于受EGR率的影响，趋势不明显。

在工况点3，发动机转速1800 r/min，100%负荷，采集DOE数据，EGR率变化范围为19.3%～25.4%，过量空气系数变化范围为1.25～1.31，从图6可以看出：(1)在NOx为3g·(kW·h)

时，1250ml/30s流量的油耗率最低，在NOx为5g·(kW·h)

时，三种流量的油耗基本相当；(2)油嘴流量大，烟度基本上变差，由于受EGR率的影响，趋势变得复杂。

4 结论

随喷射压力的提升，一方面喷油持续期变短，燃油雾化好，有利于油耗降低，另一方面传热损失和油泵功耗增加，会导致油耗增加，因此就特定工况点而言喷射压力对油耗的贡献存在理论拐点，即存在最优的喷射压力，超过此最优喷射压力，油耗会有一定程度的劣化。每个工况点的最优喷射压力，随发动机工况点转速和负荷的提高而提高。就烟度而言，每个工况点下，随喷射压力的提升，烟度都存在降低的趋势。随喷油器油嘴流量的提升，每个工况点下，均有油耗降低、烟度裂化的趋势。

综合而言，(1)超高喷射压力在高速高负荷区域具有一定的油耗优势，但其它区域未有油耗优势；(2)提高喷射压力，烟度可明显降低；(3)在高速高负荷区，提高喷射压力，可得到油耗和烟度的双重好处；(4)对低速低负荷区，采用超高喷射压力不会带来油耗的优势，采用大流量喷油器会有一定效果，但会带来一定的烟度裂化；(5)喷射压力及流量的综合应用，是实现发动机降低油耗和烟度双重目标的关键。

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