高效低排放柴油机喷油器喷嘴几何结构研究

班智博，官 维, ，赵 华，林铁坚，潘明章

(1. 广西玉柴机器股份有限公司，广西 南宁 530004；2. 布鲁内尔大学 工程设计和物理科学学院，英国 伦敦 UB8 3PH；3. 广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004)

近年来，为了应对越来越严重的空气污染，排放法规不断加严，迫使发动机研究者和制造商在发动机设计的各个领域进一步优化燃烧系统．在现代柴油机的燃烧系统设计中，为了提高燃料的转换效率并降低发动机的排放，需要对活塞的几何结构、缸内的空气流动、喷油策略和喷油器喷嘴的结构进行优化[1]．为了在发动机效率和排放之间寻求最佳平衡，将喷油器与活塞进行良好的匹配．由于喷孔直径、喷孔数、喷孔布置和喷雾锥角等参数直接影响燃油的雾化、蒸发，进而影响空气与燃油的混合过程[2]．为了减小喷雾液滴的尺寸，喷嘴孔径趋于减小；在较高的喷射压力下，使用较小的喷孔直径可减小燃油贯穿距，从而避免液体燃油撞击气缸壁．使用较小的喷孔直径还能增强燃油雾化和增加空气夹带等，这些都有助于提高空气与燃油的混合，从而形成更均匀的混合气，最终降低碳烟排放和燃油消耗，但同时会增加氮氧化物的排放．然而，较小的喷孔直径会增加喷油持续时间，且难以获取足够高的喷油速率并导致燃烧效率降低，因而必须通过增加喷射压力来提高喷油速率．增加喷孔的数量会使喷射的油束重叠，颗粒排放增加．有研究显示，直径较小的喷孔对应的喷孔数量越多，会造成喷射的穿透性下降，影响空气与燃油的混合质量，从而不利于提升重载柴油机的指示热效率．

喷孔截面面积是喷嘴结构的一个重要特征，因为它对喷嘴内部流场特性以及喷嘴上的空化现象和湍流的演变具有重要影响[3]．与圆柱孔形状相比，K形喷孔(锥形喷孔)具有喷射角小、穿透力强、喷射速度高和喷射特性稳定等优点．Benajes等[4]研究了两种不同喷嘴孔形状(圆柱形和锥形)的流动特性表明，锥形喷嘴比圆柱形喷嘴具有更高的流量系数．研究还发现，由于空化现象的出现，高喷射压力下的流动溃灭(flow collapsing)只发生在圆柱形喷嘴处．Desantes等[5]分析了喷嘴锥度对空化形成的影响表明，增大K因子值(K系数)可以有效降低空化出现的可能性．研究还表明，锥形喷嘴在减少点火延迟的同时，由于雾化增强和更好的空燃混合，在减少碳烟排放方面具有潜力．但由于扩散燃烧水平较高，其产生了较高的氮氧化物排放量[6]．Kong等[7]对K形喷孔进行了升级，即在K形喷孔基础上对喷孔入口加工了一个相对较大的圆形边缘，形成Ks喷孔，其优点是在进口段可以更高效地将燃油压力转化为喷雾速度，并可以减少油束在喷孔下游的流动分离．

许多研究还表明，燃烧室、涡流比和喷油器之间存在一个最佳组合，可以最大限度地提高燃油效率并降低发动机废气排放．因此，有必要对喷孔的几何形状进行研究，使喷孔与燃烧室达到最佳匹配．笔者在装有高压共轨系统的单缸重载柴油机上进行了试验，分析喷孔直径、喷孔形状和喷雾锥角等几何参数对发动机燃烧、排放和效率的影响，并根据发动机NOx排放量和欧Ⅵ法规NOx限值估算了选择性催化还原(SCR)系统中尿素消耗量，进行了发动机总体效率分析，以确定总液体消耗最低的喷油嘴几何结构．

1 试验建立

1.1 台架及发动机参数

在单缸重载柴油机试验台上开展了试验，测试台架如图1所示．压缩空气由带有闭环控制的AVL 515滑片压缩机组供应，该机组与电机相连．用热式质量流量计测量进气质量流量．在进气和排气系统中安装了两个大的缓冲罐，以抑制由于发动机的气体交换引起的进气和排气歧管中的压力波动．同时还安装了两个压力传感器来测量进气和排气口的瞬时压力．进气歧管压力由进气节流阀微调，而排气背压则通过位于排气缓冲罐下游的蝶阀独立控制．燃油质量流量则是通过两个Coriolis流量计分别测量燃油系统供应的总燃油流量和从高压油泵及喷油器回流回来的燃油流量，最终发动机消耗的燃油流量为这两个燃油质量流量计测得的流量之差．

图1 试验台架示意Fig.1 Schematic diagram of test bench

从图1中还可知，瞬时缸内压力通过采样间隔最小为0.25°CA的压电式压力传感器测量．采集的200个发动机循环的缸压数据经过电荷放大器记录和进行平均，然后用于放热率(HRR)计算，即

式中：γ为发动机比热比，研究中默认为常量，取值为1.33；p和V分别为发动机缸内压力和容积；θ为发动机的曲轴转角．

排放测试使用Horiba排放分析仪测量废气(NOx、HC、CO2和CO)．为了进行高压取样并避免冷凝，在排气取样点和排放分析仪之间使用了高压取样模块和加热管．使用AVL 415SE烟度计在排气背压阀下游测量烟度，然后根据文献[8]将测得的烟度数FSN转化为以mg/m3表示．最后根据文献[9]将所有测得的排放转化为以净指示气体排放表示．

研究用发动机是根据玉柴K系列柴油机改装的单缸柴油机，其中燃烧室形状为缩口ω型，进气方式采用基于螺旋气道的强涡流气流运动形式．其基本参数如表1所示．

表1 发动机基本参数Tab.1 Basic parameters of engines

1.2 试验设计方案说明

表2为5个喷油器基本参数，开展了试验设计方案(design of experiment，DOE)研究分析，它们具有不同的燃油质量流量、喷嘴孔结构布置和喷雾锥角．其中喷嘴孔结构布置如图2所示．图2a为圆柱形状的喷孔；图2b为带倒角的K喷孔；图2c为锥形喷孔，在K喷孔基础上加大倒角幅度．

表2 喷油器基本参数Tab.2 Basic parameters of injectors

图2 不同喷油器喷孔形状对比Fig.2 Comparison of different nozzle hole-shapes

选择圆柱形和Ks喷孔进行试验对比．其中Ks喷孔的锥度大小定义为K因子，如公式(2)所示．

式中：Din为喷孔内孔直径；Dout为喷孔外孔直径；L为喷孔的长度．

试验工况从欧洲稳态循环(ESC)中选择6个工况点进行，如表3所示．通过比较5个不同喷嘴几何结构喷油器的测试结果，从发动机性能和排放方面找出最佳的喷油器．

表3 发动机运行工况Tab.3 Operation conditions of engines

在表3中的每个工况点，进行两种不同的喷射压力下的单次喷射，喷油压力pinj分别为130MPa和170MPa；在最大缸内压力限值180MPa的范围内，通过喷油正时(SOI)扫点的方式进行试验寻优，获得最低燃油消耗率，同时分析喷油器在不同工况和不同喷油策略下对发动机经济性和排放的影响．

2 结果分析

2.1 喷嘴形状的影响

通过对燃烧相关指标分析表2的圆柱喷孔(喷油器5)和Ks喷孔(喷油器3)的差异，图3显示了所有测试点的着火延迟，其中着火延迟定义为喷油时刻至燃烧放热量累积5%这段期间对应的曲轴转角．从图3中可以看出，Ks孔喷油器的着火延迟比圆柱孔喷油器的着火延迟要短．这是由于Ks孔的流量系数较高，空化的可能性较小[10]，从而增强了喷射燃料的雾化稳定性，使燃油雾化质量提升，从而改善缸内空气与燃油的混合效果，放热始点提前．

图3 着火延迟对比Fig.3 Comparison of ignition delay

图4 为发动机在相同喷油正时下改变燃油喷射压力时两个不同喷孔形状的喷油器在1147r/min、50%负荷工况下的缸内压力和放热率对比．Ks孔喷油器导致较短的着火滞燃期使燃烧始点提前，从而增加压力升高率．但由于预混燃烧程度较低，导致放热速率的峰值较低．另外，喷射压力增加能改善空燃混合，带来更高的放热率峰值．

图4 两种喷油器在50%负荷和1147r/min时燃烧特征分析Fig.4 Combustion characteristic analysis for the two injectors with 50% load and 1147r/min

图5显示了在1147r/min、50%负荷下两种喷油器在不同SOI下的发动机性能．与圆柱孔相比，Ks孔在恒定SOI和喷射压力下指示燃油消耗率(ISFC)较佳．这主要是因为当燃料转换效率提高时，发动机维持相同的功率输出所需的燃油喷射量减少，从而过量空气系数较高．同时还可以看到较高的过量空气系数和较早的燃烧有助于降低排气温度．因此，Ks孔喷油器中更快速的燃烧导致更高效的燃油转化和更低的传热损失，最终Ks孔喷油器比圆柱孔喷油器的指示热效率平均提高了1.6%．此外，提前喷油结合高喷射压力有助于提高指示热效率，从而降低燃油消耗率，这是由于改善了混合气的质量和提高了预混燃烧的程度．但是喷射压力对两种喷油器在燃油消耗率上的影响基本相似．

图5 两种喷油器在50%负荷和1147r/min时性能指标Fig.5 Performance index for the two injectors with 50%load and 1147r/min

图6 为两种喷油器在不同喷射压力和喷油提前角下的废气(NOx、soot和HC和CO)排放．所有的方案均显示，提前喷油和提高喷射压力均能降低soot排放，但NOx排放会显著增加．与圆柱孔相比，Ks孔形状喷油器的碳烟排放较低，且对喷油正时和喷射压力的敏感性也较低．这是因为Ks孔能增强空气燃料混合和具有更高的过量空气系数．在给定的喷油正时下，Ks孔的NOx排放量略低于圆柱孔喷油器，这是由于预混燃烧程度相对较低导致燃烧温度峰值较低所致．喷油正时和喷射压力的变化对HC的排放影响不大；但与圆柱孔喷油器相比，Ks孔喷油器增加了HC排放．这可能是因为当量比较低、火焰淬火风险较高以及废气温度降低，这使得HC在后期燃烧过程中氧化程度降低[8]．

图7为6个测试点采用相同的喷油正时和喷射压力下Ks孔喷油器和圆柱孔喷油器在燃油消耗率和排放方面所取得的效益．整体来看，两种喷油器的NOx排放差别不大．Ks孔喷油器在较低的发动机转速下，NOx排放略有降低，而在较高的发动机转速下，NOx排放有所增加．但在所有工况下，使用Ks孔喷油器均可显著降低碳烟排放．这主要是由于Ks孔喷油器具有更好的燃油雾化和更高的过量空气系数[9]．Ks孔喷油器在大多数测试点对应的燃油消耗率都有所降低，这是因为搭配Ks孔喷油器的发动机混合气质量提升，燃烧过程加快，燃烧温度和废气温度降低，从而改善了燃烧质量和降低了传热损失．因此，确定了Ks孔形状的喷油器为最佳喷油器，在后续研究中将进一步优化其各项参数．

图7 排放与燃油消耗率对比Fig.7 Comparison of emission and fuel consumption

2.2 喷孔直径的影响

排放污染物与燃油喷射特性，特别是瞬时燃油流量、喷雾的演变及其与燃烧室内与新鲜空气的相互作用有着密切的关系[11]．对具有不同喷油器流量(即不同孔径)的两个Ks孔喷油器(即表2中喷油器1和3)进行了比较．喷油器流量越高，表明喷嘴孔直径越大．

图8显示了两个不同燃油流量的喷油器在1147 r/min和50%负荷时缸内压力和放热率变化情况．喷油器流量减小(孔径减小)时，燃烧提前，这是因为较小孔径喷射的液滴较小，其雾化、蒸发和混合速度更快，形成可燃混合物所需的时间较短．结果表明：油、气混合速度加快，预混燃烧比例减少，放热率峰值越低；而更早的放热导致缸内压力峰值更高．

图8 不同燃油流量在50%负荷和1147r/min时缸内压力和放热率Fig.8 Cylinder pressure and heat release rate of the injector with 50% load and 1147r/min atdifferent fuel flow rates

图9显示不同喷射压力和提前角下喷油器流量对发动机性能的影响．相对较大流量喷油器的燃油消耗率更低，指示效率更高，排温更低，过量空气系数更大．这是因为较大的喷孔会产生较长的燃油贯穿距和较短的喷射持续时间，燃油喷射持续期的缩短能在一定程度上延长燃油与空气的混合时间，从而使燃油与空气混合更加充分．另外，喷油持续期短能减短燃烧持续期，较大的过量空气系数使缸内平均燃烧温度较低，从而降低气缸壁的热损失，也会进一步改善燃油消耗率[12]．

图9 不同燃油流量在50%负荷和1147r/min时性能对比Fig.9 Performance comparison of the engine with 50% load and 1147r/min at different fuel flow rates

图10 显示了在不同喷射压力和喷油正时下不同方案的排放对比．小流量喷油器的NOx排放较低，主要是喷油持续期延长导致燃烧持续期更长，燃烧重心靠后，燃烧温度降低．而小流量喷油器的喷雾粒径更小，同时小流量喷油器更小的喷雾贯穿距有利于减小燃油撞壁风险，这些因素都有利于减少碳烟生成．另外，小流量喷油器的HC排放显著降低，是因为小流量喷孔贯穿距离段，喷雾颗粒小，雾化效果好，因而点火延迟短；并且可以减少局部过稀的混合气，这是产生未燃HC排放的主要来源．

图10 不同燃油流量在50%负荷和1147r/min时排放对比Fig.10 Emission comparison of the injector with 50% load and 1147r/min at different fuel flow rates

图11为两种喷油器研究的6个工况下的性能及排放对比．大流量喷油器在燃油消耗率方面占优，在排放上的表现整体不如小流量喷油器．

图11 两种喷油器的NOx和soot排放及ISFC比较Fig.11 Comparison of NOx，soot，and ISFC for the two injetors

2.3 喷孔喷雾锥角影响

喷油器凸出高度可以通过安装在喷油器和气缸盖之间的垫圈进行调整，垫圈越厚喷油器伸出量越小．分析了喷雾锥角与垫圈厚度对性能及排放的影响，探索各喷油器的最佳垫圈厚度，以使其与燃烧室和所采用的喷射策略相匹配．

为了更好地确定每个喷油器的最佳垫圈厚度，绘制了3个喷油器(即表2中喷油器2～4)的发动机指示热效率废气排放随垫圈厚度的变化，如图12所示．结果表明，喷射锥角越大，结合使用较薄的垫圈厚度来提高喷射器的突出高度，获得更好的发动机指示热效率和更低的废气排放，反之亦然．

图12 不同垫圈厚度下的排放及性能对比Fig.12 Comparison of emission and performance of the engine under different washer thicknesses

2.4 发动机总效率分析

重型柴油机SCR系统中尿素水溶液的消耗必须作为用户使用成本进行考虑，需将燃油消耗量与尿素消耗量终合考虑，即得到发动机总效率指标．在喷油器几何形状的研究中，对发动机总体效率进行分析，以确定获得最低总液体消耗的最佳喷油器配置．

根据文献[13—15]，SCR系统中的尿素消耗量murea可估算为每g/(kW·h)氮氧化物还原所需的柴油当量燃料流量 mdiesel的1%，以满足欧Ⅵ对NOx排放的限值NOxⅥ(0.4g/(kW·h))，即

式中：N Oxout为发动机NOx排放．

由于不同国家和地区的柴油和尿素的相对价格不同，假定尿素的价格与柴油相同．将柴油燃油消耗率加上尿素的估算使用量murea，即可计算出总的液体消耗量mtotal．

通过公式(5)可算出总的热效率NIEcorr．

式中：Pi为净功率；柴油低热值LHVdiesel＝42.9MJ/kg．

图13全面评估了3个搭配不同喷雾锥角的喷油器分别在50%和100%负荷下对总液体消耗量和总效率的影响．工况点为50%负荷时总液体消耗量明显偏低，而工况点为100%负荷时总液体消耗量明显偏高．这是因为随着负荷的增大，柴油消耗量增多同时原排NOx生成增加，最终导致尿素消耗量增大，因而总液体消耗量在100%负荷时明显比50%负荷大．喷雾锥角为146°和153°的喷油器可降低总液体消耗，并提高总效率．这是由于最小喷雾锥角喷油器的NOx排放较低．当在发动机满负荷下进行比较时，最小喷雾锥角的喷油器在降低NOx排放和总燃油消耗率方面表现出更大的潜力，从而导致NIEcorr的增加．

图13 50%和100%负荷下的总液体消耗量和总效率分析Fig.13 Analyses of total fluid consumption and overall efficiency at 50% and 100% loads

在合适的喷油器垫圈厚度下，优化喷雾锥角有可能改善NIEcorr以及总的液体消耗量，降低发动机的运行成本．根据研究结果确定了喷雾锥角为146°结合垫圈厚度为2.0mm时的喷油器为实现缸内和后处理NOx排放控制最佳平衡的最优喷油器结构．

3 结论

(1) 相对于圆柱孔喷嘴，由于Ks孔喷嘴的燃油雾化效果更佳，且具有更高的流量系数及更长的贯穿距，导致燃油与空气混合更加充分，从而使得燃油消耗量和颗粒排放更低，但NOx排放略高．

(2) 与小流量喷油器(小孔径)相比，更高流量(较大孔径)喷油器能达到更低的燃油消耗率，这是因为缩短了喷油持续期，并具有更大的贯穿距；但同时燃油液滴增大，雾化效果变差；更长的喷射距离生成更强的液滴雾化冲击以及较差的空气利用，导致大流量喷嘴产生较高的碳烟排放．

(3) 喷嘴凸出高度显著影响喷射燃油与燃烧室的相互作用，从NOx-soot和NOx-ISFC角度考虑，大喷雾锥角需要匹配更大的凸出高度，小喷雾锥角则需要小的凸出高度．

(4) 在喷孔几何结构优化时，发现喷油正时和喷射压力影响显著，喷油正时可以改变喷油时刻活塞在缸内的位置，而喷射压力对喷油油束的穿透力有很大影响．

(5) 发动机整体效率分析表明，最小喷射角为146°且垫圈厚度为2.0mm，结合Ks孔布局和1.7L/min流量的喷油器，可实现较低的氮氧化物排放，从而达到最低的总液体消耗量和较高的总效率，有助于最大限度地降低发动机的总运行成本．