噴射系統參數對電噴柴油機性能的影響

徐建飛

(公安海警學院訓練部，浙江寧波 3 15801)

0 引言

2008年3月31日—4月4日在倫敦召開的國際海事組織海洋環境保護委員會(MEPC)第57屆會議，正式通過MARPOL 73/78附則VI的修正案，2010年7月1日該修正案開始生效.

MARPOL 73/78公約附則VI的生效和實施對減少船舶造成的大氣污染有著積極的推動意義，勢必要求采用新技術降低船舶柴油機對環境的污染，而柴油機的噴嘴結構對噴油器的噴油量、噴油規律及各孔噴霧特性均有較大影響，進一步影響到霧束與燃燒室及缸內氣流的匹配，最終影響柴油機的燃燒過程和廢氣排放［1-2].所以，需以經濟性、排放性和燃燒噪聲為指標，對噴射系統的噴射始點、噴孔個數、噴孔直徑、噴射夾角、噴孔長徑比和噴嘴伸出高度等參數進行優化.本文通過噴射系統參數在裝配電控高壓共軌系統的MWMTBD234V6船用電站柴油機上對柴油機燃燒和排放特性影響的試驗研究，深入理解噴嘴結構及噴油提前角對柴油機燃燒和排放特性的影響規律，并對試驗結果進行分析.

1 試驗臺架及測試方案

1.1 試驗臺架

MWMTBD234V6電噴柴油機測試臺架主要由裝備電控高壓共軌燃油系統的MWMTBD234V6柴油機、三相交流發電機、鹽水池和數據采集系統等組成.其中，柴油機的負荷由鹽水池中電流排的深度進行控制，數據采集系統對柴油機的性能和狀態參數進行采集處理.測試發動機是經改裝后、裝備電控高壓共軌燃油系統的MWMTBD234V6柴油機，柴油機負載為上海領馭電機廠生產的KHI180-24型發電機，額定轉速1 500 r/min，額定頻率50 Hz，額定電壓380 V，最大輸出功率225 kW.柴油機技術規格參數見表1.燃燒室為中等渦流強度的ω型燃燒室，發火次序:A1-B2-A3-B1-A2-B3.

表1 試驗用發動機相關參數

1.2 試驗方案

試驗用的噴嘴方案見表2.本文試驗主要是要了解噴射系統參數對高壓共軌柴油機性能和排放的影響規律及其與燃燒室的匹配情況，因此選用1#噴油器在80%負荷下進行不同噴油提前角的對比試驗，噴油提前角分別為上止點前 16°，14°，10°和 6°;選用2#和4#兩種具有相同噴嘴流通截面積的噴油器在60%負荷下進行不同噴孔個數和孔徑影響的對比試驗;選用1#和5#噴射夾角不同但噴油規律基本相同的噴油器在60%負荷下進行不同噴射夾角性能影響的研究;選用7#和8#兩種噴油器在60%和80%負荷下進行不同噴孔長徑比性能影響的研究.為具有可比性，試驗中柴油機轉速保持在額定轉速1 500 r/min，軌腔壓力始終保持110 MPa不變.

表2 噴嘴方案

1.3 數據采集設備

發動機上需要測試采集的信號主要為表3中的21個參數，其中5個采集后的參數進入ECU，2個參數由 PXI6250采集，11個采集后的參數被傳至PXI8196，其余3個參數在各自儀器上顯示記錄.試驗中使用的測試儀器見表4.NI采集的數據由Lab-view軟件編制的數字采集程序統一組合處理，以數顯框、圖表、曲線等各種形式顯示在計算機屏幕上，并具有存盤、打印、報警等各種功能.

表3 性能試驗采集參數

表4 性能試驗采集儀器

2 試驗結果分析

2.1 噴油提前角的影響

噴油提前角是影響柴油機燃燒及排放的重要因素.從表5和測試結果中可以看出:隨著噴油提前角的減小，排溫略有上升，噪聲減小，燃油消耗率和排氣煙度先減小后增大，NOx排放逐漸改善.NOx主要是在高溫富氧條件下生成的，缸內溫度越高，NOx生成量越多.［3]當噴油提前角較大時，上止點前的燃燒時間增加，溫度隨著活塞上行進一步升高，使NOx生成量增加，此外由于滯燃期的延長，導致更多的燃料蒸發混合，提高初始燃燒溫度，促使NOx的生成.碳煙主要在高溫缺氧條件下產生，噴油提前角增大，預混合氣形成較好，燃燒比較充分;而初期劇烈的燃燒會加快后續噴進燃油的蒸發，進一步促使燃油混合，使燃燒變得更加充分;且在膨脹過程中，較大噴油提前角使生成的碳煙在高溫下得到充分氧化，其最終的排放量減少;而噴油提前角較小時，可燃混合氣形成不均勻，大量碳煙在油束液核區形成，在膨脹過程中高溫氧化的時間短，最終排放量較多.但噴油提前角為上止點前16°時，65%的熱量在上止點前放出，做功效率反而下降，因此同樣功率噴入的燃油要多一些，排氣煙度也會相應上升.［4]

2.2 噴孔個數和孔徑的影響

從表6測試結果可以看出，方案2的煙度較低，NOx排放較高;方案4的NOx排放較低，煙度較高.這種結果在放熱率(dQ/dφ)曲線上能得到合理解釋(見圖1)，用缸內壓力和溫度曲線分析也說明放熱率曲線能基本、客觀地體現出缸內燃燒放熱與排放過程的主要特征.方案4缸內平均燃燒溫度雖然很高，但可能火焰前鋒NOx生成區內最高溫度并不一定比方案2的高，導致NOx生成速度降低，另外8條霧束近噴嘴處相互間隔很小，可能存在互相干擾，影響與空氣的混合，導致局部富油缺氧區生成較多碳煙.［5]

表6 不同孔數和孔徑的性能測試結果(方案2:6×0.15，Φ =140，L/D=3.5.方案4:8 ×0.13，Φ =140，L/D=5.4)

圖1 孔數和孔徑對燃燒放熱率的影響

2.3 噴射夾角的影響

對于孔數和孔徑相同的噴油器，在同一噴射始點下，噴射夾角不同，油束相對于燃燒室空間的位置就不同，使可燃混合氣形成的條件就不一樣，從而對燃燒過程以及排放特性產生重要的影響.［6]本文采用方案1和方案5兩種噴嘴在60%額定負荷、噴射始點噴油提前角分別為上止點前16°和6°時進行對比試驗，測試結果見表7.兩種方案噴嘴流量系數基本相同，在相同負荷下，噴油持續期差別不大，采用不同噴油提前角同樣可以改變油束在燃燒室空間的位置.從測試結果可看出，兩種噴油提前角下，噴射夾角對柴油機性能和排放的影響一致，噴射夾角增大則油耗和排溫降低，空氣噪聲變大，NOx生成量增加，煙度值降低.

表7 不同噴射夾角的性能參數測試結果(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 噴孔長徑比的影響

噴孔長徑比對噴孔內流動和噴霧過程有一定的影響，柴油機的燃燒過程和排放特性也不同.本文采用方案7和方案8兩種不同長徑比的噴嘴在60%和80%額定負荷、噴射始點噴油提前角分別為上止點前14°和10°時進行對比試驗，測試結果見表8.長徑比大的噴嘴流量系數大一些，因此方案8的噴油持續期略短，但較短的噴孔出口面受氣穴影響較大、霧化較好，噴射初始速度也快一些，有利于燃油的初期混合，而方案7著火延遲都較短.在60%負荷時，隨著噴霧的發展，方案8后期的油束貫穿距增加，噴油速率更大，與空氣的接觸面較大，缸內反應進程加快，且由于噴油量不多，油束與燃燒室壁面碰撞沉積的燃油很少，因而預混合燃燒更加劇烈，燃燒導致的高溫高壓反過來又促進油滴的蒸發混合速率，方案8預混燃燒放熱的比例占總放熱量的65%(見圖2)，所以能降低油耗和排溫，使碳煙的生成量降低.同時，燃燒噪聲和NOx排放量增大;方案7噴油持續期較長，擴散燃燒的量增加，燃燒更均勻，因此缸內平均壓力及溫度峰值略大，排溫升高.但在80%負荷時，由于噴油量的增加，方案8因霧束碰壁附著在燃燒室壁面的燃油量增加，反而使燃燒進程變緩，油耗和碳煙排放變大.

表8 不同噴孔長徑比的性能參數測試結果(方案7:8×0.13，Φ =110，L/D=5.4.方案 4:8 ×0.13，Φ =110，L/D=6.9)

圖2 噴孔長徑比對累積放熱率的影響

3 結論

(1)噴油提前角從上止點前16°變化到上止點前6°時，燃油消耗率和排氣煙度先減小后增大，排溫略有上升，空氣噪聲減小，NOx排放逐漸改善.

(2)對于相同流通面積的噴嘴，孔數較多、孔徑較小的噴嘴初期混合氣形成較好，滯燃期短，但孔徑較大、孔數較少的噴嘴預混燃燒比例更大，油耗和碳煙排放更低;噴射夾角較大的噴嘴，能充分利用燃燒室凹坑內的空氣，混合氣準備充分且均勻，預混燃燒的量更大些，油耗和碳煙排放降低，NOx生成增多;長徑比較大的噴嘴在中低負荷時能降低油耗和排溫，使碳煙的生成量降低，但在高負荷時，由于噴油量的增加，霧束碰壁附著在燃燒室壁面的燃油量增加，反而使油耗和碳煙排放變大.

(3)流量系數較小的噴嘴，有利于油滴的分裂霧化，霧束錐角變大，增強初期燃油與空氣的混合速率，使燃燒迅速發生，但同時縮短噴霧貫穿距;流量系數較高的噴嘴，氣穴對霧束的擾動較小，噴霧貫穿距較長，噴霧錐角與貫穿距在柴油機全工況內也存在權衡(trade-off)曲線，在中低負荷時，噴霧貫穿距較長的油滴蒸發混合更好，能增加空氣利用率，提高預混燃燒的比例，但在高負荷時，則需要加強氣穴對霧束的擾動，增大噴射夾角縮短貫穿距，減少碰壁的燃油量，從而改善燃油經濟性和碳煙排放.

［1]蔣德明.內燃機燃燒與排放學［M].西安:西安交通大學出版社，2001.

［2]歐陽光耀.電噴和共軌技術研究階段性研究報告［R].武漢:海軍工程大學，2002.

［3]丁河清，呂林，吳錦翔，等.船舶柴油機NOx的排放法規與控制［J].武漢交通科技大學學報，2000，24(4):356-359.

［4]林學東.噴油系統參數對重型車用增壓直噴柴油機NOx排放的影響［J].內燃機學報，1996，14(1):46-49.

［5]MONTGOMERY D T，孔麗君.噴油器噴嘴孔尺寸和數量對重載直噴式柴油機霧化特性和性能的影響(下)［J].國外內燃機車，1998(11):21-30.

［6]劉斌.旋轉噴油器及其霧化特性研究［D].武漢:海軍工程大學，2005.