噴霧錐角對柴油機性能和排放的影響研究

李庚華 陳懷望 曹明柱 王曉鵬 王云鵬

摘 要：文章對兩種不同噴霧錐角的噴油器在某款柴油機上進行性能和排放試驗。試驗結果表明，不同噴霧錐角對發動機的低端性能影響較大；同時，微小的噴霧錐角差異也會對發動的排放產生較大影響。所以在燃燒開發階段，需要對不同的噴霧錐角進行詳細的開發，使發動機的綜合考慮性能指標達到最佳。

關鍵詞：噴霧錐角；低端性能；排放

中圖分類號：TK428 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）17-0007-02

1 概 述

隨著排放法規的的不斷升級，排放限值越來越嚴格。發動機的燃燒效果直接影響到發動機的尾氣的排放結果，所以在發動機的燃燒開發過程中，油嘴選型工作尤為重要，選擇一款合適的油嘴對于發動機的排放效果對于發動機排放和性能的達成起到重要作用。

噴油器的油嘴噴霧錐角是指噴油油束與噴油器軸線之間的角度。如圖1所示，油嘴噴霧錐角關系到油束的落點位置，對燃油與空氣的混合有著重要影響，即使很小的角度偏差也會影響發動機的性能和排放，所以在燃燒開發階段需要對油嘴的噴霧錐角進行詳細的開發。

2 試驗描述

為了對驗證噴霧錐角對發動機的性能和排放的影響，本文選擇了某款國V發動機作為試驗樣機，發動機主要參數，見表1。

設計了兩種噴霧錐角的噴油器，噴霧錐角為155 °和156 °，噴油器的其他參數等完全相同，具體參數，見表2。通過在不同負荷下的功率、扭矩、煙度、排放等各種參數進行比較，說明不同噴霧錐角對發動機性能和排放的影響。

2.1 試驗設備

本試驗采用AVL DynoRoad電力測功機，HORIBA直采排放設備，并且安裝各種傳感器和燃燒分析儀，監控臺架運行，臺架布置主體如圖2所示。

主要的試驗設備，見表3

2.2 試驗過程

在此試驗中，使用兩個不同噴霧錐角的噴油器，分別編號為N1、N2。進行兩組噴油器的外特性試驗、關鍵工況點試驗 ，測試噴油器的噴霧錐角對發動機性能和排放的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 噴霧錐角對發動機性能影響分析

4 000 rpm的功率曲線和煙度曲線，分別如圖3和圖4所示，發動機在4 000 rpm額定功率點時，保持其他燃燒參數不變，只調整增壓壓力，測得兩個不同噴霧錐角的噴油器的功率與煙度變化。

由圖3和圖4可以看出，兩種噴霧錐角的噴油器在額定點的功率基本相同，煙度也都很小，都能滿足設計指標，并且所以兩種噴霧錐角的噴油器在油量比較大，且空氣量比較充的情況下，影響不大。

2 000 rpm外特性時的扭矩及煙度曲線，分別如圖5和圖6所示。功率點相同，在高負荷空氣量充足的情況下，較小的噴霧錐角差異對性能及該點的煙度基本沒有影響。

1 000 rpm扭矩氣曲線和煙度曲線，分別如圖7和圖8所示，發動機在1 000 rpm外特性時，保持其他燃燒參數不變，只調整過量空氣系數，測得在兩種不同噴霧錐角情況下的扭矩及煙度變化。從圖中可以看出，在各種過量空氣系數下，N1的扭矩明顯比N2的扭矩大，且煙度比N2的小。1 000 r時，發動機的轉速低，增壓器沒有介入工作，空氣量相對不足，這時發動機的扭矩、煙度直接與油束噴射的位置及燃油混合有較大關系，大角度的噴油器落點更接近燃燒室的上部，燃油霧化好，燃燒充分、性能好，煙度比較低。

兩種噴射角度噴油器在不同外特性點的性能和表現有及大差別。其主要原因是在較高轉速和負荷下，缸內溫度高且空氣量充足的情況下，由于噴射角度的微小變化導致油氣混合的差異不明顯，而在較低轉速和負荷的情況下，氣量也不充分，所以噴射角度會導致油氣混合不一致，從而性能和煙度都有明顯差別。

3.2 噴霧錐角對發動機排放影響分析

該發動機采用EGR+DOC+DPF的排放技術路線，通過調整EGR率降低發動機的NOx排放，同時需要關注發動機soot的排放水平；所以研究油嘴噴霧錐角對排放的影響時主要研究不同EGR率下NOx與Soot的關系。根據發動機主要匹配3.5 t以下車型，測試循環為NEDC循環，根據匹配車型的選取了以下三個試驗工況點，1 350 rpm/5 bar、2 000 rpm/6.5 bar、2 900 rpm/14 bar，即對應的發動機轉速和平均有效壓力。

發動機分別在這三個NEDC循環排放關鍵點下，測得的NOx和Soot排放值的trade-off關系圖，分別如圖9、圖10和圖11所示。

在這三個排放關鍵點，N1的的NOx排放都比N2大，其主要原因是錐角較大的情況下，燃油噴射到更接近燃燒室出口位置，氣體流速快，燃油霧化好，燃燒好、燃燒壓力和溫度比較高，在相同的soot排放情況下NOx會排放比較高。

4 結 語

根據對不同噴霧錐角的兩組噴油器在不同工況下的性能和排放的比較可以得出以下結論：

①在增壓器介入工作或大空氣流量的情況、較大負荷下，較小的噴霧錐角差異對性能的影響不明顯。

②在低轉速，空氣流量小，或增壓器沒有介入工作的情況下，較大的噴霧錐角對發動機的性能有較大的提升，特別對于小排量增壓發動機的低端扭矩提升有明顯的作用。

③在各排放點上，較小的噴霧錐角對NOx排放有利。

④在燃燒開發過程中，對噴霧錐角的選擇需要根據性能和排放的實際需求進行選擇。在噴油器的流量、墊片厚度等主要指標選定的情況下，有必要對噴油器的噴霧錐角進行詳細的開發，使發動機的性能和排放達到最優，可以大大縮短減少標定階段的周期。

參考文獻：

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