新型噴嘴噴孔改善空氣利用率降低碳煙排放

【德】 K．Hielscher M．Brauer R．Baar

1 起因

噴嘴噴孔是噴油系統(tǒng)中燃油經(jīng)過(guò)的終端，因此對(duì)混合氣的形成和燃燒的影響至關(guān)重要。在廢氣排放法規(guī)對(duì)有害物排放限值日益加嚴(yán)的背景下，柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用了越來(lái)越小的噴孔直徑。由于噴孔縮小，加快了初始燃油噴束的改變，燃油蒸發(fā)得也更快，最終形成了更為稀薄的可燃混合氣，這原則上有利于降低碳煙排放。此外，更小的噴孔降低了燃油噴束的動(dòng)量，因而無(wú)論是液態(tài)燃油還是氣態(tài)燃油的貫穿深度都有所減小。在配裝轎車的柴油機(jī)氣缸直徑相對(duì)較小的情況下，燃油可能貫穿至活塞頂燃燒室凹坑壁面，并在此轉(zhuǎn)向，在切向和徑向形成所謂的壁面射流(圖1(a))，因而在燃油噴束動(dòng)量足夠的情況下，燃油會(huì)向燃燒室中央反向流動(dòng)(回流)，這能加強(qiáng)與空氣的混合并降低碳煙排放，但是當(dāng)在壁面上形成油膜時(shí)也可能增加碳煙排放。為了更好地利用在傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒過(guò)程中各個(gè)燃油噴束之間尚未被利用的空氣范圍(圖1(b))，試驗(yàn)了1種14孔噴嘴和1種“6+6”噴孔噴嘴(圖1(c))，換用了比通常更小或更大的噴孔，因此通過(guò)更為稀薄的燃燒能降低碳煙排放。

2 試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)噴嘴的潛力，在傳統(tǒng)的透明單缸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。2種新型噴嘴的燃燒過(guò)程相當(dāng)于2.2 L排量和氣缸直徑為83 mm的轎車用柴油機(jī)，透明發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的火力岸被加大，所使用的共軌噴油系統(tǒng)采用樣品噴油器工作。新型噴嘴是具有噴孔直徑非常小的14孔噴嘴和12孔噴嘴，后者在噴孔圓周上布置了6個(gè)較小的噴孔和6個(gè)較大的噴孔(表1)，它們分別與8孔基準(zhǔn)噴嘴具有相同的液壓流量。

圖1 燃油噴束-壁面相互作用，傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的“6+6”噴孔噴嘴

表1 試驗(yàn)噴嘴噴孔的配置

在透明發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頂面上有1個(gè)光學(xué)通道用于高速攝影。下文僅介紹對(duì)碳煙的分析，這些噴嘴在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min和高壓過(guò)程平均指示壓力為0．82 MPa的部分負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，噴油策略是噴油壓力為80 MPa的2次預(yù)噴射(VE)和1次主噴射(HE)。與測(cè)試廢氣排放的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，透明發(fā)動(dòng)機(jī)上的增壓壓力和增壓空氣溫度都提高了，以便對(duì)較小的壓縮比及壁面熱損失方面的差異進(jìn)行比較。

3 測(cè)試廢氣排放的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 指示燃油耗、燃燒曲線和顆粒物排放值示意圖

所有被測(cè)試的噴嘴的指示燃油耗(biHD)呈現(xiàn)出較小的差異(圖2(a))，形成這種差異的原因是燃燒過(guò)程中不同的燃燒效率和等容度(圖2(b))，但是這種差異總是處于測(cè)試精度范圍內(nèi)。與此相反，顆粒物排放量卻呈現(xiàn)出顯著的差異(圖2(c))。采用新型的HD355/14孔高壓噴嘴測(cè)得的顆粒物排放值為0.42 g/(kW·h)，即使其噴孔直徑較小，但是其顆粒物排放值卻是基準(zhǔn)噴嘴HD355/8孔的6倍，而采用HD400/6+6孔高壓噴嘴測(cè)得的顆粒物排放值為0.23 g/(kW·h)，仍是基準(zhǔn)噴嘴HD400/8孔的2．5倍。2種8孔基準(zhǔn)噴嘴的比較表明，HD355/8孔噴嘴較小的噴孔原則上對(duì)顆粒物排放值起到了有利的效果。

4 透明發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果

首先，應(yīng)對(duì)HD355/8孔噴嘴和HD355/14孔噴嘴在重要時(shí)刻進(jìn)行了比較(圖3)。作為實(shí)例，以人工色彩示出了5個(gè)測(cè)試循環(huán)中的第一個(gè)循環(huán)的燃燒狀況。在361．8°CA即主噴射起始點(diǎn)后約4°CA時(shí)，2種噴嘴的燃燒火焰端抵達(dá)活塞壁面，而液體燃油卻并沒(méi)有到達(dá)壁面。在8孔噴嘴情況下形成壁面射流，而在14孔噴嘴情況下，對(duì)于與燃燒室凹坑壁面之間明顯的相互作用而言，其噴束動(dòng)量似乎太小。在8孔噴嘴的情況下，燃油噴束扭矩存在尚未被利用的空氣范圍，而采用14孔噴嘴時(shí)就較好地利用了這些空氣，當(dāng)然此時(shí)各火焰在燃燒室中部范圍內(nèi)有部分重疊。

在8孔噴嘴的情況下，在363．6°CA時(shí)因在燃燒室凹坑壁面上轉(zhuǎn)向，燃燒就開(kāi)始向燃燒室中部回流，在邊緣深色燃油云霧處(圖3中用紅色圈出)就可看到該區(qū)域。在14孔噴嘴情況下，沒(méi)有出現(xiàn)這種回流現(xiàn)象。當(dāng)然，此時(shí)各個(gè)燃燒區(qū)域在壁面附近也會(huì)有所重疊搭接，這可能是高碳煙排放的1個(gè)原因，因?yàn)榇颂幙赡艹霈F(xiàn)非常濃的燃燒區(qū)域。14孔噴嘴在366．6°CA時(shí)就開(kāi)始逐漸出現(xiàn)回流，而在8孔噴嘴情況下這種現(xiàn)象已廣泛發(fā)展。在達(dá)到375．9°CA時(shí)，8孔噴嘴的燃燒回流現(xiàn)象幾乎已遍及整個(gè)燃燒室，而在14孔噴嘴的情況下，在燃燒室中部尚存在未被利用的區(qū)域，這可能會(huì)導(dǎo)致碳煙氧化程度變差。

圖3 HD355/8孔噴嘴與HD355/14孔噴嘴碳煙自身發(fā)光的比較

圖4示出了HD400/8孔和HD400/6+6孔噴嘴的比較。在362．4°CA即主噴射始點(diǎn)后約4°CA時(shí)，2種噴嘴都會(huì)在燃燒室凹坑壁面上形成壁面射流。在HD400/6+6孔噴嘴下，燃燒室中部范圍的空氣被較好地利用，同時(shí)與14孔噴嘴相比，也不存在各支火焰過(guò)多的重疊搭接，當(dāng)然因噴孔直徑不同貫穿深度沒(méi)有明顯的差異，以致于壁面附近的燃燒區(qū)域沒(méi)有重疊。在363．3°CA時(shí)，8孔噴嘴有燃燒回流現(xiàn)象，而HD400/6+6孔噴嘴約晚1°CA才開(kāi)始出現(xiàn)燃燒回流現(xiàn)象。隨著365．7°CA時(shí)主噴射結(jié)束，8孔噴嘴在整個(gè)燃燒室凹坑范圍內(nèi)就形成燃燒回流。可以看到與8個(gè)噴孔相對(duì)應(yīng)的8個(gè)深色區(qū)域，而在HD400/6+6孔噴嘴情況下僅能看到6個(gè)深色區(qū)域，顯然是小噴孔噴束的動(dòng)量太小，由于HD400/6+6孔噴嘴的噴孔較多，較好地利用了燃燒室中部的空氣。在369．6°CA時(shí)，8孔噴嘴的燃燒回流大約達(dá)到了半徑的2/3，而在HD400/6+6孔噴嘴的條件下僅達(dá)到半徑的一半。

圖4 HD400/8孔噴嘴與HD400/6+6孔噴嘴碳煙自身發(fā)光的比較

5 空氣利用和回流的分析

圖5(a)示出了采用不同噴嘴時(shí)的空氣利用率，其中所拍攝的燃燒照片采用像素方式進(jìn)行評(píng)判，若超過(guò)強(qiáng)度窗口閾值的話，則被評(píng)判為空氣已被充分利用了。357°CA范圍內(nèi)的首個(gè)局部最大值是第二次預(yù)噴射的轉(zhuǎn)化，隨后空氣利用率的提升則歸因于主噴射燃油開(kāi)始燃燒。在359～370°CA之間，這些新型噴嘴顯示出了相對(duì)于它們各自基準(zhǔn)噴嘴的優(yōu)勢(shì)，這不僅是因噴孔數(shù)量增多且燃油的貫穿度較小所致。8孔噴嘴的空氣利用率約從363°CA開(kāi)始提升，歸因于燃燒的回流，而新型噴嘴因燃燒回流不太顯著，從370°CA起就呈現(xiàn)出空氣利用率方面的缺陷，因?yàn)槿紵抑胁康目諝鈳缀鯖](méi)有被利用。在372～380°CA之間，計(jì)算的空氣利用率與所測(cè)得的顆粒物排放量相對(duì)應(yīng)。從385°CA開(kāi)始，所選擇的方法就不能再用于評(píng)定空氣利用率了。

圖5 空氣利用率和燃燒室中徑向流動(dòng)速度示意圖

總的來(lái)說(shuō)，燃燒回流似乎是對(duì)在較晚發(fā)生的主燃燒過(guò)程中空氣利用率所產(chǎn)生的影響，以及由此產(chǎn)生的碳煙氧化。為了能定量地表示這種效果，利用粒子圖像速度儀(PIV)進(jìn)行分析。以便能由碳煙照片計(jì)算流動(dòng)速度。圖5(b)示出了所計(jì)算的徑向流動(dòng)速度。首個(gè)流動(dòng)速度的模型的提升與明顯的燃燒回流相吻合。顯然，產(chǎn)生最高徑向流動(dòng)速度的噴嘴所形成的顆粒物排放量最少。14孔噴嘴因其噴孔較小而沒(méi)有足夠的噴束動(dòng)量產(chǎn)生顯著的回流燃燒，但是進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，除了噴孔直徑之外，噴油持續(xù)時(shí)間也對(duì)回流燃燒具有重要的影響。若對(duì)HD400/8孔和HD400/6+6孔噴嘴進(jìn)行比較，則即使噴油起始點(diǎn)相同，HD400/6+6孔噴嘴的回流燃燒開(kāi)始得較晚，可能是由于大噴孔燃油的回流阻礙了小噴孔燃油的回流，HD400/6+6孔噴嘴的燃油回流首先發(fā)生在大噴孔范圍內(nèi)。因此當(dāng)在整個(gè)燃燒室凹坑范圍內(nèi)產(chǎn)生回流時(shí)，其平均流動(dòng)速度才達(dá)到8孔噴嘴的水平。

6 結(jié)論和展望

試驗(yàn)研究的目標(biāo)是通過(guò)采用新型噴嘴噴孔配置改善空氣利用率來(lái)降低碳煙排放。在所分析的運(yùn)行工況中，14孔噴嘴的顆粒物排放達(dá)到了8孔基準(zhǔn)噴嘴顆粒排放值的6倍。在主噴射開(kāi)始時(shí)，采用14孔噴嘴能改善燃燒室中部范圍的空氣，并利用剩余區(qū)域的空氣，但是會(huì)使較晚燃燒過(guò)程中的空氣利用率比基準(zhǔn)噴嘴的差，這會(huì)對(duì)碳煙氧化產(chǎn)生不利的影響。由于噴孔較小，對(duì)于產(chǎn)生值得重視的燃燒向燃燒室中部回流而言，燃油噴束動(dòng)量太小，這樣就會(huì)形成空氣沒(méi)有被利用的區(qū)域。此外，各支燃燒火焰彼此交叉，以致于極易產(chǎn)生碳煙非常濃的燃燒區(qū)域。

采用新型HD400/6+6孔噴嘴的顆粒物排放量會(huì)達(dá)到其基準(zhǔn)噴嘴的2．5倍。采用這種噴嘴在主燃燒開(kāi)始時(shí)也會(huì)改善空氣利用率，此時(shí)在燃燒室中部范圍各個(gè)燃燒區(qū)域幾乎沒(méi)有重疊，當(dāng)然小噴孔的燃燒火焰貫穿深度要大到使圓周方向上的壁面射流相交。但是同時(shí)為了產(chǎn)生燃油回流，噴孔又不能太小，因此燒盡階段的空氣利用率要比采用基準(zhǔn)噴嘴的差。因而，未來(lái)應(yīng)針對(duì)燃油噴束動(dòng)量差異較大的HD400/6+6孔噴嘴進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。