一款高性能柴油機的噴油器選型試驗研究

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438)

0 前言

噴油器將柴油以一定的噴射壓力和一定的方向成霧狀噴入燃燒室，是柴油機的關鍵零部件。噴油器選型試驗是在燃燒室已經確定的情況下，通過試驗方法選擇出動力性、經濟性、排放和噪聲等指標最優的噴油器。噴油器選型試驗是柴油機正向開發過程中最基礎和最重要的試驗環節，選型結果基本決定了柴油機的性能和排放，一般安排在騾機階段的第一臺性能開發樣機上，作為首個試驗項目進行。

對于高壓共軌柴油機，噴油器選型主要是選擇最優的噴射夾角、噴油嘴伸出高度、噴油孔數和噴油器流量。4個噴油器參數與柴油在缸內的燃燒直接相關，從而影響到柴油機的動力性、經濟性、排放和噪聲。

本文基于某正向開發的高性能柴油機，對7款不同參數的噴油器進行選型試驗。通過分析大量的試驗數據，找出各個參數變化對柴油機性能和排放影響的規律，選擇出最佳的噴油器參數，從而鎖定最優噴油器。

1 柴油機與噴油器

在本研究中，性能開發的硬件選型主要包括噴油器、增壓器和高壓廢氣再循環系統(EGR)的選型。噴油器選型是性能開發的首個試驗項目。其他與燃燒相關的參數和零部件已在設計階段通過計算機輔助試驗(CAE)等手段得以確定。

試驗選用1臺兩級增壓水-空中冷高性能柴油機，其主要參數如表1所示。

在本研究中，采用博世公司的CRI2-20高壓共軌噴油器，針對噴射夾角、噴油嘴伸出高度、噴油孔數，以及噴油器流量4個關鍵參數進行選型。噴射夾角和噴油嘴伸出高度均影響油束相對于燃燒室的空間位置，影響油束與氣流的混合和噴霧在燃燒室中的分布，從而產生不同的燃燒效果。在其他3個參數不變的情況下，噴油孔數增多則噴油霧化好，燃燒充分，有利于降低顆粒物(PM)和燃油耗。同時，如果噴油器流量減小則噴油孔徑小，有利于噴油霧化，并降低PM和燃油耗，如果噴油加電時間長，等同于噴油正時后退，排氣溫升高，對燃油耗有負面影響。

在本研究中，噴油嘴伸出高度是通過噴油器墊片厚度調整的。墊片厚度增加，則噴油嘴伸出高度就小，反之亦然。

本文所述的噴油器流量(HFR)參照博世公司的定義，指在10 MPa的噴射壓力下，30 s內流過油嘴的燃油體積，單位為cm3/30 s。

經過CAE仿真計算，確定了本研究用于選型的噴油器參數矩陣，如表2所示。

表2 A1～A6噴油器參數矩陣

2 試驗工況點及試驗方法

2.1 工況點選取

本研究所開發的柴油機將應用于輕型車和重型車。具體實施方案為輕、重機型硬件一致，僅通過標定和后處理系統滿足兩種車型的應用要求。故在試驗工況點選擇的時候要綜合考慮兩種車型的性能和排放，選出適合兩種車型的試驗點。根據如下原則選擇試驗工況點：(1)優先選擇輕型車和重型車外特性特征點；(2)優先選擇部分負荷區域排放嚴重的特征點，并兼顧輕型車和重型車排放循環工況。

根據發動機特性及整車匹配信息，計算出輕型車全球統一輕型車試驗循環(WLTC)工況點、重型車全球統一重型車試驗循環(WHTC)工況點和全球統一穩態試驗循環(WHSC)工況點。排放循環工況點及選擇出的試驗工況點見圖1。

圖1 試驗工況點

每個試驗工況點的試驗方法不同。一般選擇對該特征點影響最大的參數因子，進行變因子試驗。試驗工況點的試驗方法如表3所示。

表3 試驗工況點試驗方法

3 試驗結果對比分析

3.1 試驗條件和評價原則

為保證試驗結果的有效性和可比性，試驗過程中嚴格限制環境壓力、溫度、中冷后進氣溫度、燃油溫度、排氣背壓等試驗控制條件，并嚴格控制最大爆發壓力、最高增壓壓力、最高渦輪前排氣壓力和溫度等試驗邊界條件，防止這些因素對試驗結果產生干擾。

本文中噴油器選型的評價原則包括：達到動力性目標；油耗和排放最佳；噴油器墊片厚度在±0.5 mm的偏差范圍內，并具有良好的排放穩定性。

本文暫不對噴油器的動力性潛力和噪聲等指標展開論述。

3.2 A1噴油器試驗結果分析

首先對A1噴油器搭配2.0 mm噴油器墊片進行試驗。圖2為工況點7的試驗結果。圖中“A1+2.0 mm”表示A1噴油器搭配2.0 mm噴油器墊片的試驗結果，其他類同。試驗中保持油軌壓力和增壓壓力一致，只使用HP-EGR，燃燒中心(CA50)控制在上止點(TDC)后11°CA。該點排放目標是氮氧化物(NOx)小于0.6 g/(kW·h)，煙度小于1.5 FSN。該噴油器與墊片組合，與排放目標相差較遠。

圖2 A1與A2在工況點7的結果

圖3為工況點8的試驗結果。試驗中保持油軌壓力和增壓壓力一致，只使用LP-EGR，CA50控制在TDC后11°CA。該點排放目標是NOx小于0.5 g/(kW·h)，煙度小于2.5 FSN。該噴油器與墊片組合，與排放目標相差較遠。

其他工況點排放也較差，在此不再贅述，因此終止A1的試驗。

3.3 A2噴油器試驗結果分析

為了降低煙度，下一步選擇流量較小的A2噴油器進行試驗。首先使用A2噴油器搭配厚度為2.0 mm噴油器墊片進行試驗，工況點7和8的試驗結果分別見圖2和3。排放結果比“A1+2.0 mm”工況點略好。

然后對不同的噴油嘴伸出高度進行試驗。圖2為工況點7的試驗結果。墊片厚度增加后煙度和油耗明顯降低，墊片厚度在3.5 mm時油耗最低，煙度略高于厚度墊片3.0 mm，表明繼續增大墊片厚度排放有惡化趨勢。圖3為工況點8的試驗結果。墊片厚度在3.5 mm時，煙度和油耗最低。綜合其他工況點的結果，最終確定與A2匹配性最佳的墊片厚度為3.5 mm。

3.4 A6噴油器試驗結果分析

A6與A2孔數一致，噴射夾角和流量較大。通過A6與A2的試驗結果對比可以選擇出最佳流量，故下一步選擇A6進行試驗。

圖4和圖5分別為工況點7和工況點8的試驗結果。墊片厚度2.5 mm的煙度和油耗最低，增大或減小墊片厚度，排放和油耗有惡化趨勢。綜合其他工況點的結果，最終確定與A6匹配最佳的墊片厚度為2.5 mm。

3.5 A5噴油器試驗結果分析

A5與A6的噴射夾角和流量一致，孔數增大。通過A5與A6的試驗結果對比可以選擇出最佳孔數，故下一步選擇A5進行試驗。

圖6和圖7分別為工況點7和工況點8的試驗結果。墊片厚度3.0 mm的煙度和油耗最低，增大或減小墊片厚度排放和油耗有惡化趨勢。對于排放而言，3款墊片的差異較小，顯示了很好的可靠性。綜合其他工況點的結果，最終確定與A5匹配最佳的墊片厚度為3.0 mm，且墊片厚度在3±0.5 mm范圍內具有良好的排放穩定性。

3.6 A2、A5、A6噴油器匹配最佳墊片試驗結果分析

現將A2、A5、A6匹配最佳墊片厚度的數據放在一起進行對比分析。

圖5 A6在工況點8的結果

圖6 A5在工況點7的結果

圖7 A5在工況點8的結果

圖8為工況點1的試驗結果。試驗中保持油軌壓力、增壓壓力和最大爆發壓力一致，不使用EGR，煙度目標小于3.0 FSN，渦前排放溫度小于830 ℃。3款噴油器的煙度均處于較低水平且差異不大。在排放溫度一致的情況下，3款噴油器的油耗基本一致。

圖8 A2、A5、A6匹配最佳墊片在工況點1的結果

圖9為工況點6的試驗結果。試驗中保持油軌壓力和增壓壓力一致，只使用LP-EGR，CA50控制在TDC后11°CA。該點的排放目標是NOx小于0.6 g/(kW·h)，煙度小于2.5 FSN。在低NOx區域，3款噴油器的油耗基本一致。A2和A5煙度基本一致，且略低于A6。

圖10為工況點7的試驗結果。A6的油耗略好于A2和A5。3款噴油器的煙度基本一致。

圖9 A2、A5、A6匹配最佳墊片在工況點6的結果

圖10 A2、A5、A6匹配最佳墊片在工況點7的結果

圖11為工況點8的試驗結果。在低NOx區域，3款噴油器的油耗基本一致。A2和A5的油耗好于A6。

圖11 A2、A5、A6匹配最佳墊片在工況點8的結果

3.7 A1～A6噴油器選型總結

將A2、A5、A6匹配最佳墊片的試驗結果匯總在表4。表4中以“A6+2.5 mm”為基準，對比“A2+3.5 mm”和“A5+3.0 mm”的優劣。

通過“A5+3.0 mm”與“A6+2.5 mm”的對比，表明8孔(A5)噴油器的油耗和排放總體優于7孔(A6)噴油器。

通過“A2+3.5 mm”與“A6+2.5 mm”的對比，表明流量減小有利于油耗和排放。同時，A2的數據表明HFR為430 cm3/30 s的噴油器可以達到功率目標。

表4 A2、A5、A6匹配最佳墊片試驗結果匯總

由于“A1+2.0 mm”排放較差，本文終止了A1試驗。項目后續試驗表明與A1匹配最佳的墊片厚度為3.5 mm，其排放和油耗與“A5+3.0 mm”接近。

A3與A2相比只是流量加大，由于大流量噴油器的油耗和煙度沒有優勢，故放棄對A3的試驗。A4與A5相比也只是流量加大，因此放棄了該試驗。

綜上所述，“A5+3.0 mm”是A1～A6噴油器與墊片組合中的最優組合，墊片厚度在3±0.5mm范圍內，具有良好的排放穩定性。

4 A7噴油器試驗結果分析

4.1 A7方案的提出

上述結果表明，HFR為430 cm3/30 s的噴油器可以達到功率目標，且油耗和排放總體優于HFR為460 cm3/30 s的噴油器。基于前期已選擇出的最優噴油器A5的參數，僅降低流量HFR從460 cm3/30 s至430 cm3/30 s，將會進一步降低油耗和排放。本研究將新噴油器命名為A7，孔數為7孔，噴射夾角為158°，HFR為460 cm3·30 s-1。

4.2 A5與A7噴油器試驗結果分析

A7噴油流量較A5減少達6.5%，變化較小，鑒于本研究開發周期限制，不再進行不同噴油嘴伸出高度的試驗。本研究使用“A7+3.0 mm”進行試驗，并與“A5+3.0 mm”進行對比分析。

圖12為工況點1的試驗結果。A7的煙度較好，但是油耗和排放溫度略高。由于A7流量減小，相同噴油量下噴油加電時間長，等同于噴油正時后退，故對排放溫度和油耗有負面影響。A7排放溫度高表明發動機的最大功率潛能差。但是兩款噴油器均能達到功率目標，而且功率點為非常用工況，油耗和最大功率潛能對客戶的影響可以忽略不計。

圖13～圖15分別為工況點6～8的試驗結果。結果表明，在3個工況下，A7的油耗和煙度均明顯優于A5。

將A5和A7的試驗結果匯總在表5中，可以看出“A7+3.0 mm”總體油耗、排放較好，功率點油耗略差，但對客戶使用的影響可以忽略不計。

圖12 A5和A7在工況點1的結果

圖13 A5和A7在工況點6的結果

圖14 A5和A7在工況點7的結果

圖15 A5和A7在工況點8的結果

工況點1234567891011工況4 000 r/min2.41 MPa2 400 r/min3.02 MPa1 500 r/min3.02 MPa1 000 r/min1.54 MPa2 200 r/min1.60 MPa2 600 r/min0.90 MPa2 000 r/min0.30 MPa1 800 r/min0.80 MPa1 500 r/min0.30 MPa3 500 r/min2.49 MPa1 775 r/min2.93 MPa比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度比油耗煙度A5+3.0 mm0000000000000000000000A7+3.0 mm-+0+++++++000+++0+-0++

5 結論

柴油機噴油器選型試驗的工況點要優先選擇外特性特征點和排放特征點。每個試驗工況點的試驗方法不同，一般選擇對特征點影響最大的參數因子，進行變因子試驗。試驗過程中要嚴格保證試驗控制條件和邊界條件，確保試驗結果的有效性和可比性。

柴油機高壓共軌噴油器選型主要針對噴射夾角、噴油嘴伸出高度、噴油孔數和噴油器流量4個關鍵參數進行選型。在噴油器參數矩陣定義中，要用盡量少的樣件數覆蓋所定義的噴射夾角、孔數和流量，以減少工作量。

在其他3個參數變化的情況下，最佳墊片厚度不同。所以本研究首先對具有排放、油耗潛力的A2、A5、A6 3款噴油器進行不同的噴油嘴伸出高度試驗，選出各自最優的墊片厚度，然后再進行對比，從而確定“A5+3.0 mm”是A1～A6噴油器與墊片組合中的最優組合，且墊片厚度在3±0.5 mm范圍內具有良好的排放穩定性。

在本研究中，噴油器孔數增多，流量減小對油耗和排放有益。據此提出了新的噴油器方案A7，并與A5進行對比。結果顯示A7噴油器總體的油耗和排放較好，功率點油耗略差，但對客戶的影響可以忽略不計。最終選擇A7+3.0 mm為本研究最優的噴油器與墊片組合。