噴油器對摩托車發動機油耗和排放的影響研究

陳志勇 朱長欽 楊 陳 李瑞欣 關 力

（浙江春風動力股份有限公司 浙江 杭州 311100）

引言

近年來，我國大排量摩托車（排量250 mL 以上）產銷量呈現逐年增長的趨勢，2020 年全年產銷量達到2.0×105輛，較2013 年增長14 倍，預計未來銷量會進一步增長。大排量摩托車相比小排量摩托車油耗和排放更高，為了應對日益嚴格的油耗和排放法規，對發動機本身的技術提升提出了更高的要求。我國在2019 年開始實施摩托車排放國四標準[1]，氣態排放物要求進一步加嚴，而歐洲已于2020 年開始實施摩托車排放歐五標準[2]，以HC 排放為例，歐五法規將其限值從歐四的170 mg/km 加嚴至100 mg/km，預計我國也會在未來幾年推出近似于歐五的國五排放法規。

大排量摩托車更加追求高速動力性，因此在發動機設計上更加追求發動機最大功率和最大轉矩的結果，比如更大的進氣凸輪包角和氣門重疊角、高流量進氣道[3]。更大的進氣凸輪包角和氣門重疊角可以幫助提升發動機高速下的充氣效率，減少缸內殘余廢氣，提升新鮮空氣量[4]，但是在低速小負荷工況，大的氣門重疊角會導致廢氣回流，降低燃燒效率。摩托車發動機一般為自然吸氣發動機，氣道設計追求低的流量損失和高的充氣效率[5]，因此會導致缸內低的湍流強度，不利于混合氣的形成和快速燃燒。

噴油器的設計直接影響了油氣混合過程，進而影響發動機油耗和排放水平，尤其對于大排量高功率摩托車發動機，其噴油器靜態流量一般需求較高，噴孔孔徑較大，不利于噴霧的霧化與蒸發。且摩托車發動機一般采用氣道噴射噴油器，噴射壓力較低，在進氣道和進氣門背面易產生油膜。因此改進噴油嘴結構，提升燃油霧化水平，促進油氣充分混合對摩托車發動機尤為重要。

本文對3 款不同噴嘴結構的氣道噴射噴油器進行試驗研究。首先對不同噴油器的粒徑進行測量，研究不同噴油器霧化情況，然后在發動機臺架上進行不同噴油器對發動機燃燒和排放的影響研究。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

本文中噴霧粒徑采用顆粒液滴測量系統進行測量[6]，如圖1 所示，設備采用激光作為照明源，結合高分辨率相機，可以在超短曝光時間的情況下捕捉高速運動的噴霧液滴。噴油器布置在激光光源和相機中間，通過調整相機位置和聚焦平面，可以獲得不同噴霧位置的粒徑信息。由于采樣窗口較小，試驗需重復約50 次拍攝，確保采集的液滴數量足夠多，保證統計結果更接近真實結果。

圖1 液滴測量系統

發動機臺架試驗在汽油機性能臺架上進行，主要設備包括電力測功機，瞬時油耗儀，燃燒分析儀和排放分析儀，能同時對發動機的燃燒和排放情況進行測量。本文所用發動機為一臺450 mL 排量的兩缸四沖程摩托車發動機，發動機主要參數見表1。

表1 發動機基本參數

1.2 噴油器結構

本文對3 款不同噴嘴結構的氣道噴射噴油器進行試驗研究，主要差異為噴孔個數及噴霧錐角，具體參數如表2 所示。

表2 噴油器基本參數

發動機每缸只有一個噴油器，噴油器產生2 個油束分別噴入左右兩個進氣門，每個油束各由一半噴孔產生，單個油束的夾角定義為油束錐角，2 個油束中心線之間的角度定義為油束夾角。噴油器孔數分別為6 孔、8 孔和12 孔，各孔噴油器除了孔數的不同，在噴霧形態方面也有差異，主要表現為單個油束的錐角變小，油束更加緊湊，有助于減小和避免濕壁現象，但是不利于燃油的霧化。在最大噴油流量相同的情況下，增加噴油孔個數可以減小單個油孔的噴孔直徑，有利于提升燃油霧化水平。

1.3 試驗方法

粒徑測量部分，分別對噴霧發展軸向方向20 mm、30 mm 和40 mm 的噴霧位置進行粒徑測量，燃油壓力330 kPa，噴油脈寬4 ms。

發動機試驗部分，分別選取暖機工況和冷機工況進行試驗。其中暖機工況為WMTC 循環中發動機實際運行占比較大的工況點，代表了發動機暖機完成后常用工況，水溫為85 ℃。冷機工況為WMTC 循環中，發動機完成暖機過程前的常用工況，因為冷機過程中，氣道處溫度更低，不利于燃油的霧化和蒸發，因此冷機工況更能反映噴油器霧化水平，水溫為40 ℃。具體試驗工況如表3 所示。

表3 發動機試驗工況r/min@0.1 MPa

2 試驗結果及分析

2.1 不同噴油器粒徑測量結果

粒徑結果用索特平均直徑SMD 表示，它代表了所有測量粒徑的立方和與平方和之商，常用于評價噴霧粒徑整體大小。圖2 是不同噴油器在噴油壓力330 kPa、環境背壓為常壓下的粒徑測量結果。從結果可以看到，在距離噴油嘴出口較近的位置20 mm 處，3 款噴油器SMD 結果相同，隨著噴霧沿軸線進一步發展，不同噴油器粒徑結果開始出現差異。在30 mm和40 mm 處，8 孔噴油器粒徑結果始終大于6 孔噴油器，表明2 款噴油器因為β 角的差異所帶來的影響大于孔數的影響，更大的β 角導致噴霧更加集中，噴霧發展過程中受到的空氣剪切力作用較小，不利于噴霧的破碎過程。

圖2 噴霧粒徑測量結果

2 款噴油器的粒徑結果均隨著軸向位置的增大而變大，這是因為在遠離噴嘴的位置，小液滴霧化蒸發，導致在總的液滴中占比減小，而大液滴可以持續發展到較遠位置，在遠離噴嘴位置數量占比較大，因此導致總的SMD 變大。12 孔噴油器較6 孔噴油器在30 mm 處粒徑較大，在40 mm 處粒徑較小，這可能是噴嘴直徑和β 角共同作用的結果，在靠近噴嘴出口位置，由于孔數較多且β 角較小，增加了液滴之間相互碰撞的幾率，產生更多的較大液滴。而在遠離噴嘴的位置，由于噴霧得到進一步發展，粒徑之間空間增大，碰撞幾率減小，因此粒徑反而較6 孔稍小。整體來看，6 孔噴油器雖然其孔數較少，但是因為其較大的β 角，粒徑處于較低水平。

2.2 噴油相位對發動機油耗和排放的影響

發動機實際工作過程中，不同噴油相位會對發動機的燃燒和排放產生明顯的影響，因此，需要在發動機標定過程中確定不同工況下最合適的噴油相位。以5 500 r/min@0.5 MPa 暖機工況為例，圖3 給出了6 孔噴油器不同噴油相位對發動機油耗和排放的影響，噴油相位WEE 定義為進氣門關閉時刻往前噴油結束的角度，即數值越小，噴射結束時刻越晚。

圖3 噴油相位對油耗和排放的影響

從圖中可以看到，噴油結束時刻較早的情況，發動機油耗BSFC 較低，一氧化碳CO 排放較低，但是碳氫THC 排放較高。這是因為噴油結束較早，燃油有充分的時間與氣道內的空氣發生混合，混合氣更加均勻，燃燒效率較高。但是噴油結束較早特別是在進氣門開啟之前結束，氣道內氣流運動較弱，此時噴油增加了濕壁的風險，因此此時碳氫排放較高；而隨著噴油結束時刻逐漸推遲，油耗和CO 排放出現了增長的趨勢，而THC 排放先下降后增加。這是因為噴油結束較晚，油氣混合時間變短，混合不均勻，導致CO 排放和油耗均增加，而碳氫排放因為氣門開啟，氣道內流速較高，部分混合氣被直接帶入缸內，濕壁現象較小。鑒于噴油相位對油耗和排放的明顯影響，后文中不同噴油器的試驗對比均選擇THC 排放最小的噴油相位進行比較。

2.3 暖機工況噴油器對發動機油耗和排放的影響

圖4 給出了3 款噴油器在4 個不同暖機工況下的油耗和排放結果，水溫為90 ℃。從油耗結果可以看出，在大部分工況，8 孔噴油器均具有更高的油耗，6 孔和12 孔噴油器油耗結果差異不大。這與2.1 小節中粒徑結果一致，即8 孔噴油器噴霧粒徑相對較大，需要的蒸發時間更長，燃油與空氣混合容易不均勻，導致燃燒效率較低，因此油耗更高；6 孔和12 孔噴油器粒徑在遠離噴嘴的位置粒徑較8 孔小，從而油耗也更低。

圖4 暖機工況油耗與排放對比

碳氫THC 排放結果除4 000 r/min@0.1 MPa 工況外，其它工況排放大小依次為12 孔、8 孔和6 孔，這是因為12 孔和8 孔具有較小的β 角，相同情況下容易導致其有更長的噴霧貫穿距離，容易發生噴霧碰壁現象，氣道內濕壁的燃油容易在掃氣階段直接被帶入排氣管，導致尾氣中碳氫排放增加。一氧化碳CO 結果與油耗結果相似，即霧化更好、粒徑更小的噴油器更容易產生良好的油氣混合氣，燃燒更加完全，CO 排放更低。

2.4 冷機工況噴油器對發動機油耗和排放的影響

圖5 為3 款噴油器在4 個不同冷機工況下的油耗和排放結果，水溫為40 ℃。相比于暖機工況，冷機工況下進氣道溫度更低，更不利于噴霧的霧化與蒸發，同時燃燒室內溫度也較低，燃燒速度較慢。對應噴霧霧化較差的8 孔噴油器，在低溫情況下，其燃燒情況更易不穩定，特別是對于氣流運動較弱的小負荷情況，燃燒惡化導致發動機油耗明顯增加。冷機工況下，4 個工況發動機負載均較低，每循環噴油器噴油量較少，3 款噴油器排放并未表現出明顯差異。

圖5 冷機工況油耗與排放對比

3 結論

本文首先利用粒徑測量系統對比了3 款不同噴嘴結構的氣道噴射噴油器的霧化表現，然后在一臺450 mL 兩缸四沖程摩托車發動機上研究了不同噴油器對發動機的油耗和排放的影響，得到的主要結論有：

1）噴油器孔數越多，β 角越大，噴霧粒徑越小。

2）噴油相位對發動機油耗和排放均有較明顯的影響，噴油結束越晚，油氣混合時間越短，油耗和CO排放增加，但是噴油結束過早，THC 排放增加。

3）暖機工況下，粒徑較小的噴油器油耗和CO 排放也較低；孔數越少，THC 排放越低。

4）冷機工況下，特別是小負荷工況，粒徑較大的噴油器更易導致發動機燃燒惡化，油耗增加；小負荷情況下不同噴油器排放差異較小。