研究新型喷嘴喷孔改善空气利用率降低碳烟排放的方案设计

内燃机形成碳烟的主要因素是局部氧稀薄。传统的柴油机在燃烧过程中，燃烧开始时各个燃油喷束之间的空气尚未被利用。正是出于这个原因，对2种新型喷嘴喷孔进行了试验研究，采用这2 种喷嘴喷孔能更好地利用燃油喷束之间的空气，但是却使烧尽阶段的空气利用率变差，最终导致较高的颗粒物排放量。为此，法国巴黎理工大学内燃机专业与IAV汽车工程公司合作进行了试验研究。  

1起因

喷嘴喷孔是喷油系统中燃油经过的终端，因此对混合气的形成和燃烧的影响至关重要。在废气排放法规对有害物排放限值日益加严的背景下，柴油机喷油系统的开发采用了越来越小的喷孔直径。由于喷孔缩小，加快了初始燃油喷束的改变，燃油蒸发得也更快，最终形成了更为稀薄的可燃混合气，这原则上有利于降低碳烟排放。此外，更小的喷孔降低了燃油喷束的动量，因而无论是液态燃油还是气态燃油的贯穿深度都有所减小。在配装轿车的柴油机气缸直径相对较小的情况下，燃油可能贯穿至活塞顶燃烧室凹坑壁面，并在此转向，在切向和径向形成所谓的壁面射流(图1(a)) ，因而在燃油喷束动量足够的情况下，燃油会向燃烧室中央反向流动(回流) ，这能加强与空气的混合并降低碳烟排放，但是当在壁面上形成油膜时也可能增加碳烟排放。为了更好地利用在传统柴油机燃烧过程中各个燃油喷束之间尚未被利用的空气范围(图1(b)) ，试验了1 种14 孔喷嘴和1 种“6 + 6”喷孔喷嘴(图1(c)) ，换用了比通常更小或更大的喷孔，因此通过更为稀薄的燃烧能降低碳烟排放。

图1 燃油喷束-壁面相互作用，

传统柴油机燃烧过程的“6 + 6”喷孔喷嘴

2 试验装置及其试验

为了评价喷嘴的潜力，在传统的透明单缸试验机上进行测试。2 种新型喷嘴的燃烧过程相当于2.2 L 排量和气缸直径为83 mm 的轿车用柴油机，透明发动机活塞的火力岸被加大，所使用的共轨喷油系统采用样品喷油器工作。新型喷嘴是具有喷孔直径非常小的14 孔喷嘴和12 孔喷嘴，后者在喷孔圆周上布置了6个较小的喷孔和6个较大的喷孔(表1) ，它们分别与8 孔基准喷嘴具有相同的液压流量。

在透明发动机的活塞顶面上有1个光学通道用于高速摄影。下文仅介绍对碳烟的分析，这些喷嘴在转速为1 200 r/min 和高压过程平均指示压力为0.82 MPa 的部分负荷运行工况点进行试验，喷油策略是喷油压力为80 MPa 的2 次预喷射(VE) 和1次主喷射(HE) 。与测试废气排放的发动机相比，透明发动机上的增压压力和增压空气温度都提高了，以便对较小的压缩比及壁面热损失方面的差异进行比较。

3 测试废气排放的发动机试验结果

所有被测试的喷嘴的指示燃油耗(biHD) 呈现出较小的差异(图2(a)) ，形成这种差异的原因是燃烧过程中不同的燃烧效率和等容度(图2(b)) ，但是这种差异总是处于测试精度范围内。与此相反，颗粒物排放量却呈现出显著的差异(图2(c)) 。采用新型的HD355/14 孔高压喷嘴测得的颗粒物排放值为0.42 g/(kW·h) ，即使其喷孔直径较小，但是其颗粒物排放值却是基准喷嘴HD355/8 孔的6 倍，而采用HD400/6 + 6 孔高压喷嘴测得的颗粒物排放值为0.23 g/(kW·h) ，仍是基准喷嘴HD400/8 孔的2.5 倍。2 种8 孔基准喷嘴的比较表明，HD355/8 孔喷嘴较小的喷孔原则上对颗粒物排放值起到了有利的效果。

图2 指示燃油耗、燃烧曲线和

颗粒物排放值示意图

4 透明发动机的试验结果

首先，应对HD355/8 孔喷嘴和HD355/14 孔喷嘴在重要时刻进行了比较(图3)。作为实例，以人工色彩示出了5 个测试循环中的第一个循环的燃烧状况。在361.8°CA 即主喷射起始点后约4°CA 时，2 种喷嘴的燃烧火焰端抵达活塞壁面，而液体燃油却并没有到达壁面。在8 孔喷嘴情况下形成壁面射流，而在14 孔喷嘴情况下，对于与燃烧室凹坑壁面之间明显的相互作用而言，其喷束动量似乎太小。在8孔喷嘴的情况下，燃油喷束扭矩存在尚未被利用的空气范围，而采用14 孔喷嘴时就较好地利用了这些空气，当然此时各火焰在燃烧室中部范围内有部分重叠。

图3 HD355/8 孔喷嘴与HD355/14 

孔喷嘴碳烟自身发光的比较

在8 孔喷嘴的情况下，在363.6°CA 时因在燃烧室凹坑壁面上转向，燃烧就开始向燃烧室中部回流，在边缘深色燃油云雾处(图3 中用红色圈出) 就可看到该区域。在14 孔喷嘴情况下，没有出现这种回流现象。当然，此时各个燃烧区域在壁面附近也会有所重叠搭接，这可能是高碳烟排放的1个原因，因为此处可能出现非常浓的燃烧区域。14 孔喷嘴在366.6 °CA 时就开始逐渐出现回流，而在8 孔喷嘴情况下这种现象已广泛发展。在达到375.9°CA 时，8孔喷嘴的燃烧回流现象几乎已遍及整个燃烧室，而在14 孔喷嘴的情况下，在燃烧室中部尚存在未被利用的区域，这可能会导致碳烟氧化程度变差。

图4 示出了HD400/8 孔和HD400/6 + 6孔喷嘴的比较。在362.4°CA 即主喷射始点后约4°CA 时，2 种喷嘴都会在燃烧室凹坑壁面上形成壁面射流。在HD400/6 + 6 孔喷嘴下，燃烧室中部范围的空气被较好地利用，同时与14 孔喷嘴相比，也不存在各支火焰过多的重叠搭接，当然因喷孔直径不同贯穿深度没有明显的差异，以致于壁面附近的燃烧区域没有重叠。在363.3°CA 时，8 孔喷嘴有燃烧回流现象，而HD400 /6 +6 孔喷嘴约晚1°CA 才开始出现燃烧回流现象。随着365.7°CA 时主喷射结束，8 孔喷嘴在整个燃烧室凹坑范围内就形成燃烧回流。可以看到与8 个喷孔相对应的8 个深色区域，而在HD400/6 + 6 孔喷嘴情况下仅能图4 HD400/8 孔喷嘴与HD400/6 +6 孔喷嘴碳烟自身发光的比较看到6 个深色区域，显然是小喷孔喷束的动量太小，由于HD400/6 + 6 孔喷嘴的喷孔较多，较好地利用了燃烧室中部的空气。在369.6°CA 时，8 孔喷嘴的燃烧回流大约达到了半径的2/3，而在HD400/6 + 6 孔喷嘴的条件下仅达到半径的一半。

图4 HD400/8 孔喷嘴与HD400/6 +6 

孔喷嘴碳烟自身发光的比较

5 空气利用和回流的分析

图5(a) 示出了采用不同喷嘴时的空气利用率，其中所拍摄的燃烧照片采用像素方式进行评判，若超过强度窗口阈值的话，则被评判为空气已被充分利用了。357°CA 范围内的首个局部最大值是第二次预喷射的转化，随后空气利用率的提升则归因于主喷射燃油开始燃烧。在359～370°CA 之间，这些新型喷嘴显示出了相对于它们各自基准喷嘴的优势，这不仅是因喷孔数量增多且燃油的贯穿度较小所致。8 孔喷嘴的空气利用率约从363°CA 开始提升，归因于燃烧的回流，而新型喷嘴因燃烧回流不太显著，从370°CA 起就呈现出空气利用率方面的缺陷，因为燃烧室中部的空气几乎没有被利用。在372～380°CA 之间，计算的空气利用率与所测得的颗粒物排放量相对应。从385°CA 开始，所选择的方法就不能再用于评定空气利用率了。

图5 空气利用率和燃烧室

中径向流动速度示意图

总的来说，燃烧回流似乎是对在较晚发生的主燃烧过程中空气利用率所产生的影响，以及由此产生的碳烟氧化。为了能定量地表示这种效果，利用粒子图像速度仪(PIV) 进行分析。以便能由碳烟照片计算流动速度。图5(b) 示出了所计算的径向流动速度。首个流动速度的模型的提升与明显的燃烧回流相吻合。显然，产生最高径向流动速度的喷嘴所形成的颗粒物排放量最少。14 孔喷嘴因其喷孔较小而没有足够的喷束动量产生显著的回流燃烧，但是进一步的试验表明，除了喷孔直径之外，喷油持续时间也对回流燃烧具有重要的影响。若对HD400/8 孔和HD400/6 + 6 孔喷嘴进行比较，则即使喷油起始点相同，HD400/6 + 6 孔喷嘴的回流燃烧开始得较晚，可能是由于大喷孔燃油的回流阻碍了小喷孔燃油的回流，HD400/6 + 6 孔喷嘴的燃油回流首先发生在大喷孔范围内。因此当在整个燃烧室凹坑范围内产生回流时，其平均流动速度才达到8孔喷嘴的水平。

6 结论和展望

试验研究的目标是通过采用新型喷嘴喷孔配置改善空气利用率来降低碳烟排放。在所分析的运行工况中，14孔喷嘴的颗粒物排放达到了8 孔基准喷嘴颗粒排放值的6倍。在主喷射开始时，采用14孔喷嘴能改善燃烧室中部范围的空气，并利用剩余区域的空气，但是会使较晚燃烧过程中的空气利用率比基准喷嘴的差，这会对碳烟氧化产生不利的影响。由于喷孔较小，对于产生值得重视的燃烧向燃烧室中部回流而言，燃油喷束动量太小，这样就会形成空气没有被利用的区域。此外，各支燃烧火焰彼此交叉，以致于极易产生碳烟非常浓的燃烧区域。

采用新型HD400/6 + 6 孔喷嘴的颗粒物排放量会达到其基准喷嘴的2.5 倍。采用这种喷嘴在主燃烧开始时也会改善空气利用率，此时在燃烧室中部范围各个燃烧区域几乎没有重叠，当然小喷孔的燃烧火焰贯穿深度要大到使圆周方向上的壁面射流相交。但是同时为了产生燃油回流，喷孔又不能太小，因此烧尽阶段的空气利用率要比采用基准喷嘴的差。因而，未来应针对燃油喷束动量差异较大的HD400/6 + 6 孔喷嘴进行进一步的试验研究。