柴油高压油泵分解图

在现代柴油机的燃烧系统设计中，为了提高燃料的转换效率并降低发动机的排放，需要对活塞的几何结构、缸内的空气流动、喷油策略和喷油器喷嘴的结构进行优化。为了在发动机效率和排放之间寻求最佳平衡，将喷油器与活塞进行良好的匹配。

由于喷孔直径、喷孔数、喷孔布置和喷雾锥角等参数直接影响燃油的雾化、蒸发，进而影响空气与燃油的混合过程。

为了减小喷雾液滴的尺寸，喷嘴孔径趋于减小；在较高的喷射压力下，使用较小的喷孔直径可减小燃油贯穿距，从而避免液体燃油撞击气缸壁。

使用较小的喷孔直径还能增强燃油雾化和增加空气夹带等，这些都有助于提高空气与燃油的混合，从而形成更均匀的混合气，最终降低碳烟排放和燃油消耗，但同时会增加氮氧化物的排放。

较小的喷孔直径会增加喷油持续时间，且难以获取足够高的喷油速率并导致燃烧效率降低，因而必须通过增加喷射压力来提高喷油速率。增加喷孔的数量会使喷射的油束重叠，颗粒排放增加。

直径较小的喷孔对应的喷孔数量越多，会造成喷射的穿透性下降，影响空气与燃油的混合质量，从而不利于提升重载柴油机的指示热效率。

燃烧室、涡流比和喷油器之间存在一个最佳组合，可以最大限度地提高燃油效率并降低发动机废气排放。有必要对喷孔的几何形状进行研究，使喷孔与燃烧室达到最佳匹配。

●—≺ 试验建立 ≻—●

在单缸重载柴油机试验台上开展了试验，测试台架如图1所示。压缩空气由带有闭环控制的AVL515滑片压缩机组供应，该机组与电机相连。用热式质量流量计测量进气质量流量。

在进气和排气系统中安装了两个大的缓冲罐，以抑制由于发动机的气体交换引起的进气和排气歧管中的压力波动。

同时还安装了两个压力传感器来测量进气和排气口的瞬时压力。进气歧管压力由进气节流阀微调，而排气背压则通过位于排气缓冲罐下游的蝶阀独立控制。

燃油质量流量则是通过两个Coriolis流量计分别测量燃油系统供应的总燃油流量和从高压油泵及喷油器回流回来的燃油流量，最终发动机消耗的燃油流量为这两个燃油质量流量计测得的流量之差。

从图1中还可知，瞬时缸内压力通过采样间隔最小为0.25°CA的压电式压力传感器测量。采集的200个发动机循环的缸压数据经过电荷放大器记录和进行平均，然后用于放热率(HRR)计算，即

排放测试使用Horiba排放分析仪测量废气(NOx、HC、CO2和CO)。

为了进行高压取样并避免冷凝，在排气取样点和排放分析仪之间使用了高压取样模块和加热管。使用AVL415SE烟度计在排气背压阀下游测量烟度。最后将所有测得的排放转化为以净指示气体排放表示。

研究用发动机是根据玉柴K系列柴油机改装的单缸柴油机，其中燃烧室形状为缩口ω型，进气方式采用基于螺旋气道的强涡流气流运动形式。其基本参数如表1所示。

表2为5个喷油器基本参数，开展了试验设计方案(designofexperiment，DOE)研究分析，它们具有不同的燃油质量流量、喷嘴孔结构布置和喷雾锥角。

其中喷嘴孔结构布置如图2所示。图2a为圆柱形状的喷孔；图2b为带倒角的K喷孔；图2c为锥形喷孔，在K喷孔基础上加大倒角幅度。

选择圆柱形和Ks喷孔进行试验对比。其中Ks喷孔的锥度大小定义为K因子，如公式(2)所示。

试验工况从欧洲稳态循环(ESC)中选择6个工况点进行，如表3所示。

通过比较5个不同喷嘴几何结构喷油器的测试结果，从发动机性能和排放方面找出最佳的喷油器。

在表3中的每个工况点，进行两种不同的喷射压力下的单次喷射，喷油压力pinj分别为130MPa和170MPa；在最大缸内压力限值180MPa的范围内，通过喷油正时(SOI)扫点的方式进行试验寻优，获得最低燃油消耗率，同时分析喷油器在不同工况和不同喷油策略下对发动机经济性和排放的影响。

●—≺ 结果分析 ≻—●

通过对燃烧相关指标分析表2的圆柱喷孔(喷油器5)和Ks喷孔(喷油器3)的差异，图3显示了所有测试点的着火延迟，其中着火延迟定义为喷油时刻至燃烧放热量累积5%这段期间对应的曲轴转角。

从图3中可以看出，Ks孔喷油器的着火延迟比圆柱孔喷油器的着火延迟要短。

这是由于Ks孔的流量系数较高，空化的可能性较小，从而增强了喷射燃料的雾化稳定性，使燃油雾化质量提升，从而改善缸内空气与燃油的混合效果，放热始点提前。

图4为发动机在相同喷油正时下改变燃油喷射压力时两个不同喷孔形状的喷油器在1147r/min、50%负荷工况下的缸内压力和放热率对比。

Ks孔喷油器导致较短的着火滞燃期使燃烧始点提前，从而增加压力升高率。但由于预混燃烧程度较低，导致放热速率的峰值较低。喷射压力增加能改善空燃混合，带来更高的放热率峰值。

图5显示了在1147r/min、50%负荷下两种喷油器在不同SOI下的发动机性能。与圆柱孔相比，Ks孔在恒定SOI和喷射压力下指示燃油消耗率(ISFC)较佳。

这主要是因为当燃料转换效率提高时，发动机维持相同的功率输出所需的燃油喷射量减少，从而过量空气系数较高。还可以看到较高的过量空气系数和较早的燃烧有助于降低排气温度。

Ks孔喷油器中更快速的燃烧导致更高效的燃油转化和更低的传热损失，最终Ks孔喷油器比圆柱孔喷油器的指示热效率平均提高了1.6%。

提前喷油结合高喷射压力有助于提高指示热效率，从而降低燃油消耗率，这是由于改善了混合气的质量和提高了预混燃烧的程度。但是喷射压力对两种喷油器在燃油消耗率上的影响基本相似。

图6为两种喷油器在不同喷射压力和喷油提前角下的废气(NOx、soot和HC和CO)排放。所有的方案均显示，提前喷油和提高喷射压力均能降低soot排放，但NOx排放会显著增加。

与圆柱孔相比，Ks孔形状喷油器的碳烟排放较低，且对喷油正时和喷射压力的敏感性也较低。

这是因为Ks孔能增强空气燃料混合和具有更高的过量空气系数。

在给定的喷油正时下，Ks孔的NOx排放量略低于圆柱孔喷油器，这是由于预混燃烧程度相对较低导致燃烧温度峰值较低所致。

喷油正时和喷射压力的变化对HC的排放影响不大；但与圆柱孔喷油器相比，Ks孔喷油器增加了HC排放。

这可能是因为当量比较低、火焰淬火风险较高以及废气温度降低，这使得HC在后期燃烧过程中氧化程度降低。

图7为6个测试点采用相同的喷油正时和喷射压力下Ks孔喷油器和圆柱孔喷油器在燃油消耗率和排放方面所取得的效益。整体来看，两种喷油器的NOx排放差别不大。

Ks孔喷油器在较低的发动机转速下，NOx排放略有降低，而在较高的发动机转速下，NOx排放有所增加。

但在所有工况下，使用Ks孔喷油器均可显著降低碳烟排放。

这主要是由于Ks孔喷油器具有更好的燃油雾化和更高的过量空气系数。

Ks孔喷油器在大多数测试点对应的燃油消耗率都有所降低，这是因为搭配Ks孔喷油器的发动机混合气质量提升，燃烧过程加快，燃烧温度和废气温度降低，从而改善了燃烧质量和降低了传热损失。

因此，确定了Ks孔形状的喷油器为最佳喷油器，在后续研究中将进一步优化其各项参数。

图8显示了两个不同燃油流量的喷油器在1147r/min和50%负荷时缸内压力和放热率变化情况。

喷油器流量减小(孔径减小)时，燃烧提前，这是因为较小孔径喷射的液滴较小，其雾化、蒸发和混合速度更快，形成可燃混合物所需的时间较短。

结果表明：油、气混合速度加快，预混燃烧比例减少，放热率峰值越低；而更早的放热导致缸内压力峰值更高。

图9显示不同喷射压力和提前角下喷油器流量对发动机性能的影响。

相对较大流量喷油器的燃油消耗率更低，指示效率更高，排温更低，过量空气系数更大。

这是因为较大的喷孔会产生较长的燃油贯穿距和较短的喷射持续时间，燃油喷射持续期的缩短能在一定程度上延长燃油与空气的混合时间，从而使燃油与空气混合更加充分。

另外，喷油持续期短能减短燃烧持续期，较大的过量空气系数使缸内平均燃烧温度较低，从而降低气缸壁的热损失，也会进一步改善燃油消耗率。

图10显示了在不同喷射压力和喷油正时下不同方案的排放对比。

小流量喷油器的NOx排放较低，主要是喷油持续期延长导致燃烧持续期更长，燃烧重心靠后，燃烧温度降低。

而小流量喷油器的喷雾粒径更小，同时小流量喷油器更小的喷雾贯穿距有利于减小燃油撞壁风险，这些因素都有利于减少碳烟生成。

小流量喷油器的HC排放显著降低，是因为小流量喷孔贯穿距离段，喷雾颗粒小，雾化效果好，因而点火延迟短；并且可以减少局部过稀的混合气，这是产生未燃HC排放的主要来源。

图11为两种喷油器研究的6个工况下的性能及排放对比。大流量喷油器在燃油消耗率方面占优，在排放上的表现整体不如小流量喷油器。

为了更好地确定每个喷油器的最佳垫圈厚度，绘制了3个喷油器(即表2中喷油器2～4)的发动机指示热效率废气排放随垫圈厚度的变化，如图12所示。

图13全面评估了3个搭配不同喷雾锥角的喷油器分别在50%和100%负荷下对总液体消耗量和总效率的影响。

工况点为 50% 负荷时总液体消耗量明显偏低，而工况点为 100% 负荷时总液体消耗量明显偏高。

这是因为随着负荷的增大，柴油消耗量增多同时原排 NOx 生成增加，最终导致尿素消耗量增大，因而总液体消耗量在 100% 负荷时明显比 50% 负荷大。喷雾锥角为 146°和 153°的喷油器可降低总液体消耗，并提高总效率。

这是由于最小喷雾锥角喷油器的NOx 排放较低。当在发动机满负荷下进行比较时，最小喷雾锥角的喷油器在降低 NOx 排放和总燃油消耗率方面表现出更大的潜力，从而导致 NIEcorr的增加。

在合适的喷油器垫圈厚度下，优化喷雾锥角有可能改善NIEcorr以及总的液体消耗量，降低发动机的运行成本。

根据研究结果确定了喷雾锥角为146°结合垫圈厚度为2.0mm时的喷油器为实现缸内和后处理NOx排放控制最佳平衡的最优喷油器结构。

●—≺ 结论 ≻—●

相对于圆柱孔喷嘴，由于Ks孔喷嘴的燃油雾化效果更佳，且具有更高的流量系数及更长的贯穿距，导致燃油与空气混合更加充分，从而使得燃油消耗量和颗粒排放更低，但NOx排放略高。

与小流量喷油器(小孔径)相比，更高流量(较大孔径)喷油器能达到更低的燃油消耗率，这是因为缩短了喷油持续期，并具有更大的贯穿距；但同时燃油液滴增大，雾化效果变差。

更长的喷射距离生成更强的液滴雾化冲击以及较差的空气利用，导致大流量喷嘴产生较高的碳烟排放。

喷嘴凸出高度显著影响喷射燃油与燃烧室的相互作用，从NOx-soot和NOx-ISFC角度考虑，大喷雾锥角需要匹配更大的凸出高度，小喷雾锥角则需要小的凸出高度。

在喷孔几何结构优化时，发现喷油正时和喷射压力影响显著，喷油正时可以改变喷油时刻活塞在缸内的位置，而喷射压力对喷油油束的穿透力有很大影响。

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