內(nèi)燃機形成碳煙的主要因素是局部氧稀薄。傳統(tǒng)的柴油機在燃燒過程中，燃燒開始時各個燃油噴束之間的空氣尚未被利用。正是出于這個原因，對2種新型噴嘴噴孔進行了試驗研究，采用這2 種噴嘴噴孔能更好地利用燃油噴束之間的空氣，但是卻使燒盡階段的空氣利用率變差，最終導(dǎo)致較高的顆粒物排放量。為此，法國巴黎理工大學(xué)內(nèi)燃機專業(yè)與IAV汽車工程公司合作進行了試驗研究。

1起因

噴嘴噴孔是噴油系統(tǒng)中燃油經(jīng)過的終端，因此對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)對有害物排放限值日益加嚴(yán)的背景下，柴油機噴油系統(tǒng)的開發(fā)采用了越來越小的噴孔直徑。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量，因而無論是液態(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氣缸直徑相對較小的情況下，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)) ，因而在燃油噴束動量足夠的情況下，燃油會向燃燒室中央反向流動(回流) ，這能加強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也可能增加碳煙排放。為了更好地利用在傳統(tǒng)柴油機燃燒過程中各個燃油噴束之間尚未被利用的空氣范圍(圖1(b)) ，試驗了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，因此通過更為稀薄的燃燒能降低碳煙排放。

圖1 燃油噴束-壁面相互作用，

傳統(tǒng)柴油機燃燒過程的“6 + 6”噴孔噴嘴

2試驗裝置及其試驗

為了評價噴嘴的潛力，在傳統(tǒng)的透明單缸試驗機上進行測試。2 種新型噴嘴的燃燒過程相當(dāng)于2.2 L 排量和氣缸直徑為83 mm 的轎車用柴油機，透明發(fā)動機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個較小的噴孔和6個較大的噴孔(表1) ，它們分別與8 孔基準(zhǔn)噴嘴具有相同的液壓流量。

在透明發(fā)動機的活塞頂面上有1個光學(xué)通道用于高速攝影。下文僅介紹對碳煙的分析，這些噴嘴在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min 和高壓過程平均指示壓力為0.82MPa 的部分負荷運行工況點進行試驗，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) 。與測試廢氣排放的發(fā)動機相比，透明發(fā)動機上的增壓壓力和增壓空氣溫度都提高了，以便對較小的壓縮比及壁面熱損失方面的差異進行比較。

3測試廢氣排放的發(fā)動機試驗結(jié)果

所有被測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顆粒物排放值起到了有利的效果。

圖2 指示燃油耗、燃燒曲線和

顆粒物排放值示意圖

4透明發(fā)動機的試驗結(jié)果

首先，應(yīng)對HD355/8 孔噴嘴和HD355/14 孔噴嘴在重要時刻進行了比較(圖3)。作為實例，以人工色彩示出了5 個測試循環(huán)中的第一個循環(huán)的燃燒狀況。在361.8°CA 即主噴射起始點后約4°CA 時，2 種噴嘴的燃燒火焰端抵達活塞壁面，而液體燃油卻并沒有到達壁面。在8 孔噴嘴情況下形成壁面射流，而在14 孔噴嘴情況下，對于與燃燒室凹坑壁面之間明顯的相互作用而言，其噴束動量似乎太小。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 孔噴嘴時就較好地利用了這些空氣，當(dāng)然此時各火焰在燃燒室中部范圍內(nèi)有部分重疊。

圖3 HD355/8 孔噴嘴與HD355/14

孔噴嘴碳煙自身發(fā)光的比較

在8 孔噴嘴的情況下，在363.6°CA 時因在燃燒室凹坑壁面上轉(zhuǎn)向，燃燒就開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，沒有出現(xiàn)這種回流現(xiàn)象。當(dāng)然，此時各個燃燒區(qū)域在壁面附近也會有所重疊搭接，這可能是高碳煙排放的1個原因，因為此處可能出現(xiàn)非常濃的燃燒區(qū)域。14 孔噴嘴在366.6 °CA 時就開始逐漸出現(xiàn)回流，而在8 孔噴嘴情況下這種現(xiàn)象已廣泛發(fā)展。在達到375.9°CA 時，8孔噴嘴的燃燒回流現(xiàn)象幾乎已遍及整個燃燒室，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，這可能會導(dǎo)致碳煙氧化程度變差。

圖4 示出了HD400/8 孔和HD400/6 + 6孔噴嘴的比較。在362.4°CA 即主噴射始點后約4°CA 時，2 種噴嘴都會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，同時與14 孔噴嘴相比，也不存在各支火焰過多的重疊搭接，當(dāng)然因噴孔直徑不同貫穿深度沒有明顯的差異，以致于壁面附近的燃燒區(qū)域沒有重疊。在363.3°CA 時，8 孔噴嘴有燃燒回流現(xiàn)象，而HD400 /6 +6 孔噴嘴約晚1°CA 才開始出現(xiàn)燃燒回流現(xiàn)象。隨著365.7°CA 時主噴射結(jié)束，8 孔噴嘴在整個燃燒室凹坑范圍內(nèi)就形成燃燒回流。可以看到與8 個噴孔相對應(yīng)的8 個深色區(qū)域，而在HD400/6 + 6 孔噴嘴情況下僅能圖4 HD400/8 孔噴嘴與HD400/6 +6 孔噴嘴碳煙自身發(fā)光的比較看到6 個深色區(qū)域，顯然是小噴孔噴束的動量太小，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，8 孔噴嘴的燃燒回流大約達到了半徑的2/3，而在HD400/6 + 6 孔噴嘴的條件下僅達到半徑的一半。

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的空氣利用率，其中所拍攝的燃燒照片采用像素方式進行評判，若超過強度窗口閾值的話，則被評判為空氣已被充分利用了。357°CA 范圍內(nèi)的首個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始燃燒。在359～370°CA 之間，這些新型噴嘴顯示出了相對于它們各自基準(zhǔn)噴嘴的優(yōu)勢，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，因為燃燒室中部的空氣幾乎沒有被利用。在372～380°CA 之間，計算的空氣利用率與所測得的顆粒物排放量相對應(yīng)。從385°CA 開始，所選擇的方法就不能再用于評定空氣利用率了。

圖5 空氣利用率和燃燒室

中徑向流動速度示意圖

總的來說，燃燒回流似乎是對在較晚發(fā)生的主燃燒過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) 進行分析。以便能由碳煙照片計算流動速度。圖5(b) 示出了所計算的徑向流動速度。首個流動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有足夠的噴束動量產(chǎn)生顯著的回流燃燒，但是進一步的試驗表明，除了噴孔直徑之外，噴油持續(xù)時間也對回流燃燒具有重要的影響。若對HD400/8 孔和HD400/6 + 6 孔噴嘴進行比較，則即使噴油起始點相同，HD400/6 + 6 孔噴嘴的回流燃燒開始得較晚，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)在整個燃燒室凹坑范圍內(nèi)產(chǎn)生回流時，其平均流動速度才達到8孔噴嘴的水平。

6結(jié)論和展望

試驗研究的目標(biāo)是通過采用新型噴嘴噴孔配置改善空氣利用率來降低碳煙排放。在所分析的運行工況中，14孔噴嘴的顆粒物排放達到了8 孔基準(zhǔn)噴嘴顆粒排放值的6倍。在主噴射開始時，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，但是會使較晚燃燒過程中的空氣利用率比基準(zhǔn)噴嘴的差，這會對碳煙氧化產(chǎn)生不利的影響。由于噴孔較小，對于產(chǎn)生值得重視的燃燒向燃燒室中部回流而言，燃油噴束動量太小，這樣就會形成空氣沒有被利用的區(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達到其基準(zhǔn)噴嘴的2.5 倍。采用這種噴嘴在主燃燒開始時也會改善空氣利用率，此時在燃燒室中部范圍各個燃燒區(qū)域幾乎沒有重疊，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，未來應(yīng)針對燃油噴束動量差異較大的HD400/6 + 6 孔噴嘴進行進一步的試驗研究。