柴油机燃烧室中喷注与匹配特性的系统分析

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柴油机燃烧室中喷注与匹配特性的系统分析

发布时间：2022-08-26 17:01:37 ▏阅读：次

摘要：对缩口型低排放直喷式燃烧室来说，喷注与燃烧室形状的匹配对柴油发电机的性能影响很大。为了保证燃烧室内有一定强度的压缩滚流，在活塞顶部必须留有一定的挤气面积。在压缩过程中压缩滚流主要集中在燃烧室凹坑内产生，而在活塞顶部的挤气面上空气却不足，气流较弱。因此，喷油器在不同工况下只有将燃料喷入燃烧室凹坑内的恰当位置，才能有效地利用燃烧室内的气流特性。本文系统阐述喷注在燃烧室空间的喷射位置、喷孔直径和喷孔数、喷油器结构、喷射压力及喷射时刻对柴油发电机性能的影响规律，为缩口型低排放燃烧室的优化设计提供技术参考。

一、喷注在燃烧室空间的喷射位置的影响

图1所示为喷注与燃烧室空间位置的匹配示意图。如果喷射位置在相对燃烧室缩口偏高的位置（图1中的实线），则更多的燃料直接喷入到活塞顶部的挤气面上，造成经济性恶化，碳烟增加；反之，如果喷注中心靠近燃烧室中心位置，则在燃烧室内高速气流的作用下，更多的燃料直接空间雾化并混合燃烧，促进预混合燃烧过程，使得压力升高率增加，NOx排放量增多。所以，相对燃烧室空间存在最佳的喷射位置。

图2所示为在一台缸径为133 mm、排量为12 L的大型发电用柴油发电机最大转矩转速（1200 r/min）的负荷特性（最大喷射量相同）上，不同喷射夹角 $γ$ 对NOx和烟度排放的影响。当喷射夹角为 $γ = 152^{\circ}$ 时，喷注更接近燃烧室气流中心，所以NOx明显增加，碳烟排放却很小，而且中小负荷区烟度基本上为零。当喷射夹角增加到 $γ = 160^{\circ}$ 时，虽然NOx排放明显降低，但由于部分燃料喷入到活塞顶部的挤气面上，所以碳烟排放增加。随着负荷的增加，喷射量增多，更多燃料被喷入到活塞顶，从而使大负荷时排烟严重。

从物理机理分析，喷射位置对燃烧的影响可归纳为以下三点：

（1）喷注过于偏向挤气面时，燃料落在温度相对较低的活塞顶面上，蒸发缓慢，混合气形成时间延长，导致燃烧滞后，热效率下降，同时局部缺氧区域增大，碳烟生成加剧。

（2）喷注过于靠近燃烧室中心时，燃料在高温高湍流区域迅速雾化混合，预混合燃烧比例增大，放热速率加快，压力升高率增大，导致NOx显著上升。

（3）最佳喷射位置应使喷注在空间上充分利用燃烧室凹坑内的压缩滚流，既保证燃料能迅速与空气混合，又避免燃料着壁或过分集中。

喷注与燃烧室空间位置匹配示意图-柴油发电机组.png

图1 喷注与燃烧室空间位置匹配示意图

喷射夹角对NOX和烟度排放的影响曲线图-柴油发电机组.png

图2 喷射夹角对NOX和烟度排放的影响曲线图

二、喷孔直径和喷孔数的影响

1. 喷孔直径的影响

对一定的喷射压力和喷孔数，喷孔直径的变化直接影响喷油器的总喷射面积。当喷孔直径减小时，油束的射程（或称为贯穿距离）变长，喷雾锥角变小，雾化不良，油束着壁倾向增多，因此如图3、图4所示，对一定的NOx排放（相同燃烧条件下），碳烟排放明显增加，经济性也会恶化。若喷孔直径过大（如 $ϕ = 0.30 mm$ ），则在喷射量较少的小负荷区，喷雾质量差，所以烟度排放和经济性恶化；随着喷射量的增加，烟度排放有所改善，但大负荷时，单位时间喷射量增多，雾化不良，所以NOx和烟度排放都增加。当喷孔直径为 $ϕ = 0.28 mm$ 时，喷雾与燃烧室空间匹配最佳，所以烟度排放最低，油耗也降低，但NOx排放量有所增加。说明喷雾特性与燃烧室内气流状态存在最佳的匹配。

喷孔直径的影响机理可概括为：

小喷孔直径（<0.26 mm）：油束贯穿距离长，喷雾锥角小，油束容易撞击燃烧室壁面，造成燃油着壁，形成壁面油膜，蒸发缓慢，碳烟和HC排放增加。

中等喷孔直径（0.26～0.30 mm）：贯穿距离适中，喷雾锥角合理，能够有效利用燃烧室内的空气，实现最佳的混合气形成。

大喷孔直径（>0.30 mm）：喷雾液滴直径增大，雾化质量下降，混合气形成速率降低，燃烧不完全，经济性恶化。

喷孔直接的影响曲线图-柴油发电机组_副本.png

图3 喷孔对NOX和烟度排放的影响曲线图

喷孔直接的影响曲线图-柴油发电机组.png

图4 喷孔直接的影响曲线图

2. 喷孔数的影响

喷孔数主要影响喷注与燃烧室空间的匹配问题，而燃烧室内的涡流强度直接影响多孔喷注之间的相互干涉现象。如果喷孔数过少，则燃烧室内空气的利用效率低；反之，如果喷孔数过多，或燃烧室内的涡流强度过强，则有可能造成喷注之间相互干涉，反而影响混合气的形成。所以，不同柴油发电机对应一定的总喷射面积都存在着最佳的喷孔数及其燃烧室空间的布置形式，而且对应喷孔数的布置，都存在着最佳的进气涡流强度（用进气涡流比SR表示），如图5所示。随着电控高压喷射技术的发展，在混合气形成过程中对进气涡流的要求逐渐降低。所以，在进气道设计时可以适当减小进气涡流比或不采用螺旋进气道，由此减小进气阻力，提高充气效率。

喷孔数的选择原则包括：

（1）喷孔数与缸径的关系：对于缸径为100～150 mm的柴油机，喷孔数通常为6～10孔。缸径越大，所需的喷孔数越多，以保证喷注能够均匀覆盖整个燃烧室空间。

（2）喷孔数与涡流强度的协同：高涡流强度下，喷注之间的干涉概率增大，应适当减少喷孔数或调整喷孔的圆周分布角度，避免相邻喷注在涡流作用下相互重叠。

（3）喷孔数对排放的权衡：增加喷孔数可提高空气利用率，降低碳烟，但可能增加NOx排放（因混合更均匀，燃烧更剧烈）。因此，最佳喷孔数需在NOx和碳烟之间取得平衡。

进气涡流比SR对柴油发电机性能的影响.png

图5 进气涡流比SR对柴油发电机性能的影响

3. 喷油器面容比的定义与优化

在确定喷孔直径时，一般考虑其最大喷射面积，而喷孔数是根据燃烧室空间的大小来确定的。当一台柴油发电机最大循环喷射量为 $V_{b}$ （mm³/循环）时，可按式（公式1）初步确定喷油器的最大喷射面积 $A_{n}$ （mm²），即：

$A_{n} = \frac{V_{b} \cdot n}{μ \cdot Δ ϕ_{j} \cdot ω_{j} \cdot 60} (公式1)$

式中， $V_{b}$ 为最大循环喷射量（mm³/循环）； $n$ 为柴油发电机转速（r/min）； $μ$ 为喷油器的流量系数，一般喷油器为 $μ = 0.6 \sim 0.7 ，对液力研磨的喷油器为$ $μ = 0.7 \sim 0.85$ ； $Δ ϕ_{j}$ 为喷油持续曲轴转角（°）； $ω_{j}$ 为喷孔处喷油平均流速（m/s）。

$A_{n}$ 确定后，设喷油器的孔数为 $i$ ，则喷孔直径 $d_{n}$ （mm）可以由式（公式2）计算确定：

$d_{n} = \sqrt{\frac{4 A_{n}}{i \cdot π}} (公式2)$

另一方面，为了表示在一定的喷射压力下，喷注与燃烧室空间的匹配情况，定义喷油器的面容比 $δ$ （mm²/L）为： $δ = \frac{A_{n}}{V_{c}} (公式3)$

式中， $A_{n}$ 为喷油器喷孔总面积（mm²）； $V_{c}$ 为燃烧室容积（L）。

当 $δ$ 值过小时，表明喷注没有有效地利用燃烧室空间；反之， $δ$ 值过大，说明相对喷注燃烧室空间过小。面容比 $δ 小，表示对一定的喷雾特性，燃烧室空间的空气利用率高，所以NOx排放量高，燃油消耗率降低；随着面容比$ $δ$ 的增加，相对一定的燃烧室容积，喷射的燃料量增多，热效率降低，CO和HC排放随之增加。所以，对一定的燃烧室都存在着最佳的喷油器的面容比。

三、喷油器结构的影响

一般孔式喷油器针阀落座后，针阀尖端与针阀体之间有一个容积，称此容积为喷油器的压力室容积。当喷油结束后，在压力室中蓄有少量的燃油仍会进入燃烧室。因这部分燃油是在压力较低的情况下进入气缸的，所以雾化条件差，造成热效率降低，而且烟度和HC排放增加。为了改善排放特性，一般采用小压力室（压力室容积小于1 mm³）或无压力室（VCO）喷油器（图6）。

无压力室喷油器在HC排放方面优于有压力室的喷油器，但是由于其喷孔直接开在密封锥面上，所以当针阀升程很小时，因液流剧烈的转向及节流效应，反而会出现各喷孔的贯穿距离不均的现象，从而影响柴油发电机的性能，而且对加工精度要求很高。因此，在发电用柴油发电机上多采用小压力室喷油器结构。

另一方面，对一定的喷孔面积，当喷孔长度（喷油器壁面厚度）不同时，贯穿距离就不一样，雾化效果也不同。喷孔越长，贯穿距离越长，雾化质量越差。所以，为了控制贯穿距离，改善雾化质量，也有一些喷油器将喷孔外侧加工成圆柱形或锥形，使喷孔直径阶梯变化（图7），由此调整喷雾特性使之与燃烧室更好地匹配，达到既节能又降低排放的目的。

喷逾期压力室容积对HC排放的影响-柴油发电机组.png

图6 喷逾期压力室容积对HC排放的影响

阶梯形喷孔形状-柴油发电机组.png

图7 阶梯形喷孔形状

四、喷射压力（轨压）的影响

对高压共轨喷射系统，喷油器的喷射压力取决于共轨的油压。对一定的喷射量，轨压越大，喷射速率越高，喷射持续时间越短，而且喷雾质量也可以得到改善，所以燃烧初期放热速率高，放热率峰值明显增加，使缸内最高爆发压力增大。从柴油发电机经济性角度分析，对一定工况，并非轨压越高经济性就越好。如某轻型发电用柴油发电机在3000 r/min、80%负荷的工况下，轨压低于100 MPa的区域，随着轨压的增加，燃油消耗率和烟度明显下降。当轨压达到100 MPa以后烟度基本等于零，但燃油消耗率基本保持不变（图8）。从排放性能角度分析，随着轨压的增加，燃烧放热速率加快，最高燃烧温度升高，而且促进扩散燃烧过程，所以NOx排放量随轨压呈线性增加，而CO和HC排放量减小。

轨压Prail对柴油发电机性能的影响曲线图.png

图8 轨压Prail对柴油发电机性能的影响曲线图

图9所示为不同转速下轨压对柴油发电机性能的影响，由此可以看出，在高速下提高轨压对降低柴油发电机燃料消耗率和CO排放效果更明显，相应地NOx排放量的增加速度也快。但高速时，由于燃气在高温下滞留的时间较短，所以NOx排放量水平普遍较低。因此，提高轨压是改善高速经济性和排放特性的重要措施。对泵喷嘴或单体泵等喷射系统，喷油器的喷射压力取决于喷油泵的供油速率，随着柴油发电机转速的增加，喷射压力提高。

不同转速下轨压Prai对柴油发电机性能的影响曲线图.png

图9 不同转速下轨压Prai对柴油发电机性能的影响曲线图

五、喷射时刻的影响

对缩口型直喷式燃烧室存在喷雾相对燃烧室空间的最佳喷射位置，该位置直接影响气缸内混合气的形成和燃烧过程。不同工况下的最佳喷射位置由喷油时刻来控制。图10、图11所示为发电用柴油发电机，分别采用喷射压力为24 MPa的机械式喷射系统和最高喷射压力为145 MPa的电控高压共轨喷射系统时，喷射时刻（或供油时刻）对柴油发电机性能的影响。传统的直喷式柴油发电机的静态供油提前角 $θ_{g t}$ 一般设定为11°～35°（CA），与此相比较，采用如前所述的缩口型直喷式燃烧室以后，可明显地推迟喷射时期，由此在经济性保持基本不变的前提下，有效地抑制柴油发电机预混合燃烧期内混合气的形成量，从而有效抑制NOx的生成。而且通过燃烧室内一定的气流强度保持性，促进扩散燃烧，因此也可有效地控制CO和HC排放量。

对这种燃烧室，不管柴油发电机转速如何变化，相对燃烧室所要求的最佳喷射位置是一定的。因此，从低速到高速整个使用转速变化范围（800～3800 r/min）内，喷油提前角的变化范围较小，只有6°～14°（CA）（图10）。因此，相对传统的直喷式燃烧室，这种燃烧室在整个转速范围内可有效地降低排放。所以，称这种燃烧室为缩口型低排放直喷式燃烧室。当采用高压共轨喷射系统后，通过喷射压力和喷射时刻的优化匹配，在经济性基本保持不变或变化不大的前提下，可大幅度地降低NOx、HC和CO排放量（图11），以适应越来越严格的排放法规。

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图10 机械喷射时刻对柴油发电机性能的影响

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图11 高压共轨喷射时刻对柴油发电机性能的影响

总结

缩口型低排放直喷式燃烧室的性能优化依赖于喷注与燃烧室空间的多维度匹配，包括喷射位置、喷孔直径与喷孔数、喷油器结构、喷射压力及喷射时刻等关键参数的协同优化。喷射位置应避免燃料着壁或过分集中，以充分利用燃烧室凹坑内的压缩滚流；喷孔直径应在0.26～0.30 mm范围内优化，喷孔数需与缸径和涡流强度协同匹配；面容比 $δ$ 为衡量喷注与燃烧室空间匹配程度的重要参数，存在最佳值；无压力室喷油器可降低HC排放，但对加工精度要求高，发电用柴油机多采用小压力室结构；提高喷射压力可改善雾化和经济性，但会线性增加NOx排放，需与喷射时刻协同优化；缩口型燃烧室允许大幅度推迟喷射时刻，在保持经济性的前提下有效抑制NOx生成，在整个转速范围内具备低排放特性。高压共轨系统的应用为喷射压力和喷射时刻的柔性调节提供了技术基础，是实现柴油发电机高效低排放的关键途径。

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