新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)噴霧特性與燃燒室內(nèi)氣流特性的匹配

 

摘要：對縮口型低排放直噴式燃燒室來說，噴注與燃燒室形狀的匹配對柴油發(fā)電機(jī)的性能影響很大。為了保證燃燒室內(nèi)有一定強(qiáng)度的壓縮滾流，在活塞頂部必須留有一定的擠氣面積。在壓縮過程中壓縮滾流主要集中在燃燒室凹坑內(nèi)產(chǎn)生，而在活塞頂部的擠氣面上空氣卻不足，氣流較弱。因此，噴油器在不同工況下只有將燃料噴入燃燒室凹坑內(nèi)的恰當(dāng)位置，才能有效地利用燃燒室內(nèi)的氣流特性。

 

1、噴注在燃燒室空間的噴射位置的影響

 

圖1所示為噴注與燃燒室空間位置的匹配示意圖。如果噴射位置在相對燃燒室縮口偏高的位置（圖6-45中的實(shí)線），則更多的燃料直接噴入到活塞頂部的擠氣面上，造成經(jīng)濟(jì)性惡化，碳煙增加；反之，如果噴注中心靠近燃燒室中心位置，則在燃燒室內(nèi)高速氣流的作用下，更多的燃料直接空間霧化并混合燃燒，促進(jìn)預(yù)混合燃燒過程，使得壓力升高率增加，NO_x排放量增多。所以，相對燃燒室空間存在最佳的噴射位置。

 

圖2所示為在一臺(tái)缸徑為133mm、排量為12L的大型發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（1200r/min）的負(fù)荷特性（最大噴射量相同）上，不同噴射夾角y對NO_x和煙度（波許）排放的影響。當(dāng)噴射夾角為y＝152°時(shí)，噴注更接近燃燒室氣流中心，所以NO_x明顯增加，碳煙排放卻很小，而且中小負(fù)荷區(qū)煙度基本上為零。當(dāng)噴射夾角增加到y(tǒng)＝160°時(shí)，雖然NO_x排放明顯降低，但由于部分燃料噴入到活塞頂部的擠氣面上，所以碳煙排放增加。隨著負(fù)荷的增加，噴射量增多，更多燃料被噴入到活塞頂，從而使大負(fù)荷時(shí)排煙嚴(yán)重。

 

圖1 噴注與燃燒室空間位置匹配示意圖

圖2 噴射夾角對NOX和煙度排放的影響曲線圖

 

 

2、噴孔直徑和噴孔數(shù)的影響

 

對一定的噴射壓力和噴孔數(shù)，噴孔直徑的變化直接影響噴油器的總噴射面積。當(dāng)噴孔直徑減小時(shí)，油束的射程（或稱為貫穿距離）變長，噴霧錐角變小，霧化不良，油束著壁傾向增多，因此如圖3、圖4所示，對一定的NO_x排放（相同燃燒條件下），碳煙排放明顯增加，經(jīng)濟(jì)性也會(huì)惡化。若噴孔直徑過大（如φ＝0.30mm），則在噴射量較少的小負(fù)荷區(qū)，噴霧質(zhì)量差，所以煙度排放和經(jīng)濟(jì)性惡化，隨著噴射量的增加，煙度排放有所改善，但大負(fù)荷時(shí)，單位時(shí)間噴射量增多，霧化不良，所以NO_x和煙度排放都增加。當(dāng)噴孔直徑為φ＝0.28mm時(shí)，噴霧與燃燒室空間匹配最佳，所以煙度排放最低，油耗也降低，但NO_x排放量有所增加。說明噴霧特性與燃燒室內(nèi)氣流狀態(tài)存在最佳的匹配。

 

圖3 噴孔對NOX和煙度排放的影響曲線圖

圖4 噴孔直接的影響曲線圖

 

 

噴孔數(shù)主要影響噴注與燃燒室空間的匹配問題，而燃燒室內(nèi)的渦流強(qiáng)度直接影響多孔噴注之間的相互干涉現(xiàn)象。如果噴孔數(shù)過少，則燃燒室內(nèi)空氣的利用效率低；反之，如果噴孔數(shù)過多，或燃燒室內(nèi)的渦流強(qiáng)度過強(qiáng)，則有可能造成噴注之間相互干涉，反而影響混合氣的形成。所以，不同柴油發(fā)電機(jī)對應(yīng)一定的總噴射面積都存在著最佳的噴孔數(shù)及其燃燒室空間的布置形式，而且對應(yīng)噴孔數(shù)的布置，都存在著最佳的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度（用進(jìn)氣渦流比S_R表示），如圖5所示。隨著電控高壓噴射技術(shù)的發(fā)展，在混合氣形成過程中對進(jìn)氣渦流的要求逐漸降低。所以，在進(jìn)氣道設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)減小進(jìn)氣渦流比或不采用螺旋進(jìn)氣道，由此減小進(jìn)氣阻力，提高充氣效率。

 

圖5 進(jìn)氣渦流比SR對柴油發(fā)電機(jī)性能的影響

 

 

在確定噴孔直徑時(shí)，一般考慮其最大噴射面積，而噴孔數(shù)是根據(jù)燃燒室空間的大小來確定的。當(dāng)一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)最大循環(huán)噴射量為V_b（mm³/循環(huán)）時(shí)，可按式（公式1）初步確定噴油器的最大噴射面積A_n（m㎡），即

                         (公式1)

 

 

 

式中，V_b為最大循環(huán)噴射量（mm³/循環(huán)）；n為柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；μ為噴油器的流量系數(shù)，一般噴油器為μ＝0.6～0.7，對液力研磨的噴油器為μ＝0.7～0.85；ΔФ_j為噴油持續(xù)曲軸轉(zhuǎn)角（°）；ω_j為噴孔處噴油平均流速（m/s）。

A_n確定后，設(shè)噴油器的孔數(shù)為i，則噴孔直徑d_n（mm）可以由式（公式2）計(jì)算確定，即

                           (公式2)

 

 

 

 

 

另一方面，為了表示在一定的噴射壓力下，噴注與燃燒室空間的匹配情況，定義噴油器的面容比δ（m㎡/L）為

                             (公式3)

 

 

 

 

式中，A_n為噴油器噴孔總面積（m㎡）；V。為燃燒室容積（L）。

當(dāng)δ值過小時(shí)，表明噴注沒有有效地利用燃燒室空間；反之，δ值過大，說明相對噴注燃燒室空間過小。面容比δ小，表示對一定的噴霧特性，燃燒室空間的空氣利用率高，所以NO_x排放量高，燃油消耗率降低；隨著面容比δ的增加，相對一定的燃燒室容積，噴射的燃料量增多，熱效率降低，CO和HC排放隨之增加。所以，對一定的燃燒室都存在著最佳的噴油器的面容比。

 

3、噴油器結(jié)構(gòu)的影響

 

一般孔式噴油器針閥落座后，針閥尖端與針閥體之間有一個(gè)容積，稱此容積為噴油器的壓力室容積。當(dāng)噴油結(jié)束后，在壓力室中蓄有少量的燃油仍會(huì)進(jìn)入燃燒室。因這部分燃油是在壓力較低的情況下進(jìn)入氣缸的，所以霧化條件差，造成熱效率降低，而且煙度和HC排放增加。為了改善排放特性，一般采用小壓力室（壓力室容積小于1mm³）或無壓力室（VCO）噴油器（圖6）。

無壓力室噴油器在HC排放方面優(yōu)于有壓力室的噴油器，但是由于其噴孔直接開在密封錐面上，所以當(dāng)針閥升程很小時(shí)，因液流劇烈的轉(zhuǎn)向及節(jié)流效應(yīng)，反而會(huì)出現(xiàn)各噴孔的貫穿距離不均的現(xiàn)象，從而影響柴油發(fā)電機(jī)的性能，而且對加工精度要求很高。因此，在發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)上多采用小壓力室噴油器結(jié)構(gòu)。

另一方面，對一定的噴孔面積，當(dāng)噴孔長度（噴油器壁面厚度）不同時(shí)，貫穿距離就不一樣，霧化效果也不同。噴孔越長，貫穿距離越長，霧化質(zhì)量越差。所以，為了控制貫穿距離，改善霧化質(zhì)量，也有一些噴油器將噴孔外側(cè)加工成圓柱形或錐形，使噴孔直徑階梯變化（圖7），由此調(diào)整噴霧特性使之與燃燒室更好地匹配，達(dá)到既節(jié)能又降低排放的目的。

 

圖6 噴逾期壓力室容積對HC排放的影響

圖7 階梯形噴孔形狀

 

 

4、噴射壓力（軌壓）的影響

 

對高壓共軌噴射系統(tǒng)，噴油器的噴射壓力取決于共軌的油壓。對一定的噴射量，軌壓越大，噴射速率越高，噴射持續(xù)時(shí)間越短，而且噴霧質(zhì)量也可以得到改善，所以燃燒初期放熱速率高，放熱率峰值明顯增加，使缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力增大。從柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性角度分析，對一定工況，并非軌壓越高經(jīng)濟(jì)性就越好。如某輕型發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)在3000r/min、80％負(fù)荷的工況下，軌壓低于100MPa的區(qū)域，隨著軌壓的增加，燃油消耗率和煙度明顯下降。當(dāng)軌壓達(dá)到100MPa以后煙度基本等于零，但燃油消耗率基本保持不變（圖8）。從排放性能角度分析，隨著軌壓的增加，燃燒放熱速率加快，最高燃燒溫度升高，而且促進(jìn)擴(kuò)散燃燒過程，所以NO_x排放量隨軌壓呈線性增加，而CO和HC排放量減小。

 

圖8 軌壓Prail對柴油發(fā)電機(jī)性能的影響曲線圖

 

圖9所示為不同轉(zhuǎn)速下軌壓對柴油發(fā)電機(jī)性能的影響，由此可以看出，在高速下提高軌壓對降低柴油發(fā)電機(jī)燃料消耗率和CO排放效果更明顯，相應(yīng)地NO_x排放量的增加速度也快。但高速時(shí)，由于燃?xì)庠诟邷叵聹舻臅r(shí)間較短，所以NO_x排放量水平普遍較低。因此，提高軌壓是改善高速經(jīng)濟(jì)性和排放特性的重要措施。對泵噴嘴或單體泵等噴射系統(tǒng)，噴油器的噴射壓力取決于噴油泵的供油速率，隨著柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，噴射壓力提高。

 

圖9 不同轉(zhuǎn)速下軌壓Prai對柴油發(fā)電機(jī)性能的影響曲線圖

 

 

5、噴射時(shí)刻的影響

 

對縮口型直噴式燃燒室存在噴霧相對燃燒室空間的最佳噴射位置，該位置直接影響氣缸內(nèi)混合氣的形成和燃燒過程。不同工況下的最佳噴射位置由噴油時(shí)刻來控制。圖10、圖11所示為發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)，分別采用噴射壓力為24MPa的機(jī)械式噴射系統(tǒng)和最高噴射壓力為145MPa的電控高壓共軌噴射系統(tǒng)時(shí)，噴射時(shí)刻（或供油時(shí)刻）對柴油發(fā)電機(jī)性能的影響。傳統(tǒng)的直噴式柴油發(fā)電機(jī)的靜態(tài)供油提前角θ_gt一般設(shè)定為11°～35°（CA），與此相比較，采用如前所述的縮口型直噴式燃燒室以后，可明顯地推遲噴射時(shí)期，由此在經(jīng)濟(jì)性保持基本不變的前提下，有效地抑制柴油發(fā)電機(jī)預(yù)混合燃燒期內(nèi)混合氣的形成量，從而有效抑制NO_x的生成。而且通過燃燒室內(nèi)一定的氣流強(qiáng)度保持性，促進(jìn)擴(kuò)散燃燒，因此也可有效地控制CO和HC排放量。

 

圖10 機(jī)械噴射時(shí)刻對柴油發(fā)電機(jī)性能的影響

圖11 高壓共軌噴射時(shí)刻對柴油發(fā)電機(jī)性能的影響

 

對這種燃燒室，不管柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速如何變化，相對燃燒室所要求的最佳噴射位置是一定的。因此，從低速到高速整個(gè)使用轉(zhuǎn)速變化范圍（800～3800r/min）內(nèi)，噴油提前角的變化范圍較小，只有6°～14°（CA）（圖10）。因此，相對傳統(tǒng)的直噴式燃燒室，這種燃燒室在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可有效地降低排放。所以，稱這種燃燒室為縮口型低排放直噴式燃燒室。當(dāng)采用高壓共軌噴射系統(tǒng)后，通過噴射壓力和噴射時(shí)刻的優(yōu)化匹配，在經(jīng)濟(jì)性基本保持不變或變化不大的前提下，可大幅度地降低NO_x、HC和CO排放量（圖11），以適應(yīng)越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)。

 

 

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