80 MPa汽油高壓噴射用于不同燃燒過(guò)程的試驗(yàn)研究

1 初始狀況

近年來(lái)，已對(duì)直噴式汽油機(jī)在均質(zhì)和分層燃燒運(yùn)行中所產(chǎn)生的顆粒物(PM)排放開(kāi)展了許多試驗(yàn)研究工作。隨著全新行駛循環(huán)的實(shí)施和廢氣排放限值的日趨嚴(yán)格，以及新增的顆粒數(shù)(PN)排放限值要求，實(shí)現(xiàn)低PM排放燃燒的舉措愈加緊迫。提高噴油壓力以改善混合氣準(zhǔn)備過(guò)程是其中的1項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。雖然已針對(duì)噴油壓力提高到50 MPa的目標(biāo)進(jìn)行了許多試驗(yàn)研究工作[1-10]，但是其中僅有為數(shù)不多的研究工作對(duì)超高噴油壓力的(50～100 MPa)汽油噴射進(jìn)行過(guò)相關(guān)試驗(yàn)研究。本試驗(yàn)研究項(xiàng)目也對(duì)該目標(biāo)作出了相關(guān)貢獻(xiàn)，并指出了其與燃燒過(guò)程無(wú)關(guān)且能進(jìn)一步提高噴油壓力的潛力。

2 試驗(yàn)設(shè)備配置

常規(guī)汽油高壓噴油器的噴油嘴針閥直接由電磁線圈操縱，因此在噴油器控制方面如不進(jìn)行大幅調(diào)整是無(wú)法采用超高噴油壓力的，而且由于其結(jié)構(gòu)型式比柴油機(jī)噴油器更為緊湊，使其機(jī)械強(qiáng)度受到限制。而在柴油機(jī)噴油器中并非直接由電磁線圈而是通過(guò)液力轉(zhuǎn)換來(lái)控制總針閥開(kāi)啟，電磁力僅用于打開(kāi)通往控制室的入口，而控制室將燃油壓力施加在針閥上，在開(kāi)啟時(shí)較高的燃油壓力也對(duì)針閥起到推動(dòng)作用。在本試驗(yàn)研究項(xiàng)目中應(yīng)用了Bosch公司的CRI2型柴油機(jī)噴油器。

這種噴油器配備了專門(mén)開(kāi)發(fā)的噴油嘴，其根據(jù)噴束霧化和混合特性的計(jì)算流體力學(xué)(3D-CFD)模擬研究設(shè)計(jì)而成，適用于均質(zhì)燃燒過(guò)程和噴束導(dǎo)向型分層燃燒過(guò)程。設(shè)計(jì)時(shí)遵循均質(zhì)燃燒過(guò)程基于下止點(diǎn)時(shí)的壁面潤(rùn)濕和混合氣均質(zhì)化過(guò)程，噴束導(dǎo)向型分層燃燒過(guò)程則是通過(guò)上止點(diǎn)時(shí)的壁面潤(rùn)濕和混合氣的分層(易燃性)而得以實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)其燃燒過(guò)程分別進(jìn)行過(guò)2次優(yōu)化的噴油嘴(第1代)設(shè)計(jì)了1種適用于2類燃燒過(guò)程的折中方案(第2代)，同樣也對(duì)原有的第1代噴油嘴進(jìn)行了制造和試驗(yàn)研究，但是噴油嘴噴孔的幾何形狀和尺寸尚未得以完全優(yōu)化(表1)。

表1 高壓噴油器及其噴油嘴特性數(shù)據(jù)

借助于激光打孔技術(shù)在噴油嘴坯料上打出第2代噴油嘴的噴孔幾何形狀和尺寸。在正常的柴油噴射應(yīng)用情況下，由于噴油嘴坯料的壁面較厚，因而如不作進(jìn)一步的修改，噴油嘴噴孔的長(zhǎng)度與直徑之比(L/d)對(duì)噴束霧化會(huì)造成負(fù)面影響，因此用硬質(zhì)合金刀具切削以減小坯料的壁厚并附帶加工出臺(tái)階孔，這種臺(tái)階孔可有效減小噴孔長(zhǎng)度，從而降低噴孔的L/d。在加工過(guò)程終了時(shí)，采取液力侵蝕孔口倒圓工藝來(lái)提高流量，以便減小穴蝕傾向，從而降低噴油嘴損壞的風(fēng)險(xiǎn)。圖1(a)中示出了減小噴孔L/d的措施，并在圖1(b)中示出了噴射油束圖形。噴射油束圖形包含有2個(gè)靠近火花塞的噴束(深色噴束)，在分層充氣的情況下，將混合氣輸送到火花塞附近，而其余噴束(淺色噴束)則通過(guò)燃油填充剩余的燃燒室空間。表1中歸納了所采用的噴油器的技術(shù)數(shù)據(jù)。

圖1 具有臺(tái)階孔和減小壁厚的噴油嘴剖面圖和研究噴射油束側(cè)視圖

所應(yīng)用的單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)匯總于表2，其活塞和燃燒室的幾何形狀以量產(chǎn)轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，其排量為0.463 L，配備了特制的氣缸蓋，能將高壓噴油器集成在2個(gè)排氣門(mén)的中間位置。

表2 單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

圖2示出了試驗(yàn)臺(tái)布置示意圖。燃油系統(tǒng)可分為低壓循環(huán)回路和高壓循環(huán)回路，常規(guī)的前置輸油泵將燃油通過(guò)濾清器和流量計(jì)輸送到高壓燃油泵進(jìn)口，高壓燃油泵再將燃油增壓，壓力調(diào)節(jié)器在燃油共軌前將其調(diào)節(jié)到所期望的噴油壓力，這樣就能使噴油壓力高達(dá)80 MPa。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)布置示意圖

3 均質(zhì)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)新開(kāi)發(fā)的配備第2代噴油嘴的高壓(HP)噴油系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果和第1代噴油嘴(噴油壓力80 MPa)與傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)由噴油壓力高達(dá)20 MPa的量產(chǎn)汽油噴油器組成，其噴射圖形與第2代噴油嘴相比具有較好的特性。3種噴油系統(tǒng)采用的噴油始點(diǎn)都已通過(guò)前期試驗(yàn)而針對(duì)PM排放進(jìn)行過(guò)優(yōu)化，高壓噴油器為470°CA，傳統(tǒng)噴油器為430°CA。傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)較早的噴油始點(diǎn)是由于噴油壓力較低而使噴油持續(xù)期延長(zhǎng)所引起的。

圖3示出了3種噴油系統(tǒng)在2 000 r/min的恒定轉(zhuǎn)速時(shí)基于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化的試驗(yàn)結(jié)果，值得注意的是，所有的噴油系統(tǒng)從0.3 MPa的平均指示壓力(pmi)起都達(dá)到了穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)(燃燒穩(wěn)定性σ(pmi)<3%)，僅第1代噴油嘴高壓噴油系統(tǒng)在pmi為0.2 MPa時(shí)明顯超出了這一標(biāo)準(zhǔn)，這種噴油器因其穩(wěn)態(tài)流量較大(表1)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)重復(fù)噴射較小的噴油量。

就碳?xì)?HC)排放和指示燃油耗(bi)而言，使用第2代噴油嘴高壓噴油系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。改善噴束霧化與優(yōu)化噴射油束圖形相結(jié)合能有效減少壁面潤(rùn)濕，因此能使更多燃油參與燃燒，這也從較長(zhǎng)的燃燒持續(xù)期中得以體現(xiàn)。

圖3 使用傳統(tǒng)噴油器(20 MPa)和2種不同噴油嘴高壓噴油器(80 MPa)均質(zhì)運(yùn)行時(shí)在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化的比較

由于測(cè)量誤差，傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)的氮氧化物(NOx)原始排放數(shù)據(jù)難以令人信服，因而無(wú)法直接進(jìn)行比較。在使用高壓噴油系統(tǒng)時(shí)，由于燃燒過(guò)程得以強(qiáng)化，而熱NOx的形成會(huì)相應(yīng)增多。在比較2種高壓噴油系統(tǒng)時(shí)，觀察到使用第2代噴油嘴會(huì)導(dǎo)致NOx排放降低，預(yù)計(jì)第2代噴油嘴的噴射油束圖形會(huì)加強(qiáng)滾流充量運(yùn)動(dòng)，因此氣缸峰值溫度將會(huì)有所降低并阻礙NOx的形成。

4 分層運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

圖4示出了3種噴油系統(tǒng)在分層混合氣工況下運(yùn)行時(shí)于2 000 r/min的恒定轉(zhuǎn)速下負(fù)荷變化的試驗(yàn)結(jié)果比較。在pmi為0.2 MPa的最小負(fù)荷時(shí)，尚無(wú)某種噴油系統(tǒng)能使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行(即圖中燃燒穩(wěn)定性σ(pmi)>3%)的狀態(tài)，其原因是由于噴油量較小，使得燃燒過(guò)程總體上過(guò)于稀薄。無(wú)論是噴油量還是噴束動(dòng)量都過(guò)小，無(wú)法在火花塞附近準(zhǔn)備好足夠濃的混合氣，因而無(wú)法獲得穩(wěn)定的可燃性。與傳統(tǒng)的噴油系統(tǒng)相比，高壓噴油器即使在pmi為0.3 MPa的負(fù)荷工況下也無(wú)法確保穩(wěn)定的燃燒過(guò)程。在這種高壓噴射的情況下，改善噴束霧化的效果難以補(bǔ)償混合氣形成時(shí)間過(guò)短造成的影響。

圖4 使用傳統(tǒng)噴油器(20 MPa)和2種不同噴油嘴高壓噴油器(80 MPa)分層運(yùn)行時(shí)2 000 r/min轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化的比較

與燃燒穩(wěn)定性不同，使用第2代噴油嘴高壓噴油系統(tǒng)時(shí)廢氣排放和燃油耗的狀況都得到了相應(yīng)改善。在所有的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)負(fù)荷時(shí)會(huì)有更多燃油參與燃燒，這體現(xiàn)在燃油耗的改善方面。噴油嘴幾何形狀和尺寸的修改與提高噴油壓力相結(jié)合使得燃油能更快地實(shí)現(xiàn)氣化，從而在火花塞周?chē)@得了濃度較高的混合氣。若將高壓噴油系統(tǒng)的2種噴油嘴直接進(jìn)行比較的話，則噴油嘴噴孔L/d減小可使HC排放降低。在沒(méi)有優(yōu)化的第一代噴油嘴下可觀察到噴束霧化不充分，導(dǎo)致噴束貫穿深度增大，其結(jié)果是活塞潤(rùn)濕的風(fēng)險(xiǎn)增大，導(dǎo)致HC排放增加，這種不良后果可通過(guò)使用第2代噴油嘴進(jìn)行優(yōu)化。

第2代噴油嘴高壓噴油系統(tǒng)表現(xiàn)出最佳的NOx排放值。提高噴油壓力與改善噴束霧化相互配合就能在火花塞周?chē)@得最合理的混合氣分層，從而降低了氣缸溫度，并緩解了NOx的形成。

在分層運(yùn)行時(shí)，通過(guò)使用這種高壓噴油系統(tǒng)同樣能改善PN排放。雖然從原理上來(lái)講其為擴(kuò)散燃燒，PN排放總體水平始終相對(duì)較高，可在較高負(fù)荷時(shí)降低PN排放。

5 結(jié)論

介紹了1種由柴油機(jī)噴油器和新開(kāi)發(fā)的噴油嘴組成的汽油高壓噴射系統(tǒng)，這種噴油嘴的噴油壓力高達(dá)80 MPa，并借助于3D-CFD模擬對(duì)這種噴油嘴的噴射油束圖形進(jìn)行了優(yōu)化，從而在混合氣分層與減少壁面潤(rùn)濕之間獲得了最佳的折中，此外這種噴油嘴噴孔L/d被調(diào)整到汽油噴油器的常規(guī)值，從而確保了噴束的快速霧化。

高壓噴油系統(tǒng)在單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)均質(zhì)和分層燃燒2類運(yùn)行方式都進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，提高噴油壓力能明顯地改善PN排放而不會(huì)使其他氣態(tài)排放值得以惡化。與具有相同噴射油束圖形的傳統(tǒng)汽油噴油器相比，高壓噴油系統(tǒng)對(duì)于這2類燃燒過(guò)程在降低原始排放和燃油耗方面具有一定的技術(shù)潛力。試驗(yàn)結(jié)果表明，噴油嘴幾何形狀和尺寸的優(yōu)化對(duì)于提高噴油壓力具有決定性的意義。