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柴油發(fā)電機噴霧特性與燃燒室內氣流特性的匹配 |
摘要:對縮口型低排放直噴式燃燒室來(lái)說(shuō),噴注與燃燒室形狀的匹配對柴油發(fā)電機的性能影響很大。為了保證燃燒室內有一定強度的壓縮滾流,在活塞頂部必須留有一定的擠氣面積。在壓縮過(guò)程中壓縮滾流主要集中在燃燒室凹坑內產(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的恰當位置,才能有效地利用燃燒室內的氣流特性。
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(xiàn)),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)預混合燃燒過(guò)程,使得壓力升高率增加,NOx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所示為在一臺缸徑為133mm、排量為12L的大型發(fā)電用柴油發(fā)電機的最大轉矩轉速(1200r/min)的負荷特性(最大噴射量相同)上,不同噴射夾角y對NOx和煙度(波許)排放的影響。當噴射夾角為y=152°時(shí),噴注更接近燃燒室氣流中心,所以NOx明顯增加,碳煙排放卻很小,而且中小負荷區煙度基本上為零。當噴射夾角增加到y=160°時(shí),雖然NOx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(zhù)負荷的增加,噴射量增多,更多燃料被噴入到活塞頂,從而使大負荷時(shí)排煙嚴重。
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(xiàn)圖 |
2、噴孔直徑和噴孔數的影響
對一定的噴射壓力和噴孔數,噴孔直徑的變化直接影響噴油器的總噴射面積。當噴孔直徑減小時(shí),油束的射程(或稱(chēng)為貫穿距離)變長(cháng),噴霧錐角變小,霧化不良,油束著(zhù)壁傾向增多,因此如圖3、圖4所示,對一定的NOx排放(相同燃燒條件下),碳煙排放明顯增加,經(jīng)濟性也會(huì )惡化。若噴孔直徑過(guò)大(如φ=0.30mm),則在噴射量較少的小負荷區,噴霧質(zhì)量差,所以煙度排放和經(jīng)濟性惡化,隨著(zhù)噴射量的增加,煙度排放有所改善,但大負荷時(shí),單位時(shí)間噴射量增多,霧化不良,所以NOx和煙度排放都增加。當噴孔直徑為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NOx排放量有所增加。說(shuō)明噴霧特性與燃燒室內氣流狀態(tài)存在最佳的匹配。
圖3 噴孔對NOX和煙度排放的影響曲線(xiàn)圖 |
圖4 噴孔直接的影響曲線(xiàn)圖 |
噴孔數主要影響噴注與燃燒室空間的匹配問(wèn)題,而燃燒室內的渦流強度直接影響多孔噴注之間的相互干涉現象。如果噴孔數過(guò)少,則燃燒室內空氣的利用效率低;反之,如果噴孔數過(guò)多,或燃燒室內的渦流強度過(guò)強,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)電機對應一定的總噴射面積都存在著(zhù)最佳的噴孔數及其燃燒室空間的布置形式,而且對應噴孔數的布置,都存在著(zhù)最佳的進(jìn)氣渦流強度(用進(jìn)氣渦流比SR表示),如圖5所示。隨著(zhù)電控高壓噴射技術(shù)的發(fā)展,在混合氣形成過(guò)程中對進(jìn)氣渦流的要求逐漸降低。所以,在進(jìn)氣道設計時(shí)可以適當減小進(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,而噴孔數是根據燃燒室空間的大小來(lái)確定的。當一臺柴油發(fā)電機最大循環(huán)噴射量為Vb(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An(m㎡),即
(公式1)
式中,Vb為最大循環(huán)噴射量(mm3/循環(huán));n為柴油發(fā)電機轉速(r/min);μ為噴油器的流量系數,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;ΔФj為噴油持續曲軸轉角(°);ωj為噴孔處噴油平均流速(m/s)。
An確定后,設噴油器的孔數為i,則噴孔直徑dn(mm)可以由式(公式2)計算確定,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,An為噴油器噴孔總面積(m㎡);V。為燃燒室容積(L)。
當δ值過(guò)小時(shí),表明噴注沒(méi)有有效地利用燃燒室空間;反之,δ值過(guò)大,說(shuō)明相對噴注燃燒室空間過(guò)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NOx排放量高,燃油消耗率降低;隨著(zhù)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(zhù)最佳的噴油器的面容比。
3、噴油器結構的影響
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(chēng)此容積為噴油器的壓力室容積。當噴油結束后,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(wú)壓力室(VCO)噴油器(圖6)。
無(wú)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(kāi)在密封錐面上,所以當針閥升程很小時(shí),因液流劇烈的轉向及節流效應,反而會(huì )出現各噴孔的貫穿距離不均的現象,從而影響柴油發(fā)電機的性能,而且對加工精度要求很高。因此,在發(fā)電用柴油發(fā)電機上多采用小壓力室噴油器結構。
另一方面,對一定的噴孔面積,當噴孔長(cháng)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(cháng),貫穿距離越長(cháng),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加工成圓柱形或錐形,使噴孔直徑階梯變化(圖7),由此調整噴霧特性使之與燃燒室更好地匹配,達到既節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,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,使缸內最高爆發(fā)壓力增大。從柴油發(fā)電機經(jīng)濟性角度分析,對一定工況,并非軌壓越高經(jīng)濟性就越好。如某輕型發(fā)電用柴油發(fā)電機在3000r/min、80%負荷的工況下,軌壓低于100MPa的區域,隨著(zhù)軌壓的增加,燃油消耗率和煙度明顯下降。當軌壓達到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(zhù)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)擴散燃燒過(guò)程,所以NOx排放量隨軌壓呈線(xiàn)性增加,而CO和HC排放量減小。
圖8 軌壓Prail對柴油發(fā)電機性能的影響曲線(xiàn)圖 |
圖9所示為不同轉速下軌壓對柴油發(fā)電機性能的影響,由此可以看出,在高速下提高軌壓對降低柴油發(fā)電機燃料消耗率和CO排放效果更明顯,相應地NOx排放量的增加速度也快。但高速時(shí),由于燃氣在高溫下滯留的時(shí)間較短,所以NOx排放量水平普遍較低。因此,提高軌壓是改善高速經(jīng)濟性和排放特性的重要措施。對泵噴嘴或單體泵等噴射系統,噴油器的噴射壓力取決于噴油泵的供油速率,隨著(zhù)柴油發(fā)電機轉速的增加,噴射壓力提高。
圖9 不同轉速下軌壓Prai對柴油發(fā)電機性能的影響曲線(xiàn)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混合氣的形成和燃燒過(guò)程。不同工況下的最佳噴射位置由噴油時(shí)刻來(lái)控制。圖10、圖11所示為發(fā)電用柴油發(fā)電機,分別采用噴射壓力為24MPa的機械式噴射系統和最高噴射壓力為145MPa的電控高壓共軌噴射系統時(shí),噴射時(shí)刻(或供油時(shí)刻)對柴油發(fā)電機性能的影響。傳統的直噴式柴油發(fā)電機的靜態(tài)供油提前角θgt一般設定為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)濟性保持基本不變的前提下,有效地抑制柴油發(fā)電機預混合燃燒期內混合氣的形成量,從而有效抑制NOx的生成。而且通過(guò)燃燒室內一定的氣流強度保持性,促進(jìn)擴散燃燒,因此也可有效地控制CO和HC排放量。
圖10 機械噴射時(shí)刻對柴油發(fā)電機性能的影響 |
圖11 高壓共軌噴射時(shí)刻對柴油發(fā)電機性能的影響 |
對這種燃燒室,不管柴油發(fā)電機轉速如何變化,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)使用轉速變化范圍(800~3800r/min)內,噴油提前角的變化范圍較小,只有6°~14°(CA)(圖10)。因此,相對傳統的直噴式燃燒室,這種燃燒室在整個(gè)轉速范圍內可有效地降低排放。所以,稱(chēng)這種燃燒室為縮口型低排放直噴式燃燒室。當采用高壓共軌噴射系統后,通過(guò)噴射壓力和噴射時(shí)刻的優(yōu)化匹配,在經(jīng)濟性基本保持不變或變化不大的前提下,可大幅度地降低NOx、HC和CO排放量(圖11),以適應越來(lái)越嚴格的排放法規。
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