柴油发电机喷雾特征与燃烧室内气流特性

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。在压缩流程中压缩滚流具体集中在燃烧室凹坑内发生，而在活塞顶部的挤气面上空气却不足，气流较弱。因此，喷油器在不一样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。

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过高的位置（图6-45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功用下，更多的燃料直接空间雾化并混合燃烧，促进预混合燃烧步骤，使得压力升高率增加，NOx排放量增多。故而，相对燃烧室空间存在较佳的喷射位置。

图2所示为在一台缸径为133mm、排量为12L的大型发电用柴油发电机的较大转矩速度（1200转/分钟）的负荷特性（较大喷射量相同）上，不一样喷射夹角y对NOx和烟度（波许）排放的危害。当喷射夹角为y＝152°时，喷注更接近燃烧室气流中心，故而NOx明显增加，碳烟排放却很小，而且中小负荷区烟度基础上为零。当喷射夹角增加到y＝160°时，虽然NOx排放明显减小，但由于部分燃料喷入到活塞顶部的挤气面上，于是碳烟排放增加。随着负载的增加，喷射量增多，更多燃料被喷入到活塞顶，从而使大负荷时排气严重。

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，经济性也会恶化柴油发电机维修厂家。若喷孔直径过度（如φ＝0.30mm），则在喷射量较少的小负荷区发电机十大品牌，喷雾质量差，于是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，雾化不佳，故而NOx和烟度排放都增加。当喷孔直径为φ＝0.28mm时，喷雾与燃烧室空间匹配较佳，故而烟度排放较低，油耗也减少，但NOx排放量有所增加。说明喷雾特点与燃烧室内气流状态存在较佳的匹配。

喷孔数详细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状。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，不一样柴油发电机对应一定的总喷射面积都存在着较佳的喷孔数及其燃烧室空间的部署形式，而且对应喷孔数的部署，都存在着较佳的进气涡流强度（用进气涡流比S

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减轻。故而，在进气道布置时可以适当减轻进气涡流比或不采用螺旋进气道，由此降低进气阻力，提升充气效率。

（m㎡），即                         (公式1) 

/循环）；n为柴油发电机转速（转/分钟）；μ为喷油器的流量系数，通常喷油嘴为μ＝0.6～0.7，对液力研磨的喷油器为μ＝0.7～0.85；ΔФ

为喷油连续曲轴转角（°）；ωj为喷孔处喷油平均流速（m/s）。An确定后，设喷油嘴的孔数为i，则喷孔直径dn（mm）可以由式（公式2）计算确定，即

                           (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状况，定义喷油器的面容比δ（m㎡/L）为

                             (公式3)

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值过度，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点，燃烧室空间的空气利用率高，故而NOx排放量高，燃油消耗率减轻；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，热效率减少，CO和HC排放随之增加。于是，对一定的燃烧室都存在着较佳的喷油嘴的面容比。

一般孔式喷油嘴针阀落座后，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形下进入气缸的，于是雾化因素差，造成热效率减轻，而且烟度和HC排放增加。为了改良排放特征，通常采用小压力室（压力室容积小于1mm3）或无压力室（VCO）喷油器（图6）。

无压力室喷油嘴在HC排放方面优于有压力室的喷油器，但是因为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，反而会产生各喷孔的贯穿距离不均的状况，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嘴结构。另一方面，对一定的喷孔面积，当喷孔长度（喷油嘴壁面厚度）不同时，贯穿距离就不一样，雾化效果也不一样。喷孔越长，贯穿距离越长，雾化质量越差。于是，为了控制贯穿距离，改进雾化品质，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，达到既节能又减小排放的目的。

对高压共轨喷射装置，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，故而燃烧初期放热速率高，放热率峰值明显增加，使缸内较高爆发压力增大。从柴油发电机经济性角度解析，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转/分钟、80％负荷的工况下，轨压低于100MPa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100MPa以后烟度基本等于零，但燃油消耗率基本保持不变（图8）。从排放性能角度剖析，随着轨压的增加柴油发电机型号及规格，燃烧放热速率加快，较高燃烧温度升高，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排放量降低。

对泵喷嘴或单体泵等喷射装置，喷油嘴的喷射压力取决于燃油泵的供油速率，随着柴油发电机速度的增加，喷射压力提高。 

对缩口型直喷式燃烧室存在喷雾相对燃烧室空间的较佳喷射位置，该位置直接影响汽缸内混合气的形成和燃烧过程。不一样工况下的较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24MPa的机械式喷射系统和较高喷射压力为145MPa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

通常设定为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，从而高效抑制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，不管柴油发电机速度怎么样变化，相对燃烧室所要求的较佳喷射位置是一定的。因此，从低速到高速整个使用速度变化范围（800～3800转/分钟）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，可大幅度地减小NO