柴油機噴油器積碳對燃燒影響的研究

王憲成， 張永峰， 趙文柱， 楊紹卿

(陸軍裝甲兵學院車輛工程系， 北京 100072)

燃料供給系是柴油機最為重要的部件之一，噴油器是燃料供給系統的終端，是影響柴油機燃燒特性的關鍵部件[1]。柴油機在使用過程中，由于工作環境惡劣，噴油器噴孔內部的殘余燃料在高溫高壓下形成薄油膜，極易發生裂化反應生成積碳[2-3]。噴孔積碳會使噴油器流量損失增大、噴霧質量下降等，進而影響燃燒，使柴油機性能劣化[4-6]。

裴毅強等[7-8]發現：當燃油噴射壓力分別為4、8、12 MPa時，積碳噴油器噴孔流量損失增大，各孔噴霧特征參數的一致性變差，噴霧落點的形態變化增大，且呈不對稱分布；積碳噴油器尾噴起始時刻滯后，尾噴持續期縮短，且尾噴油束的貫穿距和速度減小。韓欣[9]發現：隨著噴油壓力增大，積碳噴油器噴霧錐角的變化幅度較小。趙文柱等[10-13]通過電子顯微鏡發現，當積碳噴油器經400 h耐久性試驗后，噴孔長度和內部粗糙度增大；通過單缸柴油機試驗發現，噴油器噴孔積碳使缸內燃燒劣化，柴油機性能下降。目前，對噴油器的積碳研究主要集中在噴油器積碳對噴油的影響，而未進一步研究噴油器積碳后對燃燒的影響。

鑒于此，筆者基于某型裝甲車輛柴油機，采用試驗與仿真相結合的方法，對干凈、積碳噴油器分別進行噴油試驗和噴霧試驗，獲取燃燒仿真模型的邊界條件，并基于converge軟件建立柴油機噴霧燃燒模型，分析了噴油器積碳對燃空當量比、溫度場、缸壓和燃燒放熱率的影響。

1 噴油試驗和噴霧試驗

在大氣壓力101 kPa，環境溫度25 ℃的試驗條件下，分別進行噴油試驗和噴霧試驗，其試驗參數如表1所示，其中噴油量由噴油速率曲線由計算得出。試驗噴油器為某型裝甲車輛的零部件，噴孔直徑為0.35 mm，其積碳噴油器在保險期臺架工作400 h。圖1為積碳噴油器噴孔出口形貌，可以看出：積碳噴油器噴孔存在明顯積碳。

表1 試驗參數

1.1 噴油試驗

基于長管法，通過噴油泵試驗臺架(如圖2所示)測量噴油器的噴油壓力，得出噴油速率。

圖1 積碳噴油器噴孔出口形貌

圖2 噴油泵試驗臺架

試驗測取噴油器嘴端壓力，對壓力數據進行濾波、順滑處理，曲軸轉速1 400 r/min時干凈噴油器的噴油壓力變化曲線如圖3所示。可以看出：噴油壓力的峰值逐漸減小。

圖3 曲軸轉速1 400 r/min時干凈噴油器的噴油壓力變化曲線

根據圖3提取有效噴油壓力，噴油速率Q的計算分式為

(1)

式中：A為細長管截面積；u為燃料在管中的流速；a為聲速；ρ為燃油密度；p為噴油壓力。

曲軸轉速1 400、2 000 r/min時的噴油速率變化曲線分別如圖4所示。

圖4 噴油速率變化曲線

由圖4可以看出：與干凈噴油器相比，積碳噴油器的噴油速率峰值點提前了0.08 ms，其峰值在曲軸轉速1 400 r/min時降低了11.8 mg/ms，在曲軸轉速2 000 r/min時降低了12.1 mg/ms。

1.2 噴霧試驗

在噴油泵試驗臺架上，采用定容彈體，運用直拍法進行噴油器的噴霧試驗，噴霧試驗設備如圖5所示。定容彈體的背景壓力為2 MPa。試驗時，通過擋片使噴油器的7個噴孔沿擋片噴油，其中1個噴孔正常噴油，以獲得噴油器的噴霧圖像。

圖5 噴霧試驗設備

曲軸轉速為1 400、2 000 r/min時干凈、積碳噴油器的噴霧圖像分別如圖6、7所示。在噴油器的噴霧圖像中提取噴霧貫穿距和貫穿錐角，其變化曲線分別如圖8、9所示。

圖6 曲軸轉速1 400 r/min時噴油器噴霧圖像

圖7 曲軸轉速2 000 r/min時噴油器噴霧圖像

圖8 噴霧貫穿距變化曲線

圖9 噴霧貫穿錐角變化曲線

由圖8、9可以看出：

從突破北緯十七度到走進北緯十七度，廣東農墾的天然橡膠產業發展與國家“一帶一路”倡議高度契合。特別是在老撾、柬埔寨建立天然橡膠種植基地，為我國打通了東南亞農業資源開發的戰略通道，并為后續拓展老撾、柬埔寨、泰國糧油資源奠定基礎，具有重大的經濟、外交、國防戰略意義。

1) 噴霧貫穿距隨時間的延長而增大；而噴霧貫穿錐角在噴油初期較大，而隨時間的延長迅速減小至穩定值。

2) 與干凈噴油器相比，曲軸轉速1 400 r/min時積碳噴油器的噴霧貫穿距增大了22.4 mm，為干凈噴油器噴霧貫穿距的37%；曲軸轉速2 000 r/min時，增大了13.75 mm，為干凈噴油器噴霧貫穿距的21%。

2 模型的建立及驗證

2.1 噴霧燃燒模型

以缸內氣體流動的基本控制方程為基礎[14-18]，聯立KH-EACT破碎模型、NTC粒子碰撞模型、Frossling蒸發模型和RNGκ-ε湍流模型[19-22]，采用converge軟件，建立噴霧燃燒模型。缸內燃燒網格如圖10所示。柴油機主要技術參數如表2所示。

2.2 噴霧模型驗證

通過噴霧貫穿距對噴霧模型進行驗證，圖11為曲軸轉速1 400 r/min時干凈噴油器噴霧貫穿距對比圖，可以看出：試驗結果與仿真結果的最大誤差為3.2%，說明二者吻合較好，所建立的噴霧模型可靠。

圖10 缸內燃燒網格

參數數值燃燒室型式直噴淺ω型供油提前角/℃A28±0.5缸徑/mm150行程/mm180壓縮比13.5

圖11 曲軸轉速1 400 r/min時干凈噴油器噴霧貫穿距對比

3 仿真分析

將試驗中的噴油速率作為燃燒模型的邊界條件，在曲軸轉速為1 400、2 000 r/min時進行仿真。

3.1 缸內燃空當量比

2種曲軸轉速下的缸內燃空當量比如圖12、13所示，可以看出，干凈、積碳噴油器的燃空當量比隨曲軸轉角的增大均呈現先增大后減小的變化趨勢：

1) 當曲軸轉角<-6 ℃A時，與干凈噴油器相比，積碳噴油器的缸內燃空當量比較小。這是因為：當曲軸轉角相同時，與干凈噴油器相比，積碳噴油器的噴霧貫穿距較大，噴油初期的噴霧錐角油束截面積及燃料濃度較低。

2) 當曲軸轉角>-6 ℃A時，與干凈噴油器相比，積碳噴油器的缸內燃空當量比較大。這是因為：在燃油噴射的中后期，積碳噴油器的噴霧錐角較小，其霧化效果差，不利于形成可燃混合氣，燃燒遲緩，使得燃空當量比下降緩慢。

圖12 曲軸轉速1 400 r/min時缸內燃空當量比

圖13 曲軸轉速2 000 r/min時缸內燃空當量比

3.2 溫度場

不同曲軸轉速時溫度場如圖14、15所示，可以看出：

1) 當曲軸轉速相同時，不同噴油器的燃燒室溫度場變化過程相似，且燃燒室溫度變化的梯度一致(除曲軸轉速為2 000 r/min，曲軸轉角在-8 ℃A附近時)。

2) 與干凈噴油器相比，當曲軸轉速為1 400 r/min時，燃油起噴時的曲軸轉角相同，積碳噴油器的著火始點延遲，積碳噴油器的滯燃期延長；當曲軸轉速為2 000 r/min時，積碳噴油器起噴點的曲軸轉角提前了4 ℃A，著火始點的曲軸轉角提前了2 ℃A，滯燃期延長2 ℃A。這是因為：積碳噴油器的貫穿角在噴油中后期較小，燃油破碎、蒸發、與空氣混合形成可燃混合氣的速度慢，使滯燃期延長，預混合燃燒延遲。

3) 當曲軸轉速為1 400 r/min時，積碳噴油器的燃燒室底部先燃燒；在轉速為2 000 r/min時，積碳噴油器的燃燒室底部后燃燒。分析其原因為：在貫穿距大時，油束碰壁后的反射高度和速度較大；在貫穿錐角較大時，油束碰壁后的反射角較大，二者均有利于可燃混合氣的形成。由試驗可知，貫穿距和貫穿錐角成負相關,這表明:當曲軸轉速為1 400 r/min時，貫穿距差別對燃燒室底部燃燒的影響大于貫穿錐角差別；當曲軸轉速為2 000 r/min時，貫穿錐角差別對燃燒室底部燃燒的影響大于貫穿距影響。

圖14 曲軸轉速1 400 r/min時溫度場

圖15 曲軸轉速2 000 r/min時溫度場

3.3 燃燒放熱率

燃燒放熱率曲線如圖16所示，對燃燒放熱率進行積分計算，得到累積燃燒放熱率，并分析累積燃燒放熱率達到2%、50%時的相位值。

圖16 燃燒放熱率變化曲線

由圖16可以看出：

1) 當曲軸轉速相同時，2個噴油器的燃燒放熱率曲線形狀相同。

2) 與干凈噴油器相比，積碳噴油器的擴散燃燒速度慢，其燃燒放熱率峰值相位提前了0.1 ℃A。其中：(1)當曲軸轉速為1 400 r/min時，2種噴油器的累積燃燒放熱率達到2%時的相位值相同；與干凈噴油器相比，積碳噴油器累積燃燒放熱率達到50%時的相位值延后了0.5 ℃A，燃燒放熱率峰值降低了40.7 J/℃A，占干凈噴油器的8.7%;(2)當曲軸轉速為2 000 r/min時，與干凈噴油器相比，積碳噴油器累積燃燒放熱率達到2%時的相位值延后了0.1 ℃A，累積燃燒放熱率達到50%時的相位值延后了0.1 ℃A，燃燒放熱率峰值降低了10.2 J/℃A，占干凈噴油器的4.8%。

分析其原因為：積碳噴油器的噴霧貫穿錐角在中后期較小，破碎、蒸發、與空氣混合形成可燃混合氣的速度慢，燃油霧化質量差，形成的可燃混合氣質量少，使其燃燒放熱率減小。

3.4 缸內壓力

缸內壓為曲線如圖17所示。

圖17 缸內壓力變化曲線

由圖17可以看出：

1) 當曲軸轉速相同時，2種噴油器的缸內壓力變化曲線形狀相同。

2) 與干凈噴油器相比，當曲軸轉速為1 400 r/min時，積碳噴油器缸壓峰值降低了0.3 MPa，占干凈噴油器的3.2%，缸壓峰值相位角提前了0.6 ℃A；當曲軸轉速為2 000 r/min時，積碳噴油器缸壓峰值降低了0.2 MPa，占干凈噴油器的2.2%，缸壓峰值相位角提前了0.1 ℃A。

分析其原因為：在做功沖程中，缸壓因燃燒放熱而增大，又因燃燒室空間變大、傳熱而減小，當二者對缸壓的影響幅度大小相同時，缸壓達到峰值；積碳噴油器的燃燒放熱率減小，二者對缸壓影響幅度相同時的相位提前，且在相同曲軸轉角時，缸內氣體的熱量減少，因此缸壓峰值減小，缸壓峰值相位提前。

4 結論

筆者分別通過噴油試驗、噴霧試驗測取噴油速率、噴霧特征，獲得噴霧模型的邊界條件，建立噴霧燃燒模型，研究了噴油器積碳后噴油速率、噴霧的變化，進而研究對燃燒產生的影響。主要結論如下：噴油器積碳后，曲軸轉速1 400、2 000 r/min時的缸壓峰值、燃燒放熱率峰值減小，燃燒放熱率峰值相位提前，燃燒重心后移。

筆者未進一步對柴油機的性能參數變化進行分析。此外，柴油機噴油器積碳的檢測、清除及其形成機理仍還需進一步研究。