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應(yīng)對(duì)實(shí)際行駛污染物排放工況的汽油機(jī)直噴系統(tǒng)的演變

2020-10-28 23:19:45·  來(lái)源：汽車與新動(dòng)力  
　
為進(jìn)一步保護(hù)環(huán)境，降低汽車尾氣排放對(duì)地區(qū)環(huán)境的影響，必須持續(xù)改進(jìn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。在實(shí)際行駛工況中，需要重點(diǎn)控制發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況、燃油噴射差異、進(jìn)氣
為進(jìn)一步保護(hù)環(huán)境，降低汽車尾氣排放對(duì)地區(qū)環(huán)境的影響，必須持續(xù)改進(jìn)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。在實(shí)際行駛工況中，需要重點(diǎn)控制發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況、燃油噴射差異、進(jìn)氣量和氣缸壁溫。發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略對(duì)降低排放的優(yōu)化空間有限，需要通過形成良好的燃油噴霧來(lái)改善燃燒環(huán)境，從而降低排放。優(yōu)化噴霧的目的是讓氣缸濕壁最小化，以及在發(fā)生濕壁時(shí)讓油膜快速蒸發(fā)和擴(kuò)散。提高噴霧均勻性對(duì)優(yōu)化噴霧至關(guān)重要。最初認(rèn)為，提高噴射壓力可以達(dá)到優(yōu)化噴霧和提高噴霧均勻性目的，即提高噴射壓力可以提高擴(kuò)散速度和降低貫穿距，從而減少濕壁，改善混合氣形成，同時(shí)避免噴射壓力過高帶來(lái)的摩擦損失增加。本研究表明，優(yōu)化噴油器噴嘴可以提高噴霧擴(kuò)散性和均勻性，從而有效減少壁面燃油附著，避免因噴射壓力過高帶來(lái)的摩擦損失的增加。
                                               
0 前言
             
隨著保護(hù)全球環(huán)境和應(yīng)對(duì)能源危機(jī)意識(shí)的增強(qiáng)，開發(fā)新燃燒系統(tǒng)迫在眉睫。近年來(lái)，作為燃燒系統(tǒng)基礎(chǔ)的汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)持續(xù)發(fā)展，同時(shí)增壓小型化、米勒循環(huán)、高壓縮比和稀薄燃燒等新技術(shù)也得以發(fā)展。汽油機(jī)缸內(nèi)直噴提高了燃油擴(kuò)散和霧化的速度，不僅有利于控制進(jìn)氣，還可以在壓縮行程中直接噴油，從而控制混合氣的形成。汽車行業(yè)的大趨勢(shì)雖然是電氣化，但其仍需要效率更高、排放更低的內(nèi)燃機(jī)。隨著全球輕型車統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)(WLTC)和實(shí)際行駛排放(RDE)測(cè)試循環(huán)的出現(xiàn)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)在更廣的運(yùn)行工況下都具有良好的性能。另外，排放法規(guī)也日趨嚴(yán)格，特別是對(duì)顆粒物(PM)質(zhì)量和顆粒數(shù)(PN)質(zhì)量提出了更高的要求。為了滿足汽車市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的各類需求，燃燒系統(tǒng)要同時(shí)考慮實(shí)際駕駛性和不同燃油環(huán)境下的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，作為燃燒系統(tǒng)的一部分，噴油器的作用至關(guān)重要。下一代汽油直噴系統(tǒng)的優(yōu)化方向?yàn)椋?1)降低燃油噴霧帶來(lái)的濕壁；(2)提高油氣混合均勻性；(3)在所有可能的運(yùn)行工況下讓油氣混合最優(yōu)化。
                                 
1 試驗(yàn)設(shè)備和方法
             
利用DMS500顆粒物分析儀對(duì)顆粒物進(jìn)行分析來(lái)評(píng)估排放水平。此分析儀由Cambustion公司生產(chǎn)，其主要功能是測(cè)量在1個(gè)駕駛循環(huán)內(nèi)的顆粒物大小分布和顆粒物數(shù)量。文獻(xiàn)研究表明，顆粒物直徑變大是濃混合氣燃燒時(shí)壁面聚結(jié)燃油所致。相反，燃燒室內(nèi)濃混合氣燃燒形成較小直徑的顆粒物，這是由于未充分混合的氣體在整個(gè)燃燒室內(nèi)擴(kuò)散，并未在特定區(qū)域聚結(jié)所致。對(duì)顆粒物大小和數(shù)量的研究至關(guān)重要，這些信息有利于找到排放的產(chǎn)生根源。
采用透明氣缸進(jìn)行試驗(yàn)，可以觀察到噴霧參數(shù)對(duì)燃燒特性的影響。利用金屬鹵化物光源照射，以圖片的形式記錄噴霧和燃燒特性。FASTCAM SA-X2由Photron公司生產(chǎn)，EEPS Model3090由TSI公司生產(chǎn)，這些設(shè)備分別用來(lái)分析氣體排放物和測(cè)量顆粒物。研究利用發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物大小光譜儀(EEPS)測(cè)量顆粒物大小分布。利用DANTEC DYNAMICS公司生產(chǎn)的相位多普勒測(cè)速儀(PDA)以圖片的形式記錄噴霧顆粒直徑，利用Photron公司生產(chǎn)的高速攝像機(jī)觀察和記錄噴霧形成過程。
                                 
2 試驗(yàn)結(jié)果
 
2.1 研究動(dòng)機(jī)
隨著排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，實(shí)際駕駛循環(huán)法規(guī)的實(shí)施帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)，這意味著要降低冷起動(dòng)過程中的顆粒物排放。試驗(yàn)車輛規(guī)格參數(shù)和試驗(yàn)條件見表1，其顆粒物排放試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1示出了在環(huán)境溫度-7 ℃下，WLTC循環(huán)時(shí)顆粒物直徑(Y 軸)的分布，顏色分布代表整個(gè)駕駛循環(huán)的顆粒物數(shù)量。試驗(yàn)車輛為1輛C級(jí)轎車，搭載了1款增壓小型化發(fā)動(dòng)機(jī)。這輛車代表了目前歐盟在用汽車的發(fā)展趨勢(shì)。在冷起動(dòng)催化器加熱和車輛加速階段，如在怠速起停或減速時(shí)，缸內(nèi)溫度降低，可以看到排放有明顯增加。在這些運(yùn)行工況下，顆粒物大小分布呈現(xiàn)大顆粒趨勢(shì)，可以判斷顆粒物是缸內(nèi)濕壁形成的壁面油膜燃燒所致。
表1 試驗(yàn)車輛參數(shù)和試驗(yàn)條件
 
 
圖1 在WLTC循環(huán)下生成的顆粒物情況
圖2示出了在不同環(huán)境溫度和WLTC循環(huán)下對(duì)冷起動(dòng)和暖機(jī)后累計(jì)顆粒物數(shù)量的對(duì)比。在暖機(jī)后，環(huán)境溫度降低對(duì)顆粒物數(shù)量的影響可以忽略。在暖機(jī)階段，隨著環(huán)境溫度降低，顆粒物數(shù)量大幅增加。為了滿足實(shí)際駕駛排放法規(guī)，必須改善燃油噴霧以降低在低溫工況下的燃油濕壁，并最大程度提高霧化和混合氣的均勻性。
 
圖2 在WLTC循環(huán)下，環(huán)境溫度對(duì)暖機(jī)階段和暖機(jī)后顆粒物數(shù)量的影響
隨著歐洲汽車市場(chǎng)混動(dòng)化率的提高，混動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)行駛循環(huán)排放的影響也必須予以考慮。在起動(dòng)工況時(shí)，使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)降低了排放。然而，由于發(fā)動(dòng)機(jī)不同的運(yùn)行特性，其對(duì)排放的影響仍需考慮。在冷起動(dòng)時(shí)，由于采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)未開始工作，基本上顆粒物數(shù)量不會(huì)太高。而后續(xù)起動(dòng)是電輔助起動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作，對(duì)于該起動(dòng)工況，有兩方面原因?qū)е骂w粒物排放變差。第一，暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度比較低，這是因?yàn)殡婒?qū)動(dòng)增加了發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的時(shí)間，因此在較低溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)會(huì)增加；第二，相較于非混動(dòng)車型，起動(dòng)時(shí)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速較高，電機(jī)輔助起動(dòng)的顆粒物排放增加；第三，在冷起動(dòng)時(shí)的濃混合氣降低了催化器的催化效率。電驅(qū)動(dòng)利用率由電池的荷電狀態(tài)(SOC)決定。在低荷電狀態(tài)時(shí)，純電行駛里程減少，整個(gè)駕駛循環(huán)的顆粒物排放軌跡反映了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的軌跡。在1臺(tái)4缸1.4 L插電混合動(dòng)力汽車上進(jìn)行了WLTC循環(huán)顆粒物排放測(cè)試。在第1個(gè)車速峰值時(shí)，荷電狀態(tài)對(duì)排放的影響如圖3所示。Y軸代表顆粒物直徑，色帶分布代表了顆粒物數(shù)量。對(duì)噴油器設(shè)計(jì)和更高噴射壓力的未來(lái)發(fā)展研究同樣適用于混合動(dòng)力的動(dòng)力總成研發(fā)。
 
圖3 在WLTC循環(huán)第1個(gè)車速峰值時(shí)電池荷電狀態(tài)對(duì)顆粒物排放的影響
2.2 噴射系統(tǒng)的開發(fā)
表2總結(jié)了噴油霧化的典型機(jī)理。與進(jìn)氣道噴射噴油器類似，缸內(nèi)直噴噴油器的噴嘴也會(huì)有在等大氣壓力環(huán)境下噴射的情況。在該工況下，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)空氣的剪切力，不利于噴霧的破碎。與柴油機(jī)的噴油器噴嘴設(shè)計(jì)不同，汽油機(jī)噴嘴在設(shè)計(jì)時(shí)要提高初始噴霧破碎。壓力能量是增強(qiáng)霧化的首要因素，需要通過優(yōu)化噴嘴設(shè)計(jì)從而有效利用壓力能量來(lái)增強(qiáng)噴霧破碎。
表2 噴油霧化技術(shù)
 
表3列出了采用中置噴油器的透明發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)分析噴霧和燃燒特性的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)。為了光學(xué)可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)后端將第4缸去掉，用玻璃氣缸代替。點(diǎn)火時(shí)刻和噴射起始角相同，噴射壓力不同。噴嘴有12個(gè)直噴孔，噴霧目標(biāo)根據(jù)燃燒室形狀進(jìn)行優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)可以持續(xù)形成油氣混合氣和快速燃燒，在壓縮行程也能達(dá)到這種效果。
表3 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)
 
圖4分別示出了噴射時(shí)噴油器的噴霧特性、燃燒過程中的火焰?zhèn)鞑ズ椭魅紵蟮幕鹧嫣匦浴娚鋲毫Ψ秶鸀?5~120 MPa。噴油開始時(shí)刻(SOI)設(shè)定為60 °CA BTDC，噴油結(jié)束時(shí)刻(EOI)設(shè)定為47 °CA BTDC。在所有噴油壓力下，噴霧都碰撞到活塞頂。然而，在碰壁后的噴霧特性無(wú)法確定。一方面，在碰撞后產(chǎn)生噴霧散點(diǎn)；另一方面，活塞頂高溫導(dǎo)致了燃油蒸發(fā)。點(diǎn)燃后的初始火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著噴射壓力提高而加快。主燃燒后的發(fā)光火焰特性隨著噴射壓力不同產(chǎn)生變化。當(dāng)噴射壓力在35 MPa時(shí)，發(fā)光火焰從活塞頂部就可以觀察到，這是由于噴霧發(fā)生了撞壁。隨著噴射壓力的提高，盡管活塞頂部出現(xiàn)噴霧撞壁，但觀察不到發(fā)光火焰。高噴射壓力改善了噴霧特性，減少了濕壁和發(fā)光火焰的產(chǎn)生。為了量化高噴射壓力帶來(lái)的燃燒改善效果，在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)進(jìn)氣行程噴射的燃燒特性進(jìn)行了評(píng)估，通過改變油溫和冷卻液溫度對(duì)實(shí)際駕駛工況進(jìn)行了仿真，同時(shí)對(duì)低溫和暖機(jī)后的單次噴射和多次噴射的效果進(jìn)行了對(duì)比。值得注意的是，采用進(jìn)氣行程燃油噴射是為了抑制噴霧形成的湍流對(duì)燃燒的影響。
 
圖4 不同噴射壓力下噴霧撞壁和燃燒特性
圖5示出了噴射壓力對(duì)燃燒持續(xù)期和顆粒物數(shù)量的影響。試驗(yàn)時(shí)考慮了不同的冷卻液溫度和噴射次數(shù)。從圖5可以看出，同樣的噴射次數(shù)，冷卻液溫度越高，燃燒持續(xù)期越短。多次噴射可以縮短燃燒持續(xù)期，冷卻液溫度低時(shí)也是如此。隨著噴射壓力的提高，所有工況下的燃燒持續(xù)期都縮短了。噴射壓力的提高導(dǎo)致燃燒持續(xù)期短，這是由于噴油霧化效果好，以及高擴(kuò)散帶來(lái)的低濕壁收益。另一方面，高溫時(shí)噴射壓力不影響顆粒物數(shù)量。然而，在低溫時(shí)，當(dāng)噴射壓力提高到60 MPa，顆粒物水平明顯降低到與相同噴射壓力下高溫時(shí)的水平。同時(shí)，可以看出，在噴射壓力較低時(shí)，多次噴射對(duì)顆粒物改善明顯，但是在噴射壓力60 MPa時(shí)則無(wú)明顯效果。
 
圖5 在不同噴射壓力下燃燒特性和顆粒物排放的差異
結(jié)果表明，即使在低溫工況下活塞頂部出現(xiàn)噴霧撞壁，提高噴射壓力就可以減少濕壁現(xiàn)象的出現(xiàn)。研究表明，在實(shí)際行駛模式下低溫活塞頂部噴霧撞壁可以通過增強(qiáng)霧化和降低貫穿距得以改善。另外，研究還發(fā)現(xiàn)，高擴(kuò)散帶來(lái)的濕壁減少，以及提高蒸發(fā)和擴(kuò)散能力也要予以考慮。
2.3 減少濕壁的噴霧方案
試驗(yàn)結(jié)果表明，高噴射壓力提高了噴霧特性，改善了燃燒特性，降低了排放。為了最大化利用噴霧特性改善帶來(lái)的好處，提出了新的噴霧方案，從而在相同的噴射壓力下達(dá)到更好的效果，并通過提高噴射壓力進(jìn)一步改善了噴霧效果。
圖6示出了減少噴油濕壁的噴霧方案。這種噴霧方案旨在通過促進(jìn)噴霧破碎來(lái)增強(qiáng)“伴隨空氣流動(dòng)”。“伴隨空氣流動(dòng)”指噴射的燃油和空氣動(dòng)能在交換后產(chǎn)生的空氣流動(dòng)。伴隨空氣流動(dòng)增強(qiáng)，提高了空氣卷吸燃油噴霧和噴霧擴(kuò)散的能力。增強(qiáng)的空氣卷吸和噴霧擴(kuò)散縮短了噴霧破碎長(zhǎng)度，從而減少了噴霧撞壁帶來(lái)的濕壁。另外，在噴射后燃油隨著伴隨空氣流動(dòng)一起運(yùn)動(dòng)，其沿著壁面流動(dòng)，讓壁面上的燃油變薄。壁面燃油迅速蒸發(fā)形成了更薄的油膜，從而減少了濕壁。
 
圖6 新噴霧方案的噴霧撞壁示意圖
圖7示出了高擴(kuò)散噴霧的噴嘴設(shè)計(jì)方案。為了增強(qiáng)伴隨空氣流動(dòng)，有必要提高初始噴霧能量和通過提高動(dòng)量交換有效地將能量傳遞給空氣。首先，可以實(shí)現(xiàn)的是提高噴射壓力；其次是通過調(diào)整噴嘴結(jié)構(gòu)，采用小孔徑和高擴(kuò)散噴嘴，增強(qiáng)空氣動(dòng)量。
 
圖7 提高噴霧擴(kuò)散的噴嘴設(shè)計(jì)方案
為了確認(rèn)方案的有效性，研究改變噴射壓力以觀察噴霧撞壁現(xiàn)象。研究用于中置直噴的6孔噴油器向毛玻璃噴霧的試驗(yàn)。將噴油器的噴射壓力提高到60 MPa，用高速攝像機(jī)記錄噴霧前端抵達(dá)玻璃表面時(shí)的噴霧特性。同時(shí)，利用紅外線激光器照射玻璃表面的油膜，通過透射光的衰減率計(jì)算油膜厚度。依據(jù)噴嘴前端到缸孔壁的實(shí)際距離，將噴嘴噴孔到玻璃的距離設(shè)定為80 mm。
圖8示出了噴霧截面和靠近玻璃(上部)的噴霧油滴角度，以及噴霧碰壁(下部)時(shí)的噴霧油滴特性。噴霧截面積隨著噴射壓力的提高呈線性加大趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，通過提高噴射壓力可以提高噴霧擴(kuò)散，截面積越大，伴隨空氣流動(dòng)也隨之增強(qiáng)。另外，在玻璃表面，噴霧油滴沿著玻璃流動(dòng)，這是由于提高了噴射壓力，增強(qiáng)了伴隨空氣流動(dòng)的緣故。
 
圖8 噴霧撞壁時(shí)的噴霧油滴特性
圖9示出了試驗(yàn)過程中玻璃上顯示的油膜特性?？紤]到壁面油膜的蒸發(fā)時(shí)間，試驗(yàn)主要研究厚油膜區(qū)域。在薄油膜區(qū)域，燃油在燃燒前就蒸發(fā)了，對(duì)發(fā)光火焰的影響較小。在厚油膜區(qū)域，當(dāng)火焰抵達(dá)厚油膜處時(shí)，液體燃油會(huì)造成發(fā)光火焰。當(dāng)噴射壓力達(dá)到30 MPa時(shí)，總濕壁面積雖然增加了，但薄油膜區(qū)域減少了?？梢哉J(rèn)為，較高的噴射壓力提高了噴霧擴(kuò)散。另一方面，噴霧速度加快導(dǎo)致噴霧破碎長(zhǎng)度增加，從而讓一部分燃油抵達(dá)玻璃表面。當(dāng)噴射壓力達(dá)到60 MPa時(shí)，不僅厚油膜面積大幅降低，總油膜面積也大幅降低。由于燃油破碎噴霧大幅提高，伴隨空氣流動(dòng)增強(qiáng)，濕壁現(xiàn)象大幅減少。研究結(jié)果表明，提高擴(kuò)散和增強(qiáng)伴隨空氣流動(dòng)二者結(jié)合是減少氣缸濕壁的關(guān)鍵所在。
 
圖9 不同噴射壓力下噴霧撞壁時(shí)油膜面積和厚度
2.4 噴霧破碎特性
提高噴射壓力會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，包括需要加強(qiáng)高壓油泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和增加相關(guān)損失。因此，當(dāng)噴油器提高噴射壓力時(shí)，為了有效實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，需要提供高效的噴霧過程。為了識(shí)別最優(yōu)的噴嘴設(shè)計(jì)和噴射壓力，達(dá)到最優(yōu)的均勻混合和低顆粒物排放，有必要量化噴射壓力提高后的噴霧特性。
噴射壓力對(duì)噴霧顆粒直徑的影響，即索特平均直徑(SMD)和90%直徑累積頻率分布(DV90)，以及噴射壓力對(duì)噴霧速度和噴霧截面積的影響如圖10所示。為了確定噴霧速度，測(cè)量了距離噴嘴前端80 mm 處的油霧速度。此速度綜合考慮了噴霧后0.1 ms內(nèi)的平均速度、噴霧破碎時(shí)間和典型的發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔直徑，以及噴霧截面積(即距離噴嘴前端80 mm 處的最大噴霧面積)。需要注意的是，破碎長(zhǎng)度和噴霧破碎時(shí)間是通過噴霧長(zhǎng)度的歷史數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)尺度上的拐點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算得出的。此階段沒有將減小噴嘴直徑和提高噴射壓力共同作用的效果考慮在內(nèi)。
 
圖10 高噴射壓力的噴霧特性
隨著噴射壓力的提高，噴霧顆粒直徑減小了，且噴霧速度呈持續(xù)增大的趨勢(shì)，這表明顆粒直徑最終會(huì)達(dá)到飽和點(diǎn)。噴霧截面積可以作為評(píng)判噴霧擴(kuò)散的指標(biāo)之一。噴射壓力在35 MPa時(shí)，噴霧截面積約為現(xiàn)有噴射壓力20 MPa時(shí)的1.3倍。圖11示出了在不同噴射壓力下的噴霧破碎時(shí)間和長(zhǎng)度。隨著噴射壓力的提高，噴霧破碎時(shí)間縮短，而噴霧破碎長(zhǎng)度增加。這現(xiàn)象可能是由于噴霧速度增大而引起的。
 
圖11 高噴射壓力的噴霧破裂特性
圖12示出了燃油噴射后的噴霧形態(tài)，這是提高噴射壓力和減小噴孔直徑相互作用的結(jié)果。從圖12可以看出，提高噴射壓力提高了噴霧貫穿距和擴(kuò)散，但不改變噴孔直徑。與燃油噴射壓力20 MPa相比，噴霧率得到提高。相較于噴射壓力20 MPa的情況，噴霧的均勻性得到提高。然而，當(dāng)較高的噴射壓力和小噴孔直徑相結(jié)合達(dá)到高噴射壓力時(shí)的噴霧率時(shí)，噴霧貫穿距的提高幅度受限，噴霧擴(kuò)散速度進(jìn)一步提高。綜上所述，這有利于進(jìn)一步提高燃油噴霧的均勻性。
 
圖12 小孔徑高噴射壓力的噴霧形態(tài)
圖13示出了在不同噴孔直徑下噴霧破損時(shí)間和噴霧截面積的對(duì)比。噴孔直徑越小，噴霧破損時(shí)間和距離越短，噴霧截面積越大。結(jié)果驗(yàn)證了提高噴射壓力和采用小孔徑噴孔方案相互作用后提高了噴霧擴(kuò)散速度，并縮短了噴霧貫穿距，從而減少濕壁的效果。
 
圖13 小孔徑噴霧破裂特性
2.5 利用壓力能量進(jìn)行噴霧擴(kuò)散
通過提高噴射壓力和采用小孔徑噴孔有利于噴油霧化和增強(qiáng)擴(kuò)散。然而，增加噴霧破碎長(zhǎng)度導(dǎo)致缸內(nèi)產(chǎn)生不均勻的油氣混合氣，在噴霧破碎前，噴霧到達(dá)壁面的能量變大，對(duì)氣缸濕壁產(chǎn)生不利影響。為了有效利用噴射壓力能量，增強(qiáng)初始破碎，不僅要降低噴孔直徑，同時(shí)要優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)。如圖14所示，為了形成有霧化、低貫穿距和高擴(kuò)散的噴霧，提出了一種新的噴嘴方案。采用新的錐形噴孔噴嘴，錐形噴孔的前端變寬，燃油沿著壁面流動(dòng)形成了薄油膜。錐形壁面產(chǎn)生了薄油膜，同時(shí)增大了流量，這有利于縮短噴霧破碎時(shí)間。高速能量擴(kuò)散降低了噴霧流動(dòng)，擴(kuò)大了空氣接觸面，從而在較低的噴射壓力下也可以提高噴霧擴(kuò)散速度(圖15)。圖14中示出了噴霧產(chǎn)生的液體油膜。噴嘴中的氣液為黑色，多相不透光，液體油膜為白色透光。
 
圖14 高擴(kuò)散噴嘴方案
 
圖15 高擴(kuò)散噴嘴的噴霧特性
2.6 噴油時(shí)刻差異的敏感度
高擴(kuò)散噴嘴方案(錐形孔)與之前的直孔方案相比，在顆粒物排放方面有明顯改善。如圖16所示，錐形孔的顆粒物排放對(duì)噴油時(shí)刻的敏感度明顯降低，尤其是在提高噴射壓力的情況下。試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于4缸2.0 L汽油機(jī)，噴射壓力為分別為20 MPa和35 MPa，考慮到顆粒物排放，將噴油時(shí)刻設(shè)定在最佳工況點(diǎn)。為了明確薄壁面油膜帶來(lái)的好處，在整車狀態(tài)下的型式排放評(píng)估正在進(jìn)行中。
 
圖16 錐形孔的顆粒物排放優(yōu)勢(shì)
                                 
3 結(jié)論
             
基于實(shí)際行駛工況，本文對(duì)提高噴射壓力的燃油噴霧帶來(lái)的濕壁效果進(jìn)行了評(píng)估，分析結(jié)果如下：
(1)提高噴射壓力不僅有利于噴油霧化，同時(shí)空氣卷吸帶來(lái)的擴(kuò)散可以有效減少濕壁(低溫時(shí)產(chǎn)生顆粒物排放)；
(2)小孔徑和高噴射壓力相結(jié)合縮短了噴霧破碎時(shí)間和長(zhǎng)度，增大了噴霧截面積；
(3)提高噴射壓力增加了噴霧破碎長(zhǎng)度，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣不均勻或噴油霧化破碎前的濕壁，然而，優(yōu)化噴嘴設(shè)計(jì)后噴霧均勻性提高，其與高噴射壓力相互作用，加速了噴霧破碎，降低了壁面液體油膜的形成；
(4)錐形孔噴嘴產(chǎn)生薄油膜，增大了噴霧流量，即使在低的噴射壓力下也有利于提高噴霧擴(kuò)散速度，提高空氣卷吸能力帶來(lái)的結(jié)果。 
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