喷油器对摩托车发动机油耗和排放的影响研究

陈志勇 朱长钦 杨 陈 李瑞欣 关 力

（浙江春风动力股份有限公司 浙江 杭州 311100）

引言

近年来，我国大排量摩托车（排量250 mL 以上）产销量呈现逐年增长的趋势，2020 年全年产销量达到2.0×105辆，较2013 年增长14 倍，预计未来销量会进一步增长。大排量摩托车相比小排量摩托车油耗和排放更高，为了应对日益严格的油耗和排放法规，对发动机本身的技术提升提出了更高的要求。我国在2019 年开始实施摩托车排放国四标准[1]，气态排放物要求进一步加严，而欧洲已于2020 年开始实施摩托车排放欧五标准[2]，以HC 排放为例，欧五法规将其限值从欧四的170 mg/km 加严至100 mg/km，预计我国也会在未来几年推出近似于欧五的国五排放法规。

大排量摩托车更加追求高速动力性，因此在发动机设计上更加追求发动机最大功率和最大转矩的结果，比如更大的进气凸轮包角和气门重叠角、高流量进气道[3]。更大的进气凸轮包角和气门重叠角可以帮助提升发动机高速下的充气效率，减少缸内残余废气，提升新鲜空气量[4]，但是在低速小负荷工况，大的气门重叠角会导致废气回流，降低燃烧效率。摩托车发动机一般为自然吸气发动机，气道设计追求低的流量损失和高的充气效率[5]，因此会导致缸内低的湍流强度，不利于混合气的形成和快速燃烧。

喷油器的设计直接影响了油气混合过程，进而影响发动机油耗和排放水平，尤其对于大排量高功率摩托车发动机，其喷油器静态流量一般需求较高，喷孔孔径较大，不利于喷雾的雾化与蒸发。且摩托车发动机一般采用气道喷射喷油器，喷射压力较低，在进气道和进气门背面易产生油膜。因此改进喷油嘴结构，提升燃油雾化水平，促进油气充分混合对摩托车发动机尤为重要。

本文对3 款不同喷嘴结构的气道喷射喷油器进行试验研究。首先对不同喷油器的粒径进行测量，研究不同喷油器雾化情况，然后在发动机台架上进行不同喷油器对发动机燃烧和排放的影响研究。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

本文中喷雾粒径采用颗粒液滴测量系统进行测量[6]，如图1 所示，设备采用激光作为照明源，结合高分辨率相机，可以在超短曝光时间的情况下捕捉高速运动的喷雾液滴。喷油器布置在激光光源和相机中间，通过调整相机位置和聚焦平面，可以获得不同喷雾位置的粒径信息。由于采样窗口较小，试验需重复约50 次拍摄，确保采集的液滴数量足够多，保证统计结果更接近真实结果。

图1 液滴测量系统

发动机台架试验在汽油机性能台架上进行，主要设备包括电力测功机，瞬时油耗仪，燃烧分析仪和排放分析仪，能同时对发动机的燃烧和排放情况进行测量。本文所用发动机为一台450 mL 排量的两缸四冲程摩托车发动机，发动机主要参数见表1。

表1 发动机基本参数

1.2 喷油器结构

本文对3 款不同喷嘴结构的气道喷射喷油器进行试验研究，主要差异为喷孔个数及喷雾锥角，具体参数如表2 所示。

表2 喷油器基本参数

发动机每缸只有一个喷油器，喷油器产生2 个油束分别喷入左右两个进气门，每个油束各由一半喷孔产生，单个油束的夹角定义为油束锥角，2 个油束中心线之间的角度定义为油束夹角。喷油器孔数分别为6 孔、8 孔和12 孔，各孔喷油器除了孔数的不同，在喷雾形态方面也有差异，主要表现为单个油束的锥角变小，油束更加紧凑，有助于减小和避免湿壁现象，但是不利于燃油的雾化。在最大喷油流量相同的情况下，增加喷油孔个数可以减小单个油孔的喷孔直径，有利于提升燃油雾化水平。

1.3 试验方法

粒径测量部分，分别对喷雾发展轴向方向20 mm、30 mm 和40 mm 的喷雾位置进行粒径测量，燃油压力330 kPa，喷油脉宽4 ms。

发动机试验部分，分别选取暖机工况和冷机工况进行试验。其中暖机工况为WMTC 循环中发动机实际运行占比较大的工况点，代表了发动机暖机完成后常用工况，水温为85 ℃。冷机工况为WMTC 循环中，发动机完成暖机过程前的常用工况，因为冷机过程中，气道处温度更低，不利于燃油的雾化和蒸发，因此冷机工况更能反映喷油器雾化水平，水温为40 ℃。具体试验工况如表3 所示。

表3 发动机试验工况r/min@0.1 MPa

2 试验结果及分析

2.1 不同喷油器粒径测量结果

粒径结果用索特平均直径SMD 表示，它代表了所有测量粒径的立方和与平方和之商，常用于评价喷雾粒径整体大小。图2 是不同喷油器在喷油压力330 kPa、环境背压为常压下的粒径测量结果。从结果可以看到，在距离喷油嘴出口较近的位置20 mm 处，3 款喷油器SMD 结果相同，随着喷雾沿轴线进一步发展，不同喷油器粒径结果开始出现差异。在30 mm和40 mm 处，8 孔喷油器粒径结果始终大于6 孔喷油器，表明2 款喷油器因为β 角的差异所带来的影响大于孔数的影响，更大的β 角导致喷雾更加集中，喷雾发展过程中受到的空气剪切力作用较小，不利于喷雾的破碎过程。

图2 喷雾粒径测量结果

2 款喷油器的粒径结果均随着轴向位置的增大而变大，这是因为在远离喷嘴的位置，小液滴雾化蒸发，导致在总的液滴中占比减小，而大液滴可以持续发展到较远位置，在远离喷嘴位置数量占比较大，因此导致总的SMD 变大。12 孔喷油器较6 孔喷油器在30 mm 处粒径较大，在40 mm 处粒径较小，这可能是喷嘴直径和β 角共同作用的结果，在靠近喷嘴出口位置，由于孔数较多且β 角较小，增加了液滴之间相互碰撞的几率，产生更多的较大液滴。而在远离喷嘴的位置，由于喷雾得到进一步发展，粒径之间空间增大，碰撞几率减小，因此粒径反而较6 孔稍小。整体来看，6 孔喷油器虽然其孔数较少，但是因为其较大的β 角，粒径处于较低水平。

2.2 喷油相位对发动机油耗和排放的影响

发动机实际工作过程中，不同喷油相位会对发动机的燃烧和排放产生明显的影响，因此，需要在发动机标定过程中确定不同工况下最合适的喷油相位。以5 500 r/min@0.5 MPa 暖机工况为例，图3 给出了6 孔喷油器不同喷油相位对发动机油耗和排放的影响，喷油相位WEE 定义为进气门关闭时刻往前喷油结束的角度，即数值越小，喷射结束时刻越晚。

图3 喷油相位对油耗和排放的影响

从图中可以看到，喷油结束时刻较早的情况，发动机油耗BSFC 较低，一氧化碳CO 排放较低，但是碳氢THC 排放较高。这是因为喷油结束较早，燃油有充分的时间与气道内的空气发生混合，混合气更加均匀，燃烧效率较高。但是喷油结束较早特别是在进气门开启之前结束，气道内气流运动较弱，此时喷油增加了湿壁的风险，因此此时碳氢排放较高；而随着喷油结束时刻逐渐推迟，油耗和CO 排放出现了增长的趋势，而THC 排放先下降后增加。这是因为喷油结束较晚，油气混合时间变短，混合不均匀，导致CO 排放和油耗均增加，而碳氢排放因为气门开启，气道内流速较高，部分混合气被直接带入缸内，湿壁现象较小。鉴于喷油相位对油耗和排放的明显影响，后文中不同喷油器的试验对比均选择THC 排放最小的喷油相位进行比较。

2.3 暖机工况喷油器对发动机油耗和排放的影响

图4 给出了3 款喷油器在4 个不同暖机工况下的油耗和排放结果，水温为90 ℃。从油耗结果可以看出，在大部分工况，8 孔喷油器均具有更高的油耗，6 孔和12 孔喷油器油耗结果差异不大。这与2.1 小节中粒径结果一致，即8 孔喷油器喷雾粒径相对较大，需要的蒸发时间更长，燃油与空气混合容易不均匀，导致燃烧效率较低，因此油耗更高；6 孔和12 孔喷油器粒径在远离喷嘴的位置粒径较8 孔小，从而油耗也更低。

图4 暖机工况油耗与排放对比

碳氢THC 排放结果除4 000 r/min@0.1 MPa 工况外，其它工况排放大小依次为12 孔、8 孔和6 孔，这是因为12 孔和8 孔具有较小的β 角，相同情况下容易导致其有更长的喷雾贯穿距离，容易发生喷雾碰壁现象，气道内湿壁的燃油容易在扫气阶段直接被带入排气管，导致尾气中碳氢排放增加。一氧化碳CO 结果与油耗结果相似，即雾化更好、粒径更小的喷油器更容易产生良好的油气混合气，燃烧更加完全，CO 排放更低。

2.4 冷机工况喷油器对发动机油耗和排放的影响

图5 为3 款喷油器在4 个不同冷机工况下的油耗和排放结果，水温为40 ℃。相比于暖机工况，冷机工况下进气道温度更低，更不利于喷雾的雾化与蒸发，同时燃烧室内温度也较低，燃烧速度较慢。对应喷雾雾化较差的8 孔喷油器，在低温情况下，其燃烧情况更易不稳定，特别是对于气流运动较弱的小负荷情况，燃烧恶化导致发动机油耗明显增加。冷机工况下，4 个工况发动机负载均较低，每循环喷油器喷油量较少，3 款喷油器排放并未表现出明显差异。

图5 冷机工况油耗与排放对比

3 结论

本文首先利用粒径测量系统对比了3 款不同喷嘴结构的气道喷射喷油器的雾化表现，然后在一台450 mL 两缸四冲程摩托车发动机上研究了不同喷油器对发动机的油耗和排放的影响，得到的主要结论有：

1）喷油器孔数越多，β 角越大，喷雾粒径越小。

2）喷油相位对发动机油耗和排放均有较明显的影响，喷油结束越晚，油气混合时间越短，油耗和CO排放增加，但是喷油结束过早，THC 排放增加。

3）暖机工况下，粒径较小的喷油器油耗和CO 排放也较低；孔数越少，THC 排放越低。

4）冷机工况下，特别是小负荷工况，粒径较大的喷油器更易导致发动机燃烧恶化，油耗增加；小负荷情况下不同喷油器排放差异较小。