运用五点法进行垫片及油嘴选型过程原理

油嘴定义就是确定柴油机喷嘴状态，即喷嘴的孔数、流量及其垫片厚度等参数。一般来说，油嘴定义为柴油机燃烧开发的最后一环，即在影响燃烧的零部件全部确定后才能开始。本文就某款发动机3种喷嘴和3种垫片采用五点法做油嘴定义，选出最佳的油嘴及垫片厚度。

概述

由于柴油的物理化学特性，柴油机必须配备较复杂的喷射系统。柴油机的燃油喷射系统的两个主要关键部件是油泵和油嘴。它们对柴油燃烧的效率、排放水平以及动力性能等关键指标有着决定性的影响。在一定范围内，油泵和油嘴成了柴油机喷油系统的代称，被称为“汽车心脏的心脏”。

柴油机喷油系统是按柴油机负荷情况精确计量燃油并适时将其喷入燃烧室的装置。喷入的油束与燃烧方式相匹配，使燃油与空气形成有利于燃烧的可燃混合气。这个系统对柴油机的起动、怠速、功率、油耗、噪声和排污等都有着重大影响。

油嘴的型号（包括孔数、流量）和垫片厚度（决定油嘴在燃烧室内的突出高度）的选择很重要，因为这些参数影响着柴油机燃油的雾化以及与空气的混合。换言之，油嘴定义的结果影响着柴油机的燃烧水平、性能与排放的好坏。本文就某款柴油机采用五点法进行的油嘴定义做一浅析。

油嘴定义概述

1． 油嘴定义含义

油嘴定义就是确定柴油机喷嘴状态，即喷嘴的孔数、流量及其凸出高度（喷油器垫片厚度）等参数。

一般来说，油嘴定义为柴油机燃烧开发的最后一环，在柴油机进气系统等影响燃烧的零部件全部确定后才能开始。

油嘴定义按以下步骤进行，最后选出最佳的油嘴及匹配的垫片厚度。“五点法”主要指以下五个点：

Speed（发动机转速）=1000r/min,BMEP（平均有效缸内压力）=0.1MPa

Speed=1500r/min,BMEP= 0.3 MPa

Speed = 2 000 r/min, BMEP = 0.1 MPa

Speed = 2 000 r/min, BMEP = 0.2 MPa

Speed = 2 000 r/min, BMEP = 0.65 MPa

依次将不同方案的垫片及油嘴型号在台架进行经济性、动力性和排放测试，并运用五点法进行部分负荷的测试，得出最优方案是本次测试的出发点。

油嘴定义的边界条件表－样机参数见表1。

2. 试验油嘴和垫片类型

通过对发动机型号、气门数量、油嘴安装位置及喷射等的CAE模拟分析后，确定本次试验所用的油嘴和垫片的规格参数（见表2）。

运用五点法进行垫片及油嘴选型过程如图所示。

油嘴定义试验方案及过程

1. 选择垫片

（1）外特性

将本机外特性点定为节气门全开，转速从1000r/min到4000r/min，步长为200r/min的工况点。主要衡量指标有转矩、功率、油耗比和烟度。

转矩是我们比较关注的动力性能，对比A油嘴分别匹配1.0mm、1.5mm和2.0mm厚度垫片的试验结果，其中A/1.0mm的组合在低端1200 r/min、1400 r/min时的转矩明显小于其他两种，A/2.0mm的组合在高速端转矩不理想。

功率是我们关注的另一动力性能，对比A油嘴分别匹配

1.0mm、1.5mm和2.0mm垫片的试验结果，其中A/1.0mm组合在低速段功率略小，A/2.0mm的组合在额定点的功率低于90kW，不满足设计要求。

比油耗是我们关注的经济性能指标，对比A油嘴分别匹配

1.0mm、1.5mm和2.0mm厚度垫片的试验结果，其中A/1.0mm在1800r/min以下区域比油耗比较大，而A/2.0mm更具油耗优势。

烟度是我们关注的排放性能指标，对比A油嘴分别匹配1.0mm、1.5mm和2.0mm垫片的试验结果，其中A/1.0mm在1800r/min以下区域烟度较大，而A/2.0 mm更具烟度优势。

（2）部分负荷

本机的部分负荷点以排放法规规定的整车试验循环为基础，根据整车参数（变速器各挡速比、主减速比、整车整备质量和车轮半径等）、汽车行驶动力平衡公式等计算试验循环中各车速、挡位相对应的发动机转速、转矩点以及模拟的发动机工况，最终选择了1 000 r/min/0.1 MPa、1 500 r/min/0.3 MPa、2 000 r/min/0.1 MPa、2 000 r/min/0.2 MPa、2 000 r/min/0.65 MPa这 5个权重较大的工况点为试验点进行试验。由于篇幅有限，所以这里仅用权重较大的1500 r/min/0.3MPa这个点为代表说明我们取点的方法，以比油耗、烟度、CO和HC为主要衡量指标，其结果与我们最终结论是一致的。

比油耗是我们关注的经济性指标，对比A油嘴分别匹配1.0mm、1.5mm和2.0mm厚度垫片的试验结果，其中A/1.0mm，A/2.0mm的组合比油耗均大，A/1.5mm有较大优势。

烟度是我们较为关注的排放指标之一，对比A油嘴分别匹配1.0mm、1.5mm和2.0mm垫片的试验结果，其中A/2.0mm烟度较差，A/1.0mm在NOx大于6 g/kg时的烟度才变好，而A/1.5mm的烟度的浮动很小，是三者中最好的。

CO是我们关注的排放指标之一，对比A油嘴分别匹配1.0mm、1.5mm和2.0mm厚度垫片的试验结果，其中A/1.0mm的结果最好，A/1.5mm结果次之，A/2.0mm结果明显不如前两者。

HC也是我们关注的排放指标之一,对比A油嘴分别匹配1.0mm、1.5mm和2.0mm垫片的试验结果，其中A/1.0mm的结果最好，A/1.5mm结果次之，A/2.0mm结果明显不如前两者。

综上分析，从外特性点试验结果看，装配1.0mm厚度垫片性能最差，其1200r/min和1400r/min的转矩明显小于其他两种，油耗、烟度也最高。装配2.0mm厚度垫片则更具油耗优势，高速端转矩不理想，额定点功率低于90kW。

从部分负荷点试验结果看，装配2.0mm厚度垫片排放明显不如其他两种，在各个点其烟度、CO等值都高于其他两种。所以最终我们采用1.5mm厚度的垫片。

2. 选择油嘴

（1）我们用选出的垫片匹配B、C油嘴做相同试验，与之前匹配A油嘴的试验结果进行比较，选出最优油嘴。

对比1.5mm厚度垫片分别匹配A、B、C油嘴的试验结果，其中外特性转矩、功率无太大差别，且均能满足设计要求。

对比1.5mm厚度垫片匹配A、B、C油嘴的试验结果，其中C/1.5mm在比油耗和烟度上均有优势，B/1.5mm在低端烟度较差。

（2）部分负荷试验

各个部分负荷点的选取与上相同，试验工况点和之前相同。

同样，我们用权重较大的1500（r/min）/0.3MPa这个点为代表说明取点的方法，其结果与最终结论是一致的，其试验结果如下：

对比1.5mm厚度垫片分别匹配A、B、C油嘴的试验结果，其中A/1.5mm的比油耗较小。C/1.5mm的比油耗较差。

对比1.5mm厚度垫片分别匹配A、B、C油嘴的试验结果，C/1.5mm的烟度较差，B/1.5mm在NOx大于3的时候烟度明显好转，NOx小于3时浮动过大。

对比1.5mm厚度垫片分别匹配A、B、C油嘴的试验结果，其中C/1.5mm在CO和HC的控制上有一定优势。

综合以上分析可知，从外特性结果看，C型油嘴的比油耗与烟度略好于A型，B型油嘴的烟度最大，动力性三者没有太大差别；从部分负荷结果看，C型油嘴的烟度明显高于其他两者，B型油嘴无论是在外特性点还是在部分负荷点的排放都没有明显优势且为6孔油嘴。

一般来说，相对于7孔油嘴，6孔油嘴烟度较大，因此优先考虑7孔油嘴。因乘用车后处理多为DOC，没有颗粒处理能力，因此优先考虑烟度小的油嘴，因此，我们最终采用A型油嘴。

结束语

按照五点法原理，得出以下结论：

（1）本次试验选出的最优组合是1.5mm垫片匹配A型油嘴。

（2）高速大负荷时油嘴凸出高度过大，喷射油量会喷在活塞燃烧室底部，不能与燃烧室内的压气涡流充分混合，从而导致燃烧不良，动力性较差；油嘴凸出高度过小，喷射油量会喷在活塞顶部，甚至气缸壁上，同样导致燃烧不良，动力性差。

（3）高速大负荷时，孔数多、流量大的油嘴，它喷射的燃油雾化更好，与空气混合更充分，它的燃烧更好，烟度和比油耗更小，低速小负荷则相反。

（4）通过五点法选出的方案完全满足设计要求，在排放和燃油消耗指标上达到了较高水准。