噴油器噴孔直徑及噴射壓力對二甲醚噴霧特性的影響

江峰(菏澤學院機電工程學院，山東菏澤　274015)

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噴油器噴孔直徑及噴射壓力對二甲醚噴霧特性的影響

江峰
(菏澤學院機電工程學院，山東菏澤274015)

摘要:通過試驗研究在背壓和噴射壓力變化的情況下，共軌系統(tǒng)中噴油器噴孔直徑不同時二甲醚的噴霧特性。試驗采用噴油器噴孔直徑分別為0．170 mm和0．250 mm，背壓分別為2．5 MPa和5. 0 MPa，噴射壓力變化范圍為35～70 MPa，變化幅度為5 MPa，測試噴油量和噴霧特性，分析6孔噴油器的噴霧形狀、貫穿長度和噴霧錐角。研究表明，增大噴孔直徑后的噴油器與原噴油器相比，二甲醚噴射量約增加10%～20%，且增加量隨噴射壓力增大而增大。2種噴油器噴霧形狀均對稱，增大噴孔直徑后的噴油器噴霧貫穿長度變短、噴霧錐角增大。

關鍵詞:背壓;二甲醚;噴霧錐角;噴霧貫穿長度

國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，二甲醚燃燒動力性能與柴油相似，尾氣排放污染有所改善［1－7］;使用二甲醚時，CO2排放量降低［8－9］。二甲醚熱值低于柴油，密度約是柴油的0. 78倍，因此燃燒與柴油等體積的二甲醚產(chǎn)生的熱量不同，發(fā)動機發(fā)出的動力不同［10－11］。通常通過加大噴油器噴孔直徑、增加噴射壓力、改變針閥形狀等方法解決二甲醚低熱值的問題。其中增大噴油器噴孔直徑、增加噴射壓力比較易于實施，本文擬通過試驗研究這2種方法對二甲醚噴霧特性的影響。

1　試驗裝置及方法

1．1試驗裝置

二甲醚噴射試驗裝置主要由二甲醚噴射系統(tǒng)、噴射量測量裝置和霧化可視裝置組成［12］，見圖1。

圖1　二甲醚噴射試驗裝置簡圖

1)霧化可視裝置和二甲醚噴射系統(tǒng)

氮氣被壓縮進入高壓氣室中建立噴射系統(tǒng)模擬環(huán)境背壓，噴油器控制器(TDA3301)控制噴油持續(xù)時間和噴油量，閃光燈通過脈沖信號發(fā)生器(DG5352)控制，通過壓力傳感器(Kistler 6056A)檢測高壓氣室壓力，壓力傳感信號通過信號放大器(Kistler 5015)放大，拍攝噴射圖片的高速數(shù)字攝像機(KODAK Motion Corder Analyzer SR－C)連接到計算機用于捕獲和存儲影像。

在二甲醚噴射系統(tǒng)中，共軌噴射系統(tǒng)用作恒壓噴射。為防止二甲醚因為粘度低、潤滑能力差發(fā)生泄漏和磨損，二甲醚中加入質(zhì)量分數(shù)為1%的生物柴油［13］。常壓下二甲醚為氣體狀態(tài)，通過低壓泵將二甲醚從燃料箱吸出，增壓到0．5～0．8 MPa時變成液態(tài)提供給蓄能器。為防止二甲醚吸熱汽化，通過冷卻裝置保證二甲醚處于液態(tài)。液化二甲醚被空氣泵壓縮到35 MPa并貯存于蓄能器中，燃油軌中二甲醚通過壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力，實現(xiàn)二甲醚等壓噴射。

2)二甲醚噴射量檢測裝置

通過帶有刻度的石英玻璃管標示液化二甲醚體積。測量出噴射量后，通過排氣閥釋放二甲醚。測量時二甲醚在5 MPa壓力下保持液態(tài)。

3)同步性

高速數(shù)字攝像機最高攝像速度為10 000幀/秒，觸發(fā)信號通過噴油器控制器輸入，二甲醚被噴入高壓氣室。噴油器控制器觸發(fā)信號傳輸給脈沖發(fā)生器，閃光燈在噴射期間閃光，捕捉噴射影像。

4)噴油器

二甲醚的熱值是柴油的0．66倍，二甲醚的密度約是柴油的0．78倍，將原噴油器(以下簡稱噴油器1)噴孔直徑由0．170 mm增大到0．250 mm后(以下簡稱噴油器2)，以期噴油器2每循環(huán)噴射的二甲醚與噴油器1噴射的柴油完全燃燒后產(chǎn)生的熱量相同。

1．2試驗方法

1)噴射量檢測。噴油壓力為35～70 MPa，變化幅度為5 MPa，噴射持續(xù)時間為1 ms，噴射次數(shù)為1 000次，氮氣被壓縮至5 MPa充入高壓氣室模擬發(fā)動機運轉模式，檢測噴油器1和噴油器2的噴射量。

2)噴霧可視化。二甲醚在常溫、背壓為2．5 MPa和5. 0 MPa時噴出，噴射壓力為35 MPa和70 MPa。試驗中，二甲醚保持液態(tài)。噴油器1和噴油器2都采取1 ms的噴油持續(xù)時間，主要測定項目有噴霧貫穿長度和噴霧錐角，測定工具為Adobe Photoshop CS3。

2　試驗結果分析

2．1噴射量檢測

在高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，由高壓油泵把高壓燃油輸送到共軌油管。共軌管起蓄壓器的作用，共軌管容積的選取應綜合考慮柴油機的循環(huán)噴油量和高壓油泵的循環(huán)供油量，保證在供油和噴油過程中高壓油軌內(nèi)的壓力波動較小并且軌壓變化響應快。部分試驗證明，軌壓從80 MPa上升到130 MPa所需的時間為1 s，軌壓到達目標值后，其軌壓波動幅度為1 MPa［14］。ECU控制噴油器的噴射量，噴射量取決于共軌油管壓力和電磁閥開啟時間。

試驗將1 000次噴射量作為1次計量。背壓為5．5 MPa，二甲醚與柴油的循環(huán)噴射量及燃燒產(chǎn)生的熱量如圖2、3所示。圖2表明，噴油器2二甲醚噴射量比噴油器1增加10%～20%，且增加量隨著噴射壓力增大而增大。圖3表明，噴油器2噴射的二甲醚燃燒產(chǎn)生的熱量低于噴油器1噴射的柴油燃燒產(chǎn)生的熱量，表明二甲醚的噴射量沒有達到預期。

2．2噴霧可視化

圖4、5分別是噴射壓力70 MPa、背壓為5. 0 MPa時噴油器1和噴油器2從噴霧開始到完全展開的噴霧發(fā)展過程的部分圖片。圖4為0．4～2．8 ms噴霧發(fā)展過程，燃油噴射6孔對稱。圖5為0. 8～3. 2 ms噴霧發(fā)展過程，噴霧錐角比圖4大，使燃燒特性得以改善，氣缸內(nèi)空氣利用率增加。圖5中直到第2張影像1．2 ms時噴霧形狀開始基本對稱，原因可能由于噴孔擴大，針閥在噴霧初期振動，直到第3張影像1. 6 ms后，噴霧形狀直到噴霧完全展開都是對稱的。

圖2　二甲醚和柴油的循環(huán)噴射量隨噴射壓力的變化曲線

圖3　二甲醚和柴油的循環(huán)熱量隨噴射壓力的變化曲線

圖4　噴油器1二甲醚噴射過程影像

圖5　噴油器2二甲醚噴射過程影像

2．3噴射貫穿長度

在噴霧貫穿長度分析中，關鍵是短時間內(nèi)貫穿長度的進展，這意味快速噴霧的形成比完全展開貫穿長度能達到更好的燃燒效果。圖6、7分別表示二甲醚、柴油在背壓為5. 0 MPa、噴射壓力35，70 MPa時的貫穿長度。在35 MPa噴射壓力下，大約在3．5 ms前，噴油器1噴霧貫穿長度大于噴油器2。在70 MPa噴射壓力下，在2．5 ms前2種噴油器的噴霧貫穿長度相差不大，變化趨勢相同。主要原因是由于噴孔直徑擴大，燃料顆粒動量轉換延遲，噴油器2噴油速率低于噴油器1。通過圖6、7比較，二甲醚噴射速率低于柴油。噴射期間二甲醚蒸發(fā)性優(yōu)于柴油，二甲醚形成的噴霧粒子動能較低，所以同一時刻二甲醚噴霧貫穿長度小于柴油。

圖6　二甲醚的噴霧貫穿長度隨噴射時間的變化曲線

圖7　柴油的噴霧貫穿長度隨噴射時間的變化曲線

圖8、9分別表示背壓2．5，5. 0 MPa、噴射壓力70 MPa時二甲醚和柴油的噴霧貫穿長度。與圖6、7相似，在1，2，2．5 ms時噴油器1噴霧貫穿長度大于噴油器2，表明噴油器2噴射速率較低，原因是背壓較高，氣體密度也較高，噴霧展開受氣體粒子影響，噴霧貫穿長度變短。此外，燃料噴霧充分展開時間較長，受背壓影響較大。噴霧貫穿長度充分展開時，柴油的噴霧貫穿長度大于二甲醚。

圖8　二甲醚的噴霧貫穿長度隨噴射時間的變化曲線

圖9　柴油的噴霧貫穿長度隨噴射時間的變化曲線

2．4噴霧錐角

初期噴霧約1．1 ms之前噴霧不穩(wěn)定，在1．1 ms后測量噴霧錐角。圖10、11為背壓為5. 0 MPa、噴射壓力為35，70 MPa時二甲醚與柴油的噴霧錐角。由圖10、11可知，燃料為二甲醚時噴油器1平均噴霧錐角為24．5°，噴油器2平均噴霧錐角為33．5°;燃料為柴油時噴油器1平均噴霧錐角為27．2°，噴油器2平均噴霧錐角為30．5°。即無論采用二甲醚或柴油做燃料，噴油器2的噴霧錐角都大于噴油器1。同種噴油器噴射壓力增加，噴霧錐角增大，空氣利用率增加，二甲醚霧化性能增強。因此，增加噴射壓力是得到大的噴霧錐角的前提。

圖12、13為噴射壓力70 MPa、背壓2．5，5. 0 MPa時二甲醚和柴油的噴霧錐角。與圖10、11相似，噴油器2平均噴霧錐角較大，原因是空氣利用率增加使空氣與燃料接觸更充分，霧化效果更好。因此，噴油器2形成較大的噴霧錐角，空氣利用率較高，燃料燃燒特性得以改善。

圖10　背壓5．0 MPa時二甲醚的噴霧錐角

圖11　背壓5．0 MPa時柴油的噴霧錐角

圖12　噴射壓力70 MPa時二甲醚的噴霧錐角

圖13　噴射壓力70 MPa時柴油的噴霧錐角

圖10、13表明，當噴射時間增加到1．1 ms時，噴霧錐角逐漸減小。如果采用噴油器2，噴霧錐角在0. 7～1 ms時開始迅速減小。前一種情況是不穩(wěn)定噴霧模式所致，后一種情況是燃料動量效應作為噴霧發(fā)展的主導因素所致。

3　　結論

1)加大噴油器噴孔直徑，二甲醚噴射量增加，但噴射量與噴孔直徑和噴射壓力之間不是線性關系。2)如果采用增大噴油器噴孔直徑增大噴油器的噴射量，有必要通過增加噴射壓力解決二甲醚噴射量和霧化問題。3)增加噴孔直徑后的噴油器相比于原噴油器，噴霧滲透速率低、貫穿長度小，因發(fā)動機活塞平均半徑約為40～50 mm，所以油束足以到達發(fā)動機氣缸壁，且增加噴孔直徑后的噴油器噴霧錐角全部展開時比原噴油器較大，氣缸中空氣利用率增加，混合氣燃燒特性得以改善。

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Influence of Nozzle Diameter and Pressure on Spray Characteristics of Dimethyl Ether

JIANG Feng
(School of Mechanical and Electronic Engineering，Heze College，Heze 274015，China)

Abstract:Spray characteristics of dimethyl ether is studied in the changes of back pressure and spray pressure and also different nozzle diameters of the common rail system through the test．In the experiment，the fuel injection quantity and spray characteristics are tested by using the 0．170 mm and 0．250 mm nozzle diameters，2. 5 MPa and 5. 0 MPa back pressures and the injection pressures ranging from 35 MPa to 70 MPa respectively and the spray characteristics of 6-hole nozzle are analyzed．The analysis shows that compared the converted injector with the common one，the injection volume of dimethyl ether increases to 10%～20% of diesel oil and that the injection volume is increasing as the injection pressures increasing．The spray form of the two injectors is symmetrical，the length of spray penetration becomes short and the spray angle becomes large after the nozzle diameter is big．

Key words:back pressure; dimethyl ether; spray angle; spray penetration length(責任編輯:楊秀紅)

作者簡介:江峰(1975—)，男，山東曹縣人，副教授，工學碩士，主要研究方向為車輛工程．

基金項目:菏澤學院科研基金項目(XY12KJ05)

收稿日期:2014－12－01

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．003

文章編號:1672－0032(2015) 01－0010－05

文獻標志碼:A

中圖分類號:TK427; U464．11