噴油參數(shù)對重型柴油機噴油器噴油規(guī)律的影響

羅福強，孫雨，王楚翹，金天宇

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

隨著能源危機與環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，相關(guān)法規(guī)對柴油機性能提出了越來越高的要求[1-2]。噴油器作為燃油噴射系統(tǒng)組成的關(guān)鍵部件，噴嘴內(nèi)部流動影響缸內(nèi)噴霧的發(fā)展與可燃混合氣的形成，進一步影響柴油機的燃燒效率及CO、HC等污染物的排放[3- 4]。因此對噴油器結(jié)構(gòu)尺寸的研究是柴油機燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化改進的重要內(nèi)容[5]。此外，柴油機噴油壓力和噴油脈寬影響著噴油器噴油特性，進一步影響發(fā)動機性能[6-7]。在柴油機設(shè)計過程中，噴油特性非常重要[8]，因此國內(nèi)外學(xué)者對各孔噴油規(guī)律的測試設(shè)備及方法進行了大量研究。目前常用的方法有Bosch長管法[9-10]、Zeuch法[11-12]、電荷測量方法[13]和激光多普勒風(fēng)速法[14]。但由于噴嘴結(jié)構(gòu)差異、加工過程中產(chǎn)生誤差，以及各噴孔內(nèi)部針閥運動偏心，各孔噴油規(guī)律之間存在一定的差異[12,15]。上述方法能夠比較準(zhǔn)確地測量多孔噴油器總的噴油規(guī)律，但不易測量比較多孔噴油器各孔噴油規(guī)律之間的差異。對于多孔噴油器，各個噴油孔間的噴射速率差異會導(dǎo)致燃料在時間及空間上的分布不均，從而影響燃燒品質(zhì)，降低柴油發(fā)動機的排放特性。為了研究多孔噴油器各孔噴油之間的差異。GOVENDER等[16]提出測量噴霧動量的方法測量各孔噴油規(guī)律，根據(jù)動量守恒定律，得出燃油噴霧沖擊力與噴霧動量通量的關(guān)系，求解噴油器噴油規(guī)律。PAYRI等[17]通過動量法研究了多孔噴油器各孔之間噴油特性之間的差異，結(jié)果表明：動量法能夠有效的研究多孔噴油器各孔間噴油過程差異。PAYRI等[18]在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)上，搭建了噴霧動量測試臺架，分析了汽油和柴油兩種不同燃油的噴霧動量。測試結(jié)果表明：汽油與柴油的噴霧動量與噴油壓力相關(guān)，由于兩種燃油燃油特性的差異，汽油的噴霧動量小于柴油的噴霧動量且汽油的動量曲線結(jié)束時刻相比于柴油噴油終點稍有提前。GANIPPA等[19]研究了單孔圓柱形噴孔的流量系數(shù)。研究結(jié)果表明：當(dāng)針閥上升和下落階段時，噴孔內(nèi)壓力波動較大，流量系數(shù)的波動十分明顯，而當(dāng)針閥抬升至最大升程處時，流量系數(shù)波動減小，平均波動系數(shù)約為0.75，并且在噴油壓力較小時，空穴對流量系數(shù)起主要影響作用。POSTRIOTI等[20]研究了噴霧總動量的測量和噴霧動量演化過程。結(jié)果表明：在噴霧演變之后，隨著傳感器距噴嘴出口距離的增加，氣相動量在總噴射動量中占主導(dǎo)地位。DU等[21]通過圓柱形與漸縮形噴孔研究空化對于動量法的影響，研究表明：圓柱形噴嘴(空化)積分噴油量會被高估。SANGIAH等[22]對多孔噴油器的噴霧進行了測量，噴油壓力的波動對質(zhì)量流量影響較大，對噴孔的流量系數(shù)影響較小，噴霧動量隨噴油壓力的波動而變化，并指出噴霧動量法是測量高軌壓下噴孔內(nèi)部流動瞬態(tài)特性的重要方法之一。

由于中低速大型柴油機循環(huán)噴油量大，噴霧動量大，且高壓共軌系統(tǒng)的發(fā)展對循環(huán)噴油量控制精度要求高，因此對測試系統(tǒng)的搭建提出了更高的要求，但上述動量法研究多集中于小型噴油器，對大型柴油機噴油器的研究有限。因此本文針對某中低速大型柴油機噴油器進行研究，進一步完善噴油規(guī)律測試系統(tǒng)，根據(jù)各孔循環(huán)噴油量驗證了測試臺架的準(zhǔn)確性，選取了3種不同孔徑的噴油器分析噴油壓力、噴油脈寬和不同噴孔直徑對各孔噴油規(guī)律的影響。

1 試驗簡介

1.1 測量方法

噴孔出口處的瞬時噴油速率與噴霧動量(沖量)可用如下定義：

(1)

(2)

由動量守恒定律可知，當(dāng)燃油油束的軸線垂直于傳感器表面且整束噴霧完全擊打在目標(biāo)板上，那么可得出所測噴霧沖擊力等于噴孔出口的噴霧動量流(沖量)，因此：

(3)

式中，τs為噴霧從噴孔出口到傳感器目標(biāo)板距離的延長時間。

噴嘴內(nèi)部的瞬時流量可表達為

(4)

根據(jù)伯努利方程可以得到噴嘴的理論流量:

(5)

式中，Δp(t)為噴孔入口處與噴孔出口處的壓力差。

噴孔的流量系數(shù)為

(6)

噴油器各孔循環(huán)噴油量

(7)

1.2 試驗設(shè)備

動量法各孔噴油規(guī)律測試系統(tǒng)如圖1所示，將噴油器固定在噴霧測試柜頂部，并用螺栓將夾板擰緊固定，防止噴油器在測試過程中移動。測試柜頂部有定位孔，能夠確保噴霧之間的夾角與傳感器支架夾角相同，確保噴霧噴射方向與傳感器安裝方向一致。將力傳感器固定在特制的支架上，通過角度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)傳感器中心軸線角度，保證傳感器軸線與噴孔軸線對中，使噴霧垂直擊打在傳感器目標(biāo)板表面，通過調(diào)節(jié)螺桿長度控制傳感器目標(biāo)板表面與噴孔出口處的距離L，噴霧測試柜內(nèi)部使用有機玻璃罩將噴油器頭部與外界環(huán)境隔離，減少外界環(huán)境對采集結(jié)果的影響，同時防止噴霧溢散，保證試驗的安全性。通過細(xì)長軟管連接玻璃罩底部和油霧過濾器，對噴霧進行采集回收。試驗中通過高壓共軌試驗臺架控制噴油器噴油參數(shù)，噴霧從噴油器出口噴射擊打在傳感器表面產(chǎn)生電荷信號，并將信號輸入電荷放大器轉(zhuǎn)換放大輸出為電壓信號，電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集板采集并保存到監(jiān)控計算機，并對采集到試驗數(shù)據(jù)進行計算分析。

圖1 動量法各孔噴油規(guī)律測試系統(tǒng)

由于大功率柴油機噴油器循環(huán)噴油量范圍大，噴霧沖擊力大，試驗用傳感器要求量程大，精度高。本次試驗選用的壓電晶體式壓力傳感器具體參數(shù)見表1。

表1 壓電晶體式壓力傳感器具體參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 噴油脈寬對噴油器噴油規(guī)律的影響

噴油壓力為80 MPa與160 MPa，噴油脈寬分別為800、1 000、1 200、1 500、2 000、2 500 μs時，噴油壓力為80 MPa和160 MPa下不同脈寬的噴油規(guī)律如圖2所示，在相同噴油壓力下，隨著噴油脈寬的增加，噴油持續(xù)期增大，但并非線性增加。針閥在上升和下降階段，噴油規(guī)律曲線斜率基本一致，噴油規(guī)律曲線由三角波往矩形波過渡。當(dāng)噴油壓力為80 MPa時，小脈寬情況(800～1200 μs)下，隨著噴油脈寬的增大，噴油速率增大，噴油速率最大值對應(yīng)時刻往后延遲。這是由于小脈寬時，針閥處于未完全打開狀態(tài)。噴油速率受到燃油節(jié)流面積(噴油時針閥與針閥座之間形成的約束面積)的影響，隨著噴油脈寬增加，針閥升程增大，燃油節(jié)流面積增大，噴油速率增大。當(dāng)噴油脈寬為1 500～2 500 μs時，針閥有足夠時間抬升至最大升程處，噴油速率噴油器針閥抬起并至最大升程處保持穩(wěn)定，不同噴油脈寬下各孔噴油速率峰值基本保持不變，各孔噴油規(guī)律曲線趨勢相似。當(dāng)噴油壓力為160 MPa時，可以得到與80 MPa相似的結(jié)論，但相比于80 MPa時噴油規(guī)律，噴油速率達到峰值時噴油脈寬由1 500 μs提前至1 000 μs，這說明160 MPa時，針閥響應(yīng)速度更快并提前達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(a) 噴油壓力80 MPa

圖3為噴油壓力為80 MPa和160 MPa下不同噴油脈寬下的流量系數(shù)。噴油壓力為80 MPa，脈寬為800～1 200 μs時，隨著噴油脈寬的增加，噴孔流量系數(shù)也隨之增大，燃油有效流通面積增大，噴油持續(xù)期也隨之增加，但并非線性增加。由于電磁閥控制電流始點相同，系統(tǒng)液力響應(yīng)不變，所以不同脈寬下針閥開啟噴孔時刻相同，關(guān)閉時刻往后延遲，噴油脈寬僅影響噴孔關(guān)閉時刻。當(dāng)噴油脈寬為1 500～2 500 μs。針閥有足夠時間抬升至最大升程處，噴孔流量系數(shù)峰值保持不變。此外，不同噴油脈寬時，流量系數(shù)在噴油初始階段保持一致，這表明針閥在抬起到相同位置時，噴孔內(nèi)部空化趨于一致。當(dāng)噴油壓力為160 MPa時，結(jié)論于80 MPa相似，但流量系數(shù)到達峰值時，噴油脈寬提前至1 000 μs。這表明高噴油壓力時，噴嘴內(nèi)部流場發(fā)展更快，并提前到達較為穩(wěn)定的狀態(tài)，這與噴油規(guī)律得出的結(jié)論相對應(yīng)。

(a) 噴油壓力80 MPa

2.2 噴油壓力對噴油器噴油規(guī)律的影響

圖4為噴油脈寬為800 μs和2 500 μs時不同噴油壓力下的噴油規(guī)律規(guī)律測量結(jié)果，由圖4可知, 隨著噴油壓力的增大，噴油器各孔噴油速率也隨之增大，噴油速率上升的速率越快，斜率越大。當(dāng)噴油脈寬為800 μs時，噴油速率曲線為“三角波”趨勢,隨著噴油壓力的增大，各孔噴油速率峰值對應(yīng)時刻往后延遲，各孔噴油終點往后延遲，由4.12 ms(噴油壓力為80 MPa)延遲到4.72 ms(噴油壓力為160 MPa)。這說明在高噴射壓力下，針閥的響應(yīng)速度更快，可以達到更大的針閥升程，針閥打開時間延長，噴油持續(xù)期增大。當(dāng)噴油脈寬為2 500 μs，噴油速率隨著噴油壓力的增大而增大，但噴油持續(xù)期保持不變，這是由于噴油脈寬為2 500 μs時針閥有足夠的時間抬升并維持在最大升程處。噴油速率峰值對應(yīng)時刻隨著噴油壓力增大而提前，這同樣說明了高噴射壓力下，針閥的響應(yīng)速度更快，針閥可以更快到達穩(wěn)定狀態(tài)。

(a) 噴油脈寬為800 μs

圖5為噴油脈寬為800 μs和2 500 μs時不同噴油壓力下的流量系數(shù)。當(dāng)噴油脈寬為800 μs時，隨著噴油壓力的增加，流量系數(shù)最大值由0.55增大至0.80，噴嘴有效流通面積增大，空化效應(yīng)更弱，流量系數(shù)最大值對應(yīng)時刻往后延遲，噴油終點往后延遲，噴油持續(xù)期增大，這是由于噴油脈寬800 μs時，針閥并未達到最大升程。隨著噴油壓力的逐漸增加，在相同彈簧預(yù)緊力下，針閥運動達到的最大升程越大，從而導(dǎo)致燃油有效流通面積越大。當(dāng)噴油脈寬為2 500 μs時，在噴油初期，針閥的動態(tài)響應(yīng)越快，相同時間內(nèi)針閥升程越大，燃油流通面積越大，流量系數(shù)隨著噴油壓力的升高而增大，并且流量系數(shù)最大值對應(yīng)時刻提前。針閥全開穩(wěn)定階段，不同噴油壓力下流量系數(shù)差值相比于800 μs時減小，流量系數(shù)最大值由0.77增大至0.85，針閥穩(wěn)定階段時流量系數(shù)在0.8左右，針閥全開狀態(tài)下，噴嘴流量系數(shù)受壓力影響較小。而根據(jù)伯努利方程，噴油速率隨著噴孔兩端壓差的增大而增大，噴油壓力的升高對流量系數(shù)的影響小于對噴油規(guī)律的影響。

(a) 噴油脈寬為800 μs

2.3 噴孔直徑對噴油器噴油規(guī)律的影響

圖6為噴油壓力為140 MPa與160 MPa下噴油規(guī)律隨著噴孔直徑的變化?？梢钥闯?，隨著噴孔孔徑的增大，噴油速率增大，噴油器循環(huán)噴油量增大，但噴油速率持續(xù)期減小，噴油速率最大值對應(yīng)的時刻延遲，這是由于隨著針閥抬起過程中，受到噴孔直徑的限制，針閥上升階段后期，針閥升程對噴油速率的提高不再起主要作用。而隨著孔徑的增加，與噴孔截面面積相對應(yīng)的針閥密封錐面處燃油節(jié)流面積的變大，導(dǎo)致到達噴油速率最大值對應(yīng)時刻的針閥升程更大，所以噴油速率最大值對應(yīng)時刻延遲。噴孔直徑越大，噴油速率的波動越大，且噴油持續(xù)期內(nèi)下降的幅度越大。這是由于噴孔直徑越大，噴油速率越高，噴油器內(nèi)燃油量減少越快，導(dǎo)致噴油器內(nèi)壓力降低幅度越大，與此同時，噴孔直徑越大，噴油器針閥下落過程中受到的阻力越小，針閥落座速度大，噴油終點提前。

(a) 噴油壓力為140 MPa

圖7為噴油壓力為140 MPa與160 MPa下流量系數(shù)隨著噴孔直徑的變化，當(dāng)噴孔的直徑增大時，噴孔的流量系數(shù)增大，噴孔內(nèi)流量系數(shù)波動增大，流量系數(shù)最大值對應(yīng)時刻延遲，噴孔的燃油流通面積增大，空化效應(yīng)減弱。在160 MPa的壓力和dmm的直徑下，噴嘴的流量系數(shù)幾乎為1，這意味著噴嘴中空化效應(yīng)較弱。直徑的增加削弱了壁對燃料的限制，減小了噴孔內(nèi)低壓區(qū)域的形成，增加了燃油流通面積，噴孔噴油速率增大，并且空化現(xiàn)象減弱。

(a) 噴油壓力為140 MPa

3 結(jié)論

本文通過自行搭建的各孔噴油規(guī)律測試系統(tǒng)，并在測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性得到驗證的基礎(chǔ)上，測量了多孔噴油器各孔噴油規(guī)律。研究了噴油壓力，噴油脈寬以及不同噴孔直徑對噴油器噴油規(guī)律的影響。所得主要結(jié)論如下：

① 隨著噴油脈寬的增加，噴油速率和流量系數(shù)在噴油初期發(fā)展趨勢保持一致，噴油始點不變，噴油持續(xù)期增加。

② 隨著噴油壓力的增加，噴油速率和流量系數(shù)增大，噴嘴有效流通面積增大，空化效應(yīng)更弱。高壓力下針閥動態(tài)響應(yīng)更快并提前達到穩(wěn)定狀態(tài)。

③ 隨著噴嘴孔的直徑增大，噴孔的噴油速率與流量系數(shù)增大。噴油速率最大值對應(yīng)時刻延遲，噴油持續(xù)期減小。