柴油机单孔喷油嘴喷雾特性试验研究

柴油机单孔喷油嘴喷雾特性试验研究

近年来，排放法律法规日益严格，柴油行业面临着重大挑战。柴油嘴是燃料系统和炉之间的一个重要接口。共轨系统的高压喷射与传统的喷油系统相比有很多优势,如控制喷油定时和喷油持续期的灵活性等,更重要的是高压喷射的雾化特性比较好,压力不受制于转速,可以灵活调整.共轨系统已被认为是目前最有前途的供油系统.喷油嘴喷孔倒锥度这一新技术伴随着电火花加工技术的进步而得以实现.针对喷雾的结构和燃油的雾化在柴油机上的作用,国内外研究人员采取了各种可视化的试验手段在定容弹中模拟缸内燃油喷雾进行了大量的研究商用的多孔喷油嘴对于分析研究某一孔的雾化特性并不合适,因为其它孔的油束会干涉并沾污可视化窗口.笔者用的喷油嘴是专门设计加工的单孔小压力室喷油嘴,喷油嘴的针阀头部为两级台阶,密封后的压力室容积符合小压力室喷油嘴标准.在无锡油泵油嘴研究所开发的共轨系统上采用阴影法来研究油束头部贯穿距离、喷雾锥角和投影面积等宏观特性参数.1喷雾的宏观特性和物理特性图1为EFS-ITV28喷雾台架试验示意,在底面和侧面安装有两个石英窗和高速像机,光源由高亮的LED灯提供.电磁喷油器的触发由专门的电流模块IPOD驱动,驱动峰值电流为12,A,保持电流为6,A.控制单元依据电脑人机界面的指令对各执行部件进行操作,如电机转速、润滑油压力、输油泵压力、轨内压力和喷油时刻等参数.容弹设计的最大承压为5.2,MPa,并安装限压阀.由于氮气的物理性质稳定,选用纯度大于98%的工业普氮,PID控制容弹内氮气的压力,以满足设定要求.容弹内的温度恒定为(20±2),℃.该喷雾台架油束图片的获取如图2所示,即摄像机从不同的喷雾中得到一定序列延迟的图像,从而组成了喷雾的序列.该方法默认每次循环喷油都是相同的,但是由于空气扰动和喷油系统本身的稳定性,不可能完全相同,因此,每个既定时刻拍摄3张照片,图像处理后得到平均值.由于商品化的共轨系统喷油嘴不适合喷雾宏观特性的研究,需要从基础的单孔喷油嘴入手,针对目前采用更多喷孔数目、更小喷孔直径以及采用带有倒锥度喷孔喷油嘴使用的趋势,在PoslauxHP4-EDM机床加工了不同孔径和不同锥度的喷油嘴.该机床做过大量的喷油嘴和孔板的加工,其精度和稳定性都很好,在国内应用比较广泛.麦克鲁那(Mycrona)蓝系列高精度坐标测量仪,具有光学和接触式测头,可以测量微型圆孔的直径和圆度,也可以测量喷油嘴各孔的角度.喷油嘴加工以后进行检测,来判断实际加工是否满足设计意图.液体挤压研磨是继电火花之后喷孔加工的又一工艺,它能磨蚀喷孔入口的棱边,而此处正是流动速度最高点,它能提高流量系数,有利于发动机的匹配应用,还能减小喷油嘴与喷油嘴之间的流量误差,有一定的预磨损,可使喷油嘴性能在整个使用寿命期内有较高的稳定性和一致性试验油泵试验台架和喷雾试验台架用油均为校泵油,试验设备见表1.校泵油物理特性和检验标准如表2所示,与轻柴油的密度和运动黏度都很接近,可以替代柴油来研究喷油嘴的喷雾特性.喷雾试验的校泵油温度为(40±2),℃.2参数定义和分析2.1喷雾图像的k值集成图和喷雾锥角喷孔的锥度也就是Bosch定义的K系数式中:直径φ的下标inlet和outlet代表喷孔的入口和出口,mm.图3给出了试验用的3个不同的K值图例.数据处理运用Matlab图像处理工具编制程序,将得到的喷雾图像与背景图片相减除去干扰得到清晰的图像,然后二值化,通过阈值取边界计算得到.贯穿距离为观察到的喷雾液相距离喷嘴出口的最远距离.喷雾锥角的定义有多种,贯穿距离60%处对应的喷雾锥角2.2孔径和k系数对喷油前流量系数的影响根据Mycrona公司微孔测量仪上测量结果,喷油嘴在挤压前后,喷油嘴出口孔径仅有稍微变大,但不明显,挤压研磨后喷孔直径φ的检测结果见表3.测得挤压研磨前后喷油嘴在10,MPa下高压流量试验结果,并根据测量的孔径计算得到挤压研磨后的高压流量系数和流量系数提高的分数.图5a是相同K系数挤压研磨前后孔径对高压流量系数的影响,图5b是相同孔径挤压研磨前后K系数对高压流量系数的影响.挤压研磨可以提高流量系数10%~15%.试验的单孔喷油嘴发现,减小喷孔直径,流量系数有减小的趋势,这是由于喷孔直径太小,相比于相同的喷油嘴体壁面厚度,其长径比迅速增大.另外,电极放电产生的喷孔内表面具有一定的粗糙度,喷孔表面的不平度相对于越来越小的直径而言,表面粗糙度对燃油流动的影响变得越来越明显.因此,在发动机配机试验时,孔数较多的喷油嘴要达到发动机同等功率需要的流量,在考虑持续期的基础上,喷油嘴孔径的选择需要作适当的调整.锥形喷孔对于流量系数的影响非常大,原来机械钻孔的时候,钻头的磨损、变形总是出现正锥度孔,而且流量系数比较小为0.6~0.7,随着电火花加工技术的进步,已经能够加工倒锥度喷孔,经过挤压研磨后喷油嘴的高压流量系数已达到0.93.2.3喷油规律和针阀升程喷油规律反映了喷油持续期的长短、喷油速率和喷油量等信息.图6是轨压为120,MPa、控制脉宽为1.2,ms的喷油规律和针阀升程.由于电磁共轨喷油器的针阀关闭需要一定的时间,实际的喷油持续期约为1.9,ms,由于共轨系统的特性基本如此,此处仅举例K=2、φ2.4喷药时间的图像图7是K=-1.4,出口孔径为0.159,mm的喷油嘴在环境压力为5,MPa(密度为53.7,kg/m3喷孔对喷雾宏观特性的影响宏观特性包括喷雾贯穿距离、喷雾锥角和油束在视窗的投影面积.喷雾状态稳定以后喷油持续期对宏观特性影响不大,下面就固定喷油控制脉宽为1.2,ms来分析喷孔直径、轨压、喷孔K系数和环境压力等对喷雾宏观特性的影响.3.1环境压力对宏观特性的影响图8是喷油嘴出口孔径为0.158,mm、K=2及轨压为120,MPa时,不同的环境压力(即密度)对贯穿距离、喷雾锥角和油束在视窗投影面积等宏观特性参数的影响.在相同温度下不同的环境压力会造成容弹内的密度变化,密度随着环境压力的增加而增大.根据N3.2喷雾的面积分布共轨系统轨压的调整相当方便,可以通过压力传感器和高压油泵的泵油角度反馈控制轨压到设定值.图9是K=2、出口孔径为0.158,mm及环境密度为53.7,kg/m头部贯穿距离和喷雾的面积关系比较明显,随着轨压的提高,贯穿距离和喷雾的面积都增大.但喷雾锥角在喷油开始后存在一定的变化,在开始的时候由于燃油液核的存在,油束还没有雾化,喷雾在有限的时间内发展的距离长,造成了喷雾锥角减小,但随着时间的延续,轨压的提高带来空气的卷吸效应开始显现,喷雾锥角变大并趋于稳定,但差别并不大.3.3环境密度对环境质量的影响由于电火花加工不可能保证锥度等参数完全相同,因此,对于不同孔径的比较上默认其锥度差别不大,不影响试验的结果.图10是K=0、环境密度为53.7,kg/m3.4流量系数和k系数排放法规愈来愈严格,倒锥度喷油嘴的使用也越来越普遍.因此很有必要了解K系数喷油嘴对喷雾特性的影响.图11是出口孔径为0.158,mm、轨压为120,MPa及环境密度为32.3,kg/m从图11可以看出,倒锥度喷油嘴与正锥度喷油嘴相比,贯穿距离和投影的面积增大,喷雾锥角减小.对于相同出口直径,倒锥度喷孔喷油嘴的内部穴蚀减小,恶化了出口附近的破碎情况,但流量系数得以迅速提高.这是由于出口直径相同,但入口直径差别很大,而流动过程中的节流和内部的穴蚀依赖于喷孔的几何尺寸,因此出口直径相同,却会造成流量和喷雾特性差别.结合图5b流量系数与K系数的关系和图10喷孔直径对喷雾特性的影响可以看出,具有相同高压流量但流量系数高且喷孔出口直径更小的喷油嘴,能克服K系数增大带来贯穿距离增大和喷雾锥角减小的不利因素;更小出口直径的喷油嘴更易与空气混合,雾化特性更好.表面粗糙度和喷孔入口圆角对喷雾特性也有影响,但目前的加工和检测技术还不能反映其真实情况,因此对这方面的研究还停留在模拟计算阶段.另外,本试验对于喷雾贯穿距离和喷雾投影面积的反映比较客观,但参数对喷雾锥角的影响上差别并不明显,这是因为环境空气流动、喷油嘴内部流动和燃油系统存在循环变动,本试验台默认油束相似的基础并不可靠,因而虽然进行了3次平均,但在喷雾锥角的处理上得到的曲线并不光顺.如果能够高速摄影拍摄单孔单次喷射的燃油喷雾历程,这样的试验数据就更为客观.在评价燃油雾化情况时,雾化的微观特性也非常重要,特别是喷雾液滴的大小、在空间的分布以及浓度场的分布,但受制于试验设备的原因没有能够同时测得.4醇类喷孔喷雾宏观特性的影响(1)设计加工了喷油嘴喷雾需要的单孔喷油嘴,检测了喷孔的入口、出口尺寸和喷孔的锥度.挤压研磨了喷油嘴并测试了喷油嘴的高压流量,挤压研磨能够提高流量系数10%~15%.(2)试验研究了不同背压下,不同的单孔燃油喷雾的头部贯穿距离、喷雾锥角和投影面积等宏观特性.用Matlab编程处理的结果能够清楚地反映燃油的喷雾特性.(3)增大喷孔直径和K