仇滔，馮祥，雷艷，代賀飛，徐慧，張傳霞

(1.北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100124;2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100081)

0 引言

柴油機(jī)噴油器的燃油霧化性能直接影響著混合氣的形成和缸內(nèi)的燃燒過程，而噴嘴內(nèi)部燃油流動(dòng)特性又是影響燃油霧化的關(guān)鍵因素之一［1］。針對(duì)噴嘴內(nèi)部燃油的流動(dòng)，研究者開展了大量的研究:何志霞等［2］通過數(shù)值模擬和噴嘴可視化試驗(yàn)系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)噴嘴流量系數(shù)會(huì)隨著進(jìn)口壓力的增加而減少;張軍等［3］通過多維數(shù)值模擬的方法對(duì)不同類型噴嘴內(nèi)部空化流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)增加出口壓力對(duì)空化起抑制作用;王忠遠(yuǎn)等［4］通過對(duì)噴嘴的可視化試驗(yàn)研究，分析了空化過程的影響因素。文獻(xiàn)［5］通過實(shí)驗(yàn)得出噴孔的流量系數(shù)和空化數(shù)的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 流量系數(shù)與空化數(shù)的關(guān)系Fig.1 Discharge coefficient versus cavitation parameter

圖1中，Cd為噴嘴流量系數(shù)，空化數(shù)K 為與壓差有關(guān)的無量綱參數(shù)，K 的定義為

式中:pi為入口壓力(MPa);pv為飽和蒸汽壓力(MPa);po為出口壓力(MPa).

文獻(xiàn)［6］也得出過與圖1類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，然而該文獻(xiàn)認(rèn)為出口壓力po遠(yuǎn)小于入口壓力pi，因此出口壓力不需考慮。所以，研究只關(guān)注入口壓力的影響?，F(xiàn)代柴油機(jī)為了提高效率，壓縮比不斷提高，進(jìn)氣壓力也在不斷增加，同時(shí)，預(yù)噴使得主噴起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)壓力很高，實(shí)際噴油器的出口壓力不斷增加［7］，因此，柴油機(jī)燃油噴射特性必須考慮出口壓力的影響。本文通過AKRIBISⅡ燃油噴射計(jì)量儀測量了高壓共軌噴油器在不同出口壓力下的噴油規(guī)律，分析了不同出口壓力對(duì)噴嘴流量的影響。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置:搭建高壓共軌油泵試驗(yàn)臺(tái)，采用德國BOSCH 公司生產(chǎn)的高壓共軌噴油器為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)噴油器瞬態(tài)流量及噴射壓力、出口壓力進(jìn)行測量。采用Kistler 壓力傳感器測量噴油器噴射壓力，意大利INO8V 公司生產(chǎn)的AKRIBISⅡ燃油噴射計(jì)量儀測量噴油率。試驗(yàn)時(shí)，高壓共軌噴油器噴射的燃油噴入AKRIBISⅡ燃油噴射計(jì)量儀燃油室內(nèi)，同時(shí)燃油的沖擊使燃油室的活塞移動(dòng)，經(jīng)活塞下部的位移傳感器測出位移量，再經(jīng)過換算可以測得噴油量、噴油率等數(shù)據(jù)。為了測試不同出口壓力對(duì)噴射特性的影響，該試驗(yàn)裝置通過氮?dú)馄可系恼{(diào)壓閥，可以改變?nèi)加褪覂?nèi)的壓力，即改變噴油器的出口壓力。高壓油泵試驗(yàn)臺(tái)架原理圖如圖2所示，試驗(yàn)設(shè)備的參數(shù)如表1所示。

圖2 噴油試驗(yàn)裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of fuel injection test rig

表1 試驗(yàn)設(shè)備Tab.1 Test apparatus

噴油特性試驗(yàn)是在不同工況下進(jìn)行。固定油泵轉(zhuǎn)速為500 r/min，依次改變油泵流量調(diào)節(jié)閥將軌壓保持在40 MPa 和90 MPa，并調(diào)節(jié)氮?dú)馄可系恼{(diào)壓閥，使噴油器出口壓力分別為2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa;試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)工況下噴油器噴油3 次，加電時(shí)間保持3 ms，為保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)工況下重復(fù)10 次試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖3 入口壓力40 MPa、出口壓力2 MPa 時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results at injection pressure of 40 MPa and outlet pressure of 2 MPa

圖4 單次噴射放大后的試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Enlarged test results of single injection

針對(duì)一系列的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，由于不同工況下的試驗(yàn)結(jié)果趨勢比較相近，本文僅以其中一個(gè)工況(噴射壓力40 MPa，出口壓力2 MPa)時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果為例，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的說明。圖3為入口壓力40 MPa、出口壓力2 MPa 時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。圖4為單次噴射放大后的試驗(yàn)結(jié)果。由圖4可見，噴油時(shí)，噴油率曲線可大致分成噴油器針閥開啟初期Ⅰ、針閥全開階段Ⅱ、針閥關(guān)閉階段Ⅲ共3 個(gè)階段。其中:在開啟初期、針閥關(guān)閉2 個(gè)階段中，針閥處于上升和下降過程，導(dǎo)致噴油率迅速變化;在針閥完全開啟的階段Ⅱ中，針閥保持位移不變，噴油率趨于穩(wěn)定。在研究噴油器的噴射特性時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免由于針閥的移動(dòng)對(duì)噴油率造成的影響［8］，為了消除這種針閥運(yùn)動(dòng)帶來的波動(dòng)影響，本文的數(shù)據(jù)分析只針對(duì)全開階段的結(jié)果，而不考慮階段Ⅰ和階段Ⅲ中的數(shù)據(jù);對(duì)于每次噴射，階段Ⅱ的取值時(shí)域均為1 ms，對(duì)階段Ⅱ中所有數(shù)據(jù)求取平均值。圖5(a)和圖5(b)分別為軌壓40 MPa 和90 MPa 時(shí)，不同出口壓力下10 次試驗(yàn)的平均噴油率計(jì)算結(jié)果。圖6為兩組工況下噴油率相對(duì)誤差的計(jì)算結(jié)果。由圖6可見，在不同的出口壓力下，每次噴油率試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差均不超過1%，說明這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)有良好的穩(wěn)定性和代表性。

2.2 出口壓力對(duì)噴油特性的結(jié)果分析

根據(jù)圖1的結(jié)果，可知K 小于2，一般為空化流動(dòng)，且K 越小，空化越顯著。本文試驗(yàn)K 取1.02 ～1.17，遠(yuǎn)小于2，說明在本文試驗(yàn)結(jié)果中，噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)出現(xiàn)空化。

圖5 平均噴油率Fig.5 Average fuel delivery rate

圖6 相對(duì)誤差Fig.6 Relative errors

圖7為入口壓力分別為40 MPa 和90 MPa 時(shí)噴油率隨出口壓力的試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可見:當(dāng)入口壓力分別保持40 MPa 和90 MPa 不變時(shí)，出口壓力從2 MPa 增加到8 MPa，噴油率變化不顯著，說明該試驗(yàn)工況下，出口壓力不再影響噴油率;當(dāng)出口壓力相同時(shí)，入口壓力由40 MPa 提升到90 MPa，噴油率顯著增加，這表明在該工況下，入口壓力對(duì)噴油率有顯著影響。

圖7 出口壓力對(duì)噴油率的影響Fig.7 The effect of back pressure on fuel delivery rate

根據(jù)噴嘴流量系數(shù)的定義

式中:qv為體積流率，即噴油率(mm3/ms);A 為噴孔的幾何截面積(m2);ρ 為燃油密度(kg/m3)。

由(2)式可得到流量系數(shù)隨出口壓力的變化曲線結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，在入口壓力分別保持為40 MPa 和90 MPa 不變時(shí)，隨著出口壓力的增加，流量系數(shù)增加。

圖8 流量系數(shù)隨出口壓力的變化Fig.8 Variation of discharge coefficient with back pressure

3 結(jié)論

本文采用一套出口壓力可調(diào)的試驗(yàn)裝置，研究了出口壓力對(duì)柴油機(jī)高壓共軌噴油器噴油量的影響，得出以下結(jié)論:

1)噴射入口壓力不變，出現(xiàn)空化流動(dòng)時(shí)，由于噴嘴內(nèi)部空化流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻塞現(xiàn)象，出口背壓不影響噴油率。

2)噴油器進(jìn)出口壓力對(duì)流量系數(shù)有較大影響，出口壓力的提高使空穴流動(dòng)程度減弱，流量系數(shù)增加。

References)

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［2］何志霞，柏金，王謙，等. 柴油機(jī)噴嘴內(nèi)空穴流動(dòng)可視化試驗(yàn)與數(shù)值模擬［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(11):6 -9.HE Zhi-xia，BAI Jin，WANG Qian，et al. Visualization experiment and numerical simulation for cavitating flow in a diesel injector nozzle［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2011，42(11):6 -9. (in Chinese)

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