羅福強，孫雨，王楚翹，金天宇

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 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重，相關法規(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)組成的關鍵部件，噴嘴內部流動影響缸內噴霧的發(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]。因此對噴油器結構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]。在柴油機設計過程中，噴油特性非常重要[8]，因此國內外學者對各孔噴油規(guī)律的測試設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]和激光多普勒風速法[14]。但由于噴嘴結構差異、加工過程中產生誤差，以及各噴孔內部針閥運動偏心，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致燃料在時間及空間上的分布不均，從而影響燃燒品質，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，根據動量守恒定律，得出燃油噴霧沖擊力與噴霧動量通量的關系，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。測試結果表明：汽油與柴油的噴霧動量與噴油壓力相關，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)。研究結果表明：當針閥上升和下落階段時，噴孔內壓力波動較大，流量系數(shù)的波動十分明顯，而當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)，根據各孔循環(huán)噴油量驗證了測試臺架的準確性，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板距離的延長時間。

噴嘴內部的瞬時流量可表達為

(4)

根據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，通過角度調節(jié)旋鈕調節(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板表面，通過調節(jié)螺桿長度控制傳感器目標板表面與噴孔出口處的距離L，噴霧測試柜內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)境對采集結果的影響，同時防止噴霧溢散，保證試驗的安全性。通過細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生電荷信號，并將信號輸入電荷放大器轉換放大輸出為電壓信號，電壓信號經數(shù)據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。當噴油壓力為160 MPa時，可以得到與80 MPa相似的結論，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)液力響應不變，所以不同脈寬下針閥開啟噴孔時刻相同，關閉時刻往后延遲，噴油脈寬僅影響噴孔關閉時刻。當噴油脈寬為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，噴孔內部空化趨于一致。當噴油壓力為160 MPa時，結論于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)律得出的結論相對應。

(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，空化效應更弱，流量系數(shù)最大值對應時刻往后延遲，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，在相同彈簧預緊力下，針閥運動達到的最大升程越大，從而導致燃油有效流通面積越大。當噴油脈寬為2 500 μs時，在噴油初期，針閥的動態(tài)響應越快，相同時間內針閥升程越大，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的針閥密封錐面處燃油節(jié)流面積的變大，導致到達噴油速率最大值對應時刻的針閥升程更大，所以噴油速率最大值對應時刻延遲。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，噴油器內燃油量減少越快，導致噴油器內壓力降低幅度越大，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，當噴孔的直徑增大時，噴孔的流量系數(shù)增大，噴孔內流量系數(shù)波動增大，流量系數(shù)最大值對應時刻延遲，噴孔的燃油流通面積增大，空化效應減弱。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較弱。直徑的增加削弱了壁對燃料的限制，減小了噴孔內低壓區(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)的準確性得到驗證的基礎上，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，空化效應更弱。高壓力下針閥動態(tài)響應更快并提前達到穩(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時刻延遲，噴油持續(xù)期減小。