出口壓力對柴油噴油器流量特性影響的試驗研究

仇滔，馮祥，雷艷，代賀飛，徐慧，張傳霞

(1.北京工業大學 環境與能源工程學院，北京100124;2.北京電動車輛協同創新中心，北京100081)

0 引言

柴油機噴油器的燃油霧化性能直接影響著混合氣的形成和缸內的燃燒過程，而噴嘴內部燃油流動特性又是影響燃油霧化的關鍵因素之一［1］。針對噴嘴內部燃油的流動，研究者開展了大量的研究:何志霞等［2］通過數值模擬和噴嘴可視化試驗系統研究，發現噴嘴流量系數會隨著進口壓力的增加而減少;張軍等［3］通過多維數值模擬的方法對不同類型噴嘴內部空化流動特性進行了研究，發現增加出口壓力對空化起抑制作用;王忠遠等［4］通過對噴嘴的可視化試驗研究，分析了空化過程的影響因素。文獻［5］通過實驗得出噴孔的流量系數和空化數的關系，如圖1所示。

圖1 流量系數與空化數的關系Fig.1 Discharge coefficient versus cavitation parameter

圖1中，Cd為噴嘴流量系數，空化數K 為與壓差有關的無量綱參數，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［6］也得出過與圖1類似的實驗結論，然而該文獻認為出口壓力po遠小于入口壓力pi，因此出口壓力不需考慮。所以，研究只關注入口壓力的影響。現代柴油機為了提高效率，壓縮比不斷提高，進氣壓力也在不斷增加，同時，預噴使得主噴起始時刻對應的缸內壓力很高，實際噴油器的出口壓力不斷增加［7］，因此，柴油機燃油噴射特性必須考慮出口壓力的影響。本文通過AKRIBISⅡ燃油噴射計量儀測量了高壓共軌噴油器在不同出口壓力下的噴油規律，分析了不同出口壓力對噴嘴流量的影響。

1 試驗

試驗裝置:搭建高壓共軌油泵試驗臺，采用德國BOSCH 公司生產的高壓共軌噴油器為試驗對象，對噴油器瞬態流量及噴射壓力、出口壓力進行測量。采用Kistler 壓力傳感器測量噴油器噴射壓力，意大利INO8V 公司生產的AKRIBISⅡ燃油噴射計量儀測量噴油率。試驗時，高壓共軌噴油器噴射的燃油噴入AKRIBISⅡ燃油噴射計量儀燃油室內，同時燃油的沖擊使燃油室的活塞移動，經活塞下部的位移傳感器測出位移量，再經過換算可以測得噴油量、噴油率等數據。為了測試不同出口壓力對噴射特性的影響，該試驗裝置通過氮氣瓶上的調壓閥，可以改變燃油室內的壓力，即改變噴油器的出口壓力。高壓油泵試驗臺架原理圖如圖2所示，試驗設備的參數如表1所示。

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

表1 試驗設備Tab.1 Test apparatus

噴油特性試驗是在不同工況下進行。固定油泵轉速為500 r/min，依次改變油泵流量調節閥將軌壓保持在40 MPa 和90 MPa，并調節氮氣瓶上的調壓閥，使噴油器出口壓力分別為2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa;試驗時，每個工況下噴油器噴油3 次，加電時間保持3 ms，為保證測量數據的可靠性，每個工況下重復10 次試驗。

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

圖3 入口壓力40 MPa、出口壓力2 MPa 時的試驗結果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結果Fig.4 Enlarged test results of single injection

針對一系列的試驗結果進行了數據處理，由于不同工況下的試驗結果趨勢比較相近，本文僅以其中一個工況(噴射壓力40 MPa，出口壓力2 MPa)時的試驗結果為例，進行數據處理的說明。圖3為入口壓力40 MPa、出口壓力2 MPa 時的試驗結果。圖4為單次噴射放大后的試驗結果。由圖4可見，噴油時，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、針閥關閉階段Ⅲ共3 個階段。其中:在開啟初期、針閥關閉2 個階段中，針閥處于上升和下降過程，導致噴油率迅速變化;在針閥完全開啟的階段Ⅱ中，針閥保持位移不變，噴油率趨于穩定。在研究噴油器的噴射特性時，應當避免由于針閥的移動對噴油率造成的影響［8］，為了消除這種針閥運動帶來的波動影響，本文的數據分析只針對全開階段的結果，而不考慮階段Ⅰ和階段Ⅲ中的數據;對于每次噴射，階段Ⅱ的取值時域均為1 ms，對階段Ⅱ中所有數據求取平均值。圖5(a)和圖5(b)分別為軌壓40 MPa 和90 MPa 時，不同出口壓力下10 次試驗的平均噴油率計算結果。圖6為兩組工況下噴油率相對誤差的計算結果。由圖6可見，在不同的出口壓力下，每次噴油率試驗結果的相對誤差均不超過1%，說明這些試驗數據有良好的穩定性和代表性。

2.2 出口壓力對噴油特性的結果分析

根據圖1的結果，可知K 小于2，一般為空化流動，且K 越小，空化越顯著。本文試驗K 取1.02 ～1.17，遠小于2，說明在本文試驗結果中，噴嘴內部的流動出現空化。

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

圖6 相對誤差Fig.6 Relative errors

圖7為入口壓力分別為40 MPa 和90 MPa 時噴油率隨出口壓力的試驗結果。由圖7可見:當入口壓力分別保持40 MPa 和90 MPa 不變時，出口壓力從2 MPa 增加到8 MPa，噴油率變化不顯著，說明該試驗工況下，出口壓力不再影響噴油率;當出口壓力相同時，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，入口壓力對噴油率有顯著影響。

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

根據噴嘴流量系數的定義

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)式可得到流量系數隨出口壓力的變化曲線結果如圖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，隨著出口壓力的增加，流量系數增加。

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

3 結論

本文采用一套出口壓力可調的試驗裝置，研究了出口壓力對柴油機高壓共軌噴油器噴油量的影響，得出以下結論:

1)噴射入口壓力不變，出現空化流動時，由于噴嘴內部空化流動會導致流動阻塞現象，出口背壓不影響噴油率。

2)噴油器進出口壓力對流量系數有較大影響，出口壓力的提高使空穴流動程度減弱，流量系數增加。

References)

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