防爆柴油機(jī)油腔噴射特性試驗(yàn)研究

張冬梅

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院， 山東煙臺(tái) 265500)

引言

礦井、巷道等工作環(huán)境存在大量的可燃?xì)怏w和易爆粉塵，因此動(dòng)力裝置必須滿足防爆要求。防爆柴油機(jī)作為重要的內(nèi)燃機(jī)設(shè)備，在無(wú)軌膠輪車、單軌吊、軌道牽引車等運(yùn)載裝備中有著非常重要的應(yīng)用[1-2]。防爆柴油機(jī)對(duì)工作溫度、壓力的要求十分嚴(yán)格，工作時(shí)油腔內(nèi)活塞將進(jìn)行高速往返直線運(yùn)動(dòng)，要求噴油速率穩(wěn)定，而且瞬時(shí)噴射速度需要大于活塞運(yùn)動(dòng)的最大速度，噴油溫度不超過(guò)90 ℃，最終尾氣通過(guò)相應(yīng)的排氣系統(tǒng)排出，溫度不超過(guò)70 ℃。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于油腔噴射特性的研究具有代表性的有：洪恩哲等[3]研發(fā)出一種油腔的共軌式電控噴射結(jié)構(gòu)，可有效提升噴射壓力并降低噪聲；王永龍等[4]設(shè)計(jì)的Servoijet蓄壓噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了油腔噴射過(guò)程中油液能量的儲(chǔ)存；清華大學(xué)研究的PPVI油腔噴系統(tǒng)在重載柴油機(jī)中有著良好的應(yīng)用效果。

油腔噴射特性對(duì)于防爆柴油機(jī)的極限工作能力有著關(guān)鍵的影響，為此，本研究采用試驗(yàn)方法研究噴油效率，分析噴油腔噴油溫度、噴油壓力與噴嘴噴射特性之間的關(guān)系，為防爆柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-7]與性能提升提供重要依據(jù)。

1 防爆柴油機(jī)油腔噴射理論

1.1 噴油動(dòng)量方程

油腔內(nèi)部的噴油結(jié)構(gòu)稱為噴嘴孔，一般設(shè)計(jì)為圓形結(jié)構(gòu)，能夠較為精確地控制噴油截面的對(duì)稱性。噴嘴孔與油腔入口端之間存在一定距離，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)于噴油的流場(chǎng)特性具有顯著的影響。噴油的流動(dòng)特性可通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)理論[8]進(jìn)行分析。

根據(jù)黏性流體的動(dòng)量守恒定律可知，油液噴射過(guò)程中截面上動(dòng)量始終為恒定值，其表達(dá)式為：

(1)

1.2 噴射模型構(gòu)建

油液的形態(tài)在噴射過(guò)程中是不斷變化的，為了研究噴射流場(chǎng)特性，建立噴射模型如圖1所示。其中，x軸方向?yàn)閲娚渚嚯x方向，y軸方向?yàn)閲娚鋵挾确较?。將?1)轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱形式：

(2)

圖1 噴射模型截面示意圖

國(guó)內(nèi)防爆柴油機(jī)對(duì)于噴嘴孔的安裝設(shè)計(jì)為垂直方向，有助于油液的冷卻和黏性流體的穩(wěn)定性，噴射截面可按照?qǐng)A形計(jì)算。

根據(jù)式(2)可從定量角度分析油腔噴油動(dòng)態(tài)特性。其中，無(wú)量綱速度量u+可表示為：

(3)

無(wú)量綱坐標(biāo)量y+可表示為：

(4)

式中，um為噴嘴孔的中心速度，m/s；R為噴射截面半徑，m。

為了解決現(xiàn)階段的不足，更及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行預(yù)警，本文以客戶交易過(guò)程交易數(shù)據(jù)為著手點(diǎn)開(kāi)展分析建模工作?？紤]到客戶使用電子銀行業(yè)務(wù)時(shí)，從點(diǎn)擊進(jìn)入功能開(kāi)始到此筆交易成功完成結(jié)束，交易過(guò)程中提交的所有數(shù)據(jù)信息記錄到應(yīng)用日志中。正?？蛻艚灰讜?huì)按照業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)在日志中形成正常交易序列，而惡意客戶在進(jìn)行功能探測(cè)時(shí)會(huì)嘗試破壞業(yè)務(wù)邏輯，通過(guò)黑客工具改變交易流程順序，形成一套不同于多數(shù)客戶的交易序列，而且交易時(shí)間間隔也與正常交易存在差異，可作為風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別特征。以某商業(yè)銀行的短信支付業(yè)務(wù)為例，功能主交易流程如下：

在理想條件下，可將采用半噴射截面作為噴射計(jì)算的參考對(duì)象，即以0.5um位置作為半寬標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的y坐標(biāo)即為半寬徑向坐標(biāo)?；谠撛?，通過(guò)合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)可有效地實(shí)現(xiàn)油液噴射運(yùn)動(dòng)特性的測(cè)試與分析。

1.3 捕捉率

為了研究噴嘴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油效率的影響，本研究引入捕捉率[9-11]參數(shù)CA，其表示噴油截面積與進(jìn)油截面積的比值，表達(dá)式為：

(5)

式中，Aj為噴油截面積，m2；An為進(jìn)油截面積，m2。

根據(jù)噴嘴孔的安裝特點(diǎn)可知，油液的噴射距離隨著活塞從下到上的運(yùn)動(dòng)逐漸增大，噴射截面積變大，捕捉率也升高，進(jìn)入油腔的油液增多。根據(jù)圖1所示的模型，可得出噴射截面半徑R的計(jì)算式為：

R=lx·tanθ+R0

(6)

式中，lx為噴油截面與進(jìn)油截面的間距，m；θ為油噴擴(kuò)散角，即單側(cè)噴油界線的夾角°。

從理論分析可知，假設(shè)活塞在理想條件下運(yùn)動(dòng)，忽略二階運(yùn)動(dòng)，噴油截面的大小主要取決于油噴擴(kuò)散角和噴射距離，而這兩參數(shù)均與捕捉率有關(guān)，因此可通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)捕捉率參數(shù)的影響進(jìn)行研究。

2 噴射特性試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

油液的捕捉率能夠衡量油腔內(nèi)的填充特性和噴油特性，其與多方面工作參數(shù)有關(guān)，其中，油腔內(nèi)油液的壓力和溫度是影響噴射特性的關(guān)鍵參數(shù)[12]。為此，本研究以壓力和溫度為單因素變量對(duì)油液的流動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。油液選用0號(hào)柴油，其密度為845 kg/m3，20 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為3.5 mm2/s。

油腔噴射試驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2a所示，主要包括機(jī)械噴油模擬臺(tái)和電氣控制臺(tái)兩部分。機(jī)械噴油模擬臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)包括控油閥、調(diào)壓閥、液壓控制系統(tǒng)、油腔、缸體、拉桿等，能夠較為準(zhǔn)確地模擬出防爆柴油機(jī)內(nèi)部油腔的噴油過(guò)程。為了便于觀察，設(shè)計(jì)油腔材料為耐熱透明塑料，通過(guò)3D打印成型，其整體結(jié)構(gòu)如圖2b所示。

對(duì)于溫度參數(shù)的控制，試驗(yàn)采用恒溫加熱管；對(duì)于油液壓力的控制，試驗(yàn)采用控油閥、調(diào)壓閥。在試驗(yàn)初，首先需要針對(duì)設(shè)備進(jìn)油口的位置定義坐標(biāo)系，設(shè)置圓形口工裝來(lái)模擬柴油機(jī)的噴嘴孔，兩者直徑一致，均為d0；然后，將打印后的透明油腔裝入透明缸體，并與工裝進(jìn)行同軸度安裝，如圖2c所示，此時(shí)，將油液引入油腔并安裝流量計(jì)；最后，根據(jù)傳感器標(biāo)定油壓、油溫和噴油速度，通過(guò)拉桿緩慢調(diào)節(jié)油腔垂直高度(模擬活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng))， 根據(jù)不同的試驗(yàn)條件找出油液在噴嘴孔的臨界發(fā)散位置(通過(guò)流量計(jì)得出)， 即噴嘴孔與進(jìn)油口之間的臨界距離l0，簡(jiǎn)稱臨界孔口間距，如圖2d所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)設(shè)計(jì)

在防爆柴油機(jī)中，一般設(shè)置有噴油的水冷卻系統(tǒng)[13]，因此實(shí)際的噴油溫度一般比冷卻前的噴油溫度低10 ℃。根據(jù)防爆柴油機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的工作要求，設(shè)置噴油壓力p和噴油溫度T的試驗(yàn)條件如表1所示。試驗(yàn)中油壓范圍為0.25～0.45 MPa，噴油溫度范圍為60～90 ℃。當(dāng)以油壓為單因素進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，溫度恒為75 ℃，當(dāng)以油溫為單因素進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，油壓恒為0.25 MPa。

表1 試驗(yàn)條件

在試驗(yàn)初始階段，油腔內(nèi)的油液為低溫狀態(tài)，需要進(jìn)行恒溫預(yù)熱。啟動(dòng)液壓系統(tǒng)后，調(diào)節(jié)各個(gè)控制閥[14]，控制油壓在試驗(yàn)條件內(nèi)。為了提高測(cè)試精度和可靠性，每次單因素試驗(yàn)測(cè)3次，取平均數(shù)作為最終測(cè)試結(jié)果。

對(duì)于捕捉率的測(cè)試，本研究將油液截面積轉(zhuǎn)化為噴油流量來(lái)計(jì)算，從而可得出試驗(yàn)方案中的捕捉率CQ為：

(7)

式中，Qj為噴油口流量，g/min；Qn為進(jìn)油口流量，g/min。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 孔口間距與捕捉率的關(guān)系

在油溫為75 ℃，油壓為0.25 MPa條件下，可得出不同孔口間距下的捕捉率變化特性如圖3所示?？梢钥闯觯弘S著孔口間距的增大，捕捉率逐漸呈下降趨勢(shì)；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合圖1和圖2d表達(dá)的噴射機(jī)理可知，當(dāng)lx<72 mm時(shí)，捕捉率始終保持在98%～100%之間，噴油效率非常高，但是超出臨界位置后，捕捉率急劇降低，特別是孔口間距在100～150 mm范圍內(nèi)時(shí)。通過(guò)計(jì)算可知，臨界時(shí)的油噴擴(kuò)散角約為0.45°。

捕捉率隨孔口間距的變化規(guī)律可為整個(gè)燃燒室的瞬態(tài)燃燒效率計(jì)算提供依據(jù)。在防爆柴油機(jī)工作時(shí)，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)除了會(huì)改變面積捕捉率，還將改變質(zhì)量捕捉率。由此也可看出，多曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，不同轉(zhuǎn)角位置的曲軸承受的載荷具有典型的非線性特點(diǎn)。

圖3 捕捉率與孔口間距關(guān)系

2) 溫度與臨界孔口間距的關(guān)系

不同溫度條件下的臨界孔口間距變化如圖4所示，可以看出：臨界孔口間距隨著油液溫度的升高表現(xiàn)出明顯的線性減小趨勢(shì)。這是由于油液屬于較為理想的黏性流體[15]，隨著預(yù)熱溫度的增大，油液的動(dòng)力黏度降低，噴油的發(fā)散性更為顯著，使得臨界孔口間距大大縮短，在恒定噴射壓力條件下近線性變化。隨著油液溫度的升高，油腔內(nèi)的平均填充率將減小，因此控制油溫是非常有必要的。

圖4 溫度與臨界孔口間距關(guān)系

3) 壓力與臨界孔口間距關(guān)系

不同噴油條件下的臨界孔口間距變化如圖5所示，可以看出：臨界孔間距同樣隨著噴油壓力的增大而減小，但與T-l0變化規(guī)律相比，線性趨勢(shì)并不明顯。

圖5 壓力與臨界孔口間距關(guān)系

目前，部分工程技術(shù)人員在噴油壓力控制上存在一定認(rèn)識(shí)誤區(qū)，認(rèn)為通過(guò)噴油壓力的提升可有效提升噴油效率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，該方案是不可行的。過(guò)大的噴油壓力將導(dǎo)致油液的油噴擴(kuò)散角變形或過(guò)大，導(dǎo)致油束發(fā)散嚴(yán)重，不符合噴嘴的最佳安裝設(shè)計(jì)要求[16]。

此外，噴射速度的計(jì)算表達(dá)式為：

(8)

式中，vj為噴射速度，m/s；A0為噴嘴孔位置處的噴油截面積，m2。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可推斷，在忽略活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的二階效應(yīng)下，垂直結(jié)構(gòu)的噴嘴孔在試驗(yàn)參數(shù)下的油噴擴(kuò)散角均較小。由此可見(jiàn)，噴油截面尺寸對(duì)于捕捉率的影響非常小，油腔的回流特性才是影響捕捉率的關(guān)鍵因素。

3 結(jié)論

防爆柴油機(jī)與其他動(dòng)力源相比具有體積小巧，使用方便、靈活性高等優(yōu)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)防爆柴油機(jī)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升其工作性能是工業(yè)生產(chǎn)的迫切需要。本研究采用試驗(yàn)方法模擬噴油過(guò)程，得出不同工作參數(shù)對(duì)油腔噴射特性的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 根據(jù)捕捉率隨孔口間距的變化規(guī)律可知，當(dāng)孔口間距小于臨界值時(shí)，捕捉率將穩(wěn)定地保持在98%～100%附近，噴油效率較高；

(2) 臨界孔口間距隨著油液溫度或噴油壓力的增大均表現(xiàn)出明顯減小趨勢(shì)，但隨溫度變化的線性特性更為明顯；

(3) 該試驗(yàn)方案可為防爆柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及工作性能的提升提供重要依據(jù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。