論述柴油機(jī)多孔噴油器各孔噴油規(guī)律及內(nèi)部流動(dòng)特性研究

尹國華 馬強(qiáng) 孫曉飛 胡守琦 于晉功

摘要：柴油機(jī)多孔噴油器各孔噴油規(guī)律是研究中的一大重點(diǎn)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，文章對柴油機(jī)多孔噴油器各孔噴油規(guī)律進(jìn)行差異分析，并建立相應(yīng)的三維模型，展開噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的特性研究。最后，文章對各孔噴油規(guī)律及內(nèi)部流動(dòng)特性模擬分析。

Abstract： The injection law of each hole of diesel engine porous injector is a major focus in the research， which has important application value and practical significance. This paper analyzes the difference of the injection law of each hole of diesel engine porous injector， establishes the corresponding three-dimensional model， and studies the flow characteristics in the nozzle. Finally， the paper simulates and analyzes the injection law and internal flow characteristics of each hole.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)多孔噴油器;內(nèi)部流動(dòng)特性;研究

Key words： diesel engine porous injector;internal flow characteristics;research

中圖分類號：TK421.42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0007-03

0? 引言

作為柴油機(jī)的關(guān)鍵部件，燃油噴油器噴嘴的工作特性直接關(guān)系到柴油機(jī)的燃燒過程。在高噴油壓力的作用下，噴嘴能夠以非常高的速度噴出燃油，并形成眾多的細(xì)小液滴共同組成噴霧油束[1]。同時(shí)，柴油機(jī)噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)也會顯著影響其下游的噴霧特性。在實(shí)際的研究過程中，需要充分考慮噴嘴的影響，噴嘴流動(dòng)的復(fù)雜性，也進(jìn)一步加強(qiáng)了噴霧的空氣動(dòng)力霧化機(jī)理的復(fù)雜性。探索柴油機(jī)多孔噴油器各孔噴油規(guī)律及內(nèi)部流動(dòng)特性，對于提高柴油機(jī)燃燒室的燃燒效率，和提升柴油機(jī)的節(jié)能效果，都具有重要價(jià)值。

1? 柴油機(jī)多孔噴油器各孔噴油規(guī)律

1.1 研究現(xiàn)狀

從目前柴油機(jī)各孔噴規(guī)律測試的相關(guān)研究上看，不斷有專家學(xué)者進(jìn)行論證、測試。例如，有專家指出，由于各孔加工工藝之間的誤差以及結(jié)構(gòu)和液力條件的差異，對于多孔噴油器而言，各孔之間的噴油規(guī)律存在顯著差異，而這種差異會使得燃油機(jī)內(nèi)部的燃燒室在燃油過程中出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒室內(nèi)部在時(shí)間和空間燃燒分布上出現(xiàn)不一樣的熱負(fù)荷，造成了燃燒排放的惡化[2]。針對這種情況，有人提出了形變測試法，這種測試主要是通過在各噴孔對應(yīng)的測試腔內(nèi)安裝有應(yīng)變儀的膜片，從而使得噴孔在燃油噴射的作用下，能夠產(chǎn)生一定的形變，來對各孔的瞬時(shí)噴油量進(jìn)行測試。測試時(shí)需要模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，為了達(dá)成這一條件，常常采用在測試腔內(nèi)部充滿燃油，并使其保持在一定的壓力狀態(tài)下，得出的測試結(jié)果是，能夠有比較好的零點(diǎn)穩(wěn)定性且對各個(gè)孔噴油規(guī)律的測試具有一定的可行性。在理論上，這套實(shí)驗(yàn)裝置有比較高的測量精度。但是，由于形變測試法需要在不同噴孔內(nèi)部設(shè)置獨(dú)立的測試系統(tǒng)，因此，難以進(jìn)行有效的應(yīng)用和推廣。

1.2 應(yīng)用價(jià)值

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，工業(yè)水平的不斷進(jìn)步，社會對于環(huán)保、節(jié)能提出了更高的要求。柴油機(jī)在長期的發(fā)展過程中，由于自身產(chǎn)熱效率高，同時(shí)轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)用廣，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，這些優(yōu)勢使得柴油機(jī)在社會生活領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]，但是由于能源危機(jī)的強(qiáng)化以及環(huán)保意識的不斷提升，柴油機(jī)如何更好地滿足節(jié)能、低碳、減排的要求，使柴能機(jī)能夠與新技術(shù)、新的燃燒系統(tǒng)、燃燒模式有效匹配，是柴油機(jī)未來發(fā)展中的重要思考點(diǎn)。

對于燃油噴射系統(tǒng)而言，其直接影響到柴油機(jī)的燃燒效率?？梢哉f，柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的研究過程，就是人們對于柴油機(jī)內(nèi)部噴油規(guī)律不斷調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制的發(fā)展過程。推進(jìn)柴油機(jī)內(nèi)部多孔噴油器各孔噴射規(guī)律及其內(nèi)部流動(dòng)特性的研究持續(xù)深入，使研究更深、更廣，能夠更好的實(shí)現(xiàn)提升燃燒率，更好地促成柴油機(jī)工作過程中的環(huán)保效果，并且在噴射規(guī)律和內(nèi)部流動(dòng)特性的研究過程中，也能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)工作過程中的燃油噴射過程有效優(yōu)化，使燃油噴霧與缸內(nèi)的空氣充分作用，強(qiáng)化燃燒過程[4]。這直接關(guān)系到柴油機(jī)的燃燒性能，以及噪聲污染物等的排放，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)保效益和社會效益。

1.3 測試方法

柴油機(jī)噴嘴內(nèi)的燃油流動(dòng)本身是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，具體如圖1所示。

在實(shí)驗(yàn)過程中，綜合前人的實(shí)驗(yàn)研究和研究需要，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的測試系統(tǒng)，其具體組成如圖2所示。

由于在實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行過程中，在一定程度上會受到電場與磁場的影響，這種影響如果超出了一定的范圍，就會造成傳感器-放大器輸出信號幅值受到影響，會造成相位畸變現(xiàn)象的產(chǎn)生，進(jìn)而使得整體測量精度不足[5]。因此要采取一定的抗干擾措施，首先，在外卡壓力傳感器和壓電晶體力傳感器中，要進(jìn)行烘干處理。其次，在傳感器放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間要采用屏蔽線進(jìn)行信號傳輸。

2? 柴油機(jī)多孔噴油器各孔噴油規(guī)律的差異分析

2.1 從噴油泵轉(zhuǎn)速的影響上看

當(dāng)處于不同的轉(zhuǎn)速之下，各孔噴射特性會出現(xiàn)顯著的變化，具體如圖3所示。由圖3可知，在相同的運(yùn)行工況之下，各種噴有規(guī)律的曲線，在整體形狀上保持基本一致，兩者呈現(xiàn)出正相關(guān)的發(fā)展態(tài)勢。但是需要注意的是，當(dāng)夾角不斷增大時(shí)，此時(shí)噴射孔在噴油起始點(diǎn)的位置上也逐漸出現(xiàn)了移動(dòng)，造成噴油終點(diǎn)前提，于是噴油持續(xù)期變短。分析這種現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，可以將其歸結(jié)于壓力作用，當(dāng)壓力在匯流作用的影響下，就會使得噴口的加工位置更加靠近壓力式的底部，相應(yīng)的造成入口處的噴油壓力增加。而當(dāng)夾角變小時(shí)，那么入口處的燃油流向轉(zhuǎn)向就逐漸變小，于是入口壓力的損失也更小。

2.2 從循環(huán)噴油量上看

循環(huán)噴油量與油泵轉(zhuǎn)速影響下的各孔噴油規(guī)律曲線基本相似，都是隨著噴孔軸線和針閥軸線夾角的增加，使得噴孔的噴油起點(diǎn)位置與其同步推遲，但由于其噴油終點(diǎn)也不斷提前，于是綜合作用之下，造成了整體的噴油持續(xù)期變短。當(dāng)循環(huán)噴油量處于較小時(shí)，各孔的噴油規(guī)律曲線，基本呈現(xiàn)典型的三角波形式。但是，當(dāng)供油齒桿的位置所表征的循環(huán)噴油量不斷增加，此時(shí)各孔的噴油規(guī)律曲線逐漸向矩形過渡。這是由于柴油機(jī)負(fù)荷的增加，噴油規(guī)律的形狀逐漸趨于飽滿。當(dāng)處于同一供油齒桿位置時(shí)，各個(gè)孔的相對噴油量有一定的變化，但是，就其總體而言，雖然供油齒桿位置所表征出來的循環(huán)噴油量在不斷增加，但是各孔的相對噴油量受到的影響有限，基本保持不變。

2.3 從燃油溫度上看

從當(dāng)前主流的燃油機(jī)燃燒過程和供油方式上看，大多采用缸內(nèi)直噴的供油方式，這種方式之下能夠?qū)⒏變?nèi)的燃油與空氣充分的燃燒混合，有利于保障并提升柴油機(jī)的燃燒效率。燃油溫度會導(dǎo)致相應(yīng)的體積彈性，模量密度及粘度等發(fā)生一定的變化，這些變量的變化又會影響到柴油的噴射效果。根據(jù)研究表明，燃油溫度變化，對于各孔噴射特性的影響，主要表現(xiàn)在噴油始點(diǎn)位置。當(dāng)然燃油溫度不斷升高時(shí)，各孔的噴油始點(diǎn)逐漸推遲，而這一階段噴油終點(diǎn)幾乎保持不變，相應(yīng)的噴油持續(xù)期逐漸變短。噴油始點(diǎn)的推遲主要是由于柴油體積彈性模量由于隨著燃油溫度的升高而逐漸變小，這使得柴油機(jī)內(nèi)部的可壓縮性進(jìn)一步增強(qiáng)，可壓縮性的增強(qiáng)使得柱塞腔內(nèi)油壓建立的過程放緩。并且，隨著燃油溫度的不斷提高，燃油的動(dòng)力粘性逐漸降低，而柴油機(jī)供油過程中需要柱塞腔偶件處獲得流量，而柱塞偶件的泄漏量顯著增加，又會導(dǎo)致柱塞套筒上的徑流孔節(jié)流效應(yīng)降低。隨著燃油溫度的升高，柴油內(nèi)部的可壓縮性逐漸提高，于是，高壓油管內(nèi)燃油壓力下降，而這一壓力的下降，又會直接導(dǎo)致噴油速率的降低，因此就會必然導(dǎo)致各孔循環(huán)噴油量的降低。

3? 各孔噴油規(guī)律及內(nèi)部流動(dòng)特性模擬分析

3.1 內(nèi)部流場下的各孔噴油規(guī)律

在實(shí)際的運(yùn)行過程中，各個(gè)孔之間的噴油規(guī)律存在著一定的差異。這昭示著各個(gè)孔內(nèi)由于在參數(shù)結(jié)構(gòu)上存在一定差異，于是會造成其內(nèi)部流場產(chǎn)生一定的影響，而這種孔內(nèi)部流場的差異也是各孔噴射特性以及其噴霧特性差異的產(chǎn)生原因。

當(dāng)處于同一針閥升程下，隨著噴孔軸線和針閥軸線夾角不斷增加，噴孔內(nèi)部空穴層的長度和厚度也都實(shí)現(xiàn)了增加。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是，當(dāng)噴孔軸線和針閥軸線夾角不斷增加時(shí)，燃油在工作過程中的，由壓力室流入噴孔的環(huán)節(jié)上，其流向轉(zhuǎn)變上逐漸增大。這造成了噴孔上邊緣分離現(xiàn)象加劇，尤其是入口附近的邊緣層，流動(dòng)損失逐漸提高。這種分離與流動(dòng)損失又會造成噴孔內(nèi)部。尤其是噴孔上邊緣處的附近壓力低于當(dāng)前溫度下燃油飽和蒸氣壓的區(qū)域的數(shù)量逐漸增加。而對于多孔噴油器內(nèi)部任意噴孔來說，當(dāng)針閥處于開啟階段時(shí)，隨著針閥升程的不斷增加，噴孔內(nèi)部空穴層的長度和厚度也均勻增加。當(dāng)燃油運(yùn)動(dòng)到針閥頭部與針閥座面間的狹隘通道這一環(huán)節(jié)時(shí)，分離現(xiàn)象縮減，相應(yīng)的節(jié)流損失逐漸降低。而當(dāng)針閥處于關(guān)閉階段，在針閥不斷下降的過程中，其內(nèi)部的空化效應(yīng)趨于穩(wěn)定，尤其是在一些較小針閥回程之下，這種現(xiàn)象格外突出。由于泵管嘴系統(tǒng)當(dāng)中針閥開啟過程中，燃油壓力室內(nèi)部的燃油壓力基本上是保持持續(xù)增加的發(fā)展態(tài)勢，而當(dāng)針閥處于關(guān)閉過程中，其壓力室內(nèi)部的燃油壓力也基本呈現(xiàn)出下降趨勢。因此，對于多孔噴油器來說，想要提升各孔內(nèi)部流動(dòng)特性的一致性，要盡可能的降低各孔軸線與針閥軸線之間差?yuàn)A角的差異性。

3.2 噴油壓力影響下的各孔噴油規(guī)律及內(nèi)部流場

在不同的噴油壓力和針閥升程之下，會使得各孔內(nèi)部的空穴分布出現(xiàn)一些差異。第一，當(dāng)處于相同的噴油壓力和針閥升程之下，隨著夾角的不斷增加，其內(nèi)部空噴孔內(nèi)空穴層的長度和厚度也不斷增加。第二，當(dāng)處于同一針閥升程下，無論在針閥的開啟還是關(guān)閉狀態(tài)，隨著噴油壓力的增強(qiáng)，都會使得各孔內(nèi)部的空化效應(yīng)得以提升。第三，在同一噴油壓力下。針閥的開啟，會導(dǎo)致各孔內(nèi)空化效應(yīng)的增強(qiáng)，而針閥關(guān)閉過程中，各孔內(nèi)部空化效應(yīng)基本不變。

當(dāng)處于不同的針閥升程和噴油壓力之下時(shí)，柴油機(jī)內(nèi)部噴孔在內(nèi)部的流速分布也存在一定的差異，具體表現(xiàn)如下。第一，當(dāng)噴油壓力和針閥升程相同時(shí)，隨著兩者夾角的增大，噴孔內(nèi)部的高流速區(qū)域逐漸減小，而低流速區(qū)域則呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于，當(dāng)兩者夾角增加時(shí)，燃油由壓力室流入噴孔時(shí)的流向轉(zhuǎn)速逐漸加劇，于是使得燃油流經(jīng)噴孔時(shí)，流動(dòng)損失顯著提升。第二，對于任意針閥升程，當(dāng)噴油壓力不斷提高時(shí)，各孔內(nèi)部的燃油流速都會得到顯著提升。第三，當(dāng)處于相同壓力狀態(tài)，在針閥處于開啟階段時(shí)，隨著針閥生成的增加，各孔內(nèi)部的燃油流速也會得到顯著提升。但是當(dāng)處于針閥關(guān)閉階段時(shí)，針閥的下落會導(dǎo)致各孔內(nèi)高流速區(qū)域顯著降低，低流速區(qū)域有所增加，于是整體的燃油流速有所下降。

3.3 噴油背壓影響下的各孔噴油規(guī)律及內(nèi)部流場

當(dāng)處于相同噴油壓力下，噴油背壓對于各孔噴油規(guī)律及其內(nèi)部流程的影響，與噴油壓力影響下的噴油規(guī)律和內(nèi)部流暢基本保持一致。在同一噴油背壓之下，隨著夾角的不斷增加，相應(yīng)的噴孔內(nèi)部空穴層的長度和厚度都有所增加，隨著噴油壓力的不斷增加，各孔內(nèi)部在空穴層上也出現(xiàn)了顯著變化。首先，在長度上逐漸變短，其次，在厚度上逐漸變薄?？梢詫⑦@現(xiàn)象總結(jié)為孔噴內(nèi)部空化效應(yīng)得到抑制。在相同的噴油背壓之下，噴孔軸線和針法軸線之間夾角的增大，會導(dǎo)致各孔內(nèi)部高流速區(qū)域的減小，低流速區(qū)域的增加，于是燃油流速逐漸降低。同時(shí)噴油背壓的增加，也會使得孔內(nèi)部的高流速區(qū)域減小，低流速區(qū)域增加，孔內(nèi)的燃油流速的降低。從平均分由速率上看，推油對壓的變化，對于主噴漆各孔的平均噴油速率影響不大，整體而言是負(fù)相關(guān)的影響。從流量上看，理論上講，噴油背壓的增加，會導(dǎo)致各孔的實(shí)際流量和理論流量均有所下降。

3.4 噴孔入口導(dǎo)圓影響下的各孔噴油規(guī)律及內(nèi)部流場

當(dāng)噴孔入口導(dǎo)圓半徑不斷增加時(shí)，各孔內(nèi)部的空穴效應(yīng)逐漸減弱。這種現(xiàn)象的具體表現(xiàn)是空穴層長度變短，厚度變薄。同時(shí)，需要注意的是此時(shí)最大氣相體積分?jǐn)?shù)也逐漸變小。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是由于噴孔入口導(dǎo)圓半徑的增加，當(dāng)燃油開展從壓力室向噴孔的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，噴孔入口附近的流向轉(zhuǎn)變減弱。但是由于這一部分的交界處難以與壁面有效分離，進(jìn)而使得整體的流動(dòng)損失降低，壓減減弱，從而各孔內(nèi)部的空化效應(yīng)降低。也正是由于這種原因，當(dāng)噴孔入口導(dǎo)圓半徑增加時(shí)，各孔內(nèi)空穴層的起始點(diǎn)逐漸向噴孔下移推進(jìn)。當(dāng)噴孔軸線和針閥軸線之間夾角較小時(shí)，其噴孔內(nèi)部的空化效應(yīng)會更加敏感。此外，噴口內(nèi)部氣相部分的流速，是明顯低于液相部分的流速。從流速上看，在處于同一入口導(dǎo)圓半徑之下的情況下，當(dāng)噴孔軸線和針閥軸線間夾角不斷增大時(shí)，噴孔內(nèi)部的狀態(tài)是，高流速區(qū)域逐漸減小，而低流速區(qū)域逐漸增加，綜合作用之下整體的燃油流速下降。當(dāng)噴孔內(nèi)部導(dǎo)圓半徑增加時(shí)，各孔內(nèi)部的循環(huán)噴油量也會有顯著的增加，這種現(xiàn)象與噴孔入口導(dǎo)圓半徑對主噴期各孔平均噴油速率和平均流量系數(shù)的影響相一致。同時(shí)也可以看出，隨著噴孔入口導(dǎo)圓半徑的不斷增加，各孔循環(huán)噴油量間的不均勻系數(shù)也得到了明顯的降低。由此可知，當(dāng)噴孔入口導(dǎo)圓半徑增加時(shí)，噴孔間的噴射一致性是顯著提升的，也即是說，噴孔內(nèi)燃油流動(dòng)的一致性也是顯著提升的。

4? 小結(jié)

從研究可知主要結(jié)論如下：①當(dāng)任一針閥升程下的噴孔。隨著噴孔軸線與針閥軸線之間夾角的增大，進(jìn)入噴孔的部分燃油呈現(xiàn)出降低的趨勢，入口流速降低。②當(dāng)處于相同的噴射條件和針閥升程的狀態(tài)之下，噴孔軸線和針閥軸線之間夾角越大增大，其風(fēng)口內(nèi)部的空化效應(yīng)就顯著增強(qiáng)，兩者呈現(xiàn)正向關(guān)，而此時(shí)平均流速和循環(huán)噴油量都逐漸降低。③隨著噴油背壓的增加，各孔內(nèi)的空化效應(yīng)逐漸降低。④隨著噴孔入口導(dǎo)圓半徑的增加，孔內(nèi)的空化效應(yīng)降低，空穴從起點(diǎn)位置向下移動(dòng)。⑤當(dāng)噴孔長度不斷增加時(shí)，孔內(nèi)在空化發(fā)生的起始位置上，基本保持不變，但是在噴孔出口處的空化效應(yīng)逐漸降低。⑥噴孔直徑的增加，會強(qiáng)化各孔內(nèi)空化效應(yīng)，同時(shí)空穴區(qū)域也會更加趨近于噴孔中間位置。

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