基于長管法的多次噴射噴油規律研究

隨著排放法律法規的嚴格規定和能源危機問題的加劇，原油主缸的高壓公共傳輸系統在原油中得到了廣泛應用。原油的燃燒模式主要是擴散和燃燒。大多數燃料在燃燒后流入油藏，并在空氣中混合和燃燒。燃料的燃燒和霧中燃燒對發動機的燃燒質量有很大影響。多次噴射策略能夠優化燃油的霧化過程,改善柴油機的工作特性,目前得到了大量的研究和應用.如通過預噴能夠提高主噴時缸內的溫度和壓力,縮短滯燃期,降低燃燒噪聲和NO關于噴油規律的測試主要有定容積法、壓力升程法、計算法和長管法,如SunwooKim等為此,筆者結合高壓共軌噴油系統,對長管法進行拓展研究,使其能夠進行多次噴射噴油規律測量;然后對多種2次和3次噴射方式進行噴油規律研究,闡明噴射間隔和噴射脈寬等參數對噴油規律的影響;最后對單次和3次噴射方式進行噴霧特性研究,提出一個新的量化指標——霧束平均燃空當量比來對比和評價不同多次噴射策略下的噴霧特性,并對多次噴射噴霧特性的影響因素進行探討,期望對多次噴射策略的研究能具有一定的促進意義.1試驗系統與試驗研究1.1噴油器參數測試噴油規律測試系統如圖1所示.電機拖動高壓油泵往共軌管中泵油;噴油器的噴油過程由控制電路所發出的噴油信號所控制;從噴油嘴噴射出的燃油噴射入充滿燃油的細長管中,同時在噴嘴出口附近安裝有壓電式壓力傳感器,該傳感器采集噴射過程產生的壓力波(包括原始波和反射波),通過對壓力波進行分析和計算后可以得到噴油規律和噴油量等信息.測試設備主要有壓電式壓力傳感器和數據采集卡,其型號分別是Kistler6125和研華818,研究用的噴油器參數如表1所示.1.2燃油中聲速a與測試壓力波t的關系基于非穩定流中的一元壓力波理論,噴射過程中噴油速率隨時間變化的規律(即噴油規律)式中:A為細長管的截面積;u為燃油在細長管中的流速.u與測試得到的壓力波p(t)關系為式中:a是燃油中的聲速;ρ為燃油密度.噴油速率的最終計算公式為由于壓力波在燃油和細長管中傳播的速度不同,聲速a需要作修正式中:E為燃油的彈性模量;E將噴油速率隨噴射時間進行積分計算可以得到積分噴油量式中:t噴射過程產生的原始壓力波在節流閥的作用下會產生反射波,在對波形進行采集時會得到原始壓力波和反射波,其中原始壓力波用于分析和計算得到噴油速率和積分噴油量.申理等1.3寬下相對誤差根據測試得到的噴油規律按照式(6)計算得到的積分噴油量與試驗實測(連續噴射100次取平均)的平均噴油量相對比如圖4所示.通過結合積分噴油量和平均噴油量進行計算,得到相對誤差不同噴射壓力和噴油脈寬下的相對誤差結果如圖5所示,大部分噴油脈寬條件下,相對誤差在±5%以內的;只是在小噴油脈寬(小于0.4,ms)和大噴油脈寬(大于0.9,ms)條件下,相對誤差較大(但也不超過±10%).這主要是由于小噴油脈寬時,噴油器的電磁閥未能完全開啟,壓力波信號相對較弱,同時壓力波在長管中傳播時受到黏性阻力的影響,從而導致計算得到的積分噴油量小于平均噴油量,相對誤差呈現出負值;而隨著噴油脈寬的增大(尤其是大于0.9,ms以后),每次噴射出的油量較大,在實測過程中對共軌管內燃油壓力的穩定有一定的影響,導致實測的平均噴油量值偏低,從而相對誤差出現正值.總體而言該測試系統具有較好的準確性.1.4噴射噴油規律測試測試研究的內容如表2所示,為了研究噴射間隔對噴油規律的影響,設定噴射間隔分別為0.5,ms、1.0,ms、1.5,ms、2.0,ms和2.5,ms,進行兩次噴射噴油規律測試;其次固定噴射間隔為1.5,ms,而第1次噴射體積分數分別為10%、30%和50%,進行不同噴射體積分數的兩次噴射噴油規律測試;然后對3種不同的3次噴射方式(遞增式、凸峰式和均布式)進行噴油規律測試;最后結合單次和3種不同的3次噴射方式,進行宏觀噴霧試驗研究.測試研究過程中噴油壓力固定為100,MPa,總噴射量均保持為16.5,mm2研究結果2.1噴射間隔的影響為了研究噴射間隔對噴油規律的影響,第1次和第2次噴油信號脈寬保持不變.當設定的噴射間隔為1.5,ms時,在該脈寬模式下第1次和第2次噴油體積分數分別為30%和70%.圖6所示當設定的噴射間隔從0.5,ms增加到2.5,ms,第1次的噴油速率基本一致.對于第2次噴射而言,當噴射間隔為0.5,ms和1.0,ms時,噴射間隔相對較小,受到電磁閥關閉延遲的影響,當第1次噴射還未完全結束時,第2次噴射已經開始,所以兩次噴油過程重疊在一起,并且其第2次的噴油速率明顯大于噴射間隔為1.5~2.5,ms時的第2次噴油速率.在設定的噴射間隔為1.5,ms、2.0,ms和2.5,ms時,第1次和第2次噴射過程沒有發生重疊,并且第2次噴射的噴油速率基本一致且不受噴射間隔的影響.從圖6可知,實際的兩次噴射之間的間隔均小于所設定值,如設定的噴射間隔分別為1.5,ms、2.0,ms和2.5,ms,而實際噴射間隔分別為0.33,ms、0.75,ms和1.2,ms,這可能是電磁閥的關閉具有一定的電液延遲所導致的.為了保證相鄰噴射過程不出現重疊,并且每次噴射出的燃油體積能夠精確控制,后續研究的噴射間隔均設定為1.5,ms.2.2噴射體積分數對噴油速率的影響噴射間隔固定為1.5,ms,第1次噴射體積分數從10%增大到50%,第2次噴射體積分數相應為90%、70%和50%,其噴油規律對比如圖7所示.對每次噴射過程而言,噴油速率的峰值隨著噴射體積分數的增大而增大,并且第1次噴射時此現象更為明顯;每次噴射的噴油持續時間也隨著設定的噴油體積分數的增大而增大;實際噴射間隔隨著噴射體積分數的增大而減小,分別為0.48,ms、0.33,ms和0.18,ms.對于第1次噴射體積分數為10%的噴射方式,第1次噴射的噴油速率不同于其他兩種方式,噴油速率曲線的斜率明顯較小,主要是設定的噴油脈寬太小,電磁閥沒有完全開啟所致.2.33次噴射的噴油規律設定的3次噴射方式,按照每次噴射體積分數的分布模式特點分別為遞增式、凸峰式和均布式,如圖8a所示.這3種3次噴射方式下的噴油規律如圖8b所示,每次噴射過程中的噴油速率和噴油持續時間均隨設定的噴射體積分數增大而增大,變化趨勢基本和兩次噴射相似.2.43霧束平均燃空分量比式為進一步探討多次噴射方式所具有的特征,特對3次噴射方式和單次噴射方式進行了宏觀噴霧試驗,試驗系統如圖9所示,所涉及的設備參數見文獻[9].對比研究的宏觀噴霧特征參數有貫穿距、霧束的體積和霧束平均燃空當量比.噴霧的貫穿距定義如圖10所示.霧束的體積是指噴霧所占的空間大小,它能夠很好地反映燃油卷吸周圍氣體效果.霧束體積計算是沿著噴霧軸線X方向(如圖10所示)進行掃描,取X霧束平均燃空當量比是指在霧束中的燃油和所卷吸的空氣的質量比與理論燃空當量比的比值,其能夠很好地評價霧束整體霧化、空氣卷吸和混合效果.霧束平均燃空當量比式中:ρ當φ<1時,表明霧束整體霧化和混合效果良好,并有利于燃料完全燃燒;當φ>1,表明霧束整體霧化和混合效果較差,且不利于燃料的完全燃燒.式(9)提出需要滿足的假設:1)由于噴霧試驗過程溫度較低(300,K),可以忽略燃油噴射過程的燃油蒸發到霧束外部空間,假定噴射出來的燃油完全混合在霧束中;2)噴霧試驗過程背景氣體為氮氣,實際霧束卷吸的氣體為氮氣,但在計算中將此體積用等熱力學狀態的空氣替代.宏觀噴霧試驗過程中,噴油壓力固定為100,MPa,背景氣體壓力為1.1,MPa,環境溫度為300,K,單次和3次噴射方式下總噴油量均設定為16.5,mm圖11a給出3次噴射和單次噴射的霧束貫穿距的對比,3次噴射方式下的第1次噴霧發展過程和單次噴射基本相似,其貫穿距隨著設定的噴射體積分數的增大而增大.3次噴射方式中的第2和第3次噴射過程由于受到前一次的霧束運動的影響,霧束發展過程受到背景氣體的阻滯作用減少,貫穿距迅速增大,增大的速度超過第1次和單次噴射方式.圖11b給出了霧束體積的對比,3次噴射方式下的霧束體積的變化趨勢與貫穿距相似,第3次噴射過程中霧束體積增大的最快,并且隨著噴射體積分數的增大而迅速增大.圖11c給出了霧束平均燃空當量比的對比,對于3次噴射方式由于噴射過程分成3段,每次噴射的燃油較少,霧束平均燃空當量比較單次噴射有很大的降低(基本都在1以下),這樣通過多次卷吸空氣和與空氣混合,霧化的綜合效果更好.其中均布式的3次噴射方式在每次噴射過程的霧束平均燃空當量比均最小,綜合霧化和混合效果最好.2.5體積v的測定霧束平均燃空當量比φ的計算式(9)進行簡化為這是由于ρ通過Q的計算式(6)可知其隨著噴油速率和噴射脈寬的增大而增大.而當噴射動量(其隨噴油速率和脈寬的增大而增大)增大時霧束可以卷吸更多空氣,霧束體積V也將越大;結合上述對Q和V的分析可知,二者均隨著噴油速率和噴射脈寬的增大而增大,所以φ受噴油速率和脈寬的影響較為復雜,具體還是取決于這兩個因素分別對Q和V影響的程度.圖11b所示后1次噴射過程中霧束的發展會快于前1次,即霧束體積V隨著噴射次數的增大而迅速增大,而Q基本不受噴射次數的影響.結合圖11c中每次噴射過程中φ的變化趨勢可知,φ會隨著噴射次數的增大而減小,隨著噴射次數的繼續增加(如4次或5次噴射),φ將繼續減小,霧束的混合效果會隨之變得更好.但是具體何種噴射策略下的霧化和混合效果最好,還需要結合不同噴射策略下的噴油速率和噴射脈寬分別對Q、V和φ的影響來進行分析和判斷.3噴射體積分數對霧束產生的影響(1)通過對比平均噴油量和積分噴油量,發現大部分噴油脈