柴油机多孔喷油器各孔喷油规律及内部流动特性研究

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对于柴油机多孔喷油器,由于加工工艺的误差及结构和液力条件的不同,各孔间的喷油规律存在一定的差异。这将引起燃烧室内燃油不均匀的空间及时间分布,进而影响柴油机的燃烧和排放特性。当前常用的喷油规律测试设备和方法,虽可给出多孔喷油器总的喷油规律较为精确的测试结果,但对于各孔喷油规律间的可能差异,却难以提供较有价值的信息。虽已有相关学者对各孔喷油规律的测试设备和方法进行过相关研究,但当前经试验验证的、能够测量柴油机实际喷射过程、响应特性较好且易于应用的相关测试装置及方法还鲜见报道。当前,虽已有大量学者对喷嘴内的流动特性进行过相关模拟分析,但其研究主要集中于喷射条件、喷嘴结构参数、针阀的运动及不同的燃料等对喷嘴内流动特性的影响方面,且多是基于单孔喷嘴或各孔均布的多孔喷嘴进行的。由于加工工艺的误差及结构和液力条件的不同,柴油机多孔喷油器各孔的内部流动特性会存在一定的差异。然而,还鲜有人进行过上述相关研究。由于各孔内部流动特性的差异必然会导致各孔喷射特性的差异,进而影响各喷束的雾化、蒸发和混合,并最终影响发动机的整机性能,因此,很有必要对其进行系统研究。基于此,根据质量守恒定律、伯努利方程、喷孔出口平均流速和流量系数间的关系、流量系数和喷雾动量流间的关系及动量守恒理论等,提出了一种基于喷雾动量流的柴油机多孔喷油器各孔喷油规律瞬态测试方法。基于所提出的测试方法,搭建了各孔喷油规律瞬态测试台架,其中:采用具有较高响应特性的压电晶体力传感器对各孔的喷雾冲击力进行测试,与喷雾直接冲击的目标板通过螺纹拧紧在传感器的头部;通过磁性表座对力传感器-目标板组件进行固定,力传感器-目标板组件相对喷雾轴线的夹角及相对喷孔出口的距离是可调节的;采用自行开发的数据采集系统对相关数据进行测录;采用夹持在压力室上游喷油嘴外圆的外卡式压力传感器对喷油压力进行测试。在不同的运行工况下,试验验证了所提测试方法的可行性,并分析了测试台架结构参数对喷孔喷油规律测试的影响。建立了喷嘴内部流动的三维气液两相流空穴模型,并通过各孔喷油规律测试结果,对所建模型的预测精度进行了验证。通过试验和数值模拟相结合的方法,研究了燃油温度、喷孔结构参数及喷射条件对各孔喷油规律及其差异的影响,并分析了喷射条件和喷孔结构参数对各孔内部流动特性的影响。试验结果显示:利用所提出的测试方法,可对喷油器各孔的喷油规律进行较为精确的测试,当喷孔出口与目标板距离及目标板与喷雾轴线夹角分别为10mm和90°时,不同工况下基于各孔喷油规律测试结果得到的循环喷油量与实测值的相对误差均小于5%;当目标板与喷雾轴线夹角小于100°及喷孔出口与目标板距离小于12mm时,不同传感器位置处所测得的喷油规律曲线具有较高吻合度;对于多孔喷油器,喷孔轴线与针阀轴线夹角较大的喷孔,其喷油始点将推迟,喷油终点将提前,循环喷油量将变小;随着燃油温度的升高,各孔的喷油始点将逐渐推迟,喷油速率将逐渐降低,喷油持续期将逐渐变短,各孔的循环喷油量及其不均匀系数将逐渐降低。数值模拟结果表明:流入喷孔内的燃油包括由压力室上游流入的部分和由压力室底部流入的部分,但随着喷孔轴线与针阀轴线夹角的增加,进入喷孔的上述两部分燃油均逐渐减少,喷孔出口的平均流速逐渐降低;在针阀的开启阶段,针阀升程的增加对各孔内的空化效应均具有强化作用;在针阀的关闭阶段,随着针阀的下落,各孔内的空化效应也是略有增加的,且该现象在较小针阀升程时尤为明显;随着喷油压力和喷孔直径的增加,各孔内的空化效应均逐渐增强,但随着喷油背压、喷孔入口导圆半径及喷孔长度的增加,各孔内的空化效应均逐渐减弱。随着喷油压力、喷孔入口导圆半径及喷孔直径的增加,各孔的喷油速率和循环喷油量均逐渐提高;随着喷油背压和喷孔长度的增加,各孔的喷油速率和循环喷油量均逐渐降低;随着喷油压力、喷孔直径和喷孔长度的增加,各孔的流量系数均逐渐降低;随着喷油背压和喷孔入口导圆半径的增加,各孔的流量系数逐渐提高。
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