基于長管法的多次噴射噴油規(guī)律研究

基于長管法的多次噴射噴油規(guī)律研究

隨著排放法律法規(guī)的嚴(yán)格規(guī)定和能源危機(jī)問題的加劇，原油主缸的高壓公共傳輸系統(tǒng)在原油中得到了廣泛應(yīng)用。原油的燃燒模式主要是擴(kuò)散和燃燒。大多數(shù)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(fā)動機(jī)的燃燒質(zhì)量有很大影響。多次噴射策略能夠優(yōu)化燃油的霧化過程,改善柴油機(jī)的工作特性,目前得到了大量的研究和應(yīng)用.如通過預(yù)噴能夠提高主噴時(shí)缸內(nèi)的溫度和壓力,縮短滯燃期,降低燃燒噪聲和NO關(guān)于噴油規(guī)律的測試主要有定容積法、壓力升程法、計(jì)算法和長管法,如SunwooKim等為此,筆者結(jié)合高壓共軌噴油系統(tǒng),對長管法進(jìn)行拓展研究,使其能夠進(jìn)行多次噴射噴油規(guī)律測量;然后對多種2次和3次噴射方式進(jìn)行噴油規(guī)律研究,闡明噴射間隔和噴射脈寬等參數(shù)對噴油規(guī)律的影響;最后對單次和3次噴射方式進(jìn)行噴霧特性研究,提出一個(gè)新的量化指標(biāo)——霧束平均燃空當(dāng)量比來對比和評價(jià)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(jìn)行探討,期望對多次噴射策略的研究能具有一定的促進(jìn)意義.1試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)研究1.1噴油器參數(shù)測試噴油規(guī)律測試系統(tǒng)如圖1所示.電機(jī)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(fā)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(xì)長管中,同時(shí)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(chǎn)生的壓力波(包括原始波和反射波),通過對壓力波進(jìn)行分析和計(jì)算后可以得到噴油規(guī)律和噴油量等信息.測試設(shè)備主要有壓電式壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡,其型號分別是Kistler6125和研華818,研究用的噴油器參數(shù)如表1所示.1.2燃油中聲速a與測試壓力波t的關(guān)系基于非穩(wěn)定流中的一元壓力波理論,噴射過程中噴油速率隨時(shí)間變化的規(guī)律(即噴油規(guī)律)式中:A為細(xì)長管的截面積;u為燃油在細(xì)長管中的流速.u與測試得到的壓力波p(t)關(guān)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(jì)算公式為由于壓力波在燃油和細(xì)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(shí)間進(jìn)行積分計(jì)算可以得到積分噴油量式中:t噴射過程產(chǎn)生的原始壓力波在節(jié)流閥的作用下會產(chǎn)生反射波,在對波形進(jìn)行采集時(shí)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(jì)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(jù)測試得到的噴油規(guī)律按照式(6)計(jì)算得到的積分噴油量與試驗(yàn)實(shí)測(連續(xù)噴射100次取平均)的平均噴油量相對比如圖4所示.通過結(jié)合積分噴油量和平均噴油量進(jìn)行計(jì)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(jié)果如圖5所示,大部分噴油脈寬條件下,相對誤差在±5%以內(nèi)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(shí),噴油器的電磁閥未能完全開啟,壓力波信號相對較弱,同時(shí)壓力波在長管中傳播時(shí)受到黏性阻力的影響,從而導(dǎo)致計(jì)算得到的積分噴油量小于平均噴油量,相對誤差呈現(xiàn)出負(fù)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(shí)測過程中對共軌管內(nèi)燃油壓力的穩(wěn)定有一定的影響,導(dǎo)致實(shí)測的平均噴油量值偏低,從而相對誤差出現(xiàn)正值.總體而言該測試系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性.1.4噴射噴油規(guī)律測試測試研究的內(nèi)容如表2所示,為了研究噴射間隔對噴油規(guī)律的影響,設(shè)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(jìn)行兩次噴射噴油規(guī)律測試;其次固定噴射間隔為1.5,ms,而第1次噴射體積分?jǐn)?shù)分別為10%、30%和50%,進(jìn)行不同噴射體積分?jǐn)?shù)的兩次噴射噴油規(guī)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(jìn)行噴油規(guī)律測試;最后結(jié)合單次和3種不同的3次噴射方式,進(jìn)行宏觀噴霧試驗(yàn)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(jié)果2.1噴射間隔的影響為了研究噴射間隔對噴油規(guī)律的影響,第1次和第2次噴油信號脈寬保持不變.當(dāng)設(shè)定的噴射間隔為1.5,ms時(shí),在該脈寬模式下第1次和第2次噴油體積分?jǐn)?shù)分別為30%和70%.圖6所示當(dāng)設(shè)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(dāng)噴射間隔為0.5,ms和1.0,ms時(shí),噴射間隔相對較小,受到電磁閥關(guān)閉延遲的影響,當(dāng)?shù)?次噴射還未完全結(jié)束時(shí),第2次噴射已經(jīng)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(shí)的第2次噴油速率.在設(shè)定的噴射間隔為1.5,ms、2.0,ms和2.5,ms時(shí),第1次和第2次噴射過程沒有發(fā)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(shí)際的兩次噴射之間的間隔均小于所設(shè)定值,如設(shè)定的噴射間隔分別為1.5,ms、2.0,ms和2.5,ms,而實(shí)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(guān)閉具有一定的電液延遲所導(dǎo)致的.為了保證相鄰噴射過程不出現(xiàn)重疊,并且每次噴射出的燃油體積能夠精確控制,后續(xù)研究的噴射間隔均設(shè)定為1.5,ms.2.2噴射體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)從10%增大到50%,第2次噴射體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)為90%、70%和50%,其噴油規(guī)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?jǐn)?shù)的增大而增大,并且第1次噴射時(shí)此現(xiàn)象更為明顯;每次噴射的噴油持續(xù)時(shí)間也隨著設(shè)定的噴油體積分?jǐn)?shù)的增大而增大;實(shí)際噴射間隔隨著噴射體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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(shè)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(guī)律設(shè)定的3次噴射方式,按照每次噴射體積分?jǐn)?shù)的分布模式特點(diǎn)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(guī)律如圖8b所示,每次噴射過程中的噴油速率和噴油持續(xù)時(shí)間均隨設(shè)定的噴射體積分?jǐn)?shù)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(jìn)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(jìn)行了宏觀噴霧試驗(yàn),試驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示,所涉及的設(shè)備參數(shù)見文獻(xiàn)[9].對比研究的宏觀噴霧特征參數(shù)有貫穿距、霧束的體積和霧束平均燃空當(dāng)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(jì)算是沿著噴霧軸線X方向(如圖10所示)進(jìn)行掃描,取X霧束平均燃空當(dāng)量比是指在霧束中的燃油和所卷吸的空氣的質(zhì)量比與理論燃空當(dāng)量比的比值,其能夠很好地評價(jià)霧束整體霧化、空氣卷吸和混合效果.霧束平均燃空當(dāng)量比式中:ρ當(dāng)φ<1時(shí),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(dāng)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(shè):1)由于噴霧試驗(yàn)過程溫度較低(300,K),可以忽略燃油噴射過程的燃油蒸發(fā)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(yàn)過程背景氣體為氮?dú)?實(shí)際霧束卷吸的氣體為氮?dú)?但在計(jì)算中將此體積用等熱力學(xué)狀態(tài)的空氣替代.宏觀噴霧試驗(yàn)過程中,噴油壓力固定為100,MPa,背景氣體壓力為1.1,MPa,環(huán)境溫度為300,K,單次和3次噴射方式下總噴油量均設(shè)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(fā)展過程和單次噴射基本相似,其貫穿距隨著設(shè)定的噴射體積分?jǐn)?shù)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(yùn)動的影響,霧束發(fā)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?jǐn)?shù)的增大而迅速增大.圖11c給出了霧束平均燃空當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)量比φ的計(jì)算式(9)進(jìn)行簡化為這是由于ρ通過Q的計(jì)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(dāng)噴射動量(其隨噴油速率和脈寬的增大而增大)增大時(shí)霧束可以卷吸更多空氣,霧束體積V也將越大;結(jié)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(fù)雜,具體還是取決于這兩個(gè)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(fā)展會快于前1次,即霧束體積V隨著噴射次數(shù)的增大而迅速增大,而Q基本不受噴射次數(shù)的影響.結(jié)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(shù)的增大而減小,隨著噴射次數(shù)的繼續(xù)增加(如4次或5次噴射),φ將繼續(xù)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(jié)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(jìn)行分析和判斷.3噴射體積分?jǐn)?shù)對霧束產(chǎn)生的影響(1)通過對比平均噴油量和積分噴油量,發(fā)現(xiàn)大部分噴油脈