周期供油氣動霧化噴嘴噴霧特性試驗研究

朱志新，何小民，吳澤俊，金 義，丁國玉

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

周期供油氣動霧化噴嘴噴霧特性試驗研究

朱志新，何小民，吳澤俊，金 義，丁國玉

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

為滿足小型無人機用活塞發(fā)動機對航空煤油霧化效果的要求，設(shè)計了某新型氣動霧化噴嘴并進行了霧化性能試驗研究。該噴嘴的結(jié)構(gòu)主要由電磁直射噴嘴、氣-液混合室和空氣噴嘴3部分組成。試驗分別對電磁直射噴嘴和空氣噴嘴進行了流量標定，研究了噴油脈寬t1、時間延時t2、噴氣脈寬t3和噴氣壓力對燃油霧化性能的影響，得出噴油脈寬減小、噴氣脈寬增加、噴氣壓力增大均可提高霧化質(zhì)量，最佳值處于t1=2ms，t2=1ms，t3=5ms時，此時 DSM＜10μm。

噴嘴；霧化特性；試驗；航空煤油；活塞發(fā)動機；燃燒

0 引言

當把小功率活塞發(fā)動機配裝于艦艇用飛行器上時，為保證安全和燃料后勤保障的統(tǒng)一性，有必要把汽油改成航空煤油等安全性更高的燃料。由于煤油與汽油的霧化特性有很大差別，用煤油代替汽油后，將會帶來一些技術(shù)問題,如導(dǎo)致點火困難和燃燒完全性差，關(guān)鍵技術(shù)難點是煤油如何從液態(tài)變成氣態(tài)和形成均勻混氣，否則發(fā)動機可能不能完成點火，即使點著了其燃燒效率也不會高。燃料改換為煤油后為保證其性能，要研究適合煤油的供油方案。煤油的霧化效果是供油方案中的關(guān)鍵問題，設(shè)計出的噴嘴必須適合以煤油為燃料的活塞發(fā)動機。

國外許多研究單位針對以煤油代替汽油后所帶來的關(guān)鍵問題提出了許多解決方案，如法國石油研究所開發(fā)的 IAPAC（InjectionAssisetedParAir Comprime）和SCIP系統(tǒng)，澳大利亞澳必托公司開發(fā)的OCP（Orbital Combustion Process）系統(tǒng)，美國福特汽車研究所開發(fā)的AFI（Air-Forced Injection）系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都是利用夾氣的方法改善了噴油系統(tǒng)并取得良好效果。而目前國內(nèi)相關(guān)研究較少，且處于研究的初始階段。

本文針對國外航空煤油活塞發(fā)動機的發(fā)展動態(tài)，分析其發(fā)展趨勢，借鑒其發(fā)展思路，初步設(shè)計了1種活塞發(fā)動機用新型氣動霧化噴嘴，利用高速流體的氣動力對燃油進行霧化。試驗研究了燃油霧化性能隨噴油脈寬t1、時間延時t2、噴氣脈寬t3和空氣噴嘴噴氣壓力的變化的一般規(guī)律，為研究Rotax914活塞發(fā)動機用煤油噴油器提供了參考，為煤油供油方案的研究和確定奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗?zāi)Ｐ汀⒎桨负蜏y試系統(tǒng)

1.1 噴嘴模型和工作原理

本文設(shè)計的周期供油氣動霧化噴嘴組裝如圖1所示。該噴嘴由3個主要部件組成：電磁直射噴嘴、燃油-空氣混合室和空氣噴嘴。其中電磁直射噴嘴計量一定量的燃油送入混合室，空氣噴嘴再將燃油-空氣混合物噴入內(nèi)燃機汽缸中組織燃燒。

噴嘴工作時，空氣-燃油混合室內(nèi)空氣壓力為P0，燃油進口壓力為P1，在內(nèi)外壓差P1-P0作用下，燃油由電磁直射噴嘴計量噴入空氣-燃油混合室，打擊在底部針閥壁面上形成液膜。打開空氣噴嘴，液膜在高速氣流的氣動力作用下產(chǎn)生波動和皺褶，分離出液體碎片或細絲，產(chǎn)生1級霧化。

空氣噴嘴的開關(guān)由電磁閥的開關(guān)控制。電磁閥不工作時，不產(chǎn)生吸力，針閥在彈簧彈性力作用下壁面1與壁面2線接觸，阻止流體流出，空氣噴嘴關(guān)閉；電磁閥工作時，產(chǎn)生吸力，針閥受到吸力向下移動一固定距離，此時在針閥壁面1與壁面2之間形成收縮—擴張通道，空氣流速在通道喉道處能夠達到臨界狀態(tài)。上游產(chǎn)生的燃油顆粒在此縮放通道內(nèi)進一步與空氣相互作用，破碎成更細小的液珠，產(chǎn)生2級霧化。經(jīng)過2級霧化后的細小液珠被吹入汽缸內(nèi)組織燃燒。

1.2 試驗測量系統(tǒng)

霧化試驗系統(tǒng)主要由Winner312工業(yè)噴霧激光粒度分析儀、燃油噴霧室、油路、氣路和電腦分析系統(tǒng)組成，如圖2所示。霧化空氣由空氣瓶提供，燃油則通過油泵從油桶抽出，經(jīng)過減壓閥流進輸油管道，最后由霧化噴嘴噴入測量區(qū)域。

試驗時，噴嘴進口燃油壓力、進口空氣壓力分別由各自的減壓閥調(diào)節(jié)?？諝饬髁客ㄟ^浮子流量計測定。

噴嘴霧化粒徑和均勻度分布指數(shù)均由Winner312工業(yè)噴霧激光粒度分析儀測定，通過計算機測量軟件進行數(shù)據(jù)處理。Winner312工業(yè)噴霧激光粒度分析儀包括激光發(fā)射和接收單元，基于激光前向散射原理。激光顆粒測量原理如圖3所示。當1激光束照射到被測量液滴時，受液滴的散射作用，激光會向四面八方散射，其中大部分光能量處于前向方向，散射光能的分布與被測液滴的大小有關(guān)，采用專門設(shè)計的扇形多元光電探測器測出前向散射光能的分布，根據(jù)光散射理論和反演算法對測得的散射光能分布數(shù)據(jù)進行處理，得到被測液滴的粒徑大小和粒徑分布。

1.3 試驗方案設(shè)定

在建立的燃油噴嘴霧化試驗系統(tǒng)上進行霧化性能試驗。根據(jù)噴嘴在不同工況下的燃油霧化效果總結(jié)出影響燃油霧化性能的主要因素。由于該噴嘴主要設(shè)計用于Rotax914活塞式航空發(fā)動機，因此噴嘴的工作過程具有周期性，這一功能由控制程序控制。控制過程：打開電磁直射噴嘴，計量一定量的燃油噴入空氣-燃油混合室中，噴油脈寬為t1（即1個周期內(nèi)噴油持續(xù)時間），時間延時t2（即噴油結(jié)束到噴氣開始的時間間隔）后再打開空氣噴嘴噴氣，噴氣脈寬為t3。噴嘴試驗現(xiàn)場如圖4所示。

霧化試驗主要從以下幾方面來研究:

（1）氣動霧化噴嘴的流量特性曲線標定。試驗參數(shù)：噴嘴工作周期為 20ms（6000r/min）。

（2）研究不同t1、t2和t3對燃油霧化性能的影響。試驗參數(shù)：噴油壓力為0.8MPa，噴氣壓力為0.6 MPa，周期為 20ms。

（3）研究不同噴氣壓力對霧化性能的影響。試驗參數(shù)：周期為20ms，噴油壓力與噴氣壓力壓差0.2MPa，t1=4ms，t2=1ms。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 氣動霧化噴嘴流量特性標定

（1）燃油噴嘴流量特性標定。給定噴嘴燃油進口壓力分別為0.2MPa和0.315MPa，噴嘴工作周期為20ms，噴油 2000 次，t1從 1ms變化到 10ms，標定噴油量的變化如圖5所示。

（2）空氣噴嘴流量特性標定。給定噴嘴工作周期為20ms，空氣噴嘴噴氣壓力從0.1MPa變化到0.6 MPa，t3從1ms變化到10ms，標定噴氣量的變化如圖6所示。

從圖5中可見，油壓一定時，噴油量隨t1的增大逐漸增加，二者基本成線性關(guān)系。t1一定時，油壓增大，噴油量增加。這是因為油壓一定時，噴嘴中燃油流出速度Vf一定，噴油量Q為Vf、噴嘴出口面積S、t1與噴油次數(shù)的乘積，即Q=2000×Vf×S×t1。t1一定時，油壓增大，Vf增大，從而噴油量增加。圖中A點說明t1=1ms時噴油量為0，這是因為電磁直射噴嘴從響應(yīng)到完全打開存在機械延遲的緣故。

從圖6中可見，空氣噴嘴流量變化規(guī)律與燃油噴嘴類似，噴氣量與t1也成線性關(guān)系。

2.2 燃油霧化性能試驗結(jié)果分析

2.2.1 t1和t3對霧化性能的影響

t1和t3的影響實際是氣油比對霧化粒徑的影響。試驗中給定噴油和噴氣間隔時間t2=1ms，t1和t3從2ms變化到5ms，燃油霧化粒徑DSM變化曲線如圖7所示。

由圖7中可見，隨著t3的增加，DSM逐漸減小；隨著t1的增加，DSM逐漸增大；即隨氣油比的增大，DSM減小。這是因為氣油比增大，氣動力增大，加強了油珠與氣體之間的相互作用，從而獲得的粒徑DSM逐漸減小。DSM最小值出現(xiàn)在狀態(tài) t1=2ms、t2=1ms、t3=5ms，DSM＜10μm，此時氣油比為最大值。油霧R-R分布均勻度指數(shù)n隨t1和t3變化的關(guān)系曲線如圖8所示。從圖8中可見，增加t3或減小t1均能使n增大，即霧化粒徑越集中和均勻。n最大值同樣出現(xiàn)在狀態(tài)t1=2ms、t2=1ms、t3=5ms，說明該狀態(tài)下燃油霧化質(zhì)量最佳。

t1=t3情況下的DSM和n的變化關(guān)系曲線分別如圖9、10所示。從圖中可見，t1=t3時，DSM和n的變化都很小，可認為基本不變。

從燃油噴嘴、空氣噴嘴流量標定曲線得知，噴氣量與t3、噴油量與t1均成線性關(guān)系，即t1=t3時，噴氣量與噴油量比值（氣油比）變化不大，因而DSM和n變化幅度很小。

2.2.2 t2對霧化性能的影響（1）t1、t3=4ms，t2從 0 變化到 5ms，如圖 11 所示。（2）t3=7ms，t1=4ms，t2從 -2ms（負數(shù)表示噴氣比噴油提前）到5ms，如圖12所示。

從圖11、12中可見，在t1、t3保持定值的情況下，隨間隔延時的變化，DSM的變化幅度很小，影響不大。因為t2的變化不影響噴氣量與噴油量，即不影響氣油比的大小，所以霧化粒徑基本保持不變。

2.2.3 噴氣壓力對霧化性能的影響

噴氣壓力的大小決定了氣流速度的大小，從而影響氣動力的大小，影響燃油的霧化質(zhì)量，因此需研究噴氣壓力對霧化性能的影響。試驗給定參數(shù)：周期T=20ms，壓差為 0.2MPa，t1=4ms，t2=1ms，噴氣壓力從1bar變化到0.5MPa，t3從2ms變化到10ms。氣壓對霧化粒徑和均勻度指數(shù)的影響分別如圖13、14所示。

隨氣壓降低，氣動力作用減弱，DSM增大，n減小，整體霧化質(zhì)量下降。若要得到較高的燃油霧化質(zhì)量則需要延長t3，當氣壓小于0.2MPa時，DSM基本上在25μm以上，無法滿足要求。此時n＜2，延長噴t3無法再提高均勻度指數(shù)。

3 結(jié)論

對以煤油為燃料的活塞發(fā)動機的氣動霧化噴嘴的霧化性能進行的試驗研究發(fā)現(xiàn)，噴油脈寬t1、噴氣脈寬t3、噴氣壓力對燃油霧化性能的影響較大。通過分析得出以下幾點結(jié)論：

（1）t3增加，油珠粒徑DSM減小，分布均勻度指數(shù)n增大；t1增加，DSM逐漸增大，n減小；即隨氣油比的增大，DSM減小，粒徑分布越集中、均勻。霧化質(zhì)量最佳值出現(xiàn)在狀態(tài) t1=2ms、t2=1ms、t3=5ms，此時 DSM＜10μm，能夠滿足要求。

（2）t1=t3時，可認為氣油比變化不大，DSM和n的變化均相對較小。

（3）t1、t3不變的情況下，t2對霧化性能幾乎無影響，可以忽略。

（4）噴氣壓力是影響霧化性能的另一重要因素。隨著氣壓的增大，DSM逐漸減小，n增大。當氣壓小于0.2MPa時，DSM基本都大于 25μm，無法滿足需求。

從以上結(jié)果可以總結(jié)出，影響霧化性能的主要影響因素是氣油比，DSM隨氣油比的增大而減小。在油壓和氣壓固定的情況下，則體現(xiàn)為t1、t3對霧化性能的影響。

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Experimental Investigation on Spray Characteristics of an Air Assisted Fuel Injector Working Periodically

ZHU Zhi-xin,HE Xiao-min,WU Ze-jun,JIN Yi,DING Guo-yu
（College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016,China）

A new air assisted fuel injector was designed and its experimental investigation of spray characteristics was conducted to satisfy the requirements of good fuel atomization for UAV's piston engines.This injector was consists of the electromagnetic fuel injector,the air/fuel interface and the air assisted injector.The flux of the electromagnetic fuel injector and the air assisted injector was metered independently.The important impact factors of fuel spray characteristics were studied,such as the fuel duration t1,the fuel air delay t2,the air duration t3and the air jet pressure.The results show that reducing t1,increasing t3and air jet pressure can improve the quality of spray characteristics.The optimal DSMvalue is less than 10um when t1=10ms,t2=1ms,t3=5ms.

injector；spray characteristics；experiment;fuel;piston engine;combustion

朱志新（1987），男，在讀博士研究生，研究方向為新概念燃燒技術(shù)。