噴霧燃油試驗臺定容彈設(shè)計

徐威，朱必武，羅浩

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

噴霧燃油試驗臺定容彈設(shè)計

徐威，朱必武，羅浩

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

直噴汽油機的噴霧特性直接影響著缸內(nèi)可燃混合氣的形成和燃燒的過程，研究噴油器的噴霧特性對于提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟型和排放水平具有重要意義。噴霧定容測試系統(tǒng)是研究噴油器噴霧特性的主要手段之一。

GDI發(fā)動機；噴霧定容測試系統(tǒng)；定容彈

CLC NO.:U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-64-04

引言

隨著全球汽車保有量的增加，汽車產(chǎn)業(yè)將要面臨著能源日漸枯竭，石油價格不斷上升，排放法規(guī)日益嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。于是世界各國的汽車生產(chǎn)商紛紛投入大量的人力物力去尋找新的清潔能源降低對傳統(tǒng)石油資源的依賴性，或者對現(xiàn)有的發(fā)動機進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，提高燃油經(jīng)濟性，進(jìn)一步降低汽車的排放水平來應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)。而缸內(nèi)直噴技術(shù)就是汽油發(fā)動機一種提高燃料的利用率，減少燃油消耗的有效手段。本文研究的主要內(nèi)容是在國內(nèi)外噴霧研究技術(shù)的基礎(chǔ)上展開的。根據(jù)項目的要求設(shè)計開發(fā)了一套定容測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括定容彈主體，進(jìn)氣系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)。

1、霧化效果的影響因素

影響霧化效果的因素主要有：噴嘴的結(jié)構(gòu)、噴射壓力、噴射時間以及背壓。

1.1 噴嘴結(jié)構(gòu)（直徑、粗糙度）

噴嘴的作用是噴射和霧化。不同結(jié)構(gòu)的噴嘴，其噴射與霧化方式各不相同，對霧化各性能的影響程度也各異。在其它噴射條件相同的情況下，減小噴孔直徑，油束的射程縮短，噴霧錐角增大，從而減小液滴的平均直徑。

1.2 噴射壓力

噴射壓力越高，霧化燃油和空氣混合越充分，特別是在低速的情況下。一般情況下，噴油壓力越大，噴入氣缸的燃油流速越大，同時燃油與氣體介質(zhì)的相對運動也越大，有利于燃油的加熱蒸發(fā)，霧化質(zhì)量提高。更高的噴射壓力、更快的噴油速度以及更短的噴油時間是噴射系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。但是噴射壓力也不能過大，太大將加快油泵、噴嘴的磨損，噴霧液滴反而增大，敲缸聲音也明顯。所以應(yīng)根據(jù)實際情況，從多方面綜合考慮，選擇一個適中的噴射壓力。

1.3 背壓

氣體環(huán)境的壓力即背壓。對于平孔噴嘴：隨著環(huán)境壓力的增大，油束的射程會縮短，噴霧錐角會增大，霧化效果變差。對于壓力噴嘴和螺旋噴嘴：隨著背壓的增大，噴霧錐角變小，達(dá)到一個極限值后將基本保持不變。噴霧液滴的平均直徑也會隨著環(huán)境壓力的增大而增大，達(dá)到一個極限值后緩慢減小。

1.4 噴射時間

隨著液滴噴出后時間的增長，油束射程也會增大，液滴索特平均直徑 D32出現(xiàn)先減小后增大并保持基本不變。因此為了保證柴油的霧化效果，應(yīng)將噴射時間控制在一定范圍。

以上這些因素都是相互制約，相互影響的，共同作用決定燃油的噴霧質(zhì)量。因此一個好的燃燒系統(tǒng)應(yīng)該綜合考慮以上因素，根據(jù)實際情況有所側(cè)重，使燃油達(dá)到較為理想的霧化質(zhì)量。

2、燃油噴霧試驗系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成及主要功能配置

設(shè)計的燃油霧化模擬實驗研究系統(tǒng)能夠在不同的噴油背壓，噴油壓力、噴油量、噴射頻率、燃油品質(zhì)以及不同的噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)下測量一種或多種條件下的噴霧錐角、貫穿距、噴霧液束空間分布、噴霧發(fā)展歷程、索特平均直徑、液滴累積尺寸分布等，能夠較為準(zhǔn)確的模擬缸內(nèi)流場擾動和進(jìn)排氣過程。

2.2 燃油噴霧定容系統(tǒng)設(shè)計的局限性

（1）定容器沒有排氣系統(tǒng)，噴油試驗進(jìn)行一段時間后，由于定容器內(nèi)溫度較高，大量的油霧蒸發(fā)導(dǎo)致石英玻璃視窗起霧，就會影響觀察效果；定容器內(nèi)存在大量的燃油蒸汽，不能得到及時的回收處理，還會帶來安全隱患。

（2）定容器沒有合適的熱源，不能為噴油試驗提供適宜的環(huán)境溫度，有些研究機構(gòu)采用在定容器上加裝電熱絲的方法，雖然可以為彈體內(nèi)的氣體加熱，但是此種方法一方面存在加熱不均勻的問題，另一方面，由于加熱絲局部過熱，如果充入的氮氣不純凈，含有氧氣，就有可能將高濃混合氣點燃，存在爆炸的安全隱患。

（3）燃油供給系統(tǒng)一般由高壓油泵提供，而高壓油泵對傳動系統(tǒng)的安裝和加工精度都有很高的要求，且需要復(fù)雜的壓力控制系統(tǒng)。

針對以上定容器設(shè)計的不足，本文設(shè)計的噴霧定容測試系統(tǒng)主要由定容彈主體、進(jìn)排氣系統(tǒng)等組成，定容測試系統(tǒng)通過系統(tǒng)控制器控制各個部件之間的協(xié)調(diào)工作，自動調(diào)節(jié)定容器體內(nèi)的溫度和壓力，及時的將定容器內(nèi)的油氣混合氣排掉，并實現(xiàn)油氣分離。

2.3 定容燃燒彈裝置

定容燃燒彈主要模擬活塞在上止點附近發(fā)動機的燃燒情況，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于研究單一參數(shù)的變化對燃燒過程的影響等優(yōu)點，可用于深入研究內(nèi)燃機的燃燒過程，為發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)的研制和開發(fā)提供必要的試驗數(shù)據(jù)。

2.4 噴霧攝像系統(tǒng)

高速攝像機采用由美國 Vision Ressearch公司制造的Phantom系列高速數(shù)字?jǐn)z像機Phantom v7.3，如圖2.2，它以其精巧的設(shè)計、可靠的性能，被廣泛應(yīng)用于國防，工業(yè)測試。航空航天及科學(xué)研究等領(lǐng)域。Phantom v7.3采用了最新的14位，800×600像素，寬高比為4:3的SR-CMOS傳感器，靈敏度在拍攝黑白圖像時為 4800ISO/ASA，彩色時為 1200 ISO/ASA，片上總體快門，最小曝光時間為2微秒，滿幅每秒可拍攝6688幅圖像，降低分辨率每秒最快可拍攝190000幅，存儲器容量可達(dá)16G，還可擴展24G的FLASH存儲，延長了記錄時間，同時還提供了連續(xù)彩色視屏 NTSC、PAL制式輸出或者LHD/SDI高清數(shù)字圖像輸出。

3、定容彈彈體的設(shè)計

定容彈是噴霧定容測試系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，噴油器的噴霧試驗就在這里完成。定容彈的一般設(shè)計要求有：

（1）具有一定的高度，且要滿足一定的體積要求，能夠容納一定體積的氣體，具有維持內(nèi)部氣體的溫度和壓力的能力。

（2）具有合適大小的觀察視窗，滿足進(jìn)行噴霧特性研究時使用的實驗設(shè)備的要求。

（3）具有一定的耐壓、耐高溫能力，密封良好，能夠保持壓力和溫度。

（4）定容彈上要有安裝傳感器的位置，以便對試驗過程中定容器的狀態(tài)信息進(jìn)行采集。

（5）安裝調(diào)試方便。

定容彈主要由定容彈主體，上蓋連接法蘭，噴油器固定連接法蘭，噴油器支架，石英玻璃，石英玻璃固定法蘭，下蓋連接法蘭及若干密封圈等組成。

3.1 定容彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計

彈體用于燃料的噴射霧化研究實驗，要求低于燃燒實驗的彈體要求。

彈體材料在高溫條件下具有較高的強度。容器使用高強化螺栓，有較高的強度和抗疲勞性。有加熱裝置，頂部可以按需要安裝不同噴油裝置。側(cè)面有四個窗口，用于布置光學(xué)窗口等結(jié)構(gòu)，視窗安裝中杜絕玻璃與金屬的直接接觸，并保證良好的密封性能。

定容彈底面安裝一個截止閥，做完一次實驗后能用真空泵抽取缸體內(nèi)的氣體，盡快放掉定容彈體內(nèi)的油氣混合物，提高實驗效率，并且實現(xiàn)燃油的循環(huán)利用。

為了保證試驗安全，在定容彈上還安裝一個安全閥，當(dāng)定容彈內(nèi)的壓力升高超過5MPa時，安全閥自動開啟，保障系統(tǒng)安全運行。

此外，保證實時監(jiān)控容器內(nèi)的壓力和溫度，采用高頻傳感器。定容彈體的側(cè)面上還安裝了壓力傳感器和溫度傳感器。

3.1.1 定容彈的主體設(shè)計

目前資料顯示，國內(nèi)外有很多研究機構(gòu)，為了試驗研究的需要制造了各種各樣不同的定容彈，但主要是以圓筒型或者正方體型為主，正方體型的好處是容易加工和制作，制造成本也低，但是各個視窗之間的角度固定，只能是90度左右，使某些試驗設(shè)備的使用受到了限制。圓筒型就沒有視窗角度的限制，但是加工制造成本較高。因此可以根據(jù)試驗的需要、經(jīng)費的數(shù)量和當(dāng)?shù)氐募庸に竭x擇不同的設(shè)計式樣。為了能兼容更多的試驗設(shè)備，本文設(shè)計的定容彈采用圓筒型的形式，由具有一定壁厚的鋼桶加工而成，可以直接從鋼桶上切銑出來，其加工表面少，加工工藝簡單，加工成本較低且具有較好的應(yīng)力分布，其設(shè)計要求如：

1.設(shè)計最高壓力5 MPa，工作壓力范圍10kPa～5MPa；

2.密封材料保證耐高溫、耐腐蝕；

3.5MPa耐壓試驗中8小時內(nèi)壓力降不大于0.1MPa；

4.實時監(jiān)控容器內(nèi)的溫度和壓力，采用高頻傳感器；

5.根據(jù)以上要求，確定定容彈主體結(jié)構(gòu)如下：

1）外形尺寸為直徑300mm的圓柱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部形狀為直徑Φ250mm的圓柱體，高度為250mm，壁厚均為25mm；

2）立面開有四個視窗，提供Φ150mm的可視面積；透明視窗選用耐高壓的石英玻璃；

根據(jù)GB/T 699-1999 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼選定45號鋼作為定容彈主體材料。

3.1.2 定容彈上蓋法蘭及噴油器安裝法蘭的設(shè)計

該定容彈上蓋法蘭上具有進(jìn)氣孔以及為進(jìn)氣沖刷石英玻璃而設(shè)計的進(jìn)氣導(dǎo)流板和測量進(jìn)氣溫度的溫度傳感器安裝孔。

噴油器連接法蘭安裝在定容器上蓋法蘭上，噴油器的密封由噴油器密封板實現(xiàn)，噴油器的密封板安裝在定容器上蓋法蘭上，它與噴油器安裝法蘭形成一個環(huán)形空腔，該空腔與大氣相同，其作用是減少定容器內(nèi)較熱的氣體對噴油器的加熱。采用這樣的結(jié)構(gòu)還可以使噴油器的噴孔位置向下突起，以確保視窗上部與噴油器噴孔在水平方向形成6°~7°的夾角，滿足噴油試驗的觀察角度要求。定容器上蓋法蘭的外形尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計要具有一定的兼容性，如果需要進(jìn)行不同的噴油器試驗時，只需要更換不同噴油器的安裝法蘭和噴油器密封板就可以實現(xiàn)，而無需另外加工定容器上蓋法蘭。噴油器安裝法蘭安裝在定容器上蓋法蘭上。

3.1.3 定容彈視窗的設(shè)計

側(cè)面石英視窗的設(shè)計要求保證足夠的可視面積，能完整觀察到內(nèi)部的噴霧形狀，視窗的布置要滿足噴油試驗的要求。

為了便于噴油試驗的觀察，本文將視窗設(shè)計成長方形的，視窗的布置根據(jù)研究噴霧特性試驗設(shè)備的要求設(shè)計。高速攝像機要求兩個視窗要正對著，一個窗口用于噴油過程拍攝，另一個窗口用于提供噴油拍攝時的背景光源。視窗的設(shè)計還要滿足主題中心連線與兩正對視窗中心連線成120°，第四個視窗的布置應(yīng)與兩正對視窗的中心連線垂直。

3.1.4 定容彈下蓋法蘭的設(shè)計

本文設(shè)計的定容器下蓋法蘭，具有排氣口，為了便于液態(tài)的燃油能夠及時的排出，將定容器下蓋法蘭的內(nèi)部設(shè)計成錐形的，此外下蓋上還設(shè)計了溫度傳感器的安裝孔，用于監(jiān)測定容器的排氣溫度：為了保證定容器在極限的情況下的安全性，還設(shè)計了安全閥的安裝孔，當(dāng)壓力超過設(shè)定的安全壓力時，安全閥會迅速將定容器內(nèi)的壓力卸掉，當(dāng)壓力低于設(shè)定壓力時安全閥會自動關(guān)閉以確保試驗的安全。

3.1.5 進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計

進(jìn)氣系統(tǒng)為定容器沖入一定溫度的氮氣，可以為噴油試驗提供一定的壓力和溫度條件，并將黏在觀察窗玻璃上的油霧吹走同時還具有稀釋燃油的作用。進(jìn)氣系統(tǒng)有一個氮氣瓶，氣體解壓器，氣體壓力傳感器等組成。

3.1.6 排氣系統(tǒng)的設(shè)計

其作用是將定容器內(nèi)的燃油混合氣及時排走，并通過油氣分離裝置將油氣混合氣分離，此外還具有測量排氣流量，在定容器內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度的功能。排氣系統(tǒng)的工作原理如圖3.2。

控制系統(tǒng)4根據(jù)控制的需要，使節(jié)流比例閥6處于不同的開度，定容器中的油氣混合氣從定容器排氣口處流出，經(jīng)比例閥6的出口流到氣體濾清器7中，將雜質(zhì)過濾后,進(jìn)到流量計8中，測得流量值通過串口通信傳至系統(tǒng)控制器4，控制器會將流量信息進(jìn)行記錄，同時也會根據(jù)試驗的需要調(diào)節(jié)進(jìn)排氣比例閥實現(xiàn)流量的反饋控制。

油氣混合氣經(jīng)過流量計8后，就進(jìn)入活性碳罐9經(jīng)分離后由常開排氣電磁閥10經(jīng)排氣口11排出。

當(dāng)需要抽真空時，系統(tǒng)控制器4將關(guān)閉進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣比例閥，關(guān)閉排氣系統(tǒng)電磁閥10，打開排氣系統(tǒng)的電磁閥12，以及排氣比例閥，控制真空泵13工作，同時通過定容器底部的壓力傳感器進(jìn)行定容器內(nèi)的壓力檢測，直至定容器內(nèi)的壓力達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)控制器關(guān)閉排氣比例閥，同時使排氣電磁閥11和12斷電。

4、結(jié)論

本文主要圍繞缸內(nèi)直噴汽油機噴油器噴霧定容測試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與研究，并重點分析了定容彈部分。論文的主要研究內(nèi)容有以下幾個部分：

（1）簡單介紹了國內(nèi)外噴霧測試試驗的方法和研究現(xiàn)狀。

（2）燃油噴霧研究方法多種多樣，定容彈試驗方法是現(xiàn)在研究燃油噴霧的常用方法，本文在現(xiàn)有試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做了些許改進(jìn)，并對其中的主要系統(tǒng)做了簡單的介紹。

（3）定容彈是噴油器噴霧特性可視化研究的重要實驗工具，本文就針對定容彈試驗中存在的一些問題，從設(shè)計上做了相應(yīng)的改進(jìn)，開發(fā)了一套定容測試系統(tǒng)，介紹了定容測試系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)和工作原理，并針對定容彈部分從結(jié)構(gòu)尺寸、選材等方面做了詳細(xì)的介紹。

[1] 何文華，朱崇基. 電控汽油噴射發(fā)動機的研究[J]. 內(nèi)燃機工程，1994（3）.

[2] 馬凡華，蔣德明． 實驗裝置的混合氣配置及點火系統(tǒng)[J]．汽車技術(shù)，2000，6：17-19．

[3] 李春明. 汽車發(fā)動機電控燃油噴射技術(shù)[M]． 北京：國防工業(yè)出版社，2009：15-22．

[4] 林輝. 定容燃燒彈的研制[D].青島大學(xué)，2009：1-4．

Design of Constant Volume Bomb for the Spray Fuel Test-bed

Xu Wei, Zhu Biwu, Luo Hao
（Automobile, Chang'an University, Shanxi Xi’an 710064）

The spray characteristics of cylinder direct injection engine directly affects theprocess of mixture formation and combustion in cylinder, the study on the spray characteristics of injector is of great significance for improving the engine fuel economy and emission level.The capacity test the spray system is one of the main means of studying the characteristics of injector sprays.

GDI engine; the Capacity Test the Spray System; Constant Volume Bomb

U467.2

A

1671-7988(2015)05-64-04

徐威，就讀于長安大學(xué)汽車工程學(xué)院。