周期供油气动雾化喷嘴喷雾特性试验研究

朱志新，何小民，吴泽俊，金 义，丁国玉

（南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016）

周期供油气动雾化喷嘴喷雾特性试验研究

朱志新，何小民，吴泽俊，金 义，丁国玉

（南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016）

为满足小型无人机用活塞发动机对航空煤油雾化效果的要求，设计了某新型气动雾化喷嘴并进行了雾化性能试验研究。该喷嘴的结构主要由电磁直射喷嘴、气-液混合室和空气喷嘴3部分组成。试验分别对电磁直射喷嘴和空气喷嘴进行了流量标定，研究了喷油脉宽t1、时间延时t2、喷气脉宽t3和喷气压力对燃油雾化性能的影响，得出喷油脉宽减小、喷气脉宽增加、喷气压力增大均可提高雾化质量，最佳值处于t1=2ms，t2=1ms，t3=5ms时，此时 DSM＜10μm。

喷嘴；雾化特性；试验；航空煤油；活塞发动机；燃烧

0 引言

当把小功率活塞发动机配装于舰艇用飞行器上时，为保证安全和燃料后勤保障的统一性，有必要把汽油改成航空煤油等安全性更高的燃料。由于煤油与汽油的雾化特性有很大差别，用煤油代替汽油后，将会带来一些技术问题,如导致点火困难和燃烧完全性差，关键技术难点是煤油如何从液态变成气态和形成均匀混气，否则发动机可能不能完成点火，即使点着了其燃烧效率也不会高。燃料改换为煤油后为保证其性能，要研究适合煤油的供油方案。煤油的雾化效果是供油方案中的关键问题，设计出的喷嘴必须适合以煤油为燃料的活塞发动机。

国外许多研究单位针对以煤油代替汽油后所带来的关键问题提出了许多解决方案，如法国石油研究所开发的 IAPAC（InjectionAssisetedParAir Comprime）和SCIP系统，澳大利亚澳必托公司开发的OCP（Orbital Combustion Process）系统，美国福特汽车研究所开发的AFI（Air-Forced Injection）系统，这些系统都是利用夹气的方法改善了喷油系统并取得良好效果。而目前国内相关研究较少，且处于研究的初始阶段。

本文针对国外航空煤油活塞发动机的发展动态，分析其发展趋势，借鉴其发展思路，初步设计了1种活塞发动机用新型气动雾化喷嘴，利用高速流体的气动力对燃油进行雾化。试验研究了燃油雾化性能随喷油脉宽t1、时间延时t2、喷气脉宽t3和空气喷嘴喷气压力的变化的一般规律，为研究Rotax914活塞发动机用煤油喷油器提供了参考，为煤油供油方案的研究和确定奠定了基础。

1 试验模型、方案和测试系统

1.1 喷嘴模型和工作原理

本文设计的周期供油气动雾化喷嘴组装如图1所示。该喷嘴由3个主要部件组成：电磁直射喷嘴、燃油-空气混合室和空气喷嘴。其中电磁直射喷嘴计量一定量的燃油送入混合室，空气喷嘴再将燃油-空气混合物喷入内燃机汽缸中组织燃烧。

喷嘴工作时，空气-燃油混合室内空气压力为P0，燃油进口压力为P1，在内外压差P1-P0作用下，燃油由电磁直射喷嘴计量喷入空气-燃油混合室，打击在底部针阀壁面上形成液膜。打开空气喷嘴，液膜在高速气流的气动力作用下产生波动和皱褶，分离出液体碎片或细丝，产生1级雾化。

空气喷嘴的开关由电磁阀的开关控制。电磁阀不工作时，不产生吸力，针阀在弹簧弹性力作用下壁面1与壁面2线接触，阻止流体流出，空气喷嘴关闭；电磁阀工作时，产生吸力，针阀受到吸力向下移动一固定距离，此时在针阀壁面1与壁面2之间形成收缩—扩张通道，空气流速在通道喉道处能够达到临界状态。上游产生的燃油颗粒在此缩放通道内进一步与空气相互作用，破碎成更细小的液珠，产生2级雾化。经过2级雾化后的细小液珠被吹入汽缸内组织燃烧。

1.2 试验测量系统

雾化试验系统主要由Winner312工业喷雾激光粒度分析仪、燃油喷雾室、油路、气路和电脑分析系统组成，如图2所示。雾化空气由空气瓶提供，燃油则通过油泵从油桶抽出，经过减压阀流进输油管道，最后由雾化喷嘴喷入测量区域。

试验时，喷嘴进口燃油压力、进口空气压力分别由各自的减压阀调节。空气流量通过浮子流量计测定。

喷嘴雾化粒径和均匀度分布指数均由Winner312工业喷雾激光粒度分析仪测定，通过计算机测量软件进行数据处理。Winner312工业喷雾激光粒度分析仪包括激光发射和接收单元，基于激光前向散射原理。激光颗粒测量原理如图3所示。当1激光束照射到被测量液滴时，受液滴的散射作用，激光会向四面八方散射，其中大部分光能量处于前向方向，散射光能的分布与被测液滴的大小有关，采用专门设计的扇形多元光电探测器测出前向散射光能的分布，根据光散射理论和反演算法对测得的散射光能分布数据进行处理，得到被测液滴的粒径大小和粒径分布。

1.3 试验方案设定

在建立的燃油喷嘴雾化试验系统上进行雾化性能试验。根据喷嘴在不同工况下的燃油雾化效果总结出影响燃油雾化性能的主要因素。由于该喷嘴主要设计用于Rotax914活塞式航空发动机，因此喷嘴的工作过程具有周期性，这一功能由控制程序控制。控制过程：打开电磁直射喷嘴，计量一定量的燃油喷入空气-燃油混合室中，喷油脉宽为t1（即1个周期内喷油持续时间），时间延时t2（即喷油结束到喷气开始的时间间隔）后再打开空气喷嘴喷气，喷气脉宽为t3。喷嘴试验现场如图4所示。

雾化试验主要从以下几方面来研究:

（1）气动雾化喷嘴的流量特性曲线标定。试验参数：喷嘴工作周期为 20ms（6000r/min）。

（2）研究不同t1、t2和t3对燃油雾化性能的影响。试验参数：喷油压力为0.8MPa，喷气压力为0.6 MPa，周期为 20ms。

（3）研究不同喷气压力对雾化性能的影响。试验参数：周期为20ms，喷油压力与喷气压力压差0.2MPa，t1=4ms，t2=1ms。

2 试验结果和分析

2.1 气动雾化喷嘴流量特性标定

（1）燃油喷嘴流量特性标定。给定喷嘴燃油进口压力分别为0.2MPa和0.315MPa，喷嘴工作周期为20ms，喷油 2000 次，t1从 1ms变化到 10ms，标定喷油量的变化如图5所示。

（2）空气喷嘴流量特性标定。给定喷嘴工作周期为20ms，空气喷嘴喷气压力从0.1MPa变化到0.6 MPa，t3从1ms变化到10ms，标定喷气量的变化如图6所示。

从图5中可见，油压一定时，喷油量随t1的增大逐渐增加，二者基本成线性关系。t1一定时，油压增大，喷油量增加。这是因为油压一定时，喷嘴中燃油流出速度Vf一定，喷油量Q为Vf、喷嘴出口面积S、t1与喷油次数的乘积，即Q=2000×Vf×S×t1。t1一定时，油压增大，Vf增大，从而喷油量增加。图中A点说明t1=1ms时喷油量为0，这是因为电磁直射喷嘴从响应到完全打开存在机械延迟的缘故。

从图6中可见，空气喷嘴流量变化规律与燃油喷嘴类似，喷气量与t1也成线性关系。

2.2 燃油雾化性能试验结果分析

2.2.1 t1和t3对雾化性能的影响

t1和t3的影响实际是气油比对雾化粒径的影响。试验中给定喷油和喷气间隔时间t2=1ms，t1和t3从2ms变化到5ms，燃油雾化粒径DSM变化曲线如图7所示。

由图7中可见，随着t3的增加，DSM逐渐减小；随着t1的增加，DSM逐渐增大；即随气油比的增大，DSM减小。这是因为气油比增大，气动力增大，加强了油珠与气体之间的相互作用，从而获得的粒径DSM逐渐减小。DSM最小值出现在状态 t1=2ms、t2=1ms、t3=5ms，DSM＜10μm，此时气油比为最大值。油雾R-R分布均匀度指数n随t1和t3变化的关系曲线如图8所示。从图8中可见，增加t3或减小t1均能使n增大，即雾化粒径越集中和均匀。n最大值同样出现在状态t1=2ms、t2=1ms、t3=5ms，说明该状态下燃油雾化质量最佳。

t1=t3情况下的DSM和n的变化关系曲线分别如图9、10所示。从图中可见，t1=t3时，DSM和n的变化都很小，可认为基本不变。

从燃油喷嘴、空气喷嘴流量标定曲线得知，喷气量与t3、喷油量与t1均成线性关系，即t1=t3时，喷气量与喷油量比值（气油比）变化不大，因而DSM和n变化幅度很小。

2.2.2 t2对雾化性能的影响（1）t1、t3=4ms，t2从 0 变化到 5ms，如图 11 所示。（2）t3=7ms，t1=4ms，t2从 -2ms（负数表示喷气比喷油提前）到5ms，如图12所示。

从图11、12中可见，在t1、t3保持定值的情况下，随间隔延时的变化，DSM的变化幅度很小，影响不大。因为t2的变化不影响喷气量与喷油量，即不影响气油比的大小，所以雾化粒径基本保持不变。

2.2.3 喷气压力对雾化性能的影响

喷气压力的大小决定了气流速度的大小，从而影响气动力的大小，影响燃油的雾化质量，因此需研究喷气压力对雾化性能的影响。试验给定参数：周期T=20ms，压差为 0.2MPa，t1=4ms，t2=1ms，喷气压力从1bar变化到0.5MPa，t3从2ms变化到10ms。气压对雾化粒径和均匀度指数的影响分别如图13、14所示。

随气压降低，气动力作用减弱，DSM增大，n减小，整体雾化质量下降。若要得到较高的燃油雾化质量则需要延长t3，当气压小于0.2MPa时，DSM基本上在25μm以上，无法满足要求。此时n＜2，延长喷t3无法再提高均匀度指数。

3 结论

对以煤油为燃料的活塞发动机的气动雾化喷嘴的雾化性能进行的试验研究发现，喷油脉宽t1、喷气脉宽t3、喷气压力对燃油雾化性能的影响较大。通过分析得出以下几点结论：

（1）t3增加，油珠粒径DSM减小，分布均匀度指数n增大；t1增加，DSM逐渐增大，n减小；即随气油比的增大，DSM减小，粒径分布越集中、均匀。雾化质量最佳值出现在状态 t1=2ms、t2=1ms、t3=5ms，此时 DSM＜10μm，能够满足要求。

（2）t1=t3时，可认为气油比变化不大，DSM和n的变化均相对较小。

（3）t1、t3不变的情况下，t2对雾化性能几乎无影响，可以忽略。

（4）喷气压力是影响雾化性能的另一重要因素。随着气压的增大，DSM逐渐减小，n增大。当气压小于0.2MPa时，DSM基本都大于 25μm，无法满足需求。

从以上结果可以总结出，影响雾化性能的主要影响因素是气油比，DSM随气油比的增大而减小。在油压和气压固定的情况下，则体现为t1、t3对雾化性能的影响。

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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，在读博士研究生，研究方向为新概念燃烧技术。