喷油器喷孔直径及喷射压力对二甲醚喷雾特性的影响

江峰(菏泽学院机电工程学院，山东菏泽　274015)



喷油器喷孔直径及喷射压力对二甲醚喷雾特性的影响

江峰
(菏泽学院机电工程学院，山东菏泽274015)

摘要:通过试验研究在背压和喷射压力变化的情况下，共轨系统中喷油器喷孔直径不同时二甲醚的喷雾特性。试验采用喷油器喷孔直径分别为0．170 mm和0．250 mm，背压分别为2．5 MPa和5. 0 MPa，喷射压力变化范围为35～70 MPa，变化幅度为5 MPa，测试喷油量和喷雾特性，分析6孔喷油器的喷雾形状、贯穿长度和喷雾锥角。研究表明，增大喷孔直径后的喷油器与原喷油器相比，二甲醚喷射量约增加10%～20%，且增加量随喷射压力增大而增大。2种喷油器喷雾形状均对称，增大喷孔直径后的喷油器喷雾贯穿长度变短、喷雾锥角增大。

关键词:背压;二甲醚;喷雾锥角;喷雾贯穿长度

国内外研究发现，二甲醚燃烧动力性能与柴油相似，尾气排放污染有所改善［1－7］;使用二甲醚时，CO2排放量降低［8－9］。二甲醚热值低于柴油，密度约是柴油的0. 78倍，因此燃烧与柴油等体积的二甲醚产生的热量不同，发动机发出的动力不同［10－11］。通常通过加大喷油器喷孔直径、增加喷射压力、改变针阀形状等方法解决二甲醚低热值的问题。其中增大喷油器喷孔直径、增加喷射压力比较易于实施，本文拟通过试验研究这2种方法对二甲醚喷雾特性的影响。

1　试验装置及方法

1．1试验装置

二甲醚喷射试验装置主要由二甲醚喷射系统、喷射量测量装置和雾化可视装置组成［12］，见图1。

图1　二甲醚喷射试验装置简图

1)雾化可视装置和二甲醚喷射系统

氮气被压缩进入高压气室中建立喷射系统模拟环境背压，喷油器控制器(TDA3301)控制喷油持续时间和喷油量，闪光灯通过脉冲信号发生器(DG5352)控制，通过压力传感器(Kistler 6056A)检测高压气室压力，压力传感信号通过信号放大器(Kistler 5015)放大，拍摄喷射图片的高速数字摄像机(KODAK Motion Corder Analyzer SR－C)连接到计算机用于捕获和存储影像。

在二甲醚喷射系统中，共轨喷射系统用作恒压喷射。为防止二甲醚因为粘度低、润滑能力差发生泄漏和磨损，二甲醚中加入质量分数为1%的生物柴油［13］。常压下二甲醚为气体状态，通过低压泵将二甲醚从燃料箱吸出，增压到0．5～0．8 MPa时变成液态提供给蓄能器。为防止二甲醚吸热汽化，通过冷却装置保证二甲醚处于液态。液化二甲醚被空气泵压缩到35 MPa并贮存于蓄能器中，燃油轨中二甲醚通过压力调节阀调节压力，实现二甲醚等压喷射。

2)二甲醚喷射量检测装置

通过带有刻度的石英玻璃管标示液化二甲醚体积。测量出喷射量后，通过排气阀释放二甲醚。测量时二甲醚在5 MPa压力下保持液态。

3)同步性

高速数字摄像机最高摄像速度为10 000帧/秒，触发信号通过喷油器控制器输入，二甲醚被喷入高压气室。喷油器控制器触发信号传输给脉冲发生器，闪光灯在喷射期间闪光，捕捉喷射影像。

4)喷油器

二甲醚的热值是柴油的0．66倍，二甲醚的密度约是柴油的0．78倍，将原喷油器(以下简称喷油器1)喷孔直径由0．170 mm增大到0．250 mm后(以下简称喷油器2)，以期喷油器2每循环喷射的二甲醚与喷油器1喷射的柴油完全燃烧后产生的热量相同。

1．2试验方法

1)喷射量检测。喷油压力为35～70 MPa，变化幅度为5 MPa，喷射持续时间为1 ms，喷射次数为1 000次，氮气被压缩至5 MPa充入高压气室模拟发动机运转模式，检测喷油器1和喷油器2的喷射量。

2)喷雾可视化。二甲醚在常温、背压为2．5 MPa和5. 0 MPa时喷出，喷射压力为35 MPa和70 MPa。试验中，二甲醚保持液态。喷油器1和喷油器2都采取1 ms的喷油持续时间，主要测定项目有喷雾贯穿长度和喷雾锥角，测定工具为Adobe Photoshop CS3。

2　试验结果分析

2．1喷射量检测

在高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，由高压油泵把高压燃油输送到共轨油管。共轨管起蓄压器的作用，共轨管容积的选取应综合考虑柴油机的循环喷油量和高压油泵的循环供油量，保证在供油和喷油过程中高压油轨内的压力波动较小并且轨压变化响应快。部分试验证明，轨压从80 MPa上升到130 MPa所需的时间为1 s，轨压到达目标值后，其轨压波动幅度为1 MPa［14］。ECU控制喷油器的喷射量，喷射量取决于共轨油管压力和电磁阀开启时间。

试验将1 000次喷射量作为1次计量。背压为5．5 MPa，二甲醚与柴油的循环喷射量及燃烧产生的热量如图2、3所示。图2表明，喷油器2二甲醚喷射量比喷油器1增加10%～20%，且增加量随着喷射压力增大而增大。图3表明，喷油器2喷射的二甲醚燃烧产生的热量低于喷油器1喷射的柴油燃烧产生的热量，表明二甲醚的喷射量没有达到预期。

2．2喷雾可视化

图4、5分别是喷射压力70 MPa、背压为5. 0 MPa时喷油器1和喷油器2从喷雾开始到完全展开的喷雾发展过程的部分图片。图4为0．4～2．8 ms喷雾发展过程，燃油喷射6孔对称。图5为0. 8～3. 2 ms喷雾发展过程，喷雾锥角比图4大，使燃烧特性得以改善，气缸内空气利用率增加。图5中直到第2张影像1．2 ms时喷雾形状开始基本对称，原因可能由于喷孔扩大，针阀在喷雾初期振动，直到第3张影像1. 6 ms后，喷雾形状直到喷雾完全展开都是对称的。

图2　二甲醚和柴油的循环喷射量随喷射压力的变化曲线

图3　二甲醚和柴油的循环热量随喷射压力的变化曲线

图4　喷油器1二甲醚喷射过程影像

图5　喷油器2二甲醚喷射过程影像

2．3喷射贯穿长度

在喷雾贯穿长度分析中，关键是短时间内贯穿长度的进展，这意味快速喷雾的形成比完全展开贯穿长度能达到更好的燃烧效果。图6、7分别表示二甲醚、柴油在背压为5. 0 MPa、喷射压力35，70 MPa时的贯穿长度。在35 MPa喷射压力下，大约在3．5 ms前，喷油器1喷雾贯穿长度大于喷油器2。在70 MPa喷射压力下，在2．5 ms前2种喷油器的喷雾贯穿长度相差不大，变化趋势相同。主要原因是由于喷孔直径扩大，燃料颗粒动量转换延迟，喷油器2喷油速率低于喷油器1。通过图6、7比较，二甲醚喷射速率低于柴油。喷射期间二甲醚蒸发性优于柴油，二甲醚形成的喷雾粒子动能较低，所以同一时刻二甲醚喷雾贯穿长度小于柴油。

图6　二甲醚的喷雾贯穿长度随喷射时间的变化曲线

图7　柴油的喷雾贯穿长度随喷射时间的变化曲线

图8、9分别表示背压2．5，5. 0 MPa、喷射压力70 MPa时二甲醚和柴油的喷雾贯穿长度。与图6、7相似，在1，2，2．5 ms时喷油器1喷雾贯穿长度大于喷油器2，表明喷油器2喷射速率较低，原因是背压较高，气体密度也较高，喷雾展开受气体粒子影响，喷雾贯穿长度变短。此外，燃料喷雾充分展开时间较长，受背压影响较大。喷雾贯穿长度充分展开时，柴油的喷雾贯穿长度大于二甲醚。

图8　二甲醚的喷雾贯穿长度随喷射时间的变化曲线

图9　柴油的喷雾贯穿长度随喷射时间的变化曲线

2．4喷雾锥角

初期喷雾约1．1 ms之前喷雾不稳定，在1．1 ms后测量喷雾锥角。图10、11为背压为5. 0 MPa、喷射压力为35，70 MPa时二甲醚与柴油的喷雾锥角。由图10、11可知，燃料为二甲醚时喷油器1平均喷雾锥角为24．5°，喷油器2平均喷雾锥角为33．5°;燃料为柴油时喷油器1平均喷雾锥角为27．2°，喷油器2平均喷雾锥角为30．5°。即无论采用二甲醚或柴油做燃料，喷油器2的喷雾锥角都大于喷油器1。同种喷油器喷射压力增加，喷雾锥角增大，空气利用率增加，二甲醚雾化性能增强。因此，增加喷射压力是得到大的喷雾锥角的前提。

图12、13为喷射压力70 MPa、背压2．5，5. 0 MPa时二甲醚和柴油的喷雾锥角。与图10、11相似，喷油器2平均喷雾锥角较大，原因是空气利用率增加使空气与燃料接触更充分，雾化效果更好。因此，喷油器2形成较大的喷雾锥角，空气利用率较高，燃料燃烧特性得以改善。

图10　背压5．0 MPa时二甲醚的喷雾锥角

图11　背压5．0 MPa时柴油的喷雾锥角

图12　喷射压力70 MPa时二甲醚的喷雾锥角

图13　喷射压力70 MPa时柴油的喷雾锥角

图10、13表明，当喷射时间增加到1．1 ms时，喷雾锥角逐渐减小。如果采用喷油器2，喷雾锥角在0. 7～1 ms时开始迅速减小。前一种情况是不稳定喷雾模式所致，后一种情况是燃料动量效应作为喷雾发展的主导因素所致。

3　　结论

1)加大喷油器喷孔直径，二甲醚喷射量增加，但喷射量与喷孔直径和喷射压力之间不是线性关系。2)如果采用增大喷油器喷孔直径增大喷油器的喷射量，有必要通过增加喷射压力解决二甲醚喷射量和雾化问题。3)增加喷孔直径后的喷油器相比于原喷油器，喷雾渗透速率低、贯穿长度小，因发动机活塞平均半径约为40～50 mm，所以油束足以到达发动机气缸壁，且增加喷孔直径后的喷油器喷雾锥角全部展开时比原喷油器较大，气缸中空气利用率增加，混合气燃烧特性得以改善。

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Influence of Nozzle Diameter and Pressure on Spray Characteristics of Dimethyl Ether

JIANG Feng
(School of Mechanical and Electronic Engineering，Heze College，Heze 274015，China)

Abstract:Spray characteristics of dimethyl ether is studied in the changes of back pressure and spray pressure and also different nozzle diameters of the common rail system through the test．In the experiment，the fuel injection quantity and spray characteristics are tested by using the 0．170 mm and 0．250 mm nozzle diameters，2. 5 MPa and 5. 0 MPa back pressures and the injection pressures ranging from 35 MPa to 70 MPa respectively and the spray characteristics of 6-hole nozzle are analyzed．The analysis shows that compared the converted injector with the common one，the injection volume of dimethyl ether increases to 10%～20% of diesel oil and that the injection volume is increasing as the injection pressures increasing．The spray form of the two injectors is symmetrical，the length of spray penetration becomes short and the spray angle becomes large after the nozzle diameter is big．

Key words:back pressure; dimethyl ether; spray angle; spray penetration length(责任编辑:杨秀红)

作者简介:江峰(1975—)，男，山东曹县人，副教授，工学硕士，主要研究方向为车辆工程．

基金项目:菏泽学院科研基金项目(XY12KJ05)

收稿日期:2014－12－01

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．003

文章编号:1672－0032(2015) 01－0010－05

文献标志码:A

中图分类号:TK427; U464．11