喷雾燃油试验台定容弹设计

徐威，朱必武，罗浩

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

喷雾燃油试验台定容弹设计

徐威，朱必武，罗浩

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

直喷汽油机的喷雾特性直接影响着缸内可燃混合气的形成和燃烧的过程，研究喷油器的喷雾特性对于提高发动机的燃油经济型和排放水平具有重要意义。喷雾定容测试系统是研究喷油器喷雾特性的主要手段之一。

GDI发动机；喷雾定容测试系统；定容弹

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

引言

随着全球汽车保有量的增加，汽车产业将要面临着能源日渐枯竭，石油价格不断上升，排放法规日益严格的挑战。于是世界各国的汽车生产商纷纷投入大量的人力物力去寻找新的清洁能源降低对传统石油资源的依赖性，或者对现有的发动机进行技术改进，提高燃油经济性，进一步降低汽车的排放水平来应对未来的挑战。而缸内直喷技术就是汽油发动机一种提高燃料的利用率，减少燃油消耗的有效手段。本文研究的主要内容是在国内外喷雾研究技术的基础上展开的。根据项目的要求设计开发了一套定容测试系统，该系统包括定容弹主体，进气系统，排气系统。

1、雾化效果的影响因素

影响雾化效果的因素主要有：喷嘴的结构、喷射压力、喷射时间以及背压。

1.1 喷嘴结构（直径、粗糙度）

喷嘴的作用是喷射和雾化。不同结构的喷嘴，其喷射与雾化方式各不相同，对雾化各性能的影响程度也各异。在其它喷射条件相同的情况下，减小喷孔直径，油束的射程缩短，喷雾锥角增大，从而减小液滴的平均直径。

1.2 喷射压力

喷射压力越高，雾化燃油和空气混合越充分，特别是在低速的情况下。一般情况下，喷油压力越大，喷入气缸的燃油流速越大，同时燃油与气体介质的相对运动也越大，有利于燃油的加热蒸发，雾化质量提高。更高的喷射压力、更快的喷油速度以及更短的喷油时间是喷射系统的发展趋势。但是喷射压力也不能过大，太大将加快油泵、喷嘴的磨损，喷雾液滴反而增大，敲缸声音也明显。所以应根据实际情况，从多方面综合考虑，选择一个适中的喷射压力。

1.3 背压

气体环境的压力即背压。对于平孔喷嘴：随着环境压力的增大，油束的射程会缩短，喷雾锥角会增大，雾化效果变差。对于压力喷嘴和螺旋喷嘴：随着背压的增大，喷雾锥角变小，达到一个极限值后将基本保持不变。喷雾液滴的平均直径也会随着环境压力的增大而增大，达到一个极限值后缓慢减小。

1.4 喷射时间

随着液滴喷出后时间的增长，油束射程也会增大，液滴索特平均直径 D32出现先减小后增大并保持基本不变。因此为了保证柴油的雾化效果，应将喷射时间控制在一定范围。

以上这些因素都是相互制约，相互影响的，共同作用决定燃油的喷雾质量。因此一个好的燃烧系统应该综合考虑以上因素，根据实际情况有所侧重，使燃油达到较为理想的雾化质量。

2、燃油喷雾试验系统方案

2.1 系统组成及主要功能配置

设计的燃油雾化模拟实验研究系统能够在不同的喷油背压，喷油压力、喷油量、喷射频率、燃油品质以及不同的喷油器结构参数下测量一种或多种条件下的喷雾锥角、贯穿距、喷雾液束空间分布、喷雾发展历程、索特平均直径、液滴累积尺寸分布等，能够较为准确的模拟缸内流场扰动和进排气过程。

2.2 燃油喷雾定容系统设计的局限性

（1）定容器没有排气系统，喷油试验进行一段时间后，由于定容器内温度较高，大量的油雾蒸发导致石英玻璃视窗起雾，就会影响观察效果；定容器内存在大量的燃油蒸汽，不能得到及时的回收处理，还会带来安全隐患。

（2）定容器没有合适的热源，不能为喷油试验提供适宜的环境温度，有些研究机构采用在定容器上加装电热丝的方法，虽然可以为弹体内的气体加热，但是此种方法一方面存在加热不均匀的问题，另一方面，由于加热丝局部过热，如果充入的氮气不纯净，含有氧气，就有可能将高浓混合气点燃，存在爆炸的安全隐患。

（3）燃油供给系统一般由高压油泵提供，而高压油泵对传动系统的安装和加工精度都有很高的要求，且需要复杂的压力控制系统。

针对以上定容器设计的不足，本文设计的喷雾定容测试系统主要由定容弹主体、进排气系统等组成，定容测试系统通过系统控制器控制各个部件之间的协调工作，自动调节定容器体内的温度和压力，及时的将定容器内的油气混合气排掉，并实现油气分离。

2.3 定容燃烧弹装置

定容燃烧弹主要模拟活塞在上止点附近发动机的燃烧情况，具有结构简单、易于研究单一参数的变化对燃烧过程的影响等优点，可用于深入研究内燃机的燃烧过程，为发动机关键技术的研制和开发提供必要的试验数据。

2.4 喷雾摄像系统

高速摄像机采用由美国 Vision Ressearch公司制造的Phantom系列高速数字摄像机Phantom v7.3，如图2.2，它以其精巧的设计、可靠的性能，被广泛应用于国防，工业测试。航空航天及科学研究等领域。Phantom v7.3采用了最新的14位，800×600像素，宽高比为4:3的SR-CMOS传感器，灵敏度在拍摄黑白图像时为 4800ISO/ASA，彩色时为 1200 ISO/ASA，片上总体快门，最小曝光时间为2微秒，满幅每秒可拍摄6688幅图像，降低分辨率每秒最快可拍摄190000幅，存储器容量可达16G，还可扩展24G的FLASH存储，延长了记录时间，同时还提供了连续彩色视屏 NTSC、PAL制式输出或者LHD/SDI高清数字图像输出。

3、定容弹弹体的设计

定容弹是喷雾定容测试系统的主体结构，喷油器的喷雾试验就在这里完成。定容弹的一般设计要求有：

（1）具有一定的高度，且要满足一定的体积要求，能够容纳一定体积的气体，具有维持内部气体的温度和压力的能力。

（2）具有合适大小的观察视窗，满足进行喷雾特性研究时使用的实验设备的要求。

（3）具有一定的耐压、耐高温能力，密封良好，能够保持压力和温度。

（4）定容弹上要有安装传感器的位置，以便对试验过程中定容器的状态信息进行采集。

（5）安装调试方便。

定容弹主要由定容弹主体，上盖连接法兰，喷油器固定连接法兰，喷油器支架，石英玻璃，石英玻璃固定法兰，下盖连接法兰及若干密封圈等组成。

3.1 定容弹的结构设计

弹体用于燃料的喷射雾化研究实验，要求低于燃烧实验的弹体要求。

弹体材料在高温条件下具有较高的强度。容器使用高强化螺栓，有较高的强度和抗疲劳性。有加热装置，顶部可以按需要安装不同喷油装置。侧面有四个窗口，用于布置光学窗口等结构，视窗安装中杜绝玻璃与金属的直接接触，并保证良好的密封性能。

定容弹底面安装一个截止阀，做完一次实验后能用真空泵抽取缸体内的气体，尽快放掉定容弹体内的油气混合物，提高实验效率，并且实现燃油的循环利用。

为了保证试验安全，在定容弹上还安装一个安全阀，当定容弹内的压力升高超过5MPa时，安全阀自动开启，保障系统安全运行。

此外，保证实时监控容器内的压力和温度，采用高频传感器。定容弹体的侧面上还安装了压力传感器和温度传感器。

3.1.1 定容弹的主体设计

目前资料显示，国内外有很多研究机构，为了试验研究的需要制造了各种各样不同的定容弹，但主要是以圆筒型或者正方体型为主，正方体型的好处是容易加工和制作，制造成本也低，但是各个视窗之间的角度固定，只能是90度左右，使某些试验设备的使用受到了限制。圆筒型就没有视窗角度的限制，但是加工制造成本较高。因此可以根据试验的需要、经费的数量和当地的加工水平选择不同的设计式样。为了能兼容更多的试验设备，本文设计的定容弹采用圆筒型的形式，由具有一定壁厚的钢桶加工而成，可以直接从钢桶上切铣出来，其加工表面少，加工工艺简单，加工成本较低且具有较好的应力分布，其设计要求如：

1.设计最高压力5 MPa，工作压力范围10kPa～5MPa；

2.密封材料保证耐高温、耐腐蚀；

3.5MPa耐压试验中8小时内压力降不大于0.1MPa；

4.实时监控容器内的温度和压力，采用高频传感器；

5.根据以上要求，确定定容弹主体结构如下：

1）外形尺寸为直径300mm的圆柱体结构，内部形状为直径Φ250mm的圆柱体，高度为250mm，壁厚均为25mm；

2）立面开有四个视窗，提供Φ150mm的可视面积；透明视窗选用耐高压的石英玻璃；

根据GB/T 699-1999 优质碳素结构钢选定45号钢作为定容弹主体材料。

3.1.2 定容弹上盖法兰及喷油器安装法兰的设计

该定容弹上盖法兰上具有进气孔以及为进气冲刷石英玻璃而设计的进气导流板和测量进气温度的温度传感器安装孔。

喷油器连接法兰安装在定容器上盖法兰上，喷油器的密封由喷油器密封板实现，喷油器的密封板安装在定容器上盖法兰上，它与喷油器安装法兰形成一个环形空腔，该空腔与大气相同，其作用是减少定容器内较热的气体对喷油器的加热。采用这样的结构还可以使喷油器的喷孔位置向下突起，以确保视窗上部与喷油器喷孔在水平方向形成6°~7°的夹角，满足喷油试验的观察角度要求。定容器上盖法兰的外形尺寸和结构设计要具有一定的兼容性，如果需要进行不同的喷油器试验时，只需要更换不同喷油器的安装法兰和喷油器密封板就可以实现，而无需另外加工定容器上盖法兰。喷油器安装法兰安装在定容器上盖法兰上。

3.1.3 定容弹视窗的设计

侧面石英视窗的设计要求保证足够的可视面积，能完整观察到内部的喷雾形状，视窗的布置要满足喷油试验的要求。

为了便于喷油试验的观察，本文将视窗设计成长方形的，视窗的布置根据研究喷雾特性试验设备的要求设计。高速摄像机要求两个视窗要正对着，一个窗口用于喷油过程拍摄，另一个窗口用于提供喷油拍摄时的背景光源。视窗的设计还要满足主题中心连线与两正对视窗中心连线成120°，第四个视窗的布置应与两正对视窗的中心连线垂直。

3.1.4 定容弹下盖法兰的设计

本文设计的定容器下盖法兰，具有排气口，为了便于液态的燃油能够及时的排出，将定容器下盖法兰的内部设计成锥形的，此外下盖上还设计了温度传感器的安装孔，用于监测定容器的排气温度：为了保证定容器在极限的情况下的安全性，还设计了安全阀的安装孔，当压力超过设定的安全压力时，安全阀会迅速将定容器内的压力卸掉，当压力低于设定压力时安全阀会自动关闭以确保试验的安全。

3.1.5 进气系统的设计

进气系统为定容器冲入一定温度的氮气，可以为喷油试验提供一定的压力和温度条件，并将黏在观察窗玻璃上的油雾吹走同时还具有稀释燃油的作用。进气系统有一个氮气瓶，气体解压器，气体压力传感器等组成。

3.1.6 排气系统的设计

其作用是将定容器内的燃油混合气及时排走，并通过油气分离装置将油气混合气分离，此外还具有测量排气流量，在定容器内产生一定的真空度的功能。排气系统的工作原理如图3.2。

控制系统4根据控制的需要，使节流比例阀6处于不同的开度，定容器中的油气混合气从定容器排气口处流出，经比例阀6的出口流到气体滤清器7中，将杂质过滤后,进到流量计8中，测得流量值通过串口通信传至系统控制器4，控制器会将流量信息进行记录，同时也会根据试验的需要调节进排气比例阀实现流量的反馈控制。

油气混合气经过流量计8后，就进入活性碳罐9经分离后由常开排气电磁阀10经排气口11排出。

当需要抽真空时，系统控制器4将关闭进气系统的进气比例阀，关闭排气系统电磁阀10，打开排气系统的电磁阀12，以及排气比例阀，控制真空泵13工作，同时通过定容器底部的压力传感器进行定容器内的压力检测，直至定容器内的压力达到设定值，系统控制器关闭排气比例阀，同时使排气电磁阀11和12断电。

4、结论

本文主要围绕缸内直喷汽油机喷油器喷雾定容测试系统进行了设计与研究，并重点分析了定容弹部分。论文的主要研究内容有以下几个部分：

（1）简单介绍了国内外喷雾测试试验的方法和研究现状。

（2）燃油喷雾研究方法多种多样，定容弹试验方法是现在研究燃油喷雾的常用方法，本文在现有试验系统的基础上做了些许改进，并对其中的主要系统做了简单的介绍。

（3）定容弹是喷油器喷雾特性可视化研究的重要实验工具，本文就针对定容弹试验中存在的一些问题，从设计上做了相应的改进，开发了一套定容测试系统，介绍了定容测试系统的的结构和工作原理，并针对定容弹部分从结构尺寸、选材等方面做了详细的介绍。

[1] 何文华，朱崇基. 电控汽油喷射发动机的研究[J]. 内燃机工程，1994（3）.

[2] 马凡华，蒋德明． 实验装置的混合气配置及点火系统[J]．汽车技术，2000，6：17-19．

[3] 李春明. 汽车发动机电控燃油喷射技术[M]． 北京：国防工业出版社，2009：15-22．

[4] 林辉. 定容燃烧弹的研制[D].青岛大学，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，就读于长安大学汽车工程学院。