【doc】柴油机供油系统中短时间存活汽泡及其特性的研究

【doc】柴油机供油系统中短时间存活汽泡及其特性的研究 柴油机供油系统中短时间存活汽泡及其特 性的研究 77-S0 第l6卷第6期 2000年1】月 农业工程 TransactionsoftheCSAE Vo1.16No.6 NOV.200077 柴油机供油系统中短时间存活汽泡及其特性的研究2. 何勇灵?赵致和刘建新宗永平杜慧勇李民张艳辉T川介 TI<战,,钍 摘要:利用He—Ne激光器,高速摄影技术及计算机信号:采集系统对柴油机供油系 统中存在的短时间存活汽泡进 行了研究,分析了此时的高压油管压力波特性及其频谱特点通过对高速摄影胶片 的播放分析,可清晰地发现柴油 机供油系统中出油阀紧帽腔处汽泡的产生机理并找出此类汽泡的存活时间约 2.o,2.5ms 关键词:莲i监;健盘丝誓堕生生鎏.生和L王. 柴油机供油系统中的液力过程是复杂多变的液 一 汽两相流动过程0],并对柴油机的运转稳定性及 性能指标有不同程度的影响口].由于液一汽两相流 是当今世界的前沿研究课题,目前无论是在理论上 还是在实验方法上都尚处于初步发展阶段,在今后 相当长的时期内,将继续是一个充满不同见解,实验 性强,带有经验色彩的学术领域,因此,应在此方面 进行深入细致的实验研究和理论探索. 为了揭示柴油机供油系统中液一汽两相流的内 在规律,作者利用He—Ne激光器,高速摄影技术及 计算机信号采集系统对柴油机供油系统中存在的短 时间存活汽泡进行了研究,论述了柴油机供油系统 中出油阀紧帽腔处汽泡的产生机理和短时间存活汽 泡的存活时间.并分析了此时的高压油管压力波特 性及其频谱特点. 1实验装置和测试方法 图1所示为高速摄影拍摄光路,图2所示为柴 油机供油系统台架试验装置简图.通过透明出油阀 紧帽腔,可观察喷油系统在运转中是否存在汽泡,利 用高速摄影机可把供油系统中汽泡拍摄下来.通过 胶片重放,可仔细地研究柴油机供油系统中汽泡的 运动规律.通过安装在高压油管上的压力传感器和 安装在喷油嘴上的针阀升程传感器,以及经过电荷 放大器放大后,即可获得不同工况以及不同喷油系 收稿日期2000?01—27修订日期:2~00-07一.8 *国家.九五"重点科技攻关项目(961203801),99年度河南省燕 出青年基金项目,河南省高等学校创新^才工程,河南省自然 科学基础研究项目(984041500)资助 ?何勇灵,博士,副教授,洛阳市涧溪区洛阳工学院汽车工程 系,471039 统参数条件下的泵端和嘴端压力波信号,油嘴针阀 升程信号.各信号经A/D转换卡进行采样处理后转 化为数字信号,传送到微型计算机中,便可获得和储 存相关量的数据信息及绘制出各信号曲线和进行频 谱分析. 囤l高速摄影拍摄光路 Fig.1Sketchoflightarrangement0fhigh—speedcamera 1.喷油泵试验台2.磁电式传感器3.喷油泵4.透明出 油阀倡腔5.压力传感器6.摄像机7.喷油器 8.透明高压油管9.针阙升程传感器1叽电荷放大器 l1.针阀升程测量仪12.示波器13.A/D转换卡 l4.微型计算机 囤2柴油机供油系统台架试验装置简囤 Fig.2Sketchofexperimentalinstallation Ofdieself啪linjectionsystem 2试验结果与分析 2.1短时间存活汽泡产生机理和存活时间 图3所示为当喷油嘴针阀开启压力P.一12 78农业工程2000芷 MPa时,在喷油泵转速n一350r/min,喷油量I, 一4.3mL/200次时拍得的柴油机供油系统中出油 阀紧帽腔处存在短时间存活汽泡时的高速摄影照 片图.此时的高速摄影机的拍摄速度为4000帧/s. 从拍到的高速摄影照片上可以看到,在出油阀 开启之前(图3中的1,2).出油阀紧帽腔内无汽泡 存在,即上一次循环没有汽泡遗留下来.图3中的 3,4,5,6,7,8为出油阀开启和上升过程的照片,历 时约1.5rns,8为出油阀上升的最高点时刻.在这一 过程中,喷油泵向高压油管供油,此时从照片上看不 到出油阀紧帽腔内有汽泡存在图3中的8,9,10, ll,12,13为出油阀落座和关闭过程的照片,历时约 1.5rns,13为出油阀完全落座时刻.在这一过程中. 从照片上可看到,随着出油阀的下落.极少量汽泡 开始出现(图3中的9,图中箭头所指处黑影为汽 泡),并随即溃灭和产生(图3中的l0,1】,12).随着 出油阀落座的即将完毕.较多量的汽泡出现在紧靠 出油闽体处(图3中的13,箭头所指处黑影为汽 泡).随着出油阀完全落座.刚出现的较多量汽泡随 即基本溃灭完(图3中的14,15),随后出油阀紧帽 腔内就没有汽泡存在,直到下一循环的到来. 在这一过程中.供油系统中出油阀紧帽腔内的 汽泡从产生到溃灭的整个过程,汽泡的存活时间极 短.大约历时2.0,2.5rm,这明显不同于以前发现 的在整个循环内供油系坑内都存在有汽泡的现象 (即长时间存活汽泡)..,因此我们把这种汽泡类型 称之为"短时间存活汽泡"或"闪电型汽泡". 通过对出油阀紧帽腔内的短时间存活汽泡高速 摄影胶片的放映分析可知,出油阀紧帽腔内产生汽 泡的主要原因是出油阀减压环带的减压作用和出油 阀在快速落座时在阀座处产生的节流作用所致.当 出油阀阀座处的压力瞬时降低到空气的分离压和燃 油的饱和蒸汽压时,就导致溶解在燃油中的空气及 燃油中易挥发成分析出,从而形成汽泡悬浮在燃油 中 B}油闻措帽眩山油闲弹簧 墨盈墨 雹墨墨墨墨少量汽泡开始出理.箭头所指妊蒜彤为汽泡 89l0 劬时l}汽泡出理揖多时劐.面所指处黑为汽张 重圈墨墨图3柴油机供油系统中出油阀紧帽腔赴短时间存活汽泡的产生与溃灭 过程 Fig.3ProcessofemergingandBursting0fskirtLivingcavitat[ol~.siathedeliverychamber0f fuelinjectionsystem 2,2产生短时间存活汽泡时的压力波与其频谱特 性 图4所示为产生短时间存活汽泡时的泵端和啪 端压力波形油嘴针阀升程曲线以及泵端和嘴端压力 波频谱结构挣胜图. 从泵端压力波形看(图4a).其主波波形非常平 滑,无压力振荡,而其次波上有很大的压力振荡,第 一 个次波的振荡时间约为2.5ms.第二个次波的振 第6期何勇灵等:柴油机供油系统中短时问存活汽泡及其特性的研究 荡时间也约为2.5ms左右.对照高速摄影照片,在 出油阀开启和上升过程,出油阀紧帽腔内没有汽泡 存在.故反映到压力波上,就几乎没有压力的振荡, 而是比较平滑地上升.然而,在出油阀落座和关闭过 程中,由于供油系统中有短时间存活汽泡的产生和 溃灭,所以反映到压力波上.其次波就产生了较大的 压力振荡,即次波上产生的"毛刺".从嘴端压力波形 看.也有类似的现象出现,即主波波形无压力振荡. 而其次波上有压力的振荡. 从压力波的功率谱上看(图4b,c,d,e),其泵端 和嘴端压力波主波的截止频率大约在8.3kHz左 右,且幅艮小.而其次渡的截止频率却很大.且其 脉动幅值也很高,如图4c和e.泵端压力波次波的 截止频率高达39.62kHz(图4c),嘴端压力波次波 的截止频率也高达33.69kHz(图4e).造成压力波 高频振荡的原因正是供油系统中的汽泡破灭所引起 ,压力波以这么高的频率振荡又使汽泡 的.另一方面 无法长时间存活.在产生之后立即被压灭.所以出现 了本文研究的称之为"短时间存活汽泡"的情形. 根据压力波频谱图结构和对应的高速摄影照 片,还可以推断,在8.3kHz范围以内.是此系统无 汽泡时的压力波频率结构因为从图可看出当压力 波的截止频率大于8.3kHz时,对应的照片就有汽 泡存在和破灭.而当压力波的截止频率小于8.3 kHz时,对应的照片就没有汽泡存在和破灭.因此可 认为大于8.3kHz的频率范围是汽泡溃灭所造成 的.供油系统中破灭的汽泡越多.压力波的截止频率 也越高,幅值越大. 根据以上特性可以得出一个对应关系:只要压 力波功率谱的截止频率大于8.3kHz,系统中就有 汽泡存在和溃灭,压力波就叠加有高频振荡.截止频 率和幅值越大,汽泡就越多,压力波叠加的高频振荡 就越剧烈.也就是说,在研究柴油机供油系统中的液 一 汽两相流时.不用通过摄像机拍摄,只需通过喷油 系统中压力波的功率谱分析,就可直接判断系统中 有无汽泡存在,显然这是研究柴油机供油系统中的 液一汽两相流的一种方法. 3结论 1)柴油机供油系统中短时间存活汽泡现象的 高速照片表明,出油阀紧帽腔内产生汽泡的丰要原 固是出油阀减压环带的减压作用和出油阀在陡速落 座时在阀座处产生的节流作用引起的,且在即将落 针阀升程曲耋5l 0732l4.6421.9629.28.604392 f]kHz 障谢 07.321',6421.9629.28j6.60?.q?5】.2d58.?665.B8 ,,kH 0. 3214.6421.q629.2a36.43.92 f}k}lz d.短时间存{汽泡啸端力{窿主峨的功率i岫 力被嵌波的功牢{柠 圈4产生短时间存活汽也时的泵端 和嘴端压力波形及其频谱结构 Fig.4Pressure~-axresandtheirfrequencyspectrum ofrue1injectionsystemnearthepumpandnearthe nozzleshortlivingcavirationsemerginginthe deliverychamber 农业工程2000拒 座完毕时,产生的汽泡量最多. 2)短时间存活汽泡的存活时间极短.大约为 2.O,2.5IT,s. 3)柴油机供油系统中出现短时间存活汽泡现 象时,其泵端和嘴端压力波主波无压力振荡,而其次 波则有很大的压力振荡. 4)柴油机供油系统中的汽泡和压力波的功率 谱存在对应关系:当压力波的截止频率大于8.3 kHz,即说明供油系统中就有汽泡存在和溃灭.压力 波的截止频率越大,幅值越大,供油系统中的汽泡溃 灭就越多,叠加到压力波的高频振荡就越剧烈. [参考文献] 1]何勇灵,刘建新等.农用柴油机喷油系统中液汽两相 流动过程的试验研究.农业工程,1999,l5(4) [2]赵致和,刘建新等.柴油机喷油系统中的空泡及其对发 动机性能的影响.内燃机,199Z,10(4):364~370 E3]何勇灵,赵致和等.在油一汽两相流状态下柴油机喷油 系统中压力波传播速度的研究.内燃机,1995,10 (4):369,375 [4]何勇灵,赵致和等柴油机喷油系统不规则喷射机理的 新探讨.内燃机,1996,4(2):134~138 [5]高宗英,刘胜吉等.柴油机喷油系统汽泡现象的试验研 究.内燃机,1990,4(2):143~148 InvestigationofShortLivingCavitationandIts Characteristicsi11DieselFuelIniectionSystem MeYonglingZhaoZhiheLiuJianxinZongYongpingDuHuiyong LiMinZhangYanhuiDingChuanJieZhan (Luo~ngIns6tme0fTechnology,I~vyang471039) A~traet:Inthispaper.byusingHe—Nelaser,hidh—speedcameraandsignal— collectingsystem,an investigationofshortlivingcavitationindieselfueliniecdonsystemwasmade.Andthecharacteristicsof pressurewaveandpressurewavespectrumwereanalyzedwhenshortlivingcavitationappearedinthe dieselfuelinjectionsystem.Byanalysisofhighspeedcamerafilms,thereasonofcavitation'Scausein deliverychamberofruelinjectionsystemandtimeofshortlivingcavitationlivewerediscussed. Keywords:dieselengine;fuelinjectionsystem;shortlivingcavitations