CN103883453A - 一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置及其试验方法。该装置包括燃油供给系统、喷射系统和背压系统。燃油供给系统包括依次连接的油箱、燃油滤清器、高压油泵和共轨管；喷射系统包括喷油器和铝镁合金喷嘴头帽；背压系统包括依次连接的定容弹、第三压力表、减压阀、氮气瓶；共轨管与油箱通过第一回油管路相连，定容弹与油箱通过第二回油管路相连。本发明的试验装置及其试验方法，能够在较短时间内加快喷嘴空蚀，研究空蚀率对随后喷雾的影响，从而为合理设计喷嘴几何结构、选择合适的金属材料、改进燃油物性和选择合适的燃油温度提供指导，为综合考虑空穴雾化及防空蚀而进行喷嘴结构优化提供理论指导。

Description

一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及柴油机燃油喷雾领域，可用于柴油机喷嘴内部空蚀特性试验研究，特指一种带背压的柴油机原型喷嘴内部空蚀特性研究的试验装置。

背景技术

柴油机自研发至今，已经深深地融入到了我们的生活当中。无论是工程机械领域还是在车辆、船舶、国防等其他领域都有大量的应用，对国民经济发展具有重要的支撑作用。现代柴油机的发展与喷油压力的提高直接相关，电控高压共轨式燃油喷射系统能够将燃油喷射压力的产生与喷射过程彼此完全分离，通过共轨管内的油压来保证各喷油器拥有相同的燃油喷射压力，使喷射压力不受发动机转速的影响，从而保证发动机稳定、高效的运转。但是随着柴油机喷射压力的提高，使得喷油器喷嘴内不可避免的出现空化现象，而此种现象成为把喷油嘴内部流动和喷雾行为联系起来的一种关键因素。作为柴油机燃油喷射系统的终端，对燃油雾化质量、油束与燃烧室的配合及喷油持续期的长短都有直接影响，进而还会影响缸内燃烧。所以科研工作者对柴油机喷嘴内空穴流动开展了大量的研究。

然而，空穴现象会产生蒸汽泡，并在较高压力区迅速破裂，这样的过程将会使得金属表面承受反复不断的冲击力作用，进而产生喷嘴的空蚀，喷嘴出现空蚀后，会影响到柴油机的燃油雾化效果，而燃油的喷雾雾化又决定着柴油机的工作性能和污染物的生成，雾化差会造成发动机的工作状态变差，甚至无法工作，且空蚀会促使喷嘴微裂纹扩展，导致喷嘴的失效。因此，研究喷嘴的空蚀损毁具有非常重要的意义。而研究喷嘴空蚀损毁有一主要难点是如何在较短时间内加快喷嘴空蚀，研究空蚀率对随后喷雾的影响，从而为合理设计喷嘴几何结构、选择合适的金属材料、改进燃油物性和选择合适的燃油温度提供指导，为综合考虑空穴雾化及防空蚀而进行喷嘴结构优化提供理论指导。目前，实验室条件下尚未开展过一定背压条件下柴油机真实多孔喷嘴空蚀损毁特性的试验研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的难点，以更好的研究柴油机喷嘴内空蚀损毁对喷雾的影响，本发明提供一种可以在一定背压条件下用来研究柴油机喷嘴空蚀现象的柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置及其实验方法。

本发明的技术方案是：

一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置，包括燃油供给系统、喷射系统和背压系统；其中：所述燃油供给系统包括依次连接的油箱、燃油滤清器、高压油泵和共轨管，所述油箱中装有第一加热瓦和温度传感器，所述高压油泵和电机相连，所述共轨管上设有温度传感器；所述喷射系统包括喷油器和铝镁合金喷嘴头帽，所述铝镁合金喷嘴头帽设置于喷油器的喷嘴头部，所述喷油器与共轨管的输出端相连，其连接管路上设有第一压力表；所述背压系统包括依次连接的定容弹、第三压力表、减压阀、氮气瓶，所述定容弹上安装有第二压力表、喷射系统、第二加热瓦、温度传感器和排气阀；共轨管与油箱通过第一回油管路相连，当共轨管里的燃油压力高于试验所设定的燃油喷射压力时，共轨管里的燃油通过第一回油管路回到油箱；定容弹与油箱通过第二回油管路相连，喷油器喷出的低压油随第二回油管路回到油箱。

作为本发明的进一步改进，所述柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置还包括控制面板，所述油箱上的温度传感器、定容弹上的温度传感器、共轨管上的温度传感器分别与控制面板相连，控制面板用于实时控制燃油温度，为研究不同燃油温度对喷嘴穴蚀影响提供条件。

作为本发明的进一步改进，所述喷油器的喷嘴头部包括针阀体和设置于针阀体内部的针阀，所述铝镁合金喷嘴头帽采用镁铝合金材料，通过设置于铝镁合金喷嘴头帽上的卡盘和设置于针阀体上的法兰将喷油器与铝镁合金喷嘴头帽密封连接。

一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验方法，包括如下步骤：

A、在试验开始前，将铝镁合金喷嘴头帽用不同型号的砂纸机械打磨，获得新鲜表面，并在丙酮溶液中超声波清洗10分钟，去除铝镁合金的油垢；

B、用扫描电镜进行铝镁合金喷嘴头帽和喷孔初始表面形貌的观察，并用电子称称其重量并计数，然后将喷嘴安装在高压共轨试验台上进行连续的喷雾试验；

C、试验时，油箱中的燃油经过燃油滤清器到达高压油泵的入口，高压油泵在电机带动下，将燃油从低压油转变为高压油，随后燃油达到共轨管，在共轨管里面形成稳定的高压燃油，若共轨管里的燃油压力高于试验所设定的燃油喷射压力时，共轨管里将会有部分燃油通过第一回油管路回到油箱，保持油轨压力与试验所设的值一样，最后高压燃油到达喷油器，燃油经铝镁合金喷嘴喷出，喷出的燃油变成低压油，随第二回油管路回到油箱，这样如此往复地循环工作，直到一次循环试验结束；

D、然后卸下铝镁合金喷嘴头帽，将铝镁合金喷嘴头帽洗净，用电子称称得其重量并计数，随后用扫描电镜观察空蚀后喷嘴头帽形态；

E、然后再将铝镁合金喷嘴头帽安装在高压共轨试验台上进行连续喷雾试验，再进行下一次循环，如此循环若干次，获得这段时期的空蚀率随时间的变化以及喷嘴内空穴形貌变化过程。

作为本发明的进一步改进，定容弹的背压获得方法为：关闭定容弹中的排气阀，通过氮气瓶向定容弹中通入氮气，观察定容弹上第二压力表的压力值，达到试验所需的环境压力值后，停止向定容弹中继续通入氮气。

作为本发明的进一步改进，步骤C中所述一次循环试验的时间为24小时。

作为本发明的进一步改进，步骤E中所述循环若干次为循环5次。

本发明的有益效果是：

本发明一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置及其试验方法，能够更好地研究柴油机喷嘴内空蚀损毁对喷雾的影响，并在较短时间内加快喷嘴空蚀，研究空蚀率对随后喷雾的影响，从而为合理设计喷嘴几何结构、选择合适的金属材料、改进燃油物性和选择合适的燃油温度提供指导，为综合考虑空穴雾化及防空蚀而进行喷嘴结构优化提供理论指导。

附图说明

图1是本发明柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置的结构图；

图2是本发明中喷油器的结构示意图。

图中：1、第一加热瓦；2、油箱；3、燃油滤清器；4、高压油泵；5、控制面板；6、电机；7、共轨管；8、第一压力表；9、第二压力表；10、定容弹；11、第三压力表；12、减压阀；13、氮气瓶；14、喷油器；15、铝镁合金喷嘴头帽；16、第二加热瓦；17、排气阀；18、密封垫圈；19、连接螺栓；20、卡盘；21、法兰；22、针阀体；23、针阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置的结构如图1所示，包括燃油供给系统、喷射系统和背压系统。

燃油供给系统包括依次连接的油箱2、燃油滤清器3、高压油泵4和共轨管7，油箱2中装有第一加热瓦1和温度传感器，所述高压油泵4和电机6相连，共轨管7上设有温度传感器。该系统主要为整个试验装置提供连续、稳定的高压燃油，燃油从油箱经过高压油泵的加压后变成高压燃油，随后燃油进入共轨管，经过共轨管的稳压后再将高压燃油提供给喷油系统。燃油供给系统主要用来实现整个装置的自动循环，同时还可以实现燃油温度的自我调节。

喷射系统包括喷油器14和铝镁合金喷嘴头帽15，铝镁合金喷嘴头帽15设置于喷油器14的喷嘴头部，喷油器14与共轨管7的输出端相连，其连接管路上设有第一压力表8。该系统中的铝镁合金材料制作的喷嘴头帽主要用来加速喷嘴内产生空蚀，从而研究整个喷嘴头帽内部空蚀率，通过定量分析来获得空蚀的发生机理，此外，还通过电子扫描显微镜来观察喷嘴内空蚀形貌，通过定性分析来研究空蚀的发生机理，最终通过定性与定量的研究空蚀损毁对随后喷雾影响。喷射系统主要是用来快速完成柴油机喷嘴空蚀发展过程，进而开展喷嘴空蚀损毁对喷雾影响的试验研究。

背压系统包括依次连接的定容弹10、第三压力表11、减压阀12、氮气瓶13，定容弹10上安装有第二压力表9、喷射系统、第二加热瓦16、温度传感器（可以实时记录试验条件下的温度值，从而为后续分析温度对空蚀的影响提供第一手的数据）和排气阀17。该系统主要由高压氮气瓶给定容弹提供高压的氮气当做背压环境，而加热瓦给背压环境提供一定的环境温度。背压系统主要用来模拟真实发动机的背压环境，可以实现环境温度和压力的精确调节。

燃油从油箱2抽出，经过燃油滤清器3、高压油泵4、共轨管6、喷油器14、铝镁合金喷嘴15，最后通过第二回油管路进入油箱2，整个系统自动循环。

共轨管7与油箱2通过第一回油管路相连，当共轨管7里的燃油压力高于试验所设定的燃油喷射压力时，共轨管7里的燃油通过第一回油管路回到油箱2；定容弹10与油箱2通过第二回油管路相连，喷油器14喷出的低压油随第二回油管路回到油箱2。

该试验装置还包括控制面板5，油箱2上的温度传感器、定容弹10上的温度传感器、共轨管7上的温度传感器分别与控制面板5相连，控制面板5用于实时控制燃油温度，为研究不同燃油温度对喷嘴穴蚀影响提供条件。高压油路中采用压力和流量传感控制单元结合相关的信号处理和数据处理单元，可以实时获得并记录高压油路中的燃油的压力和流量的实时测量，这对研究空蚀的产生和发展具有重要的意义。

燃油温度控制功能的实现过程是：启动控制面板5上的燃油温度控制按钮，系统进入燃油温度自动控制系统，设定燃油温度在试验所需要的温度。当燃油温度低于设定的试验温度时，系统会自动地开启第一加热瓦1，对燃油进行加热；当温度升至设定的试验温度时，温度传感器发出信号，第一加热瓦1停止工作。

喷油器14的结构如图2所示，喷嘴头部包括针阀体22和设置于针阀体22内部的针阀23，铝镁合金喷嘴头帽15采用镁铝合金材料，通过设置于铝镁合金喷嘴头帽15上的卡盘20和设置于针阀体22上的法兰21将喷油器14与铝镁合金喷嘴头帽15密封连接。铝镁合金喷嘴头帽15的拆装和密封采用卡盘与法兰结合方式并用密封垫圈18密封，方便多次拆卸。燃油喷射系统喷油器的喷嘴头部采用线切割法切除，切去的头部由自行设计的铝镁合金头帽15替换。铝镁合金材料所具备的强度高，刚性好，耐穴蚀能力差的特性，适合用于开展快速空蚀的试验。

在试验开始前，将铝镁合金喷嘴头帽15用不同型号的砂纸机械打磨，获得新鲜表面，并在丙酮溶液中超声波清洗10分钟，去除铝镁合金的油垢。用JSM-6700F型扫描电镜进行喷嘴头帽和喷孔初始表面形貌的观察，并用电子称称其重量并计数，然后将喷嘴安装在高压共轨试验台上进行连续的喷雾试验。试验时油箱2中的燃油经过燃油滤清器3到达高压油泵4的入口，高压油泵在电机6带动下，将燃油从低压有转变为高压油，随后燃油达到共轨管7，在共轨管里面形成稳定的高压燃油，若共轨管里的燃油压力高于试验所设定的燃油喷射压力时，共轨管里将会有部分燃油通过第一回油管路回到油箱，保持油轨压力与试验所设的值一样，最后高压燃油到达喷油器14，燃油经铝镁合金喷嘴头帽15喷出，喷出的燃油变成低压油，随第二回油管路回到油箱，这样如此往复的循环工作，直到一次循环（24小时）试验结束。然后卸下喷嘴头帽，将喷嘴头帽洗净，用电子称称的其重量并计数，随后用扫描电镜观察空蚀后喷嘴头帽形态。 然后再将铝镁合金喷嘴安装在高压共轨试验台上进行连续喷雾试验，再进行下一次循环，如此循环5次，获得这段时期的空蚀率随时间的变化以及喷嘴内空穴形貌变化过程。

定容弹的背压获得方法为：关闭定容弹中的排气阀，打开减压阀12，通过氮气瓶向定容弹中通入氮气，定容弹上压力表（9）的可实时显示充入气体的压力大小，观察定容弹上压力表的压力值，达到试验所需的环境压力值，随后停止向定容弹中继续通入氮气。具体使用过程中，可依据具体试验条件，调节减压阀12的开度大小来控制背压环境。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置，包括燃油供给系统、喷射系统和背压系统；其特征在于：所述燃油供给系统包括依次连接的油箱（2）、燃油滤清器（3）、高压油泵（4）和共轨管（7），所述油箱（2）中装有第一加热瓦（1）和温度传感器，所述高压油泵（4）和电机（6）相连，所述共轨管（7）上设有温度传感器；所述喷射系统包括喷油器（14）和铝镁合金喷嘴头帽（15），所述铝镁合金喷嘴头帽（15）设置于喷油器（14）的喷嘴头部，所述喷油器（14）与共轨管（7）的输出端相连，其连接管路上设有第一压力表（8）；所述背压系统包括依次连接的定容弹（10）、第三压力表（11）、减压阀（12）、氮气瓶（13），所述定容弹（10）上安装有第二压力表（9）、喷射系统、第二加热瓦（16）、温度传感器和排气阀（17）；共轨管（7）与油箱（2）通过第一回油管路相连，当共轨管（7）里的燃油压力高于试验所设定的燃油喷射压力时，共轨管（7）里的燃油通过第一回油管路回到油箱（2）；定容弹（10）与油箱（2）通过第二回油管路相连，喷油器（14）喷出的低压油随第二回油管路回到油箱（2）。

2.根据权利要求1所述的一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置，其特征在于：还包括控制面板（5），所述油箱（2）上的温度传感器、定容弹（10）上的温度传感器、共轨管（7）上的温度传感器分别与控制面板（5）相连，控制面板（5）用于实时控制燃油温度，为研究不同燃油温度对喷嘴穴蚀影响提供条件。

3.根据权利要求1或2所述的一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验装置，其特征在于：所述喷油器（14）的喷嘴头部包括针阀体（22）和设置于针阀体（22）内部的针阀（23），所述铝镁合金喷嘴头帽（15）采用镁铝合金材料，通过设置于铝镁合金喷嘴头帽（15）上的卡盘（20）和设置于针阀体（22）上的法兰（21）将喷油器（14）与铝镁合金喷嘴头帽（15）密封连接。

4.一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验方法，包括如下步骤：

A、在试验开始前，将铝镁合金喷嘴头帽（15）用不同型号的砂纸机械打磨，获得新鲜表面，并在丙酮溶液中超声波清洗10分钟，去除铝镁合金的油垢；

B、用扫描电镜进行铝镁合金喷嘴头帽（15）和喷孔初始表面形貌的观察，并用电子称称其重量并计数，然后将喷嘴安装在高压共轨试验台上进行连续的喷雾试验；

C、试验时，油箱（2）中的燃油经过燃油滤清器（3）到达高压油泵（4）的入口，高压油泵（4）在电机（6）带动下，将燃油从低压油转变为高压油，随后燃油达到共轨管（7），在共轨管（7）里面形成稳定的高压燃油，若共轨管（7）里的燃油压力高于试验所设定的燃油喷射压力时，共轨管（7）里将会有部分燃油通过第一回油管路回到油箱（2），保持油轨压力与试验所设的值一样，最后高压燃油到达喷油器（14），燃油经铝镁合金喷嘴（15）喷出，喷出的燃油变成低压油，随第二回油管路回到油箱（2），这样如此往复地循环工作，直到一次循环试验结束；

D、然后卸下铝镁合金喷嘴头帽（15），将铝镁合金喷嘴头帽（15）洗净，用电子称称得其重量并计数，随后用扫描电镜观察空蚀后喷嘴头帽形态；

E、然后再将铝镁合金喷嘴头帽（15）安装在高压共轨试验台上进行连续喷雾试验，再进行下一次循环，如此循环若干次，获得这段时期的空蚀率随时间的变化以及喷嘴内空穴形貌变化过程。

5.根据权利要求4所述的一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验方法，其特征在于：定容弹（10）的背压获得方法为：关闭定容弹（10）中的排气阀（17），通过氮气瓶（13）向定容弹（10）中通入氮气，观察定容弹（10）上第二压力表（9）的压力值，达到试验所需的环境压力值后，停止向定容弹中继续通入氮气。

6.根据权利要求4或5所述的一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验方法，其特征在于：步骤C中所述一次循环试验的时间为24小时。

7.根据权利要求4或5所述的一种柴油机多孔喷嘴的快速空蚀试验方法，其特征在于：步骤E中所述循环若干次为循环5次。

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