擠壓研磨對噴油器流量及霧化性能的影響

擠壓研磨對噴油器流量及霧化性能的影響王忠;王凱;王鵬;劉帥;湯志明;樓狄明【摘要】為了研究擠壓研磨工藝對噴油器噴孔流量和霧化的影響,采用噴霧試驗臺高速攝像機、噴油器性能試驗臺和EFS單次噴射測量儀，在不同擠壓研磨加工時間和系統(tǒng)壓力的工藝條件下,拍攝了噴油器的噴霧圖片,測量了噴孔的流量.分析了噴油器噴孔噴霧的噴霧錐角、噴霧貫穿距、初次和二次破碎、噴霧差異度等的變化規(guī)律.結果表明:隨著擠壓研磨加工時間和系統(tǒng)壓力的增加,噴孔的擠研增量逐漸增加;當擠研增量從5％增加到20％時,噴霧錐角從14.8°減小到12.6°,噴霧貫穿距從36.20mm增加到44.20mm,—次破碎區(qū)域的貫穿距由3.93mm增大至U22.20mm,—次破碎的貫穿距在整個噴霧貫穿距中的占比增大;隨著擠研增量的增大,噴霧差異度增大,不利于燃油在燃燒室的均勻分布.期刊名稱】《江蘇大學學報(自然科學版)》年(卷),期】2019(040)005【總頁數(shù)】7頁(P497-503)【關鍵詞】噴油器;擠壓研磨;流量;擠研增量;霧化;破碎【作者】王忠;王凱;王鵬;劉帥;湯志明;樓狄明【作者單位】江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇鎮(zhèn)江212013;江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇鎮(zhèn)江212013;江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇鎮(zhèn)江212013;江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇鎮(zhèn)江212013;常州博瑞油泵油嘴有限公司,江蘇常州213200;同濟大學汽車學院,上海201804【正文語種】中文【中圖分類】TK426噴油器作為柴油機燃油系統(tǒng)的核心零部件,其流量大小以及霧化效果直接影響柴油機的動力、經(jīng)濟性指標,尤其對排放性能指標影響極大.對高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴油器來說,噴孔的幾何參數(shù)、加工工藝直接影響噴油器的霧化效果［1］.擠壓研磨技術能夠有效增強和改善噴孔的流量以及霧化效果,已經(jīng)成為加工噴油器噴孔工藝中必不可少的一環(huán).擠壓研磨工藝可以用于去除經(jīng)過電火花打孔后產(chǎn)生的毛刺,并且改善噴孔表面的粗糙度［2-3］,針對柴油機高壓噴油器,擴大噴油器噴孔入口處的圓角,有效抑制噴孔內的空化現(xiàn)象［4-5］,從而提高噴孔的流量,改善霧化效果.擠壓研磨工藝加工時的影響因素很多,在實際加工過程中,往往通過控制擠壓研磨系統(tǒng)的加工時間和調整系統(tǒng)壓力來改變擠壓研磨的程度.除此之外,影響擠壓研磨加工還有很多因素.不同的磨料擠壓研磨出來的效果不同;研磨介質的黏度會對研磨膏的流動產(chǎn)生影響,從而影響流量;磨料的粒徑不會改變研磨膏的表面質量,但卻會影響研磨膏的加工效率,影響噴孔的流量.這些影響因素都會改變噴孔內部結構,對噴孔內的空化產(chǎn)生影響,影響噴孔的流量,而噴孔流量的變化往往會引起噴霧錐角和貫穿距的變化［6-8］,導致噴孔的霧化性能發(fā)生變化.目前,國內外學者對擠壓研磨工藝以及擠壓研磨對微小噴孔的結構、內孔表面粗糙度等方面的影響進行了大量研究,研究發(fā)現(xiàn),擠壓研磨對噴孔的流量以及霧化都有著重大影響.楊淑珍［9］對微小孔擠壓研磨加工中的參數(shù)進行了優(yōu)化研究,根據(jù)流量、霧化質量2個評價指標,運用正交實驗法對研磨介質的研磨能力、磨料的粒徑、研磨介質黏度、系統(tǒng)壓力、加工余量、加工時間等參數(shù)的重要性進行了排序;黃穎等［10］對影響噴油器微噴孔的擠壓研磨液和流量系數(shù)進行了研究,對擠壓研磨的控制參數(shù)加工時間和系統(tǒng)壓力進行了優(yōu)化,提出了加工時間和系統(tǒng)壓力的最佳加工參數(shù).擠壓研磨會影響噴孔內的圓角,楊海濤等［11］研究了入口圓角對空化的影響、噴孔內流與噴霧特性的變化；L.LENIK等［12］為了研究燃油在噴嘴內流動的空化現(xiàn)象對噴霧性能和破碎過程的影響,提出了一種新的噴霧貫穿距和錐角的測量方法，結果表明,噴嘴內部的空化現(xiàn)象對噴霧的破碎過程以及霧化過程有重要影響.筆者定義擠研增量為擠研后噴孔流量的增加,提出通過擠研增量來評價擠壓研磨前后噴孔流量的變化方法.在不同擠壓研磨加工時間和系統(tǒng)壓力的工藝條件下,拍攝噴油器的噴霧圖片,測量噴孔流量；分析在不同的擠研增量下,對噴油器噴霧錐角、貫穿距、初次和二次破碎、噴霧差異度等的變化規(guī)律.1擠壓研磨與霧化評價指標擠壓研磨時，研磨膏在壓力的作用下流經(jīng)噴孔,研磨膏內的磨料對噴孔內壁進行研磨,擴大噴孔入口處的圓角半徑,去除噴孔內的毛刺,改善噴孔內壁的粗糙度,從而影響噴油器噴孔的流量和霧化效果.評價指標擠壓研磨的評價指標通常有噴孔內圓角幾何參數(shù)、噴孔內孔表面粗糙度、各噴孔的流量離散度等.為了分析擠壓研磨對噴孔流量和霧化的影響,選用噴孔的擠研增量對流量進行評價,并從噴嘴的霧化質量和噴霧差異度［13-14］2個方面對霧化進行評價.擠研增量由于測量直徑較小的內孔變化比較困難,所以提出通過改變擠壓研磨過程中的參數(shù),測量通過噴孔擠壓研磨前后的流量增加量的方法來評價擠壓研磨效果.為了分析噴孔在擠壓研磨加工前后流量的變化，擠研增量a定義如下:噴霧條件一定時，同一^噴孔擠壓研磨后的噴孔流量與擠壓研磨前的噴孔流量之差與擠壓研磨前的噴孔流量之比，即(1)式中:Q2為擠研后的噴孔流量,mm3?min-1;Q1為擠研前的噴孔流量,mm3?min-1.在實際擠壓研磨加工過程中,往往通過調節(jié)擠壓研磨系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力以及加工時間來獲得擠研增量.擠研增量反映了流量的變化,在一定程度上還反映了噴孔入口圓角的大小.噴孔的入口圓角越大,擠研增量越大.霧化質量對霧化質量的評價通過對各噴孔霧化的均勻性、油束的貫穿距、霧化錐角等參數(shù)及相互關系進行評價.噴霧破碎效果如圖1所示.在分析噴孔霧化是否均勻時,將噴霧分成2個階段:一次破碎與二次破碎.一次破碎一般發(fā)生在噴油嘴出口,噴射出的射流周邊開始液體分離,形成液體薄片或者纖絲,進而形成液滴.二次破碎發(fā)生在一次破碎之后,由于氣流擾動大,大液滴分離成小液滴,噴霧頭部油滴之間的間距開始變大,相互作用力逐漸減小,油滴的速度減小,開始湍流擴散和蒸發(fā),形成噴霧.圖1噴霧破碎效果圖噴霧發(fā)生破碎主要由3個機制決定,即空氣動力學［15］破碎、湍流引起的破碎以及燃料噴射時因噴孔中存在的空化現(xiàn)象而引起的破碎［16-18］.擠壓研磨工藝對燃料噴射時因噴孔中存在的空化現(xiàn)象而引起的破碎有著顯著的影響.為了更加準確地劃分一次破碎和二次破碎,提出一種通過噴霧錐角角度來劃分一次破碎和二次破碎貫穿距的方法.噴霧差異度由于加工過程、噴孔夾角等因素,同一個噴油器的不同噴孔的油束貫穿距會發(fā)生變化.噴油器貫穿距差異對燃油在燃燒室內的均勻分布有著重要的影響.為了分析噴孔噴霧的差異，噴霧差異度6定義為同一次噴油中不同噴孔中油束貫穿距的最大值與最小值之差與油束貫穿距最大值之比，即(2)式中:Rmax,Rmin分別為單個噴嘴在噴油器同一次噴油中最長與最短油束的貫穿距,mm.試驗設備及方案1.2.1試驗設備通過噴油器性能試驗臺和EFS單次噴射測量儀,進行了擠壓研磨對噴油器流量影響的試驗.噴油器性能試驗臺可以測量單次噴射的油量.在測量時,將單孔噴射的油量引入單次噴射測量儀,即可測量噴油器單一噴孔循環(huán)噴油量,也可以測量噴油器在穩(wěn)定工況下一段時間內的平均循環(huán)油量.采用EFS公司生產(chǎn)的EMI3型單次噴射測量儀(圖2)進行噴油器循環(huán)噴油量測試，該噴射測量儀軌壓范圍為40~160MPa,測量精度為0.02mm3,同步信號的范圍為1~3600r,最大測試油量為1500mm3,噴油采樣頻率為每循環(huán)5次.圖2EFS單次噴射測量儀噴霧試驗在噴霧試驗臺上完成,通過高速攝像機進行拍攝,為了更加準確地量化試驗中拍攝出來的噴霧效果圖,對原始圖像進行灰度和二值化處理[18],這樣能夠更加準確地觀察和測量出噴霧的貫穿距以及錐角等數(shù)據(jù),處理方式如圖3所示.圖3圖片處理試驗方案通過控制變量,分別調整系統(tǒng)壓力、加工時間來測量擠壓研磨對擠研增量和噴霧效果的影響.每組數(shù)據(jù)測量多次,并取平均值,加工參數(shù)如表1所示.表1加工參數(shù)序號系統(tǒng)加工時間/min系統(tǒng)壓力/MPa1422443464485246647842試驗結果分析2.1擠壓研磨系統(tǒng)加工參數(shù)對擠研增量的影響軌壓為100MPa,系統(tǒng)壓力為6MPa時,擠研增量隨擠壓研磨系統(tǒng)加工時間的變化曲線如圖4所示.圖4擠研增量隨擠壓研磨系統(tǒng)加工時間的變化曲線從圖4可以看出:隨著擠壓研磨加工時間越來越長,擠研增量也逐漸升高,主要原因是擠壓研磨加工時間越長,研磨出的入口圓角越大,有效抑制了空化現(xiàn)象,減小燃料的壓力損失,從而增加噴孔流量;隨著擠壓研磨加工時間進一步延長,當擠研加工時間達到6min后,擠研增量的變化率逐漸減小，此時再增加擠壓研磨加工時間對噴孔流量的提高收益不大.軌壓為100MPa加工時間為4min時,擠壓研磨系統(tǒng)壓力對擠研增量的影響如圖5所示.圖5擠壓研磨系統(tǒng)壓力對擠研增量的影響從圖5可以看出:當擠壓研磨系統(tǒng)壓力從2MPa增大到8MPa時，研磨液中的磨粒受力增大,流速變大,對噴孔的磨削效果更強,研磨效率越高,噴油器噴孔的擠研增量從5%增加到20%,流量也快速增加.擠壓研磨對霧化性能的影響為了研究不同擠研增量對噴霧性能的影響,選擇了擠研增量分別為5%,10%,15%和20%時的噴孔進行噴霧性能試驗.在高速攝像機拍攝的圖像中，在1700ps之后拍攝出的噴霧圖像已經(jīng)沒有多大變化，選取1700ps時刻拍攝出的圖像進行處理.在軌壓為100MPa,時間為1700ps時，擠研增量分別在5%,10%,15%和20%時，噴孔噴出的噴霧經(jīng)過灰度和二值化處理的噴霧圖像如圖6所示.從處理過的圖片中可以描繪出噴霧形態(tài)的輪廓,測量噴霧錐角和噴霧貫穿距.圖6不同擠研增量時，噴孔的噴霧圖像經(jīng)過不同擠研增量加工的噴嘴在100MPa時，擠研增量對噴霧錐角和噴霧貫穿距的影響如圖7所示.圖7擠研增量對噴霧錐角和噴霧貫穿距的影響從圖7可以看出:隨著擠研增量的增加,所加工出的噴嘴在軌壓不變時,噴霧錐角逐漸減小;在噴油壓力為100MPa時，擠研增量為5%時的噴嘴噴霧錐角為14.8°,擠研增量為20%的噴嘴噴霧錐角減小到12.6°,兩者僅相差2.2°.因為隨著噴孔加工的擠研增量增加,噴嘴入口處的圓角半徑增大,抑制了噴嘴內部的空化現(xiàn)象,而噴嘴內部的空化有助于燃油的霧化[4],燃油霧化效果變差,噴霧錐角減小;在噴油壓力為100MPa時,隨著擠壓研磨加工時間的延長或擠壓研磨系統(tǒng)壓力增大,擠研增量從5%增加到20%,噴霧的流量變大燃油噴出時更加集中，噴霧貫穿距更大，從36.20mm增加到44.20mm.擠壓研磨對二次破碎的影響在現(xiàn)階段的研究中,往往通過數(shù)值模擬計算或者通過高速攝像機進行拍攝并觀察圖像來劃分或測量一次破碎的噴霧貫穿距,但是觀測所得到的結論具有一定的主觀性與隨機性,因此需要通過數(shù)據(jù)處理方法進行測算,來有效減少隨機誤差.燃油的初始破碎過程主要和噴油壓力有關,噴射壓力使得氣液相對速度變大,油束的索特平均直徑變小,破碎后的小液滴逐漸向四周擴散.隨著破碎后的小液滴逐漸向四周擴散及噴射壓力的增大,所拍攝到的噴霧錐角逐漸增大.噴霧錐角的大小反映了噴霧液滴在破碎時開始向四周擴散程度的大小.隨著噴油壓力的增大,噴霧錐角受噴油壓力的直接影響也會變大,為了消除噴油壓力所帶來的對噴霧錐角的影響,需要對實際測得的噴霧錐角進行修正,所得到的修正值能夠很好表征一次破碎.劃分一次破碎和二次破碎貫穿距的具體方法如下:通過計算出修正后的錐角,確定一次破碎的錐角角度,并在噴霧圖像中測量相同大小的錐角,使噴霧達到該角度的貫穿距即為一次破碎的噴霧貫穿距.具體測量步驟如圖8所示.圖8通過噴霧錐角劃分一次和二次破碎貫穿距在具體的操作過程中,將經(jīng)過已電火花加工但未擠壓研磨的噴孔進行噴霧試驗.對高速攝像機拍攝出來的噴霧效果圖進行測量,測量得出一次破碎區(qū)域的噴霧錐角為10.1°.擠研增量的增加會導致噴霧錐角發(fā)生一定的變化,需要對擠壓研磨后的噴霧錐角進行修正,以便更加準確地劃分一次破碎和二次破碎的區(qū)域.對圖7中的錐角曲線進行擬合,可得0=15.39296-0.365a,(3)式中:0為噴霧錐角，(°).0=1O.1p,(4)式中:p為修正系數(shù).(5)在加工不同擠研增量下對所需測量的噴霧錐角進行修正,結果如表2所示.表2修正結果擠研增量/%修正前錐角/(°)修正后錐角/(°)510.19.51010.19.11510.18.62010.18.1對修正后的各個噴霧圖像進行測量,確定一次破碎的噴霧貫穿距和二次破碎的貫穿距.通過對比可以發(fā)現(xiàn),按噴霧錐角的方法劃分一次破碎和二次破碎的結果與實際測量劃分的結果相近.擠研增量分別為5%,10%,15%和20%時,一次破碎和二次破碎貫穿距占比如圖9所示.圖9擠研增量對一次和二次破碎貫穿距的影響從圖9可以看出:隨著擠壓研磨的擠研增量的逐漸增大,噴霧的一次破碎不僅貫穿距變長,而且在各自整體噴霧貫穿距中所占的比例也在增大,當擠研增量從5%增加到20%時,一次破碎的貫穿距從3.79mm增加到22.20mm,占比從10.85%增加到50.23%.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因如下:空化現(xiàn)象促進射流的破碎,噴嘴內的空化使燃油在到達噴嘴出口時出現(xiàn)蒸汽部分,從而影響噴霧的一次破碎.隨著擠壓研磨時間的延長與擠壓研磨加工壓力的增加,噴孔的擠研增量增大,噴孔內部圓角變大,空化區(qū)域減小,空化現(xiàn)象減弱,燃油在噴出時更加集中,一次破碎的過程也就更長,在整個霧化過程中占比更大.另外,二次破碎過程相對一次破碎過程,隨加工時間的變化影響并不大,擠研增量5%的噴孔噴出的噴霧與擠研增量為20%的噴孔噴出的噴霧二次破碎的貫穿距僅相差8mm,遠低于一次破碎過程的變化程度，主要是因為二次破碎過程中液滴之間的相互作用力減小,油滴從液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài),空化等影響因素對二次破碎的影響較小,油束油量的大小決定了二次破碎過程的長度.擠壓研磨對噴霧差異度的影響擠研增量為10%,15%時,噴霧差異度的變化如圖10所示.當噴孔的擠研增量被加工到10%時,計算出的噴霧差異度為13%,當噴孔的擠研增量被加工到15%時,計算出的噴霧差異度為20%.從圖10可以看出:擠研增量的減小使得噴霧差異度降低,同一噴嘴不同噴孔之間的霧化效果差異變小,燃油在燃燒室內的分布更加均勻.這是由于正常加工時各個噴孔與噴嘴軸線的角度不同,擠研增量越大對各個噴孔入口圓角的影響差異越大,噴霧差異度也就越大.為了保證燃油能夠均勻地分布在燃燒室內,擠研增量不能過大.圖10擠研增量對噴霧差異度的影響3結論隨著擠壓研磨加工時間的延長和系統(tǒng)壓力的增加,噴嘴噴孔的擠研增量逐步增加.當擠壓研磨的加工時間延長到一定程度后,擠研增量的增長率開始減小甚至趨向于0.在100MPa軌壓下，擠研增量的增加導致噴霧錐角的減小以及噴霧貫穿距的增加.隨著噴孔擠研增量從5%增加到20%,噴孔噴出的噴霧錐角從14.8°減小到12.6°,噴霧貫穿距從36.20mm增加到44.20mm.隨著擠壓研磨的擠研增量從5%增加到20%,噴霧一次破碎和二次破碎的貫穿距都逐漸增加,擠壓研磨破壞噴孔內的空化結構,并提高噴孔內部的光潔度,導致噴霧中一次破碎在整個破碎過程中貫穿距的占比大幅度提高,一次破碎的占比從9.79%增加到33.43%.隨著擠壓研磨所帶來的擠研增量的增加,噴嘴的噴霧差異度逐漸增加,當擠研增量達到15%時,噴霧差異度達到20%,為保證燃油在燃燒室分布均勻,擠研增量不宜過大.參考文獻【相關文獻】ZHOUXY,LIT,LAIZY,etal.Scalingfuelspraysfordifferentsizedieselengines[J].Fuel,2018,225:358-369.SAXENAKK,BELLPTTIM,QIAOJ,etal.Characterizationofcircumferentialsurfaceroughnessofmicro-EDMedholesusingreplicatechnology[J].ProcediaCIRP,2018,68:582-587.NATSUW,MAEDAH.Realizationofhigh-speedmicroEDMforhigh-aspect-ratiomicroholewithmistnozzle[J].ProcediaCIRP,2018,68:575-577.王鵬，王忠，瞿磊?高壓噴射噴孔結構參數(shù)對空化現(xiàn)象的影響[幾排灌機械工程學報,2017,35(12):1063-1068.WANGP,WANGZ,QUL.Influenceofstructureparametersofhighpressurejetnozzleoncavitation[J].JournalofDrainageandIrrigationMachineryEnginee-ring,2017,35(12):1063-1068.(inChinese)⑸高志勝,王謙,何志霞，等?噴油器帶毛刺噴孔的噴霧特性試驗[J].內燃機學報,2015,33⑹:530-536.GAOZS,WANGQ,HEZX,etal.Experimentondieselspraycharacteristicsofnozzleholewithmicro-burr[J].TransactionsofCSICE,2015,33(6):530-536.(inChinese)黃豪中，史程，張鵬，等?噴射壓力及環(huán)境背壓對松油-柴油混合燃料噴霧特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2016,32(17):55-61.HUANGHZ,SHIC,ZHANGP,etal.Effectofinjectionpressureandambientpressureonspraycharacteristicsofpineoil-dieselblends[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2016,32(17):55-61.(inChinese)陳征，黎青青,徐廣輝，等.柴油噴霧貫穿距影響因素灰色關聯(lián)分析[J].江蘇大學學報(自然科學版)，2017,38(1):13-17.CHENZ,LIQQ,XUGH,etal.Grayrelationalanalysisforeffectfactorsofdieselspraypenetrationlength[J].JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition),2017,38(1):13-17.(inChinese)SUNZY,LIGX,CHENC,etal.Numericalinvestigationoneffectsofnozzle'sgeometricparametersontheflowandthecavitationcharacteristicswithininjector'snozzleforahigh-pressurecommon-railDIdieselengine[J].EnergyConversionandManagement,2015,89:843-861.楊淑珍?針閥體在線擠壓研磨參數(shù)優(yōu)化[J]?上海第二工業(yè)大學學報,2016,33(4):314-319.YANGSZ.Studyofparameteroptimizingononlinegrindingprocessonmicro-orificesofinjector[J].JournalofShanghaiPolytechnicUniversity,2016,33(4):314-319.(inChinese)黃穎,張向軍，李勇，等?噴油嘴微噴孔擠壓研磨液及其試驗研究[J].中國表面工程,2011,24(5):68-72.HUANGY,ZHANGXJ,LIY,etal.Extrudehoningabrasiveslurryanditshoningexperimentsforfueljetnozzle[J].ChinaSurfaceEngineering,2011,24(5):68-72.(inChinese)楊海濤，鐘博，吳月，等?噴孔入口圓角對噴孔內流與噴霧特性的影響研究[J].現(xiàn)代車用動力,2017(1):1-6.YANGHT,ZHONGB,WUY,etal.Studyonshapeofroundedinletaffectingonflowandspraycharacteristic[J].ModernVehiclePower,2017(1):1-6.(inChinese)LENIKL,KEGLB,BOMBEKG,etal.Theinfluenceofin-nozzlecavitationonflowcharacteristicsandspraybreak-up[J].Fuel,2018,222:550-560.高原,黃魏迪，高雅，等.基于噴霧特性及質量均勻性的油嘴噴孔加工一致性方法研究[J].內燃機工程,2012,33(4):36-40,46.GAOY,HUANGWD,GAOY,etal.Methodevaluatingnozzlesprayholemanufacturingconsistencybasedonspraycharacteristicsanduniformity[J].ChineseInternalCombustionEngineEn