挤压研磨对喷油器流量及雾化性能的影响

王忠;王凯;王鹏;刘帅;汤志明;楼狄明

【摘 要】为了研究挤压研磨工艺对喷油器喷孔流量和雾化的影响,采用喷雾试验台、高速摄像机、喷油器性能试验台和EFS单次喷射测量仪,在不同挤压研磨加工时间和系统压力的工艺条件下,拍摄了喷油器的喷雾图片,测量了喷孔的流量.分析了喷油器喷孔喷雾的喷雾锥角、喷雾贯穿距、初次和二次破碎、喷雾差异度等的变化规律.结果表明:随着挤压研磨加工时间和系统压力的增加,喷孔的挤研增量逐渐增加;当挤研增量从5％增加到20％时,喷雾锥角从14.8°减小到12.6°,喷雾贯穿距从36.20 mm增加到44.20 mm,一次破碎区域的贯穿距由3.93 mm增大到22.20 mm,一次破碎的贯穿距在整个喷雾贯穿距中的占比增大;随着挤研增量的增大,喷雾差异度增大,不利于燃油在燃烧室的均匀分布.

【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2019(040)005

【总页数】7页(P497-503)

【关键词】喷油器;挤压研磨;流量;挤研增量;雾化;破碎

【作 者】王忠;王凯;王鹏;刘帅;汤志明;楼狄明

【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;常州博瑞油泵油嘴有限公司,江苏常州213200;同济大学汽车学院,上海201804

【正文语种】中 文

【中图分类】TK426

喷油器作为柴油机燃油系统的核心零部件,其流量大小以及雾化效果直接影响柴油机的动力、经济性指标,尤其对排放性能指标影响极大.对高压共轨喷射系统的喷油器来说,喷孔的几何参数、加工工艺直接影响喷油器的雾化效果[1].挤压研磨技术能够有效增强和改善喷孔的流量以及雾化效果,已经成为加工喷油器喷孔工艺中必不可少的一环.挤压研磨工艺可以用于去除经过电火花打孔后产生的毛刺,并且改善喷孔表面的粗糙度[2-3],针对柴油机高压喷油器,扩大喷油器喷孔入口处的圆角,有效抑制喷孔内的空化现象[4-5],从而提高喷孔的流量,改善雾化效果.

挤压研磨工艺加工时的影响因素很多,在实际加工过程中,往往通过控制挤压研磨系统的加工时间和调整系统压力来改变挤压研磨的程度.除此之外,影响挤压研磨加工还有很多因素.不同的磨料挤压研磨出来的效果不同;研磨介质的黏度会对研磨膏的流动产生影响,从而影响流量;磨料的粒径不会改变研磨膏的表面质量,但却会影响研磨膏的加工效率,影响喷孔的流量.这些影响因素都会改变喷孔内部结构,对喷孔内的空化产生影响,影响喷孔的流量,而喷孔流量的变化往往会引起喷雾锥角和贯穿距的变化[6-8],导致喷孔的雾化性能发生变

化.

目前,国内外学者对挤压研磨工艺以及挤压研磨对微小喷孔的结构、内孔表面粗糙度等方面的影响进行了大量研究,研究发现,挤压研磨对喷孔的流量以及雾化都有着重大影响.杨淑珍[9]对微小孔挤压研磨加工中的参数进行了优化研究,根据流量、雾化质量2个评价指标,运用正交实验法对研磨介质的研磨能力、磨料的粒径、研磨介质黏度、系统压力、 加工余量、加工时间等参数的重要性进行了排序;黄颖等[10]对影响喷油器微喷孔的挤压研磨液和流量系数进行了研究,对挤压研磨的控制参数加工时间和系统压力进行了优化,提出了加工时间和系统压力的最佳加工参数.挤压研磨会影响喷孔内的圆角,杨海涛等[11]研究了入口圆角对空化的影响、喷孔内流与喷雾特性的变化;L. LENIK等[12]为了研究燃油在喷嘴内流动的空化现象对喷雾性能和破碎过程的影响,提出了一种新的喷雾贯穿距和锥角的测量方法，结果表明,喷嘴内部的空化现象对喷雾的破碎过程以及雾化过程有重要影响.

笔者定义挤研增量为挤研后喷孔流量的增加,提出通过挤研增量来评价挤压研磨前后喷孔流量的变化方法.在不同挤压研磨加工时间和系统压力的工艺条件下,拍摄喷油器的喷雾图片,测量喷孔流量;分析在不同的挤研增量下,对喷油器喷雾锥角、贯穿距、初次和二次破碎、喷雾差异度等的变化规律.

1 挤压研磨与雾化评价指标

挤压研磨时，研磨膏在压力的作用下流经喷孔,研磨膏内的磨料对喷孔内壁进行研磨,扩大喷孔入口处的圆角半径,去除喷孔内的毛刺,改善喷孔内壁的粗糙度,从而影响喷油器喷孔的流量和雾化效果.

1.1 评价指标

挤压研磨的评价指标通常有喷孔内圆角几何参数、喷孔内孔表面粗糙度、各喷孔的流量离散度等.为了分析挤压研磨对喷孔流量和雾化的影响,选用喷孔的挤研增量对流量进行评价,并从喷嘴的雾化质量和喷雾差异度[13-14]2个方面对雾化进行评价.

1.1.1 挤研增量

由于测量直径较小的内孔变化比较困难,所以提出通过改变挤压研磨过程中的参数,测量通过喷孔挤压研磨前后的流量增加量的方法来评价挤压研磨效果.为了分析喷孔在挤压研磨加工前后流量的变化,挤研增量α定义如下:喷雾条件一定时,同一个喷孔挤压研磨后的喷孔流量与挤压研磨前的喷孔流量之差与挤压研磨前的喷孔流量之比，即

(1)

式中:Q2为挤研后的喷孔流量, mm3·min-1;Q1为挤研前的喷孔流量, mm3·min-1.

在实际挤压研磨加工过程中,往往通过调节挤压研磨系统的系统压力以及加工时间来获得挤研增量.挤研增量反映了流量的变化,在一定程度上还反映了喷孔入口圆角的大小.喷孔的入口圆角越大,挤研增量越大.

1.1.2 雾化质量

对雾化质量的评价通过对各喷孔雾化的均匀性、油束的贯穿距、雾化锥角等参数及相

互关系进行评价.

喷雾破碎效果如图1所示.在分析喷孔雾化是否均匀时,将喷雾分成2个阶段:一次破碎与二次破碎.一次破碎一般发生在喷油嘴出口,喷射出的射流周边开始液体分离,形成液体薄片或者纤丝,进而形成液滴.二次破碎发生在一次破碎之后,由于气流扰动大,大液滴分离成小液滴,喷雾头部油滴之间的间距开始变大,相互作用力逐渐减小,油滴的速度减小,开始湍流扩散和蒸发,形成喷雾.

图1 喷雾破碎效果图

喷雾发生破碎主要由3个机制决定,即空气动力学[15]破碎、湍流引起的破碎以及燃料喷射时因喷孔中存在的空化现象而引起的破碎[16-18].挤压研磨工艺对燃料喷射时因喷孔中存在的空化现象而引起的破碎有着显著的影响.为了更加准确地划分一次破碎和二次破碎,提出一种通过喷雾锥角角度来划分一次破碎和二次破碎贯穿距的方法.

1.1.3 喷雾差异度

由于加工过程、喷孔夹角等因素,同一个喷油器的不同喷孔的油束贯穿距会发生变化.喷油器贯穿距差异对燃油在燃烧室内的均匀分布有着重要的影响.为了分析喷孔喷雾的差异,喷雾差异度δ定义为同一次喷油中不同喷孔中油束贯穿距的最大值与最小值之差与油束贯穿距最大值之比，即

(2)

式中:Rmax,Rmin分别为单个喷嘴在喷油器同一次喷油中最长与最短油束的贯穿距, mm.

1.2 试验设备及方案

1.2.1 试验设备

通过喷油器性能试验台和EFS单次喷射测量仪,进行了挤压研磨对喷油器流量影响的试验.喷油器性能试验台可以测量单次喷射的油量.在测量时,将单孔喷射的油量引入单次喷射测量仪,即可测量喷油器单一喷孔循环喷油量,也可以测量喷油器在稳定工况下一段时间内的平均循环油量.

采用 EFS 公司生产的 EMI3 型单次喷射测量仪(图2)进行喷油器循环喷油量测试,该喷射测量仪轨压范围为40～160 MPa,测量精度为0.02 mm3,同步信号的范围为1～3 600 r,最大测试油量为1 500 mm3,喷油采样频率为每循环5次.

图2 EFS 单次喷射测量仪

喷雾试验在喷雾试验台上完成,通过高速摄像机进行拍摄,为了更加准确地量化试验中拍摄出来的喷雾效果图,对原始图像进行灰度和二值化处理[18],这样能够更加准确地观察和测量出喷雾的贯穿距以及锥角等数据,处理方式如图3所示.

图3 图片处理

1.2.2 试验方案

通过控制变量,分别调整系统压力、加工时间来测量挤压研磨对挤研增量和喷雾效果的影响.每组数据测量多次,并取平均值,加工参数如表1所示.

表1 加工参数序号系统加工时间/min系统压力/MPa14224434485246784

2 试验结果分析

2.1 挤压研磨系统加工参数对挤研增量的影响

轨压为100 MPa,系统压力为6 MPa时,挤研增量随挤压研磨系统加工时间的变化曲线如图4所示.

图4 挤研增量随挤压研磨系统加工时间的变化曲线

从图4可以看出:随着挤压研磨加工时间越来越长,挤研增量也逐渐升高,主要原因是挤压研磨加工时间越长,研磨出的入口圆角越大,有效抑制了空化现象,减小燃料的压力损失,从而增加喷孔流量;随着挤压研磨加工时间进一步延长,当挤研加工时间达到6 min后,挤研增量的变化率逐渐减小,此时再增加挤压研磨加工时间对喷孔流量的提高收益不大.

轨压为100 MPa,加工时间为4 min时,挤压研磨系统压力对挤研增量的影响如图5所示.

图5 挤压研磨系统压力对挤研增量的影响

从图5可以看出:当挤压研磨系统压力从2 MPa增大到8 MPa时,研磨液中的磨粒受力增大,流速变大,对喷孔的磨削效果更强,研磨效率越高,喷油器喷孔的挤研增量从5%增加到20%,流量也快速增加.

2.2 挤压研磨对雾化性能的影响

为了研究不同挤研增量对喷雾性能的影响,选择了挤研增量分别为5%,10%,15%和20%时的喷孔进行喷雾性能试验.在高速摄像机拍摄的图像中,在1 700 μs之后拍摄出的喷雾图像已经没有多大变化,选取1 700 μs时刻拍摄出的图像进行处理.

在轨压为100 MPa,时间为1 700 μs时,挤研增量分别在5%,10%,15%和20%时，喷孔喷出的喷雾经过灰度和二值化处理的喷雾图像如图6所示.从处理过的图片中可以描绘出喷雾形态的轮廓,测量喷雾锥角和喷雾贯穿距.

图6 不同挤研增量时，喷孔的喷雾图像

经过不同挤研增量加工的喷嘴在100 MPa时,挤研增量对喷雾锥角和喷雾贯穿距的影响如图7所示.

图7 挤研增量对喷雾锥角和喷雾贯穿距的影响

从图7可以看出:随着挤研增量的增加,所加工出的喷嘴在轨压不变时,喷雾锥角逐渐减

小;在喷油压力为100 MPa时,挤研增量为5%时的喷嘴喷雾锥角为14.8°,挤研增量为20%的喷嘴喷雾锥角减小到12.6°,两者仅相差2.2°.因为随着喷孔加工的挤研增量增加,喷嘴入口处的圆角半径增大,抑制了喷嘴内部的空化现象,而喷嘴内部的空化有助于燃油的雾化[4],燃油雾化效果变差,喷雾锥角减小;在喷油压力为100 MPa时,随着挤压研磨加工时间的延长或挤压研磨系统压力增大,挤研增量从5%增加到20%,喷雾的流量变大,燃油喷出时更加集中,喷雾贯穿距更大,从36.20 mm增加到44.20 mm.

2.3 挤压研磨对二次破碎的影响

在现阶段的研究中,往往通过数值模拟计算或者通过高速摄像机进行拍摄并观察图像来划分或测量一次破碎的喷雾贯穿距,但是观测所得到的结论具有一定的主观性与随机性,因此需要通过数据处理方法进行测算,来有效减少随机误差.

燃油的初始破碎过程主要和喷油压力有关,喷射压力使得气液相对速度变大,油束的索特平均直径变小,破碎后的小液滴逐渐向四周扩散.随着破碎后的小液滴逐渐向四周扩散及喷射压力的增大,所拍摄到的喷雾锥角逐渐增大.喷雾锥角的大小反映了喷雾液滴在破碎时开始向四周扩散程度的大小.随着喷油压力的增大,喷雾锥角受喷油压力的直接影响也会变大,为了消除喷油压力所带来的对喷雾锥角的影响,需要对实际测得的喷雾锥角进行修正,所得到的修正值能够很好表征一次破碎.

划分一次破碎和二次破碎贯穿距的具体方法如下:通过计算出修正后的锥角,确定一次破碎的锥角角度,并在喷雾图像中测量相同大小的锥角,使喷雾达到该角度的贯穿距即为一次破碎的喷雾贯穿距.具体测量步骤如图8所示.

图8 通过喷雾锥角划分一次和二次破碎贯穿距

在具体的操作过程中,将经过已电火花加工但未挤压研磨的喷孔进行喷雾试验.对高速摄像机拍摄出来的喷雾效果图进行测量,测量得出一次破碎区域的喷雾锥角为10.1°.

挤研增量的增加会导致喷雾锥角发生一定的变化,需要对挤压研磨后的喷雾锥角进行修正,以便更加准确地划分一次破碎和二次破碎的区域.对图7中的锥角曲线进行拟合,可得

θ=15.392 96-0.365α,

(3)

式中:θ为喷雾锥角，(°).

θ=10.1μ,

(4)

式中:μ为修正系数.

(5)

在加工不同挤研增量下对所需测量的喷雾锥角进行修正,结果如表2所示.

表2 修正结果挤研增量/%修正前锥角/(°)修正后锥角

/(°)510.19.51010.19.11510.18.62010.18.1

对修正后的各个喷雾图像进行测量,确定一次破碎的喷雾贯穿距和二次破碎的贯穿距.通过对比可以发现,按喷雾锥角的方法划分一次破碎和二次破碎的结果与实际测量划分的结果相近.

挤研增量分别为5%,10%,15%和20%时,一次破碎和二次破碎贯穿距占比如图9所示.

图9 挤研增量对一次和二次破碎贯穿距的影响

从图9可以看出:随着挤压研磨的挤研增量的逐渐增大,喷雾的一次破碎不仅贯穿距变长,而且在各自整体喷雾贯穿距中所占的比例也在增大,当挤研增量从5%增加到20%时,一次破碎的贯穿距从3.79 mm增加到22.20 mm,占比从10.85%增加到50.23%.出现这种现象的原因如下:空化现象促进射流的破碎,喷嘴内的空化使燃油在到达喷嘴出口时出现蒸汽部分,从而影响喷雾的一次破碎.随着挤压研磨时间的延长与挤压研磨加工压力的增加,喷孔的挤研增量增大,喷孔内部圆角变大,空化区域减小,空化现象减弱,燃油在喷出时更加集中,一次破碎的过程也就更长,在整个雾化过程中占比更大.另外,二次破碎过程相对一次破碎过程,随加工时间的变化影响并不大,挤研增量5%的喷孔喷出的喷雾与挤研增量为20%的喷孔喷出的喷雾二次破碎的贯穿距仅相差8 mm,远低于一次破碎过程的变化程度,主要是因为二次破碎过程中液滴之间的相互作用力减小,油滴从液态转变为气态,空化等影响因素对二次破碎的影响较小,油束油量的大小决定了二次破碎过程的长度.

2.4 挤压研磨对喷雾差异度的影响

挤研增量为10%,15%时,喷雾差异度的变化如图10所示.当喷孔的挤研增量被加工到10%时,计算出的喷雾差异度为13%,当喷孔的挤研增量被加工到15%时,计算出的喷雾差异度为20%.从图10可以看出:挤研增量的减小使得喷雾差异度降低,同一喷嘴不同喷孔之间的雾化效果差异变小,燃油在燃烧室内的分布更加均匀.这是由于正常加工时各个喷孔与喷嘴轴线的角度不同,挤研增量越大对各个喷孔入口圆角的影响差异越大,喷雾差异度也就越大.为了保证燃油能够均匀地分布在燃烧室内,挤研增量不能过大.

图10 挤研增量对喷雾差异度的影响

3 结 论

1) 随着挤压研磨加工时间的延长和系统压力的增加,喷嘴喷孔的挤研增量逐步增加.当挤压研磨的加工时间延长到一定程度后,挤研增量的增长率开始减小甚至趋向于0.

2) 在100 MPa轨压下,挤研增量的增加导致喷雾锥角的减小以及喷雾贯穿距的增加.随着喷孔挤研增量从5%增加到20%,喷孔喷出的喷雾锥角从14.8°减小到12.6°,喷雾贯穿距从36.20 mm增加到44.20 mm.

3) 随着挤压研磨的挤研增量从5%增加到20%,喷雾一次破碎和二次破碎的贯穿距都逐渐增加,挤压研磨破坏喷孔内的空化结构,并提高喷孔内部的光洁度,导致喷雾中一次破碎在整个破碎过程中贯穿距的占比大幅度提高,一次破碎的占比从9.79%增加到33.43%.

4) 随着挤压研磨所带来的挤研增量的增加,喷嘴的喷雾差异度逐渐增加,当挤研增量达到15%时,喷雾差异度达到20%,为保证燃油在燃烧室分布均匀,挤研增量不宜过大.

参考文献

【相关文献】

[1] ZHOU X Y, LI T, LAI Z Y, et al. Scaling fuel sprays for different size diesel engines[J]. Fuel, 2018, 225:358-369.

[2] SAXENA K K, BELLPTTI M, QIAO J, et al. Characterization of circumferential surface roughness of micro-EDMed holes using replica technology[J]. Procedia CIRP, 2018, 68:582-587.

[3] NATSU W, MAEDA H. Realization of high-speed micro EDM for high-aspect-ratio micro hole with mist nozzle [J]. Procedia CIRP, 2018, 68:575-577.

[4] 王鹏, 王忠, 瞿磊. 高压喷射喷孔结构参数对空化现象的影响[J].排灌机械工程学报, 2017, 35(12):1063-1068.

WANG P, WANG Z, QU L. Influence of structure parameters of high pressure jet nozzle on cavitation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Enginee-ring, 2017, 35(12):1063-1068. (in Chinese)

[5] 高志胜, 王谦, 何志霞,等. 喷油器带毛刺喷孔的喷雾特性试验[J].内燃机学报, 2015, 33(6):530-536.

GAO Z S, WANG Q, HE Z X, et al. Experiment on diesel spray characteristics of nozzle hole with micro-burr[J]. Transactions of CSICE, 2015, 33(6):530-536. (in Chinese)

[6] 黄豪中,史程,张鹏,等. 喷射压力及环境背压对松油-柴油混合燃料喷雾特性的影响[J]. 农业工程学报,2016,32(17):55-61.

HUANG H Z, SHI C, ZHANG P, et al. Effect of injection pressure and ambient pressure on spray characteristics of pine oil-diesel blends[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(17):55-61. (in Chinese)

[7] 陈征, 黎青青, 徐广辉,等. 柴油喷雾贯穿距影响因素灰色关联分析[J].江苏大学学报(自然科学版), 2017, 38(1):13-17.

CHEN Z, LI Q Q, XU G H, et al. Gray relational analysis for effect factors of diesel spray penetration length[J]. Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition), 2017, 38(1):13-17. (in Chinese)

[8] SUN Z Y, LI G X, CHEN C, et al. Numerical investigation on effects of nozzle′s geometric parameters on the flow and the cavitation characteristics within injector′s nozzle for a high-pressure common-rail DI diesel engine[J].

Energy Conversion and Management, 2015, :843-861.

[9] 杨淑珍.针阀体在线挤压研磨参数优化[J].上海第二工业大学学报, 2016, 33(4):314-319.

YANG S Z. Study of parameter optimizing on online grinding process on micro-orifices of injector[J]. Journal of Shanghai Polytechnic University, 2016, 33(4):314-319. (in Chinese)

[10] 黄颖, 张向军, 李勇,等. 喷油嘴微喷孔挤压研磨液及其试验研究[J].中国表面工程, 2011, 24(5):68-72.

HUANG Y, ZHANG X J, LI Y, et al. Extrude honing abrasive slurry and its honing experiments for fuel jet nozzle[J]. China Surface Engineering, 2011, 24 (5):68-72. (in Chinese)

[11] 杨海涛, 钟博, 吴月,等. 喷孔入口圆角对喷孔内流与喷雾特性的影响研究[J].现代车用动力, 2017 (1):1-6.

YANG H T, ZHONG B, WU Y, et al. Study on shape of rounded inlet affecting on flow and spray characteristic[J]. Modern Vehicle Power, 2017 (1):1-6. (in Chinese)

[12] LENIK L, KEGL B, BOMBEK G, et al. The influence of in-nozzle cavitation

on flow characteristics and spray break-up[J]. Fuel, 2018, 222:550-560.

[13] 高原, 黄魏迪, 高雅,等. 基于喷雾特性及质量均匀性的油嘴喷孔加工一致性方法研究[J].内燃机工程, 2012, 33(4):36-40,46.

GAO Y, HUANG W D, GAO Y, et al. Method evaluating nozzle spray hole manufacturing consistency based on spray characteristics and uniformity[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2012, 33(4):36-40,46. (in Chinese)

[14] 夏兴兰, 许喆, 郭立新,等. 影响喷油嘴喷孔流量系数关键参数的研究[J].现代车用动力, 2010 (4):7-10,16.

XIA X L, XU Z, GUO L X, et al. The study of key parameters affecting flow coefficient of the nozzle hole[J]. Modern Vehicle Power, 2010(4):7-10,16. (in Chinese)

[15] 齐文亮, 明平剑, 张文平,等. 湍流扰动对液滴破碎的影响及模拟方法研究[J].哈尔滨工程大学学报, 2018, 39(4):709-715.

QI W L, MING P J, ZHANG W P, et al. A simulation method and the effect ofturbulence perturbation on droplet breakup[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2018, 39(4):709-715. (in Chinese)

[16] MARCIC S, MARCIC M, WENSING M, et al. A simplified model for a diesel spray[J].Fuel, 2018, 222:485-594.

[17] WANG Z M, DAI X Y, LIU F S,et al. Breakup of fuel sprays under cavitating and flash boiling conditions[J].Applied Thermal Engineering, 2018, 143:22-33.

[18] 王谦, 李念, 何志霞，等. 柴油机双层多孔喷油嘴内部空穴两相流动研究[J].江苏大学学报(自然科学版), 2015, 36(2):142-147.

WANG Q, LI N,HE Z X, et al. Cavity flow in double-layer multi-holes diesel injector nozzle[J]. Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition), 2015, 36(2):142-147. (in Chinese)