喷油嘴参数对喷射式燃油加热器性能影响的试验研究.pdf

2 0 1 0 年第2 期 总第1 1 6 期 内燃机与动力装置I C E P o w e r p l a n t 2 0 1 0 年4 月 设计研究 喷油嘴参数对喷射式燃油加热器性能影响的试验研究 逄学艳1 朱贺1 毛华永1 郭彬1 郝胜兵2 王伟2 1 山东大学能源与动力工程学院 山东济南2 5 0 0 6 1 2 河北宏业机械股份有限公司 河北泊头0 6 2 1 5 0 摘要 对喷射式燃油加热器所用油嘴进行了不同供油量 不同喷油锥体形式和不同喷油锥 角台架试验研究 试验表明 对于现Y J P Q 型燃油加热器 配用喷油量0 7 5U S g a l h 的油嘴 较为合适 喷油量0 8 5U S g a l h 的油嘴可勉强配用 1 0 0U S g a l h 的油嘴因供气不足和热交换 器吸热能力不够而不适合配用 油嘴的喷油锥体形式及喷油锥角对现用加热器的性能影响不 大 关键词 燃油加热器 喷油嘴 供油量 喷油锥体 喷油锥角 中图分类号 T K 4 1 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 6 3 9 7 2 0 1 0 0 2 0 0 1 2 0 6 E x p e r im e n t a lR e s e a r cho nP e r f o r m a n ceE f f e cto fO ilI n j e ct o rP a r a m e t e r s f o rI n j e ct io nH e a t e r P A N GX u e y a n l Z H U H e l M A OH u a y o n 9 1 G U OB in l H A OS h e n g b in 9 2 W A N G W e i2 1 S ch o o lo fE n e r g ya n dP o w e rE n g in e e r in g S h a n d o n gU n iv e r s it y J in a n2 5 0 0 6 1 C h in a 2 H e B e i H o n g Y eM a ch in e r yC o L t d B o t o u0 6 2 1 5 0 C h in a A b s t r a ct A ne x p e r im e n t a lr e s e a r chisca r r ie do u tont h eo ilin j e ct o r su s e df o rin j e ct o rh e a t e r w it hd if f e r e n to il s u p p l y in j e ct io nco n ew it hd if f e r e n tf o r m so fa n dd if f e r e n tin j e ct io nco n ea n g l e R e s u l t ss h o wt h a titism o r ea p p r o p r ia t ef o rcu r r e n tY J P Q t y p ef u e lh e a t e rt ob ee q u ip p e dw it ha n o ilin j e ct io no f0 7 5U S g a l ho il s u p p l y b u titiss u it a b l ef o r0 8 5U S g a l ho il s u p p l y H o w e v e r 1 0 0U S g a l ho il s u p p l yisu n s u it a b l ed u et ol a cko fa irs u p p l ya n ds h o r t a g eo fh e a te x ch a n g e r ca p a cit y D if f e r e n tf o r m so fin j e ct io nco n ea n dd if f e r e n tin j e ct io nco n ea n g l eh a v el it t l ein f l u e n ceo n cu r r e n th e a t e r s K e yW o r d s F u e lH e a t e r O ilI n j e ct o r O ilS u p p l y I n j e ct io nC o n e I n j e ct io nC o n eA n g l e 引言 喷油嘴又称雾化器 它足喷射式燃油加热器的 重要部件之一 通常油嘴参数对加热器的功率 热效 率及其排放特性等都有影响 为了摸清喷油嘴各参 数对Y J P Q 系列燃油加热器性能的影响程度 作 者做了喷油嘴不同供油量 不同油雾锥体和不同喷 油锥角等对比试验 1 试验设备及方法 1 1 试验设备 加热器试验台为自行研制 1 所用助燃风流量 计是L U G B 一2 3 0 5 D N 5 0 型涡街式气体流量计 传 热介质水流量计为L U G B 一2 2 0 2 型涡街式液体流量 计 燃油测量用F C 2 2 1 0 Z 智能油耗仪 排放测量用 F G A 4 0 1 5 五组分机动车排气分析仪和F B Y 2 0 1 型 全自动烟度计等 1 2 试验方法 为了保证试验结果的可比性 测试过程中使用 H Y l 7 9 1 2 0 S 型直流稳压电源 将加热器电压始终 作者简介 逄学艳 1 9 8 3 一 女 山东潍坊人 山东大学在读工学硕士 主要研究方向为车用燃油加热器 2 0 1 0 年第2 期 逄学艳 等 喷油嘴参数对喷射式燃油加热器性能影响的试验研究 1 3 维持在2 4 V 供热循环水使用S G R 热水 型外接单 相管道泵 通过水路节流阀控制加热器水流量为 3 6 0 0 k g h 加热器进水口温度由恒温水箱控制在 7 0 每个测点均待加热器排气温度基本稳定不变 时开始数据采集 另外 因加热器热交换体内壁面上的积炭对其 功率及热效率影响很大 故每做完一个试验项都要 停机对热交换内壁积炭进行认真清理 试验所用喷油嘴 作者选用丹佛斯 D a n f o s s 产 量的单路喷嘴 其喷油锥角有8 0 6 0 0 和4 5 三种 而油雾锥体是实心 半实心和空心三种 试验前 将 上述若干油嘴刻上编号 先在油泵试验台 2 上做相 同油压下的喷油量检测 然后根据其喷油量大小进 行分组对比试验 为了获得加热器的燃烧器内温度分布情况 作 者在加热器的热交换体尾端 采用使一组热电偶沿 燃烧器轴向移动的方法 可方便快捷的对不同截面 的不同点测温 图1 图2 为若干H D W R N K 一1 8 6 0 7 5 U S g a l h 0 8 5U S g a l h 和1 0 0U S g a l h 三种油热电偶分布示意图 ltItttI 影曛 黔 7 弋芒 j 注 毫 纛 壶 彘 磊 5 醴 L4 0 憎 女 h 一 一幢憎 一 I 女 蜘 I h 出 I 工 r 八 W辽 蓬 瑚 盈 上 圭 q 朱L 哼 I L 回 l殛匿 圄 一 鬻 o3 06 09 01 2 0l理艘o2 J 旦j 翟翻避 霸昏B 陲萨 S d n3 同 l恧隧 日 1 广 氏 卜 戛l 4 I j联 睡 瑚 t j 乡 兰净气 l I 删 篮V J艏 筐 园 箩趸 十一 乡K 帮嗣 j 霈嚣 溺f 蠢新 r r膨 赉 r 1 r 一j r y l 帖 L L U 埘 蚪 1 喷油嘴2 喇叭筒3 导流体4 进水口5 燃烧室外筒6 燃烧室内筒7 测温热电偶8 散热片9 出 水E l1 0 热交换器外堵1 1 套管1 2 推拉板1 3 夹紧螺杆1 4 锁紧螺母1 5 热交换器内堵1 6 热交换 器外套1 7 热交换器内套1 8 锥形罩1 9 热交换器水套2 0 螺旋导流片2 1 导流体大端2 2 排气口 图l 燃烧器中测温热电偶分布示意图 B 7 翱温热电儡l O 熟变换器外堵1 I 套臂 图2 图1 B 向视图 2 试验结果及分析 2 1 不同供油量油嘴性能对比 作者选用油雾锥体为空心 喷油锥角8 0 的 0 7 5 U S g a l h 1 2 0 8 5U S g a l f h 4 和1 0 0U S g a l h l 三种喷油量的油嘴进行了性能对比试验 图3 是加热器靠自身风扇自然供风 进风口调 风板不同开度时三种供油量油嘴的性能对比曲线 由图3 可见 0 7 5 U S g a l f h l 2 嘴在调风板较小的开 度下有最大功率 随着调风板开度的增大 可看出排 放仪所测过量空气系数A 较快增大 由于燃烧器内 风量加大对火焰的冷却作用加强 同时因燃气流量 增大使其流速升高 导致高温燃气与换热器之间的 热交换时间缩短 从而使得功率和热效率均呈下降 趋势 0 8 5U S g a l h 4 嘴在调风板较小开度下因供气 不足而功率较小 随着调风板开度的加大功率逐渐 上升 但开度达1 2 0 0 后因供气量随开度的增大增量 很小而使功率上升变缓 至最大开度1 8 0 0 时功率最 大 由试验结果知 0 8 5U S g a l h 4 嘴的实际供油 量比0 7 5 U S g a l h 1 2 嘴高1 5 7 但最大功率却仅 高1 2 3 而排气温度反而高1 5 5 1 0 0U S g a l h l 嘴的供油量比O 8 5U S g a l h 4 内燃机与动力装置2 0 1 0 年4 月 嘴的实际供油量高6 然而二者的功率却几乎相 当 甚至还略低于0 8 5U S g a l h 4 嘴 可见加热器 的供风量和热交换器的吸热能力对1 0 0U S g a l h 嘴均有所不足 从而造成燃烧不充分排气烟度高 见图4 致使热效率较低 蟒 圹 12 器 捌 o e 蚕 蟠 世 8 0 口 r 毒 袈 6 4 瘴 调风板开度 0 7 5 U S g a l h 嘴1 2 实际供油萤曲线点平均值2 7 4 k g h 0 8 5 U S g a l h 嘴4 实酗 供油量曲线点平均值3 1 7 k g h 1 O O U S g a l h 嘴1 实际供油量曲线点平均值3 3 6 l g h 者之差随空气量的加大而加大 当O t 为1 9 时 A 约 为1 6 5 另外 从图6 看 供油量较大的油嘴其排气烟度 也较高 这说明不同的喷油量其燃烧器的配风也应 有所不同 对油气混合的组织还应做些工作 过量窄气系数o 0 7 5 U S g a l h 嘴1 2 实际供油晕曲线点平均值2 7 7 k g h 0 8 5 U S g a l h 嘴4 实际供油基曲线点平均值3 1 7 k g h 1 O O U S g a l h 嘴l 藏实际供油量曲线点平均值3 4 0 k g h 图3自然进风不同供油量油嘴性能对比图5 强制供风不同供油量油嘴性能对比 57 51 0 51 3 5 1 6 5 调风板开度 8 8 口 嚣 2 骚 图4自然进风不l 司供油量油嘴烟度对比 为了弥补加热器自然进风的不足 试验时同时 还用鼓风机给加热器强制供气 图5 是强制供气时 三种油嘴的性能对比曲线 由图5 可见 在供气充 足的情况下 0 8 5U S U a l h 4 栉嘴的最大功率比 0 7 5 U S g a l h 1 2 嘴高1 4 1 略好于自然进风 但热 效率仍低于0 7 5 U S g a l h 嘴 而1 0 0U S g a l h 嘴也 略有改善 然而热效率仍较低 由此可见 该加热器 所用热交换器基本适合喷油量较小的0 7 5 U S g a l h 嘴 配0 8 5U S g a l h 嘴有些勉强 而对供油量较大 的1 0 0U S g a l h 嘴则不能满足要求 应单独配用大 些的热交换器 从曲线看 在所测空气流量与燃油流量计算所 得的过量空气系数a 为1 2 左右时功率最大 而对应 的由排放仪所测的过量空气系数A 为1 1 左右 二 进水温7 0 一口一0 7 5 U Sg a1 h 嘣t 1 2 0 0 5 U S g a l h 嘴4 一 一1 O O U s g a l h q l 喷油锥角 空心 6 星 s 篓 J L j z j z 4 一一O 1 21 41 61 82 0 过量空气系数a 图6 强制供风不同供油量油嘴烟度对比 为了了解燃烧器内的燃烧及温度状况 作者甩 图l 图2 所示的测温方法对燃烧器内不同截面进 行了测温 测温过程中以导流体大端为起点 测温 热电偶组向加热器尾端每移动3 0 m m 测量一次 每 一个截面上所测的温度值 取其同半径上的各热电 偶温度值的平均值绘制曲线 从图l 和图2 看 R 是位于燃烧器中心的热电 偶 在R R 和R 上的热电偶均处于燃烧室之内 而在R 上的热电偶是在燃烧室之外 燃烧的高温 燃气从导流体大端附近经锥形罩 出燃烧室外筒折 返1 8 0 0 后从排气口流出 其对应的燃气温度是沿图 7 图8 中所标 变化的 从图7 图8 可看出 在距导流体9 0 r a m 左右处 其温度最高 可以认为大部分燃油至此已基本燃烧 2 0 1 0 年第2 期逢学艳 等 喷油嘴参数对喷射式燃油加热器性能影响的试验研究 1 5 之后随着热辐射和热传导损失的增加 其温度逐渐 下降 至图中 处降至最低 尔后又上升到 实际 上 导流体大端距燃烧室外筒尾端是2 5 4 m m 距热 交换器尾部内壁面约3 0 0 m m 也就是说 高温燃气 出了外筒尾端便折返1 8 0 0 向排气口流去 因此 在 大于2 5 4 m m 之后到热交换器尾部内壁这段距离因 无燃气流过而温度很低 这就是 一 温度是上升 的原因 而 叶 随着热交换器的不断吸热燃气温 度逐渐下降 0 6 01 2 D1 8 02 4 03 0 0 导流体大端至燃烧器小同端面距离O m 0 7 5 U S g a l h 嘴调风板开度9 0 1 2 6 0 8 5 U S g a l h 嘴调风板开度1 8 0 l 0 8 1 O O U S g a l h 嘴调风扳开度1 8 0 1 0 2 图7自然进风不同供油量油嘴燃烧器 温度对比 3 1 2 1 1 1 0 p9 0 0 倒 瑙8 0 0 黎 璎 箨7 嘲 5 0 0 4 0 0 在自然进风时 1 0 0U S g a l h 嘴的最高温度近 1 3 0 0 见图7 而强制进风因风量较大具有冷却 作用 故温度略低 见图8 在燃烧室最高温度区 域 其温度变化的基本趋势是随半径的增大而增高 强制进风时该趋势更加明显 这或许是气体流量加 大使得旋流增强 从而使燃油在较大的离心作用下 被较多的甩向外围所致 2 2 不同形式油雾锥体性能对比 试验所用单路喷嘴又称压力涡流喷嘴 它能形 成液体涡流喷雾 在离心力的作用下 液体一出喷嘴 就会形成锥角很大的雾化区域 3J 常见的油嘴喷 雾锥体有实心 半实心和空心三种 实心锥形雾化 区的液滴均匀的分布在一个设定的锥形区域内 空 心锥形雾化区的液滴大多集中在一个环形雾化带 中 而半实心形则介入二者之间 如图9 所示 实 心锥形雾化喷嘴的主要缺点是雾化的液滴较大 其 中心部位的液滴尺寸比边缘分布液滴的尺寸要大 空心圆锥雾化喷嘴的雾化质量较好 故应用于许多 工业用途 尤其是燃烧装置 J 为了探讨不同形式 油雾锥体对Y J P Q 燃油加热器性能影响的程度 作者选用喷油量0 7 5 U S g a l h 喷油锥角8 0 0 实心 半实心和空心三种油雾锥体形式的油嘴进行了性能 对比试验 0 1 2 01 8 02 4 03 0 0 导流体大端至燃烧器不I 一截面距离 岫 图9不同形式油雾锥体示意图 图8 强制进风不同供油量油嘴燃烧器 为了三种油雾形式油嘴试验性能的可比性 首 温度对比 先将同为0 7 5 U S g a l h 供油档的三种油嘴进行了选 由图7 图8 知 油量大的油嘴燃烧温度也高 配 其选配原则是供油量应尽可能 致 然而尽管 蓦 姗 咖 咖 枷 瑚 枷 铷 枷 p h憾啊嚣塔瑶 霉奄哆 硷氢 内燃机与动力装置 2 0 1 0 年4 月 对若干油嘴进行了检测 还是难以达到要求 最终 勉强选出实心1 半实心5 和空心1 2 三个油嘴 其中实心1 与空心1 2 的喷油量比较接近 而半实 心5 约低4 4 从图1 0 看 空心1 2 与实心1 性能相当 空心 1 2 略优 而半实心5 性能较差 其最大功率比空 心1 2 低8 7 而在图1 1 和图1 2 的最高温度区 实心5 的燃烧温度也略低 这或许与半实心5 的喷 油量低有一定关系 图l O自然迸风不同形式油雾锥体性能对比 0 1 2 柏3 0 0 导流体人端牟 燃烧器小同截面距离 n 图1 1自然进风不同形式油雾锥体 燃烧器温度对比 O 2 01 2 4 03 0 0 导流体大端至燃烧器不同截面距离z 恤 图1 2 强制进风不同形式油雾锥体 燃烧器温度对比 2 3 不同喷油锥角性能对比 喷油嘴不仅要将燃油形成细小的雾滴 以便燃 油更快地蒸发 更快地与空气混合 还必须能与其相 匹配的空气流协调一致 才能保证起动时迅速而又 可靠地点火 着火后稳定而又完全地燃烧 因此 为 了与配风系统相匹配 油嘴所喷油雾不仅具有上述 不同形式的油雾锥体 同时还具有各种不同的喷油 锥角 如图1 3 以满足不同场合的需求 锥角的大 小对燃油与空气混合的质量 燃烧性能 冒烟 积炭 等 以及火焰的形状等均有影响 文献 4 认为大 型燃烧室所用油嘴的喷油锥角为9 0 0 一1 2 0 0 小型 燃烧室喷嘴的喷油锥角为5 0 一8 0 图1 3 不同喷油锥角不意图 为了摸清喷油锥角对Y J P Q 燃油加热器燃烧 性能影响的程度 作者选用喷油量o 7 5 U S g a l h 油 雾锥体空心 喷油锥角4 5 0 6 0 8 0 0 三种油嘴做了对 比试验 试验时选择喷油量相近的4 5 01 6 0 04 和8 0 1 2 撑 但6 0 04 静的喷油量仍比4 5 01 低 3 6 比8 0 01 2 低3 从图1 4 性能曲线看 8 0 0 1 2 油嘴的功率及热效率略大 6 0 4 油嘴的功率及 热效率最小 其最大功率比8 0 01 2 油嘴低4 7 图1 5 和图1 6 中的高温区也显示6 0 4 油嘴的温度 较低 这可能与6 0 04 撑