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喷油器垫片对NC493G柴油机性能影响的试验研究
添加:2017-8-24 16:52:00    游览:882    来源:网络

  摘要:喷油器垫片厚度变化会改变油嘴在燃烧室中的位置,它直接影响油束落点位置、喷雾质量以及混合气形成,对整个燃油喷射系统及整机性能有着重要影响。本文首先对 NC493G 柴油机在不同垫片厚度下的动力性能、经济性能和排放性能进行了测试,然后根据测试结果分析了喷油器垫片厚度对柴油机性能的影响,最后确定了使柴油机综合性能较好的喷油器垫片。

  引言

  NC493G 柴油机是一款工程机械用柴油机,其燃油系统对柴油机的动力性、经济性以及排放性等各方面起着决定性作用。喷油器安装结构参数是柴油机缸内燃油分布的直接影响因素,对喷雾质量、燃油与空气混合状态以及喷注形态有很大影响 [1]。因此,如何匹配柴油机喷油系统的各个参数 使其值达到最优是柴油机研究领域的重要问题 [2]。其中,喷油器垫片的厚薄会影响喷油器油嘴部分伸出气缸盖、伸入到燃烧室的高度,关系到燃油的雾化和油束的落点位置,它对混合气形成和燃烧过程起着重要作用 [3]。本文以《汽车发动机性能试验方法》(GB/T18297 2001) 为依据,保持 NC494G 型柴油机的其他参数不变,改变喷油器垫片厚度,分别测出发动机的动力性、经济性、排放等性能参数,通过试验数据对比和分析,选择一种垫片,使发动机的性能得到优化 [4]。

  1、试验条件和试验方法

  1.1试验设备及条件

  试验仪器及设备WE23涡流型水力测功器、FCM 05瞬态油耗测量仪、FQD 102排气烟度器、EIM0301D 测控仪 (包括排温表、油温表、水温表、油压表) 等。

  试验条件:环境温度37℃;空气相对湿度48%;水温达到 75~80℃时进行试验。

  1.2试验方法及原理

  本试验样机采用NC493G 柴油机,试验样机参数见表 1。试验在涡流型水力测功器上进行,其中油耗采用质量法测量,烟度采用全负荷稳态烟度测量法,并利用滤纸烟度计测量,其余参数均可由仪表直接读出 [5]。本次试验采用了4种方案,通过对喷油器垫片厚度进行改变,然后装回并进行柴油机性能测试,选用的垫片厚度分别为 5.6mm、6.6mm、7.6mm、8.6mm。喷油器结构及试验原理分别如图 1、图2 所示。

表1 试验样机参数

图1 试验原理方框图

图2 孔式喷油器构造

  1.回油管螺钉 2.回油管垫片 3.调压螺钉护帽 4.垫片5.顶杆 6.喷油器体 7.紧固螺套 8.定位销 9.油嘴垫片10.喷孔 11.针阀 12.环形油腔 13.针阀体14.进油道 15.进油管接头 16.调压弹簧 17.调压螺钉

  2、试验结果及分析

  2.1 试验结果

  通过台架试验,测得柴油机在不同转速下,不同喷油器垫片厚度对柴油机扭矩Me、功率Ne、燃油消耗率ge和烟度Fsn等性能参数的影响见图3~图 6。

  2.2结果分析

  1) 由图3可知,随着喷油器垫片厚度的增加,扭矩也随之增加,特别是在垫片厚度为5.6mm与6.6mm之间表现明显。在转速为1700r/min 时,最大扭矩相差10Nm左右,而随着垫片越来越厚,虽然扭矩仍然在增加,但增加的幅度会相对减小。垫片厚度为7.6mm 和8.6mm时扭矩相差不大,但在低速区,垫片厚度为7.6mm时的扭矩比 8.6mm 时的大。垫片厚度为5.6mm和6.6mm时不满足发动机最大扭矩的要求。

图3 不同喷油器垫片厚度转速与扭矩的关系

  2) 由图4可知,随着喷油器垫片厚度的增加,功率也随之上升。柴油机在转速运行时不同垫片厚度下的功率差别并不大,但随着转速的上升,喷油器垫片厚度对柴油机功率的影响开始显现,差别变大。

图4 不同喷油器垫片厚度转速与功率的关系

  3)由图5可知,随着柴油机喷油器垫片厚度的增加,柴油机的油耗得到了有效地改善。喷油器垫片为 7.6mm和 8.6mm时的油耗明显比其他两种油嘴垫片的油耗好。在低转速区域垫片厚度为 7.6mm时的油耗比 时略有优势。

图5 不同喷油器垫片厚度转速与油耗的关系

  4) 由图6可知,不同垫片厚度对烟度有较大的影响。随着垫片厚度的增加,烟度会随着减小。油嘴垫片厚度为 5.6mm 和 6.6mm 时,低速区的烟度较差,8.6mm 次之,7.6mm 最好。在高速区,油嘴垫片为8.6mm 时的烟度最好。

图6 不同喷油器垫片厚度转速与烟度的关系

  因为喷油器垫片的厚度决定油嘴头伸入燃烧室内的长度,即喷油嘴在燃烧室内的突出高度,而突出高度会影响到油束与空气的混合以及混合气在燃烧室内的分布 [6]。此款柴油机活塞顶部采用的是凹顶燃烧室,结构如图7所示。

图7 油束落点观测图

图8 不同喷油垫片厚度油束落点位置图

  所以出现以上数据的原因可能是随着垫片厚度的增加,喷油嘴向上移动,伸入燃烧室内的部分会减短,油束会落到靠近活塞顶部的位置 (图 8A 点),由于活塞顶部气体流动微弱,燃油喷入后不能与空气很好的混合与燃烧,会导致经济性和碳烟排放恶化,影响柴油机的工作,所以垫片厚度为 8.6mm 时发动机各方面性能变化不大,反而有下降的趋势。喷油器垫片过薄,则喷油嘴伸入燃烧室部分就会增长,在正常油束射程的情况下会把一部分燃油喷到燃烧室底部壁面上 (图8D 点),导致燃油堆积,从而雾化不良,也会导致燃油经济性和碳烟排放严重恶化,对柴油机工作极其不利。同时也会使喷油嘴受热面积增大,针阀易胶死 [7]。所以喷油器垫片厚度为 5.6mm(图 8D 点) 和 6.6mm(图 8C 点) 时的扭矩、功率、油耗和烟度都劣于其他两种垫片。而垫片厚度为 7.6mm 和8.6mm 时性能相差不大可能是由于喷油持续时间内刚好的部分油束落点位置处于燃烧室中部壁面上(图8B 点)。

  同种垫片厚度,当转速不同时油束落点范围也不同。低转速时,油束落点范围从喷油始点位置(图9A点) 到喷油结束位置 (图9B点);高转速时油束落点范围从图9A点到图9C点这是由于高速时,喷油量多、活塞运动速度快,所以油束落点范围大,反之,油束落点范围小,使得垫片厚度为8.6mm 时在高速区的油束落点位置处于燃烧室的中部壁面上(图8B点),而垫片厚度为7.6mm 时在高速区油束落点位置反而处于燃烧室底部壁面上 (图8C点),这也就是垫片厚度为 8.6mm 时发动机在高速区扭矩、功率、油耗和烟度都比 7.6mm 时好的原因。

图9 相同垫片不同转速油束落点位置图

  3、小结

  1) 喷油器垫片厚度的不同对发动机的动力性、经济性以及排放等各方面性能都有较大的影响。垫片厚度过厚或过薄都不利于混合气的形成,当油束落点位置处于燃烧室中部壁面上时(图8B点),最有利于混合气形成,发动机性能也最佳。NC493G 型柴油机喷油器垫片厚度为7.6mm和8.6mm时,发动机的各项性能明显优于厚度为5.6mm和6.6mm时的性能。

  2) 同种垫片厚度当转速不同时油束落点范围也不同,当高转速时油束落点范围会更大,反之则更小。此款发动机当垫片厚度为7.6mm 时的低速区和8.6mm 时的高速区刚好油束落点位置在燃烧室的中部壁面上 (图8B点)。由于NC493G型柴油发动机的目标车型为非道路用车,在低转速大负荷工况下使用较多。综合考虑,喷油器垫片厚度为 7.6mm 时发动机的性能最优。

  参考文献

  [1] 吕峰, 蔡忆昔, 等. 喷油器参数对直喷柴油机喷油及燃烧过程的影响研究[J]. 拖拉机与农用运输车,2009,36(6):82~85.

  [2] 陈怀望, 刘建祥, 等. 油嘴凸出量对柴油发动机性能和排放[J].内燃机,2012,(4):37~43.

  [3] 邹振宇, 解茂昭, 等. 喷油系统设计参数对柴油机性能影响研究[J]. 小型内燃机与摩托车,2011,40(5):7~10.

  [4] 袁永先. 喷油器结构对柴油机性能影响的研究 [J]. 车用发动机,2004,(1):24~26.

  [5] 刘仁鑫, 李晓珍, 等. 出油阀腔容积对 JC375 柴油机性能影响的研究[J]. 江西农业大学学报,2003,25(3):469~470.

  [6] 张翔, 宋晓英, 等. 喷油器结构对电控柴油机性能及排放影响研究[J]. 扬州职业大学学报,2008,12(4):22~25.

  [7] 全晓敬, 黄克俭. 喷油嘴垫和高压油管对发动机性能的影响[J]. 现代化农业,1983,(5):9~10.

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