CN103954624B - 柴油机燃油***高压燃油空化动态可视化观测方法 - Google Patents

柴油机燃油***高压燃油空化动态可视化观测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柴油机燃油***高压燃油空化的动态可视化观测方法，属于柴油机技术领域。本发明方法通过搭建试验***，设计光学锥阀，通过单片机控制***控制电控单体泵和电控喷油器的开启和关闭，用安装于光学锥阀观察端的高速摄像机对发生在光学锥阀圆锥端面处的空化现象进行拍照，最后进行图像处理，算出光学锥阀内部圆锥面处的高压燃油在步骤二的压力差值和参数指标下的空化现象的变化过程；实现了动态可视化观察，在不同的工况下燃油***供油和断油时刻，密封圆锥端面处产生的空化现象的变化过程；能够通过空化现象的变化过程分析结果，更好的解释产生柴油机燃油***压力波动的原因。

Description

柴油机燃油***高压燃油空化动态可视化观测方法
技术领域
本发明涉及一种柴油机燃油***高压燃油空化的动态可视化观测方法，属于柴油机技术领域。
背景技术
随着社会的发展，人们对环境污染问题越来越重视，车辆的尾气排放污染在整个环境污染中所占比例举足轻重，我国国家环境部门要求从2012年起汽车尾气排放指标达到欧Ⅳ和国Ⅴ标准。要降低汽车尾气排放指标，根本的措施是提高燃油的燃烧质量。对于柴油机来说，保证高压和稳压的燃油是提高燃油燃烧质量的根本途径。但是在高压情况下燃油压力波动和燃油空化现象严重的影响了喷油器的喷油质量，造成喷入发动机燃烧室中的燃油质量不均恒，混合气燃烧不正常，输出功率和扭矩波动大、尾气排放指标增大等性能指标的变化。因此，研究柴油机燃油***燃油在160MPa～280MPa范围内的压力波动和空化现象，了解燃油压力波动和空化现象的机理，找到解决或减小压力波动和空化现象的方法，进一步提高喷油质量和燃烧效率，为优化设计柴油机燃油***提供理论支撑，需要一种能够对柴油机燃油***的高压燃油发生的空化现象过程进行可视化研究的方法。
发明内容
本发明的目的是为了了解燃油压力波动和空化现象的机理，为优化设计柴油机燃油***提供理论支撑，提出了一种柴油机燃油***高压燃油空化的动态可视化观测方法，能观察在柴油机燃油***中起供油和断油作用的圆锥面处的燃油流动情况。
本发明为了实现上述的目的，采取的方法是：
步骤一，在油泵试验台上搭建试验***。电控单体泵连接油泵试验台的输出装置，作为向试验***提供高压燃油的油源；高压油管一端连接电控单体泵，另一端连接光学锥阀的进油端口，光学锥阀的出油端口通过高压油管连接在电控喷油器上。单片机控制***(ECU)分别与电控单体泵的电磁阀和电控喷油器的电磁阀连接，控制两个电磁阀的通电和断电脉冲以开启和关闭。高速摄像机安装于光学锥阀的观察端，光源位于第二阀体侧面，通过第二阀体照射到阀芯处。
所述光学锥阀包括第一阀体、阀芯、挡板、第二阀体、压板和第三阀体，第一阀体、第二阀体和第三阀体通过螺栓依次固定在一起形成箱体结构；从第二阀体端面沿中轴线方向制作一个圆锥孔，圆锥与箱体同轴，圆锥顶端不穿透第二阀体；沿第三阀体的轴线制作进油道，穿透第三阀体，并穿过第二阀体与圆锥孔相连通；阀芯装配于第二阀体的圆锥孔内；第一阀体沿中轴线制作中心孔，与第二阀体的圆锥孔连通，并于第一阀体的侧面加工出油道，与中心孔相连通；挡板为透明玻璃圆柱体结构，安装于第一阀体的中心孔和第二阀体的圆锥孔内，与中心孔的壁面以及阀芯端面面接触；压板安装在第一阀体端面上，通过螺栓压紧挡板，挡板和压板共同阻挡阀芯沿着燃油流动方向水平移动。压板中心为圆孔，作为光学锥阀的观察端。
所述阀芯与第二阀体的圆锥孔顶端形成锥面配合，阀芯的圆锥面与第二阀体圆锥孔顶端形成角度差。角度差大小能通过在压板与第一阀体间加减垫片的方式进行调节。角度差越小，油体流过圆锥锥面越容易产生空化。
所述第二阀体为透明光学有机玻璃材质。
步骤二，试验过程。设置高速摄像机的拍照时间与两个电磁阀的动作同步，摄像机镜头焦点在阀芯与第二阀体圆锥孔顶端形成的锥面处，设置摄像机的拍摄速率，使能够拍出清晰的照片。单片机控制***(ECU)控制电控单体泵的电磁阀和电控喷油器的电磁阀开启，高压燃油经过第三阀体和第二阀体内部的进油道，流经第二阀体内部的圆锥面，进入第一阀体内部的出油道。调整单片机控制***(ECU)中关于控制两个电磁阀的开启和关闭时间的提前角和持续角的参数值，使光学锥阀进油端口和出油端口形成压力差值；燃油在圆锥面处发生空化现象，高速摄像机利用照射在圆锥端面上的光源，对发生在圆锥端面处的空化现象进行拍照。当达到设置的持续角时，单片机控制***(ECU)控制电控单体泵的电磁阀和电控喷油器的电磁阀同时关闭。
步骤三，试验数据的后处理。对高速摄像机拍摄的照片进行灰度分析，算出光学锥阀内部圆锥面处的高压燃油在步骤二的压力差值和参数指标下的空化现象的变化过程。
步骤四，改变控制电磁阀开启和关闭时间的提前角和持续角的参数值或者光学锥阀阀芯圆锥面与第二阀体圆锥孔顶端形成的角度差，重复步骤二和步骤三，得到不同工况下的空化现象的变化过程。
有益效果
相对与传统的柴油机燃油***燃油空化现象的研究，本发明方法有以下几个方面优点：
一、能够动态可视化观察，在不同的工况下燃油***供油和断油时刻，密封圆锥端面处产生的空化现象的变化过程；
二、能够通过空化现象的变化过程分析结果，更好的解释产生柴油机燃油***压力波动的原因。
附图说明
图1是发明方法的试验***原理图；
图2是本发明方法的应用装置(光学锥阀)的三维立体图；
图3是具体实施方式中发明方法的应用装置(光学锥阀)的装配图；其中(a)为主视图,(b)为俯视图图，(c)为左视图图；
图4是具体实施方式中发明方法的应用装置(光学锥阀)主要零件的结构图。其中(a)为主视图,(b)为局部放大图，(c)局部放大图；
标号说明：1-第一阀体，2-阀芯，3-挡板，4-第二阀体，5-压板，6-第三阀体，7-观察端，8-进油端口，9-出油端口，10-进油道，11-出油道。
具体实施方式
具体实施方式中，利用一种基于本发明方法的可视化光学锥阀研究装置。
由附图2和附图3可知，光学锥阀由第一阀体、阀芯、挡板、第二阀体、压板和第三阀体组成。第一阀体、第二阀体和第三阀体通过螺栓固定在一起，组成光学锥阀的载体部分；阀芯装配于第二阀体中间圆锥孔内，挡板和压板安装在第一阀体上，阻挡阀芯沿着燃油流动方向水平移动。
结合图3说明发明的方法，本发明方法所述的阀芯和挡板选用透光率高的石英玻璃材料，阀芯圆锥面夹角为118°，圆锥面宽度为0.4mm，阀芯可以通过调整垫片向外水平移动，形成阀芯圆锥面与第二阀体圆锥面的间隙配合，移动范围为0.005mm～0.02mm，间隙配合面是产生空化现象的主要区域。
结合图3说明发明的方法，第二阀体使用有机玻璃材料，能够保证光源照射到第二阀体中间圆锥端面处，中间孔的圆锥端面夹角122°，锥面宽度为0.5mm。阀芯圆锥面和第二阀体中间圆锥配合面处在没有间隙的情况下，圆锥面夹角为2°，为线接触。
结合图3说明发明的方法，第一阀体和第三阀体选用45钢材料，其与第二阀体的结合的端面上有直径为Φ1的卸油道。能够有效的防止在高压工况下，进油腔和出油腔中的高压燃油漏油。
本发明方法使用的应用装置(光学锥阀)安装在柴油机双电磁阀燃油***中，电控单体泵提供高压燃油，通过高压油管连接第三阀体的进油端，高压燃油经过第三阀体和第二阀体内部的油道，流经第二阀体内部的圆锥面，进入第一阀体内部的出油腔。燃油在圆锥面处发生空化现象，由于在阀芯圆锥面和第二阀体中间圆锥面配合间隙比较小(0.005mm～0.02mm)；燃油在狭小窄缝中，造成流动速度增加，内部压力降低，当圆锥面处的燃油压力低于燃油的饱和蒸汽压时，燃油中的气泡就发生在阀芯和第二阀体配合面处，形成空化现象。高速摄像机利用照射在圆锥端面上的光源，对发生在圆锥端面处的空化现象进行拍照；然后利用图像处理软件，对发生在不同时刻的空化现象的照片进行处理，根据灰度值的变化来分析空化现象的发生过程。

Claims (4)

1.柴油机燃油***高压燃油空化的动态可视化观测方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一，在油泵试验台上搭建试验***；电控单体泵连接油泵试验台的输出装置，作为向试验***提供高压燃油的油源；高压油管一端连接电控单体泵，另一端连接光学锥阀的进油端口，光学锥阀的出油端口通过高压油管连接在电控喷油器上；单片机控制***分别与电控单体泵的电磁阀和电控喷油器的电磁阀连接，控制两个电磁阀的通电和断电脉冲以开启和关闭；高速摄像机安装于光学锥阀的观察端，光源位于光学锥阀的第二阀体侧面，通过第二阀体照射到阀芯处；
所述光学锥阀包括第一阀体、阀芯、挡板、第二阀体、压板和第三阀体；第一阀体、第二阀体和第三阀体通过螺栓依次固定在一起形成箱体结构；从第二阀体端面沿中轴线方向制作一个圆锥孔，圆锥与箱体同轴，圆锥顶端不穿透第二阀体；沿第三阀体的轴线制作进油道，穿透第三阀体，并穿过第二阀体与圆锥孔相连通；第一阀体沿中轴线制作中心孔，与第二阀体的圆锥孔连通，并于第一阀体的侧面加工出油道，与中心孔相连通；挡板为透明玻璃圆柱体结构，安装于第一阀体的中心孔和第二阀体的圆锥孔内，与中心孔的壁面以及阀芯端面面接触；压板安装在第一阀体端面上，通过螺栓压紧挡板，压板中心为圆孔，作为光学锥阀的观察端；
所述阀芯装配于第二阀体的圆锥孔内，与第二阀体的圆锥孔顶端形成锥面配合，阀芯的圆锥面与第二阀体圆锥孔顶端形成角度差；
步骤二，试验过程；设置高速摄像机的拍照时间与两个电磁阀的动作同步，摄像机镜头焦点在阀芯与第二阀体圆锥孔顶端形成的锥面处，设置摄像机的拍摄速率；单片机控制***控制电控单体泵的电磁阀和电控喷油器的电磁阀开启，高压燃油经过第三阀体和第二阀体内部的进油道，流经第二阀体内部的圆锥面，进入第一阀体内部的出油道；调整单片机控制***中关于控制两个电磁阀的开启和关闭时间的提前角和持续角的参数值，使光学锥阀进油端口和出油端口形成压力差值；燃油在圆锥面处发生空化现象，高速摄像机利用照射在圆锥端面上的光源，对发生在圆锥端面处的空化现象进行拍照；当达到设置的持续角时，单片机控制***控制电控单体泵的电磁阀和电控喷油器的电磁阀同时关闭；
步骤三，试验数据的后处理：对高速摄像机拍摄的照片进行灰度分析，算出光学锥阀内部圆锥面处的高压燃油在步骤二的压力差值和参数指标下的空化现象的变化过程；
步骤四，改变控制电磁阀开启和关闭时间的提前角和持续角的参数值或者光学锥阀阀芯圆锥面与第二阀体圆锥孔顶端形成的角度差，重复步骤二和步骤三，得到不同工况下的空化现象的变化过程。
2.根据权利要求1所述的柴油机燃油***高压燃油空化的动态可视化观测方法，其特征在于：所述挡板和压板共同阻挡阀芯沿着燃油流动方向水平移动。
3.根据权利要求1所述的柴油机燃油***高压燃油空化的动态可视化观测方法，其特征在于：所述阀芯的圆锥面与第二阀体圆锥孔顶端的角度差大小能通过在压板与第一阀体间加减垫片的方式进行调节；角度差越小，油体流过圆锥锥面越容易产生空化。
4.根据权利要求1所述的柴油机燃油***高压燃油空化的动态可视化观测方法，其特征在于：所述第二阀体为透明光学有机玻璃材质。
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