不同噴孔入口的柴油機(jī)噴嘴空化特性

徐 杰，張 力

(1.重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520；2.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610054)

眾所周知，柴油機(jī)的噴霧特性與柴油燃燒及排放狀況密切相關(guān)，因此對(duì)噴嘴內(nèi)部柴油流動(dòng)的研究與提高柴油機(jī)工作性能和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控的燃燒直接相關(guān)[1].目前，對(duì)于柴油機(jī)的排放要求愈來愈高，其燃燒方面的相關(guān)技術(shù)也在逐步發(fā)展，為了使其擁有更好的性能并滿足相應(yīng)的法律法規(guī)，柴油機(jī)噴射裝置就需要進(jìn)行發(fā)展與改良.目前行業(yè)內(nèi)對(duì)于噴嘴系統(tǒng)內(nèi)部的兩相流動(dòng)方式非常重視，要求從根本上解決內(nèi)部壓力等問題[2].噴嘴內(nèi)部空化現(xiàn)象往往以渦空化最為復(fù)雜，這一情況主要發(fā)生在漩渦流場(chǎng)的作用下，當(dāng)渦心壓力低并且壓力為空化臨界壓力時(shí)，系統(tǒng)渦心處就會(huì)發(fā)生渦空化，且一般呈線狀形態(tài)，被稱為線空化[3-6].由于線空化復(fù)雜程度較高，因此對(duì)其研究較少.

研究表明[7]，增加噴孔的傾斜角度，會(huì)增大其產(chǎn)生空穴的幾率.這是因?yàn)閮A斜角度的增加會(huì)使得噴孔坡度變大，進(jìn)入噴孔的流體在該位置的流動(dòng)狀態(tài)和轉(zhuǎn)向過于劇烈，就很容易造成大規(guī)模低壓區(qū)域，使空化現(xiàn)象較容易發(fā)生.張軍等[8]通過對(duì)壓力室噴嘴(SAC)和無壓力室噴嘴(VCO)兩種柴油機(jī)的多孔噴嘴進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著噴射壓力的增加，空化效應(yīng)發(fā)生的可能性也不斷增大；而出口處的壓力反而對(duì)空化有一定的抑制作用，減小出口處的壓力有利于空化現(xiàn)象的產(chǎn)生.大量研究人員針對(duì)噴嘴的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行了廣泛的分析.Schmidt等[9]采用多孔徑的簡(jiǎn)化噴嘴(0.2～2.5mm)進(jìn)行研究，首次在相應(yīng)的透明噴嘴中發(fā)現(xiàn)了空穴現(xiàn)象，并得出了噴嘴內(nèi)部的流體運(yùn)動(dòng)形態(tài)與噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)的結(jié)論，創(chuàng)造性地將噴嘴霧化現(xiàn)象和空化現(xiàn)象聯(lián)系在了一起.此外，Chen等[10]的研究表明，線空化會(huì)對(duì)噴霧錐角造成重要的影響使內(nèi)部燃燒和噴霧過程不穩(wěn)定.大量的試驗(yàn)證明，針閥頂部的夾角會(huì)對(duì)空化現(xiàn)象產(chǎn)生影響較小的角度，而這種小角度會(huì)降低空化現(xiàn)象出現(xiàn)的概率.然而，目前還鮮有針對(duì)噴孔的入口處圓角結(jié)構(gòu)對(duì)線空化現(xiàn)象的影響的研究.

本試驗(yàn)對(duì)噴孔入口處的圓角結(jié)構(gòu)對(duì)空化現(xiàn)象的影響進(jìn)行了深入的研究，為了排除其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，試驗(yàn)對(duì)噴孔采用多種入口圓角結(jié)構(gòu)的雙孔min-SAC噴嘴，并按照比例放大，在噴射壓力穩(wěn)定和針閥升程固定的工況下進(jìn)行試驗(yàn)研究.本研究結(jié)果對(duì)噴嘴內(nèi)部線空化領(lǐng)域進(jìn)行了補(bǔ)充，并為通過改進(jìn)噴油器系統(tǒng)來提高柴油機(jī)性能提供了理論支撐.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

在實(shí)際試驗(yàn)中，由于噴孔尺寸較小，導(dǎo)致噴孔內(nèi)呈現(xiàn)多相流狀態(tài)且流場(chǎng)復(fù)雜多變，這限制了對(duì)線空化現(xiàn)象的觀察；并且由于噴射為瞬態(tài)過程，如果針閥不固定將會(huì)造成針閥升程不同而影響線空化現(xiàn)象的規(guī)律，增大其分析難度.由于噴嘴實(shí)際尺寸較小，觀察和分析的難度較高，因此本試驗(yàn)對(duì)實(shí)際裝置進(jìn)行了相同倍數(shù)的放大，采用多種入口圓角結(jié)構(gòu)的雙孔 min-SAC噴嘴進(jìn)行分析與研究.

鑒于實(shí)際試驗(yàn)需要滿足真實(shí)性，為確保本試驗(yàn)系統(tǒng)在噴嘴內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)與在真實(shí)的柴油機(jī)內(nèi)流動(dòng)類似，依據(jù)流動(dòng)相似性原理，本試驗(yàn)中放大比例的噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)需要與真實(shí)噴嘴的幾何、運(yùn)動(dòng)以及動(dòng)力相似.鑒于實(shí)際試驗(yàn)對(duì)以上條件很難達(dá)到全部滿足，為了使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中噴嘴內(nèi)部燃油的流動(dòng)形態(tài)與實(shí)際一致，本實(shí)驗(yàn)在整體放大噴嘴幾何尺寸的同時(shí)滿足了試驗(yàn)狀態(tài)與實(shí)際情況的雷諾數(shù)相似，從而使系統(tǒng)在噴射壓力變化的情況下噴孔內(nèi)燃油的流動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際相似，保證試驗(yàn)系統(tǒng)能可視化觀察到線空化現(xiàn)象的發(fā)生.

本試驗(yàn)由按照適當(dāng)比例放大的噴嘴和可視化試驗(yàn)臺(tái)組成，主要由供油部分、噴射部分和信息采集部分 3個(gè)部分構(gòu)成.其中，噴油壓力的穩(wěn)定性主要通過氮?dú)馄颗c穩(wěn)壓油箱的結(jié)合系統(tǒng)來提供，燃油噴射壓力由節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié).

該實(shí)驗(yàn)裝置中的噴射系統(tǒng)是按照實(shí)際噴油器尺寸進(jìn)行整體放大，還原了原材料的基本組成和結(jié)構(gòu)，其頭部噴嘴是由透明材料的有機(jī)玻璃加工而成，通過法蘭銜接固定在噴油器頂部.通過搭建可視化收集裝置，對(duì)噴嘴內(nèi)空化內(nèi)流現(xiàn)象以及噴霧情況信息進(jìn)行采集.透明噴嘴是通過3D打印技術(shù)和高精度機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合的工藝進(jìn)行制作的，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.從圖中可以看出，在噴嘴上存在兩個(gè)對(duì)稱的噴孔，不同結(jié)構(gòu)的噴嘴具有不同的幾何尺寸，其中，雙孔錐度孔透明噴嘴的噴孔幾何尺寸參數(shù)一致，左噴孔及右噴孔的入口長度和出口長度分別為2.1mm和2.0mm，噴孔長度為10mm，噴孔傾斜角為 75°，兩個(gè)噴嘴的區(qū)別在于噴孔入射圓角不同，1號(hào)噴嘴為1.5mm，而2號(hào)噴嘴為0mm.此外，通過計(jì)算可以得出兩個(gè)噴嘴的錐度系數(shù)均為+1.

圖1 透明噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of transparent nozzle

盡管試驗(yàn)過程在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，但線空化現(xiàn)象是一個(gè)瞬態(tài)的過程.為了捕獲完美的線空化現(xiàn)象，相機(jī)在圖像采集部分的拍攝速度為 22000幀/s且照片間隔為 50μs.在連續(xù)噴射過程中隨機(jī)抽取持續(xù)時(shí)間為0.6s的 6000張照片，利用MATLAB自編程序?qū)ζ溥M(jìn)行疊加求平均，從而獲得噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象的形態(tài)分布特征圖片，通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)卡圖的顏色對(duì)噴嘴空化程度和分布狀態(tài)進(jìn)行說明，由顏色的深淺對(duì)噴嘴內(nèi)部空化出現(xiàn)的概率進(jìn)行表征.

本試驗(yàn)中以 0#柴油為系統(tǒng)供油，其物性參數(shù)及試驗(yàn)條件如表1所示.

表1 燃油物性Tab.1 Physical properties of fuel

為了較為全面地分析柴油機(jī)噴嘴的線空化特征，本文對(duì)比了兩種不同升程下噴嘴的線空化分布特征，并做出如下定義：α線空化為低針閥在上升過程中在針閥錐面處發(fā)生的空化現(xiàn)象；β線空化是高針閥在上升過程中在連接兩個(gè)噴孔之間并發(fā)生在壓力室中的空化現(xiàn)象.

2 結(jié)果分析

本試驗(yàn)通過設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，在固定針閥升程且噴射壓力全程穩(wěn)定的工況下進(jìn)行，研究了噴嘴的噴孔幾何尺寸對(duì)噴孔內(nèi)部線空化現(xiàn)象的影響.

2.1 噴孔入口結(jié)構(gòu)對(duì)其線空化分布的影響

對(duì)比兩種情形下線空化形態(tài)，通過其顏色深淺對(duì)其進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)分析.

不同壓差下，無論噴孔入口是否為圓角結(jié)構(gòu)，在1.0mm針閥升程下均未出現(xiàn)明顯的幾何誘導(dǎo)空化現(xiàn)象.由表2可以看出，1號(hào)噴嘴在0.08MPa的噴射壓力差條件下，其線空化的初始位置大多數(shù)發(fā)生在噴孔出口；緊接著提高壓力差為 0.20MPa，可以看出整個(gè)噴孔均分布著線空化現(xiàn)象.由表 3中 2號(hào)噴嘴數(shù)據(jù)表可知，壓力差為 0.05MPa下的線空化初始位置主要位于噴孔出口處，升高壓差同樣會(huì)使線空化形態(tài)布滿整個(gè)噴孔.由此可以看出，α線空化發(fā)展過程中，噴孔入口存在的倒圓角會(huì)使在低噴射壓差條件下的線空化的初始位置發(fā)生重要改變.這是因?yàn)閲娍兹肟谠O(shè)置的圓角結(jié)構(gòu)會(huì)改變?nèi)加瓦M(jìn)入噴孔的流動(dòng)形態(tài)，減緩其高度落差，具有平緩其流動(dòng)形態(tài)的作用；在噴射壓差不變的前提下，圓角結(jié)構(gòu)的存在會(huì)避免回流區(qū)并且使得噴孔入口處渦旋運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減弱.

表2 1.0 mm針閥升程下 1號(hào)噴嘴在不同壓差下的線空化狀態(tài)Tab.2 Linear cavitation of No.1 nozzle under 1.0 mm needle valve lift and different pressure differences

當(dāng)針閥升程為 1.8mm 時(shí)，線空化現(xiàn)象很明顯地發(fā)生在 2號(hào)噴嘴，而 1號(hào)噴嘴并沒有出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象.由表 4可見，當(dāng) 1號(hào)噴嘴內(nèi)噴射壓力差為0.08MPa時(shí)，線空化初始位置大多數(shù)位于噴孔出口的位置.升高其噴射壓力差會(huì)使得線空化的出現(xiàn)位置連通兩孔并貫穿壓力室，基本覆蓋整個(gè)噴嘴.但壓力室內(nèi)部的線空化分布程度要比噴孔內(nèi)的線空化分布程度弱

表3 1.0 mm針閥升程下 2號(hào)噴嘴在不同壓差下的線空化狀態(tài)Tab.3 Linear cavitation of No.2 nozzle under 1.0 mm needle valve lift and different pressure differences

由表4和表5可知，在2號(hào)噴嘴的線空化分布特征變化實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)噴射壓力差為0.24MPa時(shí)，線空化現(xiàn)象主要發(fā)生在壓力室和噴孔入口這兩個(gè)位置，分布程度不高且沒有出現(xiàn)幾何誘導(dǎo)空化的現(xiàn)象.繼續(xù)升高噴射壓力差至 0.50MPa，在噴孔入口偏向于幾何誘導(dǎo)空化這個(gè)位置處的線空化分布程度明顯要比0.24MPa時(shí)強(qiáng).增大噴射壓力差使得幾何誘導(dǎo)空化及其區(qū)域?qū)?yīng)的線空化不斷地從下游出口一直發(fā)展到出口位置.由此可見，β線空化發(fā)展主要受幾何誘導(dǎo)空化所影響，在β線空化噴孔內(nèi)部具有較大的分布程度，但是壓力室內(nèi)的β線空化分布程度并不受幾何誘導(dǎo)空化的影響.

表4 1.8 mm針閥升程下 1號(hào)噴嘴在不同壓差下的線空化狀態(tài)Tab.4 Linear cavitation of No.1 nozzle under 1.8 mm needle valve lift and different pressure differences

表5 1.8 mm針閥升程下 2號(hào)噴嘴在不同壓差下的線空化狀態(tài)Tab.5 Linear cavitation of No.2 nozzle under 1.8 mm needle valve lift and different pressure differences

2.2 圓角結(jié)構(gòu)對(duì)線空化分布的影響

依據(jù)以上試驗(yàn)可知，采用圓角結(jié)構(gòu)的噴孔一方面改變了燃油進(jìn)入噴孔后的流動(dòng)狀態(tài)，另一方面降低幾何誘導(dǎo)空化現(xiàn)象產(chǎn)生的幾率，因此對(duì)線空化的發(fā)展歷程產(chǎn)生了重要的影響.

表6是1.8mm針閥升程下幾何誘導(dǎo)空化與線空化的相互作用.通過對(duì)比可以看出，在 0.5MPa噴射壓力差下，不同圓角結(jié)構(gòu)的噴孔噴嘴內(nèi)的線空化形態(tài)分布并不相同：在幾何誘導(dǎo)空化和線空化同時(shí)存在且沒有設(shè)置倒圓角的噴嘴內(nèi)部，幾何誘導(dǎo)空化分布所在區(qū)域的線空化程度比其他位置更強(qiáng)，這是因?yàn)榫€空化現(xiàn)象在該位置分布程度更大；通過觀察可以看出，幾何誘導(dǎo)空化尾部會(huì)發(fā)生幾何誘導(dǎo)空化現(xiàn)象和線空化現(xiàn)象相互吸引閉合的趨勢(shì)，倘若線空化不存在會(huì)出現(xiàn)幾何誘導(dǎo)空化尾部存在云狀空化脫落的現(xiàn)象.

表6 1.8 mm針閥升程下幾何誘導(dǎo)空化與線空化的相互作用Tab.6 Interaction between geometrically induced cavitation and linear cavitation under 1.8 mm needle valve lift

綜上所述，造成柴油機(jī)閉合的現(xiàn)象主要是由于云狀空化脫落泡被渦旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移至旋渦中心聚集所致，在渦旋運(yùn)動(dòng)作用下使得燃油內(nèi)氣相聚集在中心區(qū)域，而幾何誘導(dǎo)空化區(qū)域的氣相分布量比其他區(qū)域更大，這也是在幾何誘導(dǎo)空化分布區(qū)域中的線空化發(fā)展程度比其他區(qū)域更大的原因.

3 結(jié) 論

(1) 噴射壓差與噴孔內(nèi)部線空化程度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系.

(2) 噴孔入口結(jié)構(gòu)形狀直接影響噴孔內(nèi)部線空化程度，不同針閥升程下的線空化現(xiàn)象在初始發(fā)展過程中的分布狀態(tài)變化受到噴嘴入口圓角結(jié)構(gòu)的影響，但α線空化形態(tài)和強(qiáng)度受其影響要強(qiáng)于β線空化.

(3) 在低針閥升程試驗(yàn)中，幾何誘導(dǎo)空化并沒有與發(fā)展程度大的α線空化同時(shí)存在；而在高針閥升程試驗(yàn)條件下的幾何誘導(dǎo)空化不僅存在，同時(shí)會(huì)加快β線空化的發(fā)展.

(4) 幾何誘導(dǎo)空化發(fā)生在渦旋運(yùn)動(dòng)的條件下，遠(yuǎn)離近壁區(qū)并且聚集在漩渦中心，從而加快了線空化的發(fā)展.

(5) 改變噴孔入口圓角結(jié)構(gòu)可以減少高針閥升程下其壁面幾何誘導(dǎo)空化及線空化的發(fā)生，而在低針閥升程下受其影響則非常微弱.