燃油近嘴區(qū)初始射流破碎及影響因素試驗(yàn)研究*

高永強(qiáng)，鐘 兵，陶莉莉，劉永輝，王希波，常 靜

（山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，濟(jì)南 250357）

前言

燃油射流破碎（霧化）是柴油機(jī)噴霧燃燒的重要子過程，人們對其破碎機(jī)理的研究可以追溯到一個(gè)多世紀(jì)以前。文獻(xiàn)［1］-文獻(xiàn)［5］中研究表明，由于噴孔內(nèi)部燃油的高度湍動(dòng)，特別是空化現(xiàn)象的存在，空化氣泡潰滅產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，導(dǎo)致近嘴區(qū)射流表面形成的初始擾動(dòng)源，在離開噴嘴后，加上環(huán)境介質(zhì)的強(qiáng)烈剪切作用，在噴孔出口處分裂為“液團(tuán)、液滴”或“液絲”，使噴射過程中并不存在一個(gè)完整的分裂長度。同時(shí)，研究還表明［6-12］：射流內(nèi)氣泡的存在可降低噴霧液滴的索特平均直徑，擴(kuò)大噴霧錐角，使液滴的大小、速度在空間分布更加均勻，從而有效改善噴霧的宏觀特性。Suh等人［13］利用幾種長徑比的噴嘴研究了空化現(xiàn)象對射流破碎的影響，發(fā)現(xiàn)噴嘴內(nèi)空化越劇烈，近嘴區(qū)燃油霧化效果越好。Crua等人［14-15］研究發(fā)現(xiàn)近嘴區(qū)射流初期形態(tài)為帶有尖端的蘑菇型，這種形態(tài)是由于倒流的氣泡噴出孔外時(shí)發(fā)生破碎，使氣泡前方的流體被破碎的氣體沖破形成。Ghiji等人［16］研究結(jié)果表明噴嘴針閥關(guān)閉后倒流進(jìn)入的氣體可能是引起試驗(yàn)中噴射初期的形態(tài)與模擬結(jié)果存在偏差的原因。Huang等人［17］認(rèn)為噴嘴針閥起落對射流霧化有較大影響，發(fā)現(xiàn)近場射流與針閥起落過程和噴射壓力密切相關(guān)。Battistoni等人［18］利用X射線拍攝技術(shù)研究了噴嘴內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)針閥的抬起與落座會(huì)對初期霧化產(chǎn)生影響，并在噴油結(jié)束后發(fā)現(xiàn)倒流氣體。

從上述的研究中可以看出：燃油近嘴區(qū)射流霧化和影響因素的研究，主要集中在噴霧宏觀特性，對噴霧的微觀結(jié)構(gòu)的觀測較少。近嘴區(qū)射流表面波結(jié)構(gòu)變化過程以及射流頭部是如何破碎的，特別是初始射流初始擾動(dòng)結(jié)構(gòu)和破碎過程，仍然不是十分清楚，有必要通過提高試驗(yàn)精度和手段做進(jìn)一步的研究。

本文中搭建了可視化試驗(yàn)平臺(tái)，采用數(shù)碼相機(jī)和高放大倍數(shù)、高分辨率的長距離顯微成像技術(shù)和納秒級閃光燈作為相機(jī)曝光光源，對燃油近嘴區(qū)射流破碎過程進(jìn)行微觀觀測?？疾炝松淞鞅砻娌?、液絲和液滴等初始擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、變形和破碎過程，揭示了射流近嘴區(qū)的破碎機(jī)理，加深和完善了射流破碎機(jī)理研究的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置及原理

1.1 高速閃光顯微成像原理

高速閃光顯微成像技術(shù)采用高分辨率、高放大倍數(shù)的長距離顯微鏡代替原相機(jī)鏡頭。長距離顯微鏡（QM-100，QUESTAR）主要對微小噴孔進(jìn)行放大，最高放大率可達(dá)381倍，而且具有極高的分辨率（1.1μm），工作距離在15～35 cm之間，視場直徑在0.375～8.0 mm之間。相機(jī)曝光光源由高速閃光驅(qū)動(dòng)器（NP-1A）和燈體（NPL-5）組成，驅(qū)動(dòng)器可發(fā)出180 ns的脈沖信號給燈體發(fā)光作為相機(jī)的曝光光源。試驗(yàn)時(shí)將燈體及相機(jī)分別置于噴油器噴孔的兩側(cè)，采用逆光拍攝，通過噴油系統(tǒng)的ECU發(fā)出的噴油信號作為燈體的外觸發(fā)信號。燈體的外觸發(fā)信號經(jīng)過自制的同步裝置控制延遲時(shí)間（噴油信號和燈體的觸發(fā)信號的時(shí)間延遲），觸發(fā)信號的脈沖時(shí)序如圖1所示。通過調(diào)節(jié)同步器的延遲時(shí)間對不同噴油時(shí)刻進(jìn)行拍攝。

1.2 成像同步裝置

成像同步裝置主要由32 MHz的主控芯片F(xiàn)reescale MC9S12XDP512和2個(gè)固態(tài)繼電器組成。固態(tài)繼電器1接收到噴油（輸入）信號后給單片機(jī)控制板進(jìn)行處理，輸出信號經(jīng)固態(tài)繼電器2輸出給閃光燈驅(qū)動(dòng)器，啟動(dòng)閃光燈，如圖2所示。成像同步裝置的主要作用是讓噴油信號和圖像采集信號進(jìn)行同步，因?yàn)閲娪推鹘邮盏絿娪托盘枙r(shí)不能立刻噴油，它們之間有個(gè)時(shí)間延遲，讓同步裝置控制這個(gè)延時(shí)時(shí)間，就能夠獲得不同時(shí)刻的燃油噴射霧化圖像。試驗(yàn)同步成像示意圖如圖3所示，試驗(yàn)采用市場上銷售的0＃柴油，其主要物性參數(shù)如表1所示。

圖2 成像同步裝置

圖3 高速閃光顯微成像示意圖

表1 柴油物性參數(shù)

2 結(jié)果及分析

2.1 近嘴區(qū)射流破碎過程

圖4為噴油壓力為40 MPa、環(huán)境壓力為0.1 MPa時(shí)近嘴區(qū)射流表面波、液絲和液滴等初始擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、變形和破碎過程結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，噴射開始時(shí)，由于針閥升程較小，射流速度較低，射流受到的擾動(dòng)（受湍流、空化和環(huán)境氣體的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響）較小，可以看出射流表面比較光滑（50μs之前）。隨著噴射進(jìn)行，針閥升程增大，射流速度增加，射流表面受到擾動(dòng)增加，射流表面開始出現(xiàn)“坑洼”和“凸起”結(jié)構(gòu)（60μs開始），形成表面波結(jié)構(gòu)，且表面波沿流動(dòng)方向波長逐漸增大（λ1＜λ2＜λ3）。隨著射流速度增加射流表面的擾動(dòng)也更加強(qiáng)烈，射流表面不斷發(fā)生脫落，產(chǎn)生液絲，液絲在環(huán)境氣體的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的作用下繼續(xù)破碎成更小的液滴，形成油霧。噴油末期，隨著針閥回落，射流速度減小，射流受到擾動(dòng)減弱，液絲在表面張力作用下收縮，形成較粗液絲。另外，還可以看出，早期射流頭部除了形成“蘑菇”形結(jié)構(gòu)外，還有一個(gè)“針”形液絲穿過“蘑菇”形頭部，隨后“針”形液絲隨著射流發(fā)展逐漸消失。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于噴油開始時(shí)，上一次噴油結(jié)束時(shí)噴孔內(nèi)有殘留燃油以及環(huán)境氣體倒吸噴孔的氣泡所致。很多研究人員在試驗(yàn)中也描述過這種現(xiàn)象，文獻(xiàn)［19］和文獻(xiàn)［20］中通過數(shù)值模擬對這一現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 噴油壓力40 MPa時(shí)近嘴區(qū)射流發(fā)展過程

圖5 為噴射壓力為40 MPa、噴油時(shí)刻為200μs時(shí)近嘴區(qū)射流表面波波長的變化規(guī)律。由圖可見，當(dāng)距孔口距離增大時(shí)，射流表面波波長基本上呈現(xiàn)增大趨勢，在某些區(qū)域有所減小，呈現(xiàn)不穩(wěn)定增長。其主要原因是由于近嘴區(qū)射流除受到本身表面張力、黏性力的作用外，還受到環(huán)境氣體的氣動(dòng)力等作用，另外受到射流在噴孔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)、空化效應(yīng)的影響，因此射流表面波長變化波動(dòng)比較明顯。波長較大時(shí)，射流表面張力、黏性力作用較弱，射流表面受湍流、空化和環(huán)境氣體的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的作用較大。特別是空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動(dòng)，在空氣卷吸作用和剪切力作用下，表面波波長迅速增加，當(dāng)增大到一定值后，液絲或液滴開始從射流表面剝離下來，波長迅速減小。

圖5 近嘴區(qū)射流表面波長發(fā)展

圖6 為噴射壓力為40 MPa、噴油時(shí)刻為200μs時(shí)近嘴區(qū)射流表面振幅的變化規(guī)律。由圖可見，近嘴區(qū)射流表面波振幅的變化趨勢與波長的變動(dòng)趨勢基本相同，隨著距噴嘴距離的增大而呈現(xiàn)不穩(wěn)定的增長，特別是離孔口較遠(yuǎn)處變化比較明顯。近嘴區(qū)射流表面波振幅受到噴嘴內(nèi)湍流、空化和環(huán)境氣體與射流之間相互作用的影響。湍流造成近嘴區(qū)射流的初始擾動(dòng)以及射流初始表面波的形成；空化氣泡潰滅產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)促使近嘴區(qū)射流表面波增長以及射流破碎；射流與環(huán)境氣體的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)使射流表面波增長進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖6 近嘴區(qū)射流表面振幅發(fā)展

2.2 噴油壓力的影響

圖7 為大氣環(huán)境壓力下（0.1 MPa）不同噴油壓力下近嘴區(qū)初始射流微觀流結(jié)構(gòu)圖。噴油壓力較低時(shí)，此時(shí)射流速度一般較低，射流液柱的表面波形成、發(fā)展較慢，射流表面較光滑，其表面液絲的產(chǎn)生也較慢。隨著噴油壓力增加，燃油噴射速度增加，射流受到的擾動(dòng)增強(qiáng)，射流液柱的表面波形成、發(fā)展顯著增加，射流表面較早出現(xiàn)“坑洼”和“凸起”結(jié)構(gòu)。此時(shí)可以觀測到大量液絲從射流表面剝離下來。由此可見，近嘴區(qū)初始射流破碎主要取決于射流的速度和流動(dòng)狀態(tài)，噴油壓力較高時(shí)，射流速度增加，射流湍流效應(yīng)、空化強(qiáng)度也相應(yīng)增加，射流受到擾動(dòng)增加，加速了燃油近嘴區(qū)射流破碎。湍流產(chǎn)生的徑向速度分量使得射流表面產(chǎn)生擾動(dòng)并導(dǎo)致液絲從射流表面剝離?？栈瘹馀轁鐣r(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)加速射流表面波的增長。同時(shí)，射流表面與環(huán)境氣體之間相互作用增強(qiáng)（兩者之間速度差增大），空氣動(dòng)力作用（剪切力）增大，加速射流表面的剝離。

圖7 不同噴油壓力近嘴區(qū)初始射流發(fā)展過程

圖8 和圖9分別給出了表面波振幅和波長在噴射壓力為30、40和50 MPa時(shí)的變化曲線。由圖可見，表面波波長與振幅之間并不存在簡單的線性或單調(diào)函數(shù)關(guān)系，提高燃油噴射壓力，對于初始表面波的生成和發(fā)展有促進(jìn)作用。另外還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射壓力逐漸增大時(shí)，表面波開始出現(xiàn)的位置更靠近噴孔，表明提高燃油噴射壓力更有助于初始表面波的發(fā)展和生成。

圖8 不同壓力下500μs時(shí)近嘴區(qū)射流表面振幅發(fā)展

圖9 不同壓力下500μs時(shí)近嘴區(qū)射流表面波長發(fā)展

2.3 空化對射流破碎的影響

為揭示空化對近嘴區(qū)射流破碎的影響，本文中采用有機(jī)玻璃制造兩種噴孔，一種是容易發(fā)生空化的漸擴(kuò)噴孔，另一種是難以發(fā)生空化的漸縮噴孔，如圖10所示，圖中所示為噴油壓力為40 MPa、背壓為0.1 MPa，在穩(wěn)定噴油階段噴油時(shí)刻500μs時(shí)的圖像。由圖可見，發(fā)生空化時(shí)，近嘴區(qū)射流周圍產(chǎn)生大量液絲，形成織狀物，且射流的噴霧錐角明顯變大。這主要是由于空化氣泡增進(jìn)射流表面產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，有利于促進(jìn)射流的初始破碎，形成大量液絲，然后在外部湍流渦團(tuán)運(yùn)動(dòng)和氣動(dòng)力作用下，進(jìn)一步發(fā)生二次霧化，使噴霧錐角增大，燃油霧化質(zhì)量提高。

圖10 漸擴(kuò)噴孔近嘴區(qū)射流微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)

2.4 環(huán)境氣體對射流破碎的影響

圖11 不同環(huán)境壓力下近嘴區(qū)射流破碎過程

圖11 為不同背壓下、噴油壓力為30 MPa時(shí)近嘴區(qū)射流破碎過程。由圖可見，隨著環(huán)境壓力增加，近嘴區(qū)射流形態(tài)在環(huán)境壓力下不再呈現(xiàn)出常壓環(huán)境時(shí)的“針”形液絲結(jié)構(gòu)，射流前端以“傘”形結(jié)構(gòu)向前發(fā)展，且該頭部結(jié)構(gòu)形態(tài)隨噴油時(shí)刻和環(huán)境壓力不同更加明顯。這主要是由于環(huán)境壓力的增大增強(qiáng)了對射流前端的空氣阻力作用。另外，還發(fā)現(xiàn)早期射流表面比較光滑，隨著噴油時(shí)刻增加，射流表面開始出現(xiàn)表面波，并不斷增長。射流頭部隨著環(huán)境壓力的增大，迎風(fēng)面受到空氣阻力愈發(fā)明顯，與空氣發(fā)生動(dòng)量交換后產(chǎn)生更大的徑向擴(kuò)散，形成了中間更寬的“傘”狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，射流表現(xiàn)出更弱的軸向貫穿能力，這也要?dú)w因于上述“傘”狀結(jié)構(gòu)形態(tài)形成液滴，徑向擴(kuò)散液滴形成更大的噴霧迎風(fēng)面積，導(dǎo)致了射流在沿軸向發(fā)展時(shí)受到更強(qiáng)的空氣阻力作用，使噴霧體貫穿能力減弱。

從圖中還可看出，隨著射流速度增加，環(huán)境氣體的氣動(dòng)力作用增強(qiáng)，射流破碎霧化程度更高。較低環(huán)境氣體壓力時(shí)射流周圍主要是以液絲的形態(tài)呈現(xiàn)，較高環(huán)境壓力射流周圍以液滴形態(tài)出現(xiàn)，隨著環(huán)境氣體壓力增大，形成液滴更加細(xì)小。分析認(rèn)為，這是由于隨環(huán)境壓力增大，環(huán)境氣體密度也會(huì)相應(yīng)增加，一方面，射流與環(huán)境氣體的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)，射流表面波的增長隨著環(huán)境氣體的增加而快速增加，由于環(huán)境氣體密度的增加主要體現(xiàn)在氣體擾動(dòng)的增加上，而環(huán)境氣體阻力導(dǎo)致最不穩(wěn)定波增長是射流破碎的主要支配因素。另一方面，射流在貫穿過程中受到更大的阻力，加強(qiáng)了射流表面的液滴與環(huán)境氣體之間的卷吸作用，雖然射流沿軸向動(dòng)能損耗增加而導(dǎo)致貫穿能力減小，但是沿徑向的擴(kuò)張能力增強(qiáng)。

3 結(jié)論

基于高速顯微成像技術(shù)對近嘴區(qū)射流表面破碎過程進(jìn)行了可視化捕捉，結(jié)合圖片后處理對射流的初始擾動(dòng)和射流初始表面波的形成進(jìn)行定量測量和分析，得出以下結(jié)論。

（1）提高噴油壓力，射流速度增加，射流湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，使近嘴區(qū)射流的初始擾動(dòng)和射流初始表面波的形成、發(fā)展，射流表面波波長和表面振幅均增大，加速射流破碎。噴油壓力越高，初始射流表面擾動(dòng)越強(qiáng)，射流表面波更加靠近噴孔出口。

（2）噴孔內(nèi)空化氣泡的產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅過程產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，為近嘴區(qū)初始射流提供更大的能量，促進(jìn)射流表面波增長，并形成初始破碎液滴，初始液滴在外部湍流渦團(tuán)運(yùn)動(dòng)和空氣動(dòng)力作用下，進(jìn)一步發(fā)生二次霧化，使噴霧錐角增大，提高燃油霧化效果。

（3）環(huán)境壓力增大，雖然對空化效應(yīng)具有一定的抑制作用，但由于提高了環(huán)境氣體的密度，增強(qiáng)射流與環(huán)境氣體的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，兩者共同作用的結(jié)果是促進(jìn)射流破碎，使燃油液滴破碎更加細(xì)小，提高燃油霧化質(zhì)量。

（4）燃油近嘴區(qū)初始射流破碎主要是由噴孔內(nèi)湍流效應(yīng)、空化以及射流與環(huán)境氣體的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)共同作用的結(jié)果。湍流效應(yīng)和空化造成近嘴區(qū)射流的初始擾動(dòng)以及射流初始表面波的形成，環(huán)境氣體的氣動(dòng)力作用加速燃油射流的二次破碎，可使燃油產(chǎn)生更小的破碎液滴。