噴嘴內(nèi)燃油空化及影響因素的實(shí)驗(yàn)研究*

高永強(qiáng)，鐘 兵，陶莉莉，劉永輝，王希波，張克松

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

前言

發(fā)生于柴油機(jī)噴嘴內(nèi)部的空化涉及湍流、相變、可壓縮性和非定常等幾乎所有的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)高壓噴嘴來說，噴孔的幾何尺寸相當(dāng)小，通過噴孔的流速又非常高，對(duì)其內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)非常困難，迄今為止，人們對(duì)柴油機(jī)噴嘴內(nèi)空化流動(dòng)過程的了解還十分有限［1-4］。但隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高和理論知識(shí)的擴(kuò)展，人們對(duì)柴油機(jī)噴嘴內(nèi)部空化現(xiàn)象進(jìn)行了大量深入的研究，研究顯示，當(dāng)內(nèi)部燃油經(jīng)過噴孔入口縮口時(shí)，流速會(huì)急速增加導(dǎo)致壓力降低，從而發(fā)生空化現(xiàn)象，空化的存在以及在噴嘴出口位置的潰滅導(dǎo)致流場(chǎng)極不穩(wěn)定，加速燃油近嘴區(qū)射流發(fā)生破碎和霧化。

柴油機(jī)噴油嘴的燃油霧化過程一般分為靠近噴嘴出口主要受燃油噴孔內(nèi)流影響的近噴孔區(qū)初次霧化和離噴嘴出口遠(yuǎn)端主要受空氣動(dòng)力擾動(dòng)影響的二次霧化兩個(gè)過程，并認(rèn)為柴油近場(chǎng)噴霧的霧化效果直接影響隨后的二次破碎和霧化過程［5］。因此，研究柴油機(jī)噴嘴內(nèi)燃油空化過程對(duì)于優(yōu)化和改善柴油機(jī)的燃燒效率和減小排放物形成有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞著噴油嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀［6-9］、噴油參數(shù)［10-21］和不同燃油［22-23］等對(duì)噴孔內(nèi)空化過程及空化對(duì)燃油射流霧化的影響進(jìn)行了大量深入研究。上述研究表明：噴孔內(nèi)空化形成的可視化實(shí)驗(yàn)大多采用較大尺寸的透明噴嘴模型，主要通過無量綱數(shù)、射流參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)來研究，得到的試驗(yàn)圖像比較模糊，獲得的有用信息有限，特別是對(duì)實(shí)際尺寸透明噴嘴中空化現(xiàn)象的微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，很難獲得高分辨率和清晰度的實(shí)驗(yàn)圖像，因此還需進(jìn)一步提高觀測(cè)手段和實(shí)驗(yàn)精度。

本文中在高壓共軌的可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上［20］，設(shè)計(jì)透明有機(jī)玻璃噴孔代替原噴嘴的噴孔，采用高速數(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)以及納秒級(jí)閃光燈作為相機(jī)曝光光源，獲得了較高分辨率和清晰度的實(shí)驗(yàn)圖像，對(duì)柴油機(jī)噴嘴內(nèi)燃油空化產(chǎn)生、發(fā)展和分布狀態(tài)顯微觀測(cè)，直觀展現(xiàn)噴嘴內(nèi)燃油空化及影響規(guī)律，獲得了燃油空化過程的直觀認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖，主要包括3大系統(tǒng)：燃油供給系統(tǒng)、高速閃光成像系統(tǒng)和同步裝置。燃油供給控制系統(tǒng)采用Delphi Multec DCR1400高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，并對(duì)供油壓力、噴油頻率和噴油脈寬進(jìn)行精確設(shè)置。高速閃光成像系統(tǒng)主要由相機(jī)（EOS 700D）、長距離顯微鏡（QM-100，QUESTAR）、閃光燈驅(qū)動(dòng)和閃光燈組成。由于長距離顯微鏡主要對(duì)微小噴孔進(jìn)行顯微放大，因此它代替相機(jī)鏡頭，可獲得高放大倍數(shù)和高分辨率的圖像。閃光燈驅(qū)動(dòng)主要為閃光燈提供納秒級(jí)脈沖信號(hào)，以便給相機(jī)提供曝光光源，如圖2所示。同步裝置用來對(duì)噴油信號(hào)進(jìn)行時(shí)間延遲，使噴油過程和相機(jī)成像過程達(dá)到同步。

圖1 可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖2 相機(jī)成像裝置

1.2 透明噴孔模型

透明噴孔模型是在商用電磁式噴油器基礎(chǔ)上加以改造，即將實(shí)際噴油器的球頭部分（壓力室和噴孔）磨去，用透明有機(jī)玻璃（Perspex）加工出含壓力室和噴孔的結(jié)構(gòu)部件，并用丙烯酸酯膠粘劑（AB膠）將透明噴孔與噴油器本體粘合，組成透明噴嘴，如圖3所示。有機(jī)玻璃具有極佳的透光率，透光率可達(dá)92%以上，同時(shí)還具有較高機(jī)械強(qiáng)度和韌性，更為重要的是其折射率與柴油的折射率接近。相同的折射率可消除透明材料對(duì)成像的影響，使拍攝到的圖像能真實(shí)反映孔內(nèi)流體形態(tài)。實(shí)驗(yàn)噴孔模型及噴射基本參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)采用的燃油是市場(chǎng)銷售的0＃柴油，柴油的理化特性如表2所示。

圖3 透明噴孔模型

表1 透明噴嘴模型及噴射基本參數(shù)

表2 柴油物性參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)原理及方法

利用透明噴孔模型中柴油和發(fā)生相化時(shí)空穴氣泡對(duì)光線的散射不同，利用射入相機(jī)中的光線發(fā)生相應(yīng)的變化，使相機(jī)成像時(shí)在噴孔模型中燃油和空化區(qū)域呈現(xiàn)不同灰度。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將閃光燈和相機(jī)及長距顯微鏡分別放置在透明噴孔模型的兩側(cè)，使光源、透明噴孔模型、相機(jī)和長距顯微鏡在一條線上，主要是減少光線折射對(duì)拍攝圖像的影響。其次，數(shù)碼相機(jī)設(shè)置為B快門模式，快門開啟時(shí)間設(shè)置為1／4～1／8之間，確保相機(jī)快門開啟時(shí)間大于閃光持續(xù)時(shí)間和驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送時(shí)間之和。然后要對(duì)長距離顯微鏡的焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證獲得高清晰度的實(shí)驗(yàn)圖像。相機(jī)成像一次只能獲得噴油過程的某時(shí)刻一張圖像，可通過調(diào)節(jié)同步裝置延遲時(shí)間（增加或減少延遲時(shí)間），拍攝其他噴油時(shí)刻的圖像。為消除噴油循環(huán)變動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像的影響，可通過同一噴油時(shí)刻進(jìn)行多次拍攝，從中選擇一張圖像作為這一噴油時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)圖像。

2 結(jié)果及分析

2.1 噴孔內(nèi)空化強(qiáng)度定量描述

實(shí)驗(yàn)中采用相機(jī)顯微成像方法獲得的噴嘴內(nèi)燃油空化過程的圖像，有一個(gè)最大特點(diǎn)就是圖像中顏色不同，當(dāng)噴嘴內(nèi)燃油發(fā)生空化時(shí)，由于光線對(duì)噴孔內(nèi)燃油和空化區(qū)域具有不同的散射使拍攝圖像呈現(xiàn)不同顏色，噴孔內(nèi)燃油呈現(xiàn)透明狀，而噴孔內(nèi)發(fā)生空化區(qū)域呈現(xiàn)黑色，如圖4所示。當(dāng)噴嘴內(nèi)空化強(qiáng)度增大時(shí)，光線穿過時(shí)被散射的光量也隨著增大，此時(shí)獲得的圖像中空化區(qū)域的顏色也隨之變深，因此采用數(shù)碼相機(jī)獲得的噴嘴模型內(nèi)燃油空化圖像的灰度與空化之間有關(guān)，可用來定量分析噴嘴內(nèi)空化強(qiáng)度。

圖4 噴孔內(nèi)燃油流動(dòng)圖

實(shí)驗(yàn)獲得噴孔內(nèi)燃油流動(dòng)的圖像經(jīng)Matlab處理得到二值圖像，可用來量化噴嘴內(nèi)空化強(qiáng)度。首先將任一噴油時(shí)刻獲得的圖像中噴孔區(qū)域的RGB值取出，采用加權(quán)平均值法計(jì)算實(shí)際平均灰度值SV。

式中：Ri、Gi、Bi為圖像中第i個(gè)像素點(diǎn)的紅色（R）、綠色（G）、藍(lán)色（B）的灰度值；N為噴孔區(qū)域圖像的總像素點(diǎn)數(shù)量。0.3、0.59、0.11分別為R、G、B的權(quán)重值，采用加權(quán)平均形成不同的灰度圖像。這樣處理的主要原因是人眼對(duì)綠色的敏感度最高，而紅色的敏感度次之，藍(lán)色的敏感度最低，實(shí)驗(yàn)和理論證明上述對(duì)圖像的處理比較合理。

采用式（1）所獲得的平均灰度值有256級(jí)灰度分區(qū)，其值在0～255之間，當(dāng)平均灰度值為0時(shí)，說明圖像為純黑色，空化強(qiáng)度最大；當(dāng)平均灰度值為255時(shí)，圖像為純白色，空化強(qiáng)度最小。

根據(jù)平均灰度值就可以計(jì)算該噴油時(shí)刻噴孔內(nèi)的瞬時(shí)空化強(qiáng)度S，如式（2）所示。

式中：Scav為獲得圖像實(shí)際平均灰度值；Sback為獲得圖像的背景灰度，不同燃油（折射率不同）以及拍攝環(huán)境對(duì)圖像的影響都可以通過Sback來修正；Sopaq為不透光區(qū)域灰度值，Sopaq-Sback表示圖像中光線不發(fā)生散射（純?nèi)加停┖凸饩€完全散射（純氣相）時(shí)灰度值的差值。

2.2 噴孔內(nèi)空化過程

圖5為噴油壓力為40 MPa、環(huán)境壓力為0.1 MPa、噴孔直徑為0.5 mm、孔長為3 mm時(shí)，不同噴油時(shí)刻噴孔內(nèi)空化產(chǎn)生、發(fā)展和分布圖像。噴孔內(nèi)空化可用3個(gè)階段描述，分別為噴油初期、噴油穩(wěn)定階段和噴油后期。

燃油噴射初期（0-200μs），此時(shí)噴油器針閥處于開啟階段?？梢娽橀y開啟后，首先觀測(cè)到新噴入燃油把上一次噴油結(jié)束后滯留在壓力室的燃油和初始?xì)馀輸D出孔外（如圖5中噴油時(shí)刻50和100μs），隨后在壓力室內(nèi)針閥附近出現(xiàn)大量空穴氣泡，空穴氣泡隨著噴射進(jìn)行向噴孔出口處延伸、發(fā)展（如圖5中噴油時(shí)刻150和200μs）。原因是當(dāng)噴油器針閥開啟后，針閥座前后出現(xiàn)較大的壓差，使新噴入壓力室的燃油產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈擾動(dòng)，燃油以較高的速度撞擊殘留在噴孔內(nèi)的燃油（上次噴射未完全噴出），使其產(chǎn)生一定的氣相（空化）成分。

燃油穩(wěn)定噴射階段（250-600μs），此時(shí)針閥升程較大，燃油流動(dòng)速度逐漸增大?？梢杂^測(cè)到壓力室和噴孔內(nèi)氣相（空化）逐漸消失，如圖5中噴油時(shí)刻250μs時(shí)，噴孔出口處空化區(qū)域，同時(shí)可觀測(cè)到噴孔入口處出現(xiàn)空化，并逐漸向噴孔出口處發(fā)展、延伸，空穴區(qū)域不斷擴(kuò)大（如圖5中噴油時(shí)刻300、350和400μs），在500μs時(shí)，孔內(nèi)空化延伸到孔出口，形成超空化。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著針閥開啟增大，燃油流動(dòng)速度增大，且在噴孔入口處由于流動(dòng)截面收縮，使流速進(jìn)一步增加，伴隨著流動(dòng)分離以及壓力進(jìn)一步減小，空化效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。

噴油后期（800μs以后），此時(shí)針閥開始關(guān)閉，可觀測(cè)到壓力室內(nèi)和噴孔內(nèi)的空穴氣泡又開始增多，空穴區(qū)域增加。這是由于隨著針閥升程的減小，針閥座前后壓差增加，同時(shí)由于燃油流動(dòng)慣性的作用，使得噴孔內(nèi)的壓力減小，產(chǎn)生空化的條件又變得較容易，噴孔內(nèi)又出現(xiàn)空穴氣泡。

圖5 不同噴油時(shí)刻噴孔內(nèi)流動(dòng)圖

2.3 噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)空化的影響

Blessing等人［24］對(duì)漸擴(kuò)噴孔和漸縮噴孔的空化發(fā)展進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明噴嘴內(nèi)空化發(fā)展過程對(duì)噴孔結(jié)構(gòu)極其敏感。但是，由于噴孔結(jié)構(gòu)和加工工藝的原因，對(duì)不同幾何特征的透明噴孔內(nèi)空化發(fā)展過程的可視化實(shí)驗(yàn)研究較少。

為便于對(duì)比分析，根據(jù)噴孔入口直徑（Din）、出口直徑（Dout）和噴孔長度（L）定義了一個(gè)K系數(shù)來描述噴孔幾何特征。

圖6所示為不同幾何特征（K系數(shù)）噴孔內(nèi)空化發(fā)展過程，其中，噴油壓力為30 MPa，環(huán)境壓力為0.1 MPa。從圖中可以看出，噴孔幾何特征對(duì)空化過程影響非常顯著。對(duì)于K＝0的圓柱形噴孔，空化初生、發(fā)展比較緩慢，在200μs時(shí)，空化區(qū)域還沒有發(fā)展延伸到噴孔出口。而對(duì)于K＝-0.04的漸擴(kuò)噴孔，空化初生、發(fā)展非常迅速，在50μs時(shí)就已經(jīng)發(fā)展延伸到噴孔出口，形成超空化。最明顯的是K＝0.04的漸縮噴孔，整個(gè)噴油過程沒有觀測(cè)到空化形成。

圖6 不同K系數(shù)的噴孔內(nèi)空化發(fā)展過程

上述觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象其主要原因是由于漸縮噴孔截面逐漸收縮，孔內(nèi)流速增加，孔內(nèi)壓力沿流動(dòng)方向也逐漸減小，但由于噴孔出口壓力（0.1 MPa）不變，這樣就造成孔內(nèi)逆流方向（噴孔出口到入口）的壓力逐漸增大，致使孔內(nèi)空化產(chǎn)生條件受到抑制。而對(duì)于漸擴(kuò)噴孔，噴孔截面沿燃油流動(dòng)方向逐漸增大，孔內(nèi)燃油流動(dòng)速度減小，壓力沿流動(dòng)方向逐漸增大，噴孔出口處壓力不變，噴孔內(nèi)上游壓力逐漸減小，使孔內(nèi)有利于空化形成。

圖7為噴孔長度相同、噴孔直徑不同的空化發(fā)展過程?？组LL＝3 mm不變、噴孔直徑d分別為0.3、0.4、0.5 mm，即長徑比L／d為10、7.5、6，噴油壓力和環(huán)境壓力分別為30和0.1 MPa。從圖中可以觀測(cè)到噴油參數(shù)不變、噴孔長度相同、噴孔直徑不同時(shí)，噴孔內(nèi)空化過程差異較大，噴孔直徑越大，即長徑比越小的噴孔內(nèi)空化較容易產(chǎn)生，噴孔內(nèi)空化產(chǎn)生、發(fā)展也更加迅速。主要原因是由于大噴孔直徑燃油流動(dòng)時(shí)受到較小的阻礙，燃油流動(dòng)更加順暢，流動(dòng)速度有所增大，導(dǎo)致噴孔內(nèi)壓力降低，更有利于空化產(chǎn)生、發(fā)展。

圖8為噴孔長度不變、不同噴孔直徑的空化強(qiáng)度S和平均空化強(qiáng)度Sm的分布圖。從圖中可以看出，噴油壓力不變時(shí)，噴孔長度相同，噴孔直徑越大，即噴孔長徑比越小，空化強(qiáng)度越大，噴孔長徑比增加到一定值后，空化強(qiáng)度增加不再明顯。噴孔內(nèi)平均空化強(qiáng)度Sm也隨著長徑比的增加而減小，長徑比L／d分別為6、7.5、10時(shí)，Sm分別為0.228、0.164、0.117，L／d＝6與L／d＝7.5相比，Sm減少約28%，L／d＝6與L／d＝10相比Sm減少約48.7%。

2.4 環(huán)境壓力對(duì)空化的影響

圖9所示為不同環(huán)境壓力下的噴嘴內(nèi)空化發(fā)展過程。其中環(huán)境壓力分別為0.1、1、2和3 MPa，噴孔傾角為60°，噴油壓力為40 MPa。噴孔直徑為0.3 mm，孔長為2.5 mm。從圖中可以看出，環(huán)境壓力對(duì)空化發(fā)展過程影響比較顯著，隨著環(huán)境壓力的增大，噴嘴內(nèi)空化受到抑制，空化初生、發(fā)展比較緩慢。在50μs時(shí)，環(huán)境壓力為0.1和1 MPa時(shí)，噴孔入口處已經(jīng)有空化產(chǎn)生，不過空化區(qū)域不大，而環(huán)境壓力升高到2和3 MPa時(shí)，噴孔內(nèi)還沒有空化產(chǎn)生。隨著噴射進(jìn)行，在100μs時(shí)，環(huán)境壓力為0.1 MPa時(shí)，空化區(qū)域已經(jīng)發(fā)展、延伸到噴孔出口處，而環(huán)境壓力較高的噴孔，噴孔入口處空化區(qū)域發(fā)展較慢，且隨著環(huán)境壓力增大，空化區(qū)域發(fā)展更加緩慢。在200μs時(shí)，環(huán)境壓力為0.1和1 MPa的噴孔，空化區(qū)域已經(jīng)擴(kuò)大到整個(gè)噴孔，發(fā)展形成較強(qiáng)的空化流，此時(shí)環(huán)境壓力為2和3 MPa的噴孔，空化區(qū)域發(fā)展較慢，還沒有發(fā)展到噴孔出口。在500μs時(shí)，所有噴孔的空化區(qū)域都能發(fā)展到噴孔出口，形成超空化。隨著噴射進(jìn)行，在800μs時(shí)，低環(huán)境壓力的噴孔（如0.1 MPa），孔內(nèi)空化區(qū)域變化不明顯，而較高環(huán)境壓力的噴孔（如3 MPa），噴孔內(nèi)空化區(qū)域開始減小，不能延伸到噴孔出口，即高的環(huán)境壓力抑制孔內(nèi)空化的形成。

圖9 不同環(huán)境壓力下的噴孔內(nèi)流動(dòng)圖

圖10為不同環(huán)境壓力下孔內(nèi)超空化時(shí)間對(duì)比。由圖可見，環(huán)境壓力越低，形成超空化時(shí)間越長，對(duì)于環(huán)境壓力為0.1 MPa的噴孔，超空化時(shí)間大約有600μs，而環(huán)境壓力分別為1、2、3 MPa時(shí)，噴孔內(nèi)形成超空化時(shí)間分別為450、200、150μs，與環(huán)境壓力為0.1 MPa相比，超空化時(shí)間分別減少約25%、66.7%、75%，當(dāng)環(huán)境壓力超過一定值（2 MPa）時(shí)，超空化時(shí)間變化不再明顯，可以推測(cè)當(dāng)環(huán)境壓力繼續(xù)增大時(shí)，噴孔內(nèi)可能不會(huì)出現(xiàn)超空化。

圖10 不同環(huán)境壓力下噴孔內(nèi)超空化時(shí)間

圖11為不同環(huán)境壓力的空化強(qiáng)度對(duì)比。由圖11（a）可以看出，空化強(qiáng)度受環(huán)境壓力影響比較顯著，環(huán)境壓力為0.1 MPa，空化產(chǎn)生、發(fā)展比較迅速，空化強(qiáng)度明顯較大，當(dāng)環(huán)境壓力升高到一定值（2 MPa）后，空化產(chǎn)生、發(fā)展變得緩慢，空化強(qiáng)度變化不再明顯。從圖11（b）中還可看出，環(huán)境壓力分別為0.1、1、2、3 MPa時(shí)，平均空化強(qiáng)度Sm分別為0.294、0.245、0.176、0.165，與 環(huán) 境 壓 力 為0.1 MPa時(shí)相比，環(huán)境壓力分別為1、2、3 MPa時(shí)平均空化強(qiáng)度分別減少約16.7%、40.1%、43.9%，環(huán)境壓力增加到一定值后，平均空化強(qiáng)度Sm變化不再明顯。

圖11 不同環(huán)境壓力下噴孔內(nèi)空化強(qiáng)度

3 結(jié)論

基于高壓共軌燃油噴射實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用高速可控閃光顯微成像技術(shù)，對(duì)接近實(shí)際尺寸的透明噴孔內(nèi)燃油流動(dòng)特性進(jìn)行了可視化研究，顯微觀測(cè)噴孔內(nèi)氣泡的形成、發(fā)展和分布狀態(tài)，然后結(jié)合二值化方法對(duì)空化特性進(jìn)行定量分析，得出以下結(jié)論。

（1）噴孔內(nèi)燃油流動(dòng)為氣液兩相流動(dòng)，流動(dòng)特性較復(fù)雜，空化首先出現(xiàn)在針閥附近，隨后向噴孔內(nèi)發(fā)展、延伸和破裂，甚至發(fā)展成超空化。

（2）在30 MPa噴油壓力下，漸縮噴孔（K＞0），空化形成受到抑制，噴孔內(nèi)無空化產(chǎn)生；漸擴(kuò)噴孔（K＜0）有利于空化產(chǎn)生，噴孔內(nèi)空化形成發(fā)展更加迅速，較快形成“超空化”。

（3）噴油壓力為30 MPa、噴孔長度不變時(shí)，噴孔長徑比L／d越大，空化越不容易產(chǎn)生，空化強(qiáng)度越小。平均空化強(qiáng)度，在長徑比L／d分別為6、7.5、10時(shí)，Sm分別為0.228、0.164、0.117，即長徑比L／d＝6與L／d＝7.5相比，Sm分別減少約28%；長徑比L／d＝6與L／d＝10相比，Sm減少約48.7%。

（4）噴油壓力為40 MPa時(shí)，環(huán)境壓力（即背壓）增大，空化形成受到抑制，空化產(chǎn)生、發(fā)展比較緩慢，空化雖也能延伸到噴孔出口處形成超空化，但形成超空化所占時(shí)間隨著環(huán)境壓力增大明顯減小。環(huán)境壓力分別為0.1、1、2、3 MPa時(shí)，形成超空化時(shí)間分別為600、450、200、150μs，即環(huán)境壓力為1、2、3 MPa與0.1 MPa相比，超空化時(shí)間分別減少約25%、66.7%、75%，而平均空化強(qiáng)度Sm分別減少約16.7%、40.1%、43.9%。