趙朝夕 王振龍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器上的燃油噴嘴是推進(jìn)燃料燃燒的關(guān)鍵部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著重要的影響［1］。通常要求發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)尺寸較小，燃料流量也較小，噴嘴直徑一般在幾百個(gè)微米左右，這樣可以精準(zhǔn)地控制燃料的流量提高燃燒組織精度。液體燃料在燃燒前流動(dòng)的過(guò)程包括噴射、霧化、擴(kuò)散、蒸發(fā)和混合等。其中，霧化現(xiàn)象使燃料和氧化劑盡可能充分地接觸，增大了燃料和氧化劑的接觸面積，縮短了燃燒時(shí)間并減少了燃料的用量，提高了燃料利用率。

在所有的壓力型噴嘴中，直射式噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單尺寸較小，在液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用廣泛［2］。然而，燃油噴嘴在微細(xì)加工時(shí)并非完全平直和光滑，會(huì)產(chǎn)生微小的毛刺和飛邊。噴孔的特征尺寸很小，所以微毛刺的相對(duì)尺寸是很大的，如果用液力擠壓、光整加工等常規(guī)方法去除毛刺可能會(huì)對(duì)噴孔造成尺寸誤差，乃至損傷噴孔。

1 不同的小孔加工方法形成的表面質(zhì)量

小孔的加工方法是機(jī)械加工中非常重要的部分，一般認(rèn)為小孔的直徑范圍為0.1～3 mm，微孔為小于0.1 mm 的孔，深孔為孔的深徑比大于10 的孔［3］。發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴直徑為幾百微米量級(jí)，深徑比為2～3 左右，因此屬于小孔范圍。目前，應(yīng)用于小孔的加工方法有很多種，主要分為傳統(tǒng)機(jī)械加工方法和特種加工方法兩大類，見(jiàn)表1。

表1 小孔的加工方法

鉆削和電火花加工是比較常見(jiàn)的小孔加工工藝。鉆削具有生產(chǎn)率高、不受材料導(dǎo)電性能限制等優(yōu)點(diǎn)，是一種既經(jīng)濟(jì)、效率又較高的加工手段。北京科技大學(xué)的唐英［4］提出微細(xì)鉆削中由于鉆頭的直徑小，仍存在以下問(wèn)題:①切屑難于排出，螺旋狀切屑劃傷內(nèi)壁，導(dǎo)致已加工表面的損傷，劃痕側(cè)面尖銳;②加工區(qū)散熱困難，鉆頭的溫度較高，加速鉆頭磨損;③在第三變形區(qū)，已加工表面受到切削刃鈍圓部分的擠壓和摩擦，產(chǎn)生局部變形和回彈，造成加工硬化;④加工通孔時(shí)底部材料的塑性變形，小孔出口處存在毛刺如圖1，而前3 個(gè)問(wèn)題則會(huì)造成小孔內(nèi)壁的微小峰谷。

江蘇大學(xué)學(xué)者朱云明［6］提出鉆削屬加工后產(chǎn)生的毛刺形式有兩種，分別是進(jìn)給方向入口毛刺和進(jìn)給方向出口毛刺如圖2，出口的毛刺現(xiàn)象比較嚴(yán)重且不易去除，毛刺現(xiàn)象帶來(lái)的問(wèn)題幾乎都是出口處毛刺引起的，嚴(yán)重影響工件的質(zhì)量，因此大部分的研究都集中在出口毛刺問(wèn)題上。

電火花加工是一種直接利用電能進(jìn)行加工的方法。它通過(guò)工具和工件之間不斷地產(chǎn)生脈沖火花放電時(shí)造成的局部高溫把金屬蝕除下來(lái)。印度理工學(xué)院學(xué)者M(jìn).P.S.Krishna Kiran 和Suhas S.Joshi［8］對(duì)電火花加工表面的粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)并得出模型，模型由單個(gè)火花放電對(duì)材料蝕除形成的凹坑結(jié)構(gòu)組成，每一次脈沖放電后測(cè)量出形成的凹坑尺寸。又將模型進(jìn)一步擴(kuò)展到考慮附著在工件表面上產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物這一因素，它們會(huì)造成二次放電。應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力法來(lái)評(píng)估摻雜在絕緣工作液中的電蝕產(chǎn)物對(duì)粗糙度結(jié)構(gòu)的影響，并做出實(shí)驗(yàn)對(duì)是否關(guān)注電蝕產(chǎn)物因素時(shí)的粗糙度模型進(jìn)行驗(yàn)證。

電火花穿孔不受宏觀切削力的影響，形成的加工表面的峰谷比較連續(xù)［9］如圖3，由于空間狹小，排屑不暢會(huì)影響電火花小孔加工，電蝕產(chǎn)物形成的加工碎屑具有和電極或工件材料相近的性質(zhì)，所以其局部聚集會(huì)造成放電集中，使加工表面出現(xiàn)氧化、燒傷、加工強(qiáng)化等不良現(xiàn)象，不利于加工的穩(wěn)定性和精度要求［11］。在火花放電的瞬時(shí)產(chǎn)生高溫后在工作液的快速冷卻下，材料表面層會(huì)發(fā)生很大變化，生成熔化凝固層、熱影響區(qū)和顯微裂紋等等，內(nèi)層的結(jié)合也不牢固，增大了表面粗糙度值(如圖4)，電火花加工與鉆削等機(jī)加工打孔工藝相比，在相同粗糙度值的情況下，電火花加工的孔表面潤(rùn)滑性能和耐磨損性能均好一些［13］。

由于噴嘴孔徑很小，而且與內(nèi)腔形成交叉孔或者臺(tái)階孔，任何光整加工都難以實(shí)現(xiàn)對(duì)微尺寸噴孔內(nèi)壁上缺陷的完全去除，因此提高噴孔內(nèi)壁質(zhì)量這一瓶頸問(wèn)題永遠(yuǎn)都制約著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。加工表面質(zhì)量與噴孔的流量系數(shù)、噴霧形態(tài)等的關(guān)系是非常值得深入探討的。

2 小孔加工表面質(zhì)量對(duì)液體燃料流動(dòng)的影響

2.1 小孔加工表面質(zhì)量對(duì)孔內(nèi)液體燃料流動(dòng)的影響

西安交通大學(xué)的Haoli Wang 和Yuan Wang［14］利用常規(guī)微擾理論分析了三維壁面粗糙度對(duì)微管道中層流流動(dòng)的影響情況，經(jīng)數(shù)值分析和計(jì)算后得知，相對(duì)粗糙度、壁面粗糙度函數(shù)的波數(shù)以及雷諾數(shù)是影響流動(dòng)模式和壓力降的重要因素。若相對(duì)粗糙度小于1%，可以忽略粗糙度的影響，擾動(dòng)范圍幾乎不變化。壓力降隨著相對(duì)粗糙度、壁面函數(shù)波數(shù)和雷諾數(shù)的增加而增大。粗糙度對(duì)流動(dòng)模式的影響依賴于流體的湍流動(dòng)能，粗糙度對(duì)壓力降的影響則依賴于流體能量的耗散。

南京機(jī)電液壓工程研究中心的顧玲燕［15］等人采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了內(nèi)壁毛刺和加工精度(尺寸精度)對(duì)液動(dòng)渦輪泵噴嘴流量的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的對(duì)比分析得出，內(nèi)壁毛刺和加工精度都能引起噴嘴流量的變化，相比而言毛刺對(duì)流量的影響更為突出。當(dāng)噴孔直徑為滿足尺寸精度的前提下的最小值時(shí)，流量最小，而且內(nèi)壁毛刺對(duì)流量的影響也最小，所需原動(dòng)力最少。為明確毛刺對(duì)噴嘴內(nèi)流動(dòng)的具體影響，從壓力和速度兩方面對(duì)有無(wú)毛刺的情況建立三維模型分析流場(chǎng)，仿真結(jié)果如圖5，在毛刺的前后產(chǎn)生了壓差，且部分區(qū)域達(dá)到負(fù)壓，有一小部分回流出現(xiàn)，造成渦流損失。

大連理工大學(xué)的熊遠(yuǎn)霄［16］以均勻分布的球形粗糙單元作為研究對(duì)象，用數(shù)值模擬分析的方法研究了繞流粗糙表面對(duì)二維邊界層流場(chǎng)壁面摩擦系數(shù)的影響，提出液體在粗糙表面上流過(guò)的距離越長(zhǎng)壁面摩擦系數(shù)越小。在相同邊界條件下，半球形、錐形和球形的粗糙度單元對(duì)壁面摩擦系數(shù)的影響依次減小，粗糙度單元高度的增大會(huì)增大壁面摩擦系數(shù)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉君［17］用數(shù)值模擬的方法研究了粗糙度對(duì)微管道層流流動(dòng)阻力的影響，重點(diǎn)研究相對(duì)粗糙度、粗糙單元間距以及雷諾數(shù)3 個(gè)參數(shù)，粗糙單元畫(huà)成沿管長(zhǎng)分布的環(huán)肋狀。從CFD 數(shù)值計(jì)算軟件的仿真結(jié)果觀察到粗糙度單元的高度、雷諾數(shù)的增加或者單元間距的減小都能導(dǎo)致渦流區(qū)域的擴(kuò)大，從而使流動(dòng)阻力系數(shù)增大。另外，微流道的當(dāng)量直徑越小、長(zhǎng)徑比越大，阻力系數(shù)也越大。

Butler，J.Jeff［18］在研究粗糙噴嘴內(nèi)表面對(duì)渦輪性能的損害時(shí)指出，在對(duì)渦輪噴嘴組件噴砂處理過(guò)后，噴嘴內(nèi)表面會(huì)形成均勻細(xì)微的凹凸面，獲得了一定的粗糙度，導(dǎo)致渦輪輸出效率的損失而且增加耗熱率。

隨著人們對(duì)噴嘴內(nèi)表面加工質(zhì)量對(duì)于噴射影響研究的不斷深入，又發(fā)現(xiàn)了噴嘴內(nèi)壁粗糙度會(huì)加速噴嘴尤其是噴嘴喉部的腐蝕損耗。佐治亞理工學(xué)院的工程師Piyush Thakre［19］等人建立了模型，在考慮表面粗糙的同時(shí)，變換幾種不同化學(xué)腐蝕率的噴嘴材料(包括石墨/碳復(fù)合材料和難熔金屬)在一定范圍內(nèi)的邊界壓力條件下來(lái)檢測(cè)噴嘴的損耗率。經(jīng)過(guò)理論數(shù)值計(jì)算得到，噴孔喉部?jī)?nèi)的粗糙度明顯改變了近壁處的速度和湍流的分布，引起局部質(zhì)量不均勻性和熱通量的增加，加速噴嘴的損耗。光滑噴嘴和粗糙噴嘴的腐蝕率曲線如圖6。

2.2 小孔加工表面質(zhì)量對(duì)孔外液體燃料射流的影響

東地中海大學(xué)學(xué)者Kiyan Parham［20］分析了光滑噴嘴射流流場(chǎng)如圖7，提出液流剛離開(kāi)噴口呈液核狀，液核由于速度梯度引起的剪切力而發(fā)生了湍流擾動(dòng)，隨著射流的進(jìn)行液核不斷消散，湍流擾動(dòng)夾帶周圍空氣進(jìn)入射出的液流中，加強(qiáng)了兩相的混合。無(wú)論在射流的任何位置其最大速度都位于軸線處，速度在液流前進(jìn)中衰減到零的同時(shí)擴(kuò)大了流動(dòng)范圍。

曼徹斯特大學(xué)學(xué)者E.Erdem 和L.Yang［21］在研究粗糙度對(duì)橫向射流的影響中，提出了粗糙度對(duì)邊界層的影響，它破壞了孔內(nèi)層流流動(dòng)還提高了壁面的剪切應(yīng)力并引起速度的劇烈變化。壁面摩擦力的增大減少了邊界層的厚度，尤其在高速射流中，粗糙度還會(huì)引起沖擊和膨脹波，它們會(huì)和湍流邊界層發(fā)生相互作用。

浙江大學(xué)的劉勁松［22］利用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD對(duì)柴油機(jī)噴嘴噴霧流場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬，噴霧場(chǎng)如圖8和9，發(fā)現(xiàn)噴嘴內(nèi)壁加入粗糙度后，射流速度出現(xiàn)波動(dòng)，加強(qiáng)了湍流作用，噴霧平均直徑SMD變小，增大了噴射霧化的效果。液流和周圍空氣間的擾動(dòng)也隨之加大，尤其表現(xiàn)在徑向運(yùn)動(dòng)上，也就是霧化錐角變大，由于能量守恒，所以軸向運(yùn)動(dòng)被削弱，表現(xiàn)在貫穿距離的減小。

日本石卷專修大學(xué)的學(xué)者R.Kobayashi［23］在分析噴嘴內(nèi)部空穴現(xiàn)象時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比了鉆孔和鉸孔兩種噴嘴的加工工藝對(duì)燃油噴射質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示鉆削加工噴嘴的射流長(zhǎng)度明顯短于經(jīng)過(guò)鉸孔加工噴嘴的射流長(zhǎng)度如圖10。因此，得出了噴孔內(nèi)表面粗糙度顯著影響射流的長(zhǎng)度這一定性結(jié)論。

洛陽(yáng)工學(xué)院的劉建新［24］等人搭建噴油泵四孔試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行噴射實(shí)驗(yàn)，選出具有明顯的毛刺現(xiàn)象的噴油嘴(四個(gè)孔噴射的流量參差不齊)，利用自制的頻閃噴霧攝像系統(tǒng)(CCD)拍攝了噴油嘴的噴霧圖像，之后利用液力擠壓去除毛刺技術(shù)對(duì)4個(gè)噴孔進(jìn)行處理。將前后噴射圖像對(duì)比，來(lái)判斷噴孔處是否存在毛刺以及獲悉毛刺現(xiàn)象對(duì)噴霧質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11，噴孔的毛刺不僅減小了噴孔的流量和射程，而且還引起射流形狀的畸變，這樣會(huì)使流束在燃燒室的分布不均勻，引致油氣混合的不均勻性。

從加工表面質(zhì)量對(duì)噴孔射流影響的定性定量角度分析，存在3 個(gè)方面的問(wèn)題:①噴射流量減少［25］;②射程減少;③射流束出現(xiàn)畸變。這3 個(gè)因素都影響著霧化效果和對(duì)撞混合的均勻性，它們主要受到噴孔內(nèi)部流體的壓力分布、速度分布、阻力特性、出口流量和出口流速等方面的制約。

3 燃油噴射對(duì)液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

目前，國(guó)產(chǎn)燃油噴嘴的質(zhì)量與國(guó)外應(yīng)用先進(jìn)工藝的產(chǎn)品相比仍有一定差距，許多主機(jī)廠為保證柴油機(jī)的性能(特別是排放指標(biāo))，往往要高價(jià)進(jìn)口燃油噴嘴。在國(guó)產(chǎn)噴嘴的加工過(guò)程中，其表面加工質(zhì)量是燃油噴射系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)中衡量發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的主要參數(shù)，內(nèi)表面的形貌會(huì)影響到射流質(zhì)量，微裂紋等加工缺陷會(huì)導(dǎo)致噴嘴的應(yīng)力集中和疲勞失效等。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中常出現(xiàn)高頻不穩(wěn)定燃燒，它與燃燒過(guò)程的壓力波有關(guān)。清華大學(xué)的尕永婧［26］等研究了霧化錐角對(duì)燃燒室壓力振蕩的影響，提出當(dāng)霧化角為40°或120°時(shí)，推進(jìn)劑噴霧重合區(qū)較大或較小，燃料和氧化劑的混合程度也較好或較差。而當(dāng)霧化角為65°時(shí)，燃燒室壓力振蕩最劇烈，可能導(dǎo)致爆炸的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)微小孔內(nèi)流體的流動(dòng)和射流的研究從簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)到理論分析，從粗糙度造成流動(dòng)的阻力增加、噴孔流量和射流長(zhǎng)度減少這些直觀影響，到對(duì)管內(nèi)凹凸導(dǎo)致前后流體形成渦流的仿真結(jié)果分析，最后又同時(shí)考慮了粗糙單元的高度、間距和形狀等因素對(duì)流動(dòng)的影響，可以得知粗糙微小孔內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律的研究已經(jīng)有了一定程度的深入。目前，在粗糙度對(duì)液體流動(dòng)阻力特性影響在數(shù)值計(jì)算方面的現(xiàn)有研究，是通過(guò)將實(shí)際加工表面的凹凸抽象簡(jiǎn)化成形狀規(guī)則的粗糙單元的小孔模型來(lái)進(jìn)行分析的，而且離散單元的方法是現(xiàn)階段研究的主流。而實(shí)際上噴孔的內(nèi)壁質(zhì)量是非常復(fù)雜多變的，即使粗糙度數(shù)值相同，但是應(yīng)用不同的加工方法得到的內(nèi)壁紋理特性是不同的，不同材料得到的內(nèi)壁形貌也有很大差別。另外，之前的學(xué)者大多局限于研究孔內(nèi)粗糙單元對(duì)于孔內(nèi)流體流動(dòng)的影響，而關(guān)于孔內(nèi)粗糙單元對(duì)射流的影響、出口的毛刺和卷邊等對(duì)出流的影響卻少有涉及。

采用特定的加工方法來(lái)加工小孔得到發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴。探索噴嘴加工表面形貌對(duì)噴嘴入口、出口和內(nèi)壁粗糙度和射流特性的影響關(guān)系。合理選擇噴嘴加工工藝和精度是很有必要的。

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