【】 . . .iller .iese

0 前言

直接噴射系統(tǒng)中噴油器的深入開(kāi)發(fā)是汽車(chē)零部件供應(yīng)商目前正在進(jìn)行的工作。降低油耗、提升性能，以及進(jìn)一步限制有害物質(zhì)排放是開(kāi)發(fā)工作的主要目標(biāo)。為了滿足未來(lái)的排放法規(guī)，需要理解發(fā)動(dòng)機(jī)從燃油噴射開(kāi)始直到有害物質(zhì)生成的整個(gè)反應(yīng)鏈。在前期研究中介紹了噴嘴幾何形狀對(duì)碳煙表現(xiàn)的影響潛力，尤其是顆粒數(shù)(PN)。除了幾何特性，也介紹了多種噴霧測(cè)試技術(shù)，這些技術(shù)有助于理解出現(xiàn)在現(xiàn)代直接噴射點(diǎn)燃(DISI)式發(fā)動(dòng)機(jī)上的物理現(xiàn)象。另外，對(duì)噴嘴前端濕壁的近場(chǎng)成像技術(shù)在前期的前端濕壁研究中進(jìn)行了詳細(xì)的討論?；谇捌谡撐牡难芯亢颓岸藵癖诳赡馨l(fā)生在噴射期間和噴射后的結(jié)論，本文重點(diǎn)介紹了更多的降低前端濕壁從而減少?lài)娮烨岸说奶紵煶练e物的重要特性。采用3種測(cè)試技術(shù)闡明噴射期間和噴射后的流動(dòng)現(xiàn)象，以此來(lái)更進(jìn)一步完善從噴射到前端碳煙生產(chǎn)的整個(gè)反應(yīng)鏈。

1 測(cè)試技術(shù)

除了發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)的性能與有害物質(zhì)關(guān)系的排放試驗(yàn)，噴油器布局的流體機(jī)械特性可以單獨(dú)地進(jìn)行部分測(cè)試。通常在光學(xué)噴霧室利用米氏(Mie)散射或者陰影成像技術(shù)研究噴霧。部分情況下使用類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)工況獲得一種特定噴油器布局噴射質(zhì)量的額外信息。本文中使用的第一種測(cè)試技術(shù)是陰影成像技術(shù)。采用1個(gè)快速的發(fā)光二極管(LED)矩陣(6×5 in*為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。)與帶有高光接口的噴霧室和1個(gè)高速攝像機(jī)(Photron Fastcam SA-Z)集成。由于LED矩陣巨大，噴霧被噴霧室的背面均勻照亮(圖1)。

圖1 采用噴霧室和陰影成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)噴霧特性宏觀可見(jiàn)的原理圖

噴霧室中包含液絲和液滴噴霧區(qū)域的每個(gè)點(diǎn)都及時(shí)地在CCD芯片上生成對(duì)應(yīng)的暗區(qū)。噴霧特性與時(shí)間和空間有關(guān)。本文中只使用標(biāo)準(zhǔn)邊界條件(pback=1 個(gè)大氣壓，psys=20 MPa)來(lái)獲得布局，以便使用深入的測(cè)試技術(shù)研究。本文使用高速攝像機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是記錄一系列圖像時(shí)，減少了每次噴射的測(cè)試時(shí)間。

第二種測(cè)試技術(shù)是高速紋影技術(shù)。這種技術(shù)再次用到噴霧室和快速LED矩陣。光的一部分被光學(xué)透鏡收集并在小孔上進(jìn)行聚焦。在更下游端，光束被校準(zhǔn)到能照亮噴嘴前端近場(chǎng)的尺寸。光束在噴霧室中以不同的折射率被部分折射。噴霧室中大部分均質(zhì)折射率的變化主要是由燃油噴霧或溫度梯度引起的。如此一來(lái)，一部分光被紋影切斷光柵(刀片)所折射和阻擋(圖2)。 剩下的光被高速攝像機(jī)記錄下來(lái)。陰影成像技術(shù)只能描繪液體燃油噴霧特性的差異，而紋影成像技術(shù)可以解決在折射率上表現(xiàn)出的微小差異，甚至稀釋噴霧蒸發(fā)階段也能被記錄。本文分析了噴射后的噴霧特性，出現(xiàn)在噴嘴和噴孔死點(diǎn)體積的液態(tài)燃油在針閥已經(jīng)關(guān)閉時(shí)以蒸氣釋放。這種特性隨著不同的噴嘴布局和邊界條件存在著差異。

圖2 噴射后測(cè)試噴嘴附近蒸氣釋放的高速紋影技術(shù)裝置

相比于噴霧的簡(jiǎn)單檢測(cè)，獲得噴嘴內(nèi)部流動(dòng)信息是1項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)殚y體是金屬的，不能使用光學(xué)方法看到其內(nèi)部。然而，可以通過(guò)其他方法獲得噴嘴內(nèi)部流動(dòng)信息。使用透明噴嘴是一種可行的方法，這種方法在研究和開(kāi)發(fā)中經(jīng)常用到。另外一種方法是通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)進(jìn)行仿真。還有一種可以在不同條件下測(cè)試噴嘴流量用于評(píng)價(jià)噴嘴布局可靠性的方法，被稱(chēng)為液壓變化分析(HDA)技術(shù)(圖3)。

圖3 采用包含回油閥的HDA裝置和測(cè)試技術(shù)原理圖

這種技術(shù)基于噴油器流量，隨著背壓的變化而變化。這種裝置包含1個(gè)充滿正庚烷的定容器。噴射燃油與定容器中的燃油相同。噴射時(shí)定容器內(nèi)的燃油壓力增大。壓力增大的多少取決于所用測(cè)試液體的壓縮率。壓縮率、密度和溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，但是測(cè)試聲速可以解決這個(gè)問(wèn)題。隨著介質(zhì)方程可以被忽略，允許使用不同的測(cè)試燃油。

為了對(duì)比實(shí)際質(zhì)量流量特性和無(wú)損流量特性，與壓力有關(guān)的實(shí)際流量與基于伯努利定律的流量趨勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)式(1)。

(1)

本文中提出的相對(duì)質(zhì)量流量，其與cD、A和ρD無(wú)關(guān)，是將絕對(duì)質(zhì)量流量轉(zhuǎn)化到pHDA=0.6 MPa時(shí)的絕對(duì)質(zhì)量流量，見(jiàn)式(2)。

(2)

為了有高的統(tǒng)計(jì)可靠性，對(duì)于每個(gè)測(cè)試點(diǎn)重復(fù)測(cè)試50次。HDA裝置使用另外1個(gè)噴油器作為回油閥。如此一來(lái)，雖然測(cè)試時(shí)間大約為噴射持續(xù)期的兩倍，大量的單獨(dú)測(cè)試可以在接受的測(cè)試時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。噴射持續(xù)期設(shè)定為3 ms。壓力pHDA和psys都為靜態(tài)壓力，這是研究前預(yù)定義的。

1.1 噴射和噴嘴設(shè)計(jì)的物理背景

影響噴射量的主要因素有：(1)系統(tǒng)壓力；(2)實(shí)際背壓；(3)噴嘴布局；(4)噴油器損失；(5)噴射持續(xù)期包括開(kāi)啟和關(guān)閉持續(xù)期。

使用HDA方法時(shí)，每次噴射的質(zhì)量流量和總的噴射量都可以進(jìn)行測(cè)試。本文的初步研究調(diào)查了不同的評(píng)價(jià)方法以獲得平均流量，這是噴嘴對(duì)比所必需的。圖4示出了1個(gè)典型的噴射曲線，其結(jié)合了不同的平均化過(guò)程以確定某個(gè)指定工況點(diǎn)的質(zhì)量流量。第一個(gè)(手動(dòng))是在壓力波動(dòng)處于最小水平后進(jìn)行平均。圖中的數(shù)據(jù)表明這是近似真實(shí)的質(zhì)量流量，然而，手動(dòng)平均的過(guò)程只采用了較短的時(shí)間片斷。第二個(gè)(簡(jiǎn)單平均)是相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，只使用HDA電子技術(shù)評(píng)價(jià)裝置測(cè)試的開(kāi)啟和關(guān)閉信號(hào)作為邊界。質(zhì)量流量通過(guò)總噴射量劃分到開(kāi)啟和關(guān)閉信號(hào)之間的時(shí)間段計(jì)算(圖4中紅色虛線之間部分的積分)。盡管對(duì)較短的噴射持續(xù)期內(nèi)流量略有低估，但是更傾向于采用簡(jiǎn)單的時(shí)間平均評(píng)估方法。其中，噴油器類(lèi)型相同，所有展示的測(cè)試結(jié)果保持恒定偏差。此外，采用3 ms的較長(zhǎng)噴射持續(xù)期。開(kāi)啟和關(guān)閉的持續(xù)期(兩者都為0.2～0.4 ms)與恒定的噴油時(shí)期相比是較短的。所有的布局都基于相同的動(dòng)態(tài)功能，從而有相同的開(kāi)啟和關(guān)閉特性。接下來(lái)只深入分析平均質(zhì)量流量。另外，絕對(duì)平均質(zhì)量流量是被轉(zhuǎn)化到pHDA=0.6 MPa時(shí)測(cè)試的質(zhì)量流量，見(jiàn)式(3)。

(3)

如此一來(lái)，得到了測(cè)試的相對(duì)質(zhì)量流量和計(jì)算的相對(duì)質(zhì)量流量(式(2))的對(duì)比。盡管在短的噴射持續(xù)期內(nèi)流量和噴射量略有低估，但是更傾向于采用簡(jiǎn)單的時(shí)間平均評(píng)估方法。

圖4 某個(gè)指定布局和背壓下的單個(gè)質(zhì)量流量測(cè)試的兩種不同評(píng)價(jià)方法的對(duì)比

與背壓有關(guān)的質(zhì)量流量包含了噴嘴布局的空化趨勢(shì)有關(guān)的信息。為了展示這一影響，圖5示出了不同背壓和恒定噴孔直徑下定性的與空化有關(guān)的流量特性分類(lèi)。噴孔直徑恒定，具有較高初始液態(tài)燃油體積分?jǐn)?shù)(較低的背壓)的噴嘴有較高的質(zhì)量流量。在理想的裝置中類(lèi)似于伯努利定律的質(zhì)量流量顯示了無(wú)損的表現(xiàn)。圖中暗示的基于伯努利方程的無(wú)損流量與無(wú)空化但有損耗流量之間的微小差異，表明了由于質(zhì)量流量的絕對(duì)量的縮放效應(yīng)帶來(lái)的流量損耗(如在噴油器中的損耗)。

圖5 不同背壓和恒定噴孔直徑下定性的與空化有關(guān)的流量特性分類(lèi)示意圖

質(zhì)量流量通常取決于液態(tài)燃油體積分?jǐn)?shù)。然而，不同布局的液態(tài)燃油體積分?jǐn)?shù)的差異通過(guò)不同的噴孔直徑彌補(bǔ)，使文中所有的布局在環(huán)境背壓下都獲得恒定的名義質(zhì)量流量。

流量特性取決于背壓可以分為3個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行解釋。在區(qū)域1中“期望的特性”趨勢(shì)依據(jù)自然規(guī)律與空化控制噴射特性對(duì)應(yīng)(圖5)。如果各自噴射到液態(tài)中則更精確地稱(chēng)為流動(dòng)，噴霧表現(xiàn)出基于永久空化的自由射流。因此，背壓的適度增加不會(huì)導(dǎo)致流量的減少。與基于伯努利定律的流動(dòng)相比，有損耗的無(wú)空化流動(dòng)會(huì)表現(xiàn)出微小的偏差。區(qū)域2示出了局部和臨時(shí)出現(xiàn)的空化特性特性。背壓越高，流量越小。區(qū)域3代表了空化隨著背壓的進(jìn)一步提高也得到進(jìn)一步抑制。因此，實(shí)際期望的特性也逐漸表現(xiàn)出與有損耗的無(wú)空化相同的趨勢(shì)。對(duì)于更高的背壓，穩(wěn)態(tài)壓力則高于蒸發(fā)壓力。最后，燃油系統(tǒng)壓力等于背壓，從而測(cè)不到流量。

一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際流量和基于伯努利定律的理論流量之間的差異提供了預(yù)測(cè)噴嘴噴孔空化趨勢(shì)的潛力，然而，典型的流量都適應(yīng)于環(huán)境背壓。因此，典型環(huán)境背壓下空化程度較低的布局需要較小的噴孔直徑。本文中研究的所有噴嘴布局在環(huán)境壓力下的流量都保持為恒定。與圖5中的模型概念示意圖相比，對(duì)于所有的布局，3種流動(dòng)類(lèi)型的質(zhì)量流量通過(guò)調(diào)整噴孔直徑在最小背壓(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下達(dá)到相同的質(zhì)量流量。

圖5示出了恒定燃油壓力、不同背壓下的不同流量表現(xiàn)。為了對(duì)比不同布局的空化趨勢(shì)，與圖5中的示意圖特性相比，圖6展示了相對(duì)函數(shù)。文中每個(gè)布局的實(shí)際流量特性和相對(duì)伯努利函數(shù)之間的差異用相對(duì)空化數(shù)(rel.CN)表示。rel.CN描述的是上述函數(shù)之間的區(qū)域。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于所有布局圖，圖5中期望的特性并不經(jīng)常出現(xiàn)，這是因?yàn)閱蝹€(gè)噴孔的傾角不同。每種單個(gè)噴孔的自由射流特性末段不同，測(cè)試的空化依賴(lài)代表所有噴孔。對(duì)比rel.CN值的方法在重復(fù)性方面具有較好的可靠性。為了評(píng)價(jià)測(cè)試rel.CN的精確性，對(duì)于相同的噴油器在相同的條件下進(jìn)行重復(fù)測(cè)試。如圖6所示，測(cè)試系列1和系列2之間的絕對(duì)差異值Δrel.CN=1.6。這對(duì)于平均值rel.CN=39.9的相對(duì)偏差是±2%。

除了其他效果外，空化趨勢(shì)(用空化數(shù)rel.CN量化表達(dá))可能有其重要性，因?yàn)榭栈厔?shì)會(huì)影響噴孔內(nèi)的質(zhì)量和速度分布。噴孔出口的這些動(dòng)量分布可能影響初次破碎，從而部分影響更下游的宏觀噴霧特性。除了噴霧特性，假設(shè)動(dòng)量分布可能影響前端濕壁，因?yàn)樗俣葟较蚍至靠赡茉陬A(yù)孔出口碰壁。本文中的模型概念是當(dāng)噴霧油束太低，更高的燃油體積分?jǐn)?shù)可能在燃燒過(guò)程中和燃燒過(guò)程后繼續(xù)留在噴嘴前端，最后形成碳煙沉積。因此，假如動(dòng)量分布太廣，噴霧可能以不理想的方式碰到前端，以至于預(yù)孔周邊的濕壁面積相當(dāng)大(圖7)。這種影響會(huì)隨著邊界條件的不同而不同，尤其是對(duì)閃急沸騰邊界條件時(shí)的影響特別大。然而，前端濕壁的影響未被完全理解且正在被研究。一種應(yīng)對(duì)嚴(yán)重前端濕壁的補(bǔ)救方法是改變預(yù)孔設(shè)計(jì)以影響噴霧的動(dòng)量分布。

圖7 基本噴嘴設(shè)計(jì)的一般流動(dòng)趨勢(shì)及噴嘴近場(chǎng)噴霧特性示意圖

通過(guò)幾何迭代可以使空氣卷吸趨于穩(wěn)定。假設(shè)前端的液絲和液滴會(huì)再次進(jìn)入噴霧區(qū)域，這樣可以減輕濕壁效應(yīng)。在這種情況下，噴孔和預(yù)噴孔兩者共同影響混合物的生成。除了噴孔和預(yù)噴孔幾何形狀，噴嘴和噴油器的幾何特性也會(huì)影響前端濕壁和噴霧特性。作為降低PN及控制噴霧特性可能性的一種方法，本文試圖改變空化趨勢(shì)。使用rel.CN對(duì)比不同的噴嘴布局，之后部分噴嘴布局用于PN排放特性的研究。本文只展示了降低PN和控制噴霧特性可能性的一小部分，同時(shí)幾何特性和熱力學(xué)的相互作用可能進(jìn)一步影響碳煙特性。接下來(lái)改變噴孔錐角及噴孔長(zhǎng)度。為了實(shí)現(xiàn)這些幾何形狀，按照?qǐng)D8更改了閥座。本文中使用的短和長(zhǎng)的噴孔都帶有預(yù)噴孔。最大噴孔長(zhǎng)度通過(guò)取消預(yù)噴孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同的噴孔錐角也相應(yīng)地進(jìn)行了改變。

圖8 使用的噴孔和預(yù)噴孔布局幾何形狀

2 討論

為了達(dá)到更低的PN值，前端濕壁和噴霧特性都需要予以考慮。在陰影成像技術(shù)預(yù)選的布局中，提取了需要進(jìn)一步優(yōu)化的布局。

2.1 宏觀噴霧特性

為了在噴嘴前端獲得低的前端濕壁和穩(wěn)定的卷吸，在使用的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量、環(huán)境條件下改變了噴孔長(zhǎng)度和預(yù)噴孔直徑。本文展示的4種不同噴嘴幾何形狀的模型只是整個(gè)設(shè)計(jì)迭代過(guò)程的一小部分，設(shè)計(jì)迭代的目的是獲得最優(yōu)的噴霧特性和發(fā)動(dòng)機(jī)性能。通過(guò)對(duì)比表明，在環(huán)境壓力和溫度下4種模型的噴霧已經(jīng)表現(xiàn)出了非常大的不同。對(duì)于某個(gè)指定發(fā)動(dòng)機(jī)的基本設(shè)計(jì)主要對(duì)噴霧貫穿距離進(jìn)行了優(yōu)化(圖9)。然而，PN的優(yōu)化步驟不應(yīng)當(dāng)影響噴霧質(zhì)量。如此一來(lái)，使用的布局需要表現(xiàn)出足夠好的噴霧特性。圖9示出了4種不同噴嘴布局的宏觀噴霧特性。每個(gè)布局單次噴射的25張圖片中的中間圖片以倒置的插圖展示。噴射電控開(kāi)始的時(shí)間點(diǎn)保持恒定，所有布局的質(zhì)量流量也保持恒定。這些布局的質(zhì)量總量相同，分布卻大不相同。

圖9 4種不同噴嘴布局在恒定噴射開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)的單次噴射時(shí)的中間圖片

對(duì)于基本設(shè)計(jì)噴霧前端和外圍噴霧油束區(qū)域出現(xiàn)一定的稀釋?zhuān)^窄和極窄的預(yù)噴孔型式噴油器出現(xiàn)的噴霧油束非常纖細(xì)和密集。簡(jiǎn)單地減小預(yù)噴孔直徑可能會(huì)帶來(lái)更纖細(xì)的油束(圖9)。對(duì)于單個(gè)圖像這些差異也是有效的。

極窄的階梯孔的范例模型展示了幾何形狀的限制，同時(shí)燃油質(zhì)量沒(méi)有大范圍擴(kuò)散。如此一來(lái)，在這種情況下燃油動(dòng)量分布太緊湊，可能形成碰壁并可能產(chǎn)生不理想的濕壁。折中的方式是利用窄預(yù)噴孔來(lái)改善前端濕壁帶來(lái)的PN排放，但又不能太纖細(xì)，以避免活塞和缸套的濕壁。然而，就噴霧破碎和高度霧化來(lái)講，一種優(yōu)化的深且窄的設(shè)計(jì)(幾何迭代)達(dá)到了類(lèi)似的強(qiáng)化噴霧質(zhì)量，從而在不同的邊界條件下潛在的快速氣化和有效地生成混合物。這和描述的階梯孔幾何形狀的限制相反。這些考慮只適用于合理布局的預(yù)選以便使用空化趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)際對(duì)比。

展示布局的噴霧特性取決于發(fā)動(dòng)機(jī)或燃燒室的熱力學(xué)邊界條件，燃油壓力和油束/氣體和油束/油束相互影響。然而，噴嘴內(nèi)部流動(dòng)也會(huì)影響宏觀噴霧。布局中的大部分都表現(xiàn)出了可以接受的噴霧特性(基于深且窄布局)，對(duì)這些布局的內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行分析。

2.2 噴孔錐角對(duì)空化趨勢(shì)的影響

空化趨勢(shì)首先對(duì)比測(cè)試的是3種不同噴孔錐角，在參考條件下使用相同的質(zhì)量流量。然而，基于相對(duì)伯努利函數(shù)流動(dòng)，3種布局的實(shí)際直徑是不同的(圖10)。

圖10 對(duì)于不同噴孔錐角下相對(duì)流量—背壓的對(duì)比

很明顯，噴孔錐角影響空化趨勢(shì)，即與低收斂和圓柱形噴孔相比，高度收斂的噴孔錐角更能抑制空化。表1更進(jìn)一步表明了在相對(duì)空化數(shù)方面的差異。在此對(duì)比中使用的所有布局中相對(duì)空化數(shù)不同主要是因?yàn)閲娪推鲹p失。假設(shè)當(dāng)噴孔進(jìn)口直徑稍微變大，噴嘴內(nèi)的流動(dòng)更容易改變方向。原因之一可能是噴嘴附壁液體分離的限制(噴孔入口處)變小。在這種情況下，噴孔長(zhǎng)度的更大部分可能會(huì)引導(dǎo)液體流向噴孔出口。

表1 不帶預(yù)孔噴嘴布局的不同錐角的對(duì)比

2.3 噴孔長(zhǎng)度對(duì)空化趨勢(shì)的影響

第二種幾何形狀的對(duì)比是噴孔長(zhǎng)度。對(duì)3種不同噴嘴噴孔長(zhǎng)度進(jìn)行試驗(yàn)，本文的研究中最長(zhǎng)的噴孔設(shè)計(jì)成不帶預(yù)噴孔，這允許了噴孔長(zhǎng)度可以達(dá)到非常長(zhǎng)。

圖11 帶預(yù)孔和不帶預(yù)孔不同噴嘴布局的對(duì)比

對(duì)比中，噴孔的基本布局稍微收斂但保持恒定。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，短的噴孔具有最高的空化趨勢(shì)，其次是長(zhǎng)度居中的噴孔。最長(zhǎng)噴孔表現(xiàn)了最小的相對(duì)空化數(shù)(表2)。因此，在空化趨勢(shì)方面噴孔長(zhǎng)度也起著重要作用，增加噴孔長(zhǎng)度相對(duì)空化數(shù)的偏差近似合理。因此，噴孔長(zhǎng)度的增加簡(jiǎn)化了燃油方向改變的情況。對(duì)于收斂噴孔，初次破碎的開(kāi)始似乎是受到長(zhǎng)度抑制的。

表2 帶預(yù)孔和不帶預(yù)孔不同噴嘴布局的對(duì)比

由圖12所示，空化影響因素差異非常大?？傮w上可以認(rèn)為通過(guò)加長(zhǎng)噴孔能夠簡(jiǎn)單地獲得較小的相對(duì)空化數(shù)。然而，研究發(fā)現(xiàn)兩種包絡(luò)函數(shù)的重疊超過(guò)50%。因此，也可能通過(guò)短噴孔布局獲得低空化噴射。表3展示了更短和更長(zhǎng)噴孔各自的最小和最大相對(duì)空化數(shù)。

圖12 大量帶預(yù)噴孔和不帶預(yù)噴孔布局的相對(duì)流量特性與相對(duì)伯努利函數(shù)特性的對(duì)比

表3 大量布局帶預(yù)孔和不帶預(yù)孔的噴孔布局的對(duì)比

對(duì)于長(zhǎng)和短噴孔都能夠很有效地抑制空化。噴孔長(zhǎng)度和錐角只是眾多影響空化趨勢(shì)幾何特性中的其中兩個(gè)因素。空化趨勢(shì)只是評(píng)價(jià)影響發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙特性的方法之一?；谒袩崃W(xué)表現(xiàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)幾何形狀，由于空化引導(dǎo)噴射通常帶來(lái)有效的初次破碎，這種效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致不理想的PN特性。

2.4 定性PN值和空化趨勢(shì)的對(duì)比

如圖13所示，空化趨勢(shì)與PN值也有關(guān)。圖中一部分噴嘴布局的相對(duì)空化數(shù)與內(nèi)部研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的PN值進(jìn)行對(duì)比。平均負(fù)荷掃描中PN值用數(shù)字表示，平均有效制動(dòng)壓力(BMEP)從0.5～1.5 MPa，其中1代表低PN值(<1×105/cm3)，10代表最大PN值(>2×106/cm3)，這可以從沒(méi)有優(yōu)化的布局中找到。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速2 000 r/min，按照前期的研究對(duì)噴油器運(yùn)行初始結(jié)焦程序。

圖13 定性PN(1代表低，10代表高)和空化趨勢(shì)(相對(duì)空化數(shù))的對(duì)比

將基本設(shè)計(jì)與4種不同布局進(jìn)行對(duì)比，5種布局提前用HDA進(jìn)行測(cè)試。這些展示的布局表現(xiàn)出了相對(duì)空化數(shù)和PN特性之間合理的相關(guān)性。由于相對(duì)空化數(shù)的比例與PN定性數(shù)值相匹配，方案1布局表現(xiàn)了非常好的相關(guān)性。該優(yōu)化步驟可以歸于較低的空化趨勢(shì)。對(duì)于方案2的布局，其布局的PN值小于基本設(shè)計(jì)布局，相對(duì)空化數(shù)卻非常高。形成這種效果的原因可以歸于新評(píng)價(jià)技術(shù)只適用于相似的多孔布局。噴嘴內(nèi)部流動(dòng)差異越大，這種技術(shù)就越不能用于布局之間的決策。方案3和方案4表現(xiàn)出了很好的相關(guān)性，對(duì)于方案4，PN略微地高估了相對(duì)空化數(shù)。

從圖13可以看出，最低的定性PN值大概為2，最低的PN結(jié)果沒(méi)有展示，因?yàn)楸狙芯恐兄惶崛×苏麄€(gè)影響幾何特性中的一部分進(jìn)行了描述。對(duì)于現(xiàn)代直接噴射點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，除了空化趨勢(shì)，更多的特性需要予以考慮以達(dá)到低的噴嘴前端沉積，從而達(dá)到低的PN值。最優(yōu)的布局取決于各自的發(fā)動(dòng)機(jī)和其熱力學(xué)特性。為了達(dá)到低的PN值，噴油器和噴嘴需要根據(jù)各自的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整以獲得最好的性能(表4)。

表4 用于發(fā)動(dòng)機(jī)PN排放和HDA空化趨勢(shì)

2.5 優(yōu)化的噴嘴布局噴射結(jié)束后噴嘴前端氣化的對(duì)比

圖14展示了空化趨勢(shì)和噴霧特性之間的最后交叉對(duì)比。為此使用最初展示的紋影技術(shù)裝置來(lái)分析噴射結(jié)束后的噴嘴近場(chǎng)氣化“潰滅”。除了在前期的研究中展示的長(zhǎng)焦顯微測(cè)試技術(shù)，紋影技術(shù)是另外一種分析前端濕壁的技術(shù)。噴嘴前端殘留的燃油量取決于等相噴射的濕壁程度、噴嘴關(guān)閉時(shí)的濕壁和主噴霧的剩余動(dòng)量，這就使主噴霧會(huì)夾帶燃油氣尾。

圖14 高空化趨勢(shì)布局(a)和低相對(duì)空化數(shù)布局(b)的對(duì)比

當(dāng)其離開(kāi)噴嘴前端時(shí)，所有低空化趨勢(shì)的噴嘴布局表現(xiàn)了比較大的紋影氣化射流。這在噴射結(jié)束時(shí)更加明顯。發(fā)現(xiàn)氣化射流在尺寸和分布，尤其是長(zhǎng)度方面展示了相似的特性。低空化布局展示了比較纖細(xì)的氣化油束。高空化布局展示了氣化油束比較短的破碎長(zhǎng)度，同時(shí)高空化布局似乎沒(méi)有導(dǎo)向性。更短的氣化油束看起來(lái)是小范圍的，這可能再次產(chǎn)生較好的PN特性，其取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流運(yùn)動(dòng)和熱力學(xué)。同時(shí)，為了研究噴嘴前端濕壁的氣化“潰滅”原理，研究人員與相關(guān)物理學(xué)家進(jìn)行了下一階段的合作。

3 結(jié)語(yǔ)

本文展示了噴油器噴嘴的設(shè)計(jì)與迭代過(guò)程。這些布局是對(duì)PN優(yōu)化過(guò)程的提取。本文展示了兩種光學(xué)噴霧測(cè)試技術(shù)，即陰影成像技術(shù)和紋影成像技術(shù)。這兩種技術(shù)都能在傳遞噴霧特性方面顯示噴嘴特性差異方面的信息。在初選布局時(shí)使用陰影成像技術(shù)，相對(duì)于光學(xué)測(cè)試，展示了HDA技術(shù)，其作為液壓噴霧測(cè)試的可能性，可以獲得相應(yīng)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特性。為了獲得這種內(nèi)部流動(dòng)信息，開(kāi)發(fā)了一種新的評(píng)價(jià)流程并進(jìn)行了詳細(xì)的展示。引進(jìn)了1個(gè)分類(lèi)數(shù)(相對(duì)空化數(shù))來(lái)增強(qiáng)不同噴嘴布局的可比性。

用空化趨勢(shì)對(duì)6種不同噴嘴布局進(jìn)行了評(píng)價(jià)。為此特別研究了不同噴孔長(zhǎng)度、噴孔錐角代表的噴孔形狀。研究表明，噴孔長(zhǎng)度越長(zhǎng)，空化趨勢(shì)越低，對(duì)于噴孔錐角也有同樣的趨勢(shì)。高度收斂噴孔的噴嘴展示了低的空化趨勢(shì)，因而有高的噴孔填充度。另外利用空化數(shù)分析了5種布局，并使用相同噴油器布局對(duì)比了PN值，研究了相關(guān)性。然而，5種布局中有種布局顯示了相反的結(jié)果。這種特性的反?？赡茉从趪娮煸O(shè)計(jì)，因?yàn)橄啾扔谑Ｏ碌钠渌季?，不同布局采用了不同的?nèi)部流動(dòng)幾何形狀。因此，空化趨勢(shì)方法只能用于相似布局之間的相對(duì)比較。

采用紋影成像方法用來(lái)描述噴射結(jié)束后的氣化“潰滅”，以此來(lái)完善內(nèi)部流動(dòng)時(shí)空化特性差異。紋影技術(shù)可見(jiàn)的氣化產(chǎn)生于噴油孔，以及噴嘴孔和預(yù)噴孔的死角。低空化趨勢(shì)的布局具有小的氣化射流破碎長(zhǎng)度相比于較高空化噴嘴的快速潰滅的微觀油束較長(zhǎng)的共性。但這種特性需要在后續(xù)研究中詳細(xì)觀察。

最后，本文中發(fā)現(xiàn)的流動(dòng)特性只能區(qū)別相似的噴嘴布局，因?yàn)閲娮旌蛧娪推鞯暮芏鄮缀翁匦远加绊憞婌F和前端濕壁特性。因此，對(duì)于未來(lái)高效直接噴射點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，要改變噴嘴布局來(lái)適應(yīng)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)以獲得相對(duì)較高的動(dòng)力性能。