向立明，田江平，隆武強(qiáng)，袁文華

(1.湖北文理學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院，襄陽(yáng) 441053； 2.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，大連 116024；3.邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，邵陽(yáng) 422000)

前言

柴油機(jī)噴霧霧化效果對(duì)燃燒有重要影響，優(yōu)化柴油機(jī)噴霧對(duì)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和改善排放非常關(guān)鍵。在新型柴油機(jī)設(shè)計(jì)中，為減小碳煙生成，主要通過(guò)提高燃油空氣的混合速率和減小燃燒過(guò)程中過(guò)濃混合氣分布的區(qū)域，從而改變?nèi)紵诳臻g和時(shí)間上分布來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)優(yōu)化噴油器噴嘴設(shè)計(jì)來(lái)加強(qiáng)噴霧體內(nèi)的湍流擾動(dòng)是提高油氣混合速率的有效手段。1987年大連理工大學(xué)胡國(guó)棟教授首次提出“傘噴燃燒系統(tǒng)”[1]的概念，經(jīng)過(guò)近40年的探索研究，傘噴噴油嘴前后經(jīng)歷三代[2-7]，增大噴霧貫穿距和噴霧擴(kuò)散面積使噴霧分布更均勻。日本廣島大學(xué)的西田等[8-12]人對(duì)組孔噴油嘴的研究得出與單孔噴油嘴相比其噴霧破碎更徹底、霧化效果更好的結(jié)論。美國(guó)威斯康星大學(xué)的Reitz等人的實(shí)驗(yàn)[13-14]也證明了組孔噴嘴在特定條件下能降低柴油機(jī)的油耗。大連理工大學(xué)隆武強(qiáng)教授在2008年提出了交叉孔噴油嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，在相同的噴射壓力下可得到更好的霧化效果[15]。董全等人的實(shí)驗(yàn)表明，交叉孔噴嘴的噴霧錐角更大，霧化效果更好[16-18]。之前的研究主要集中在噴霧的初次破碎，為進(jìn)一步研究噴霧后續(xù)氣相的發(fā)展，本文中基于可視化定容彈系統(tǒng)，利用陰影法研究噴射壓力、溫度、背壓和交叉角度對(duì)交叉孔噴嘴的噴霧特性的影響，并與單孔噴油嘴進(jìn)行對(duì)比，探究交叉孔噴油嘴在噴霧過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)方法與裝置

噴霧與燃燒可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體布置如圖1所示，主要由定容彈、燃油噴射系統(tǒng)(包括壓力產(chǎn)生器、共軌管、噴油器等)和高速攝影機(jī)等部件組成。定容彈內(nèi)的氣體通過(guò)布置在其中的電阻絲來(lái)加熱，最高可提供的溫度為1 000K，壓力為10MPa。溫度檢測(cè)采用K型熱電偶，最高可測(cè)量溫度為1 300K。采用NCI3.1 052型噴油器，由電磁閥控制噴射?？刂栖浖o出信號(hào)后電磁閥打開(kāi)，高壓燃油通過(guò)噴油器噴入定容彈內(nèi)。壓力產(chǎn)生器在高壓共軌內(nèi)產(chǎn)生最高可達(dá)660MPa的超高壓力?；贜I CompactRIO和LabVIEW控制程序的同步控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確的控制。高速攝影機(jī)記錄整個(gè)噴霧起始發(fā)展過(guò)程，型號(hào)為 FASTCAM SA-Z，鏡頭型號(hào)為 AF-S VR 70-300mm f/4.5-5.6G IF-ED。在計(jì)算機(jī)上使用相機(jī)自帶的PFV軟件來(lái)控制調(diào)節(jié)相機(jī)的分辨率和拍攝幀速率等參數(shù)。

圖1 可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體布置

自由噴霧實(shí)驗(yàn)主要采用陰影法，分別觀測(cè)高蒸發(fā)態(tài)和低蒸發(fā)態(tài)下的自由噴霧特性。圖2為紋影儀的原理示意圖，去除刀口，即可得到噴霧場(chǎng)內(nèi)液相變化的陰影法圖像。

圖2 紋影儀原理示意圖

2 實(shí)驗(yàn)條件

圖3 單孔和交叉孔結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)中選用了4種噴嘴，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。交叉噴孔直徑為0.14mm，交叉角為15°，20°和25°，同時(shí)選用直徑0.14mm的單孔噴嘴進(jìn)行對(duì)比。其中20°交叉孔噴油器僅在研究交叉角對(duì)噴霧的影響時(shí)采用。本文中研究噴射壓力、溫度、背壓和交叉角對(duì)交叉孔噴嘴噴霧特性的影響，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 自由噴霧實(shí)驗(yàn)條件(陰影法)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 噴射壓力的影響

3.1.1 低蒸發(fā)態(tài)

在較低的環(huán)境溫度(560K)下噴霧液滴蒸發(fā)相對(duì)較慢，本文中將此噴霧狀態(tài)稱(chēng)為低蒸發(fā)態(tài)，較高的環(huán)境溫度下的噴霧狀態(tài)稱(chēng)為高蒸發(fā)態(tài)。

(1)噴霧宏觀結(jié)構(gòu)

溫度560K，背壓3MPa和噴射壓力160MPa下單孔與15°和25°兩個(gè)角度的交叉孔不同時(shí)刻的噴霧圖像如圖4所示。由圖可見(jiàn)，0.5ms ASOI(噴射開(kāi)始后時(shí)間)時(shí)刻單孔噴嘴的貫穿距要比兩種交叉孔噴嘴都長(zhǎng)，而15°和25°交叉孔噴霧錐角和噴霧投影面積都比單孔的大。在環(huán)境氣體的卷吸作用下，0.9ms ASOI，15°和25°交叉孔噴霧圖像邊緣可明顯地觀測(cè)到更多的細(xì)小液滴破碎和湍流渦團(tuán)，25°交叉孔的左下側(cè)小范圍出現(xiàn)液滴蒸發(fā)并向周?chē)鷶U(kuò)散，如圖中淺色橢圓范圍所示。在1.1和1.3ms ASOI時(shí)刻，25°交叉孔噴霧前沿兩側(cè)出現(xiàn)范圍更大的氣相擴(kuò)散蒸發(fā)，如圖中深色橢圓范圍所示；而15°交叉孔噴霧邊緣也出現(xiàn)了很多湍流渦團(tuán)，在1.3ms ASOI時(shí)刻也出現(xiàn)了小范圍的氣相蒸發(fā)擴(kuò)散，但比25°交叉孔的要小很多。在1.3ms ASOI時(shí)刻，單孔噴霧邊緣也出現(xiàn)渦團(tuán)和小液滴的破碎，以及范圍更小的氣相蒸發(fā)擴(kuò)散。

(2)貫穿距

圖4 160MPa下噴霧圖像

不同噴射壓力下3種噴嘴自由噴霧貫穿距如圖5所示。80，120和160MPa對(duì)應(yīng)的噴射脈寬分別為2.15，1.55 和 1.05ms。

80MPa時(shí)噴射前期單孔和15°交叉孔自由噴霧貫穿距相差不大，而25°交叉孔噴霧前期貫穿距小于前兩者。說(shuō)明交叉孔交叉角使噴孔匯聚時(shí)噴束的動(dòng)量損失增大，減小了軸向動(dòng)能。這種損失隨著噴射壓力提高而增大，故在噴霧前期，單孔貫穿距大于交叉孔噴霧貫穿距的幅度隨著噴射壓力提高而增大；在80MPa噴射壓力下，15°交叉孔貫穿距大于25°交叉孔，大交叉角度導(dǎo)致更多的動(dòng)量損失。而隨著噴射壓力的提高，2個(gè)角度噴霧前期貫穿距的差距在減小，說(shuō)明較高的噴射壓力增強(qiáng)液滴破碎效果，25°交叉孔由于交叉角度較大，油滴破碎受?chē)娚鋲毫τ绊戄^大，細(xì)小的破碎液滴擴(kuò)展較快，一定程度上彌補(bǔ)了由于大交叉角度而導(dǎo)致的更多的動(dòng)量損失。在噴霧后期，與單孔相比，15°和25°交叉孔噴霧貫穿距明顯增大，隨著噴射壓力提高，交叉孔和單孔貫穿距差距縮小。

(3)噴霧錐角

圖5 不同噴射壓力下貫穿距

圖6 為噴射壓力80和160MPa下單孔與15°和25°交叉孔噴霧錐角的折線(xiàn)圖。低蒸發(fā)態(tài)下，噴霧錐角主要受?chē)娚鋲毫徒徊娼堑挠绊?。在噴霧前期主要是密集的液注階段，在80MPa的低噴射壓力條件下，兩種角度交叉孔噴霧錐角折線(xiàn)圖幾乎重合，當(dāng)提高噴射壓力后，較大角度的交叉孔徑噴霧錐角有很大提高，在噴霧前期25°交叉孔噴霧錐角比15°大。在噴霧后期由于蒸發(fā)較少，且本文中采用的是測(cè)量1/2貫穿距處的噴霧錐角，沒(méi)有考慮噴霧前沿蒸發(fā)擴(kuò)散的不規(guī)則氣相部分，兩種角度的交叉孔噴霧錐角接近。交叉孔噴霧在兩種壓力下的噴霧錐角均明顯大于單孔噴霧錐角。隨著噴射壓力的提高，交叉孔噴霧錐角和單孔噴霧錐角的差距在增大，且25°交叉孔增幅大于15°交叉孔。

3.1.2 高蒸發(fā)態(tài)

溫度760K，4MPa的環(huán)境工況，160MPa噴射壓力下單孔和兩種角度的交叉孔不同時(shí)刻的噴霧圖像如圖7所示。可以看出，在高溫和高噴射壓力下，交叉孔蒸發(fā)比單孔提前很多，其中25°交叉孔的蒸發(fā)提前明顯。在噴霧前期，25°交叉孔噴霧邊緣細(xì)小液滴破碎和氣相蒸發(fā)擴(kuò)散現(xiàn)象非常明顯。15°交叉孔噴霧前沿向周邊不規(guī)則的蒸發(fā)擴(kuò)散的范圍明顯比25°交叉孔小。但與單孔相比較，噴霧面積要大很多，而且前沿氣相范圍更廣。

圖6 不同噴油壓力下的噴霧錐角

圖7 160MPa下噴霧圖像

不同噴射壓力對(duì)貫穿距的影響如圖8所示。噴霧前期單孔與交叉孔貫穿距差距不大，這是由于較高的溫度和噴射壓力下，交叉孔前期噴霧蒸發(fā)加強(qiáng)，氣相軸向擴(kuò)散在一定程度上彌補(bǔ)了噴射初始由于交叉角度帶來(lái)的動(dòng)量損失。在160MPa噴射壓力下25°交叉孔貫穿距短于15°交叉孔和單孔。這是由于過(guò)高噴射壓力帶來(lái)的動(dòng)量方面的損失和促使液滴破碎與蒸發(fā)氣相向徑向周邊擴(kuò)散蒸發(fā)的作用大于氣相蒸發(fā)軸向擴(kuò)散對(duì)貫穿距的彌補(bǔ)作用，高噴射壓力和高蒸發(fā)溫度對(duì)較大交叉角度的交叉孔蒸發(fā)的影響更大。在噴霧后期，15°的交叉孔貫穿距始終略大于單孔貫穿距，這可能是因高蒸發(fā)溫度下交叉孔氣相蒸發(fā)效果強(qiáng)于單孔，交叉孔噴霧邊緣液滴破碎蒸發(fā)更快，細(xì)小的破碎液滴伴隨著氣相蒸發(fā)加強(qiáng)，噴霧前沿氣相蒸發(fā)軸向擴(kuò)展更快所致。而25°交叉孔則始終低于單孔和15°交叉孔，這是因?yàn)榇蠼徊娼嵌仁箛婌F發(fā)展過(guò)程中向周邊蒸發(fā)擴(kuò)散效果較強(qiáng)，動(dòng)量損失多，空氣卷吸阻力作用大的緣故?？梢钥闯觯S著噴射壓力的增大，交叉孔與單孔貫穿距的差距縮小。

圖8 不同噴射壓力下貫穿距

圖9 為80和160MPa噴射壓力下3種噴嘴噴霧錐角折線(xiàn)圖。與低蒸發(fā)態(tài)噴霧錐角變化規(guī)律類(lèi)似，兩種角度的交叉孔噴霧錐角明顯大于單孔，且隨著噴射壓力的提高而明顯增大。25°交叉孔噴霧前中期錐角比15°交叉孔大，且隨著噴射壓力的提高而差距變大，這是由于在高蒸發(fā)態(tài)下，提高噴射壓力對(duì)較大交叉角度影響作用更大，使大角度交叉孔噴霧邊緣更易蒸發(fā)擴(kuò)散，從而增大了噴霧錐角。

3.2 溫度的影響

(1)貫穿距

圖10為3種噴嘴在160MPa噴射壓力和不同的環(huán)境條件下貫穿距的對(duì)比。

圖9 不同噴油壓力下的噴霧錐角

可以看出，在噴霧前期，單孔在高蒸發(fā)態(tài)下貫穿距明顯短于低蒸發(fā)態(tài)。隨著噴霧發(fā)展，在噴霧后期蒸發(fā)加強(qiáng)，貫穿距增大直至超過(guò)低蒸發(fā)態(tài)。而兩種角度交叉孔在噴霧前期，其高蒸發(fā)態(tài)噴霧貫穿距就略大于低蒸發(fā)態(tài)，15°交叉孔高蒸發(fā)態(tài)貫穿距大于低蒸發(fā)態(tài)的幅度更明顯，說(shuō)明交叉孔蒸發(fā)較單孔提前，細(xì)小液滴破碎蒸發(fā)擴(kuò)散增大了噴霧貫穿距。小角度交叉孔在噴霧軸向蒸發(fā)擴(kuò)展更快，而大角度交叉孔噴霧徑向擴(kuò)展更快。

圖10 不同溫度貫穿距對(duì)比

(2)噴霧錐角

圖11為3種噴嘴在160MPa噴射壓力和不同的環(huán)境條件下噴霧錐角的對(duì)比。

圖11 不同溫度噴霧錐角對(duì)比

可以看出，無(wú)論在高蒸發(fā)態(tài)還是低蒸發(fā)態(tài)，單孔自由噴霧錐角均遠(yuǎn)小于交叉孔，且溫度提升后，噴霧錐角提升較小，說(shuō)明加強(qiáng)蒸發(fā)后單孔自由噴霧邊緣液滴破碎蒸發(fā)效果不如交叉孔，而交叉孔在低蒸發(fā)態(tài)和高蒸發(fā)態(tài)的自由噴霧錐角遠(yuǎn)大于單孔，交叉角度越大噴霧錐角越大。高蒸發(fā)態(tài)對(duì)25°交叉孔噴霧錐角的增大程度大于15°交叉孔，這是因?yàn)檩^大的交叉角的噴霧錐角更大，氣相蒸發(fā)更早，擴(kuò)散范圍更廣。

3.3 背壓的影響

(1)貫穿距

溫度760K，噴射壓力160MPa不變，3和4MPa兩種背壓下3種噴嘴噴霧貫穿距對(duì)比如圖12所示。

可以看出，當(dāng)背壓從3加大到4MPa時(shí)，單孔自由噴霧貫穿距減小不明顯，而交叉孔受背壓的影響較大，背壓升高后，貫穿距明顯減小，且25°交叉孔減小比15°交叉孔明顯。這是由于交叉孔噴霧前沿蒸發(fā)量較多，氣相貫穿距受到氣壓影響較大，較大的交叉角噴霧蒸發(fā)擴(kuò)散范圍廣，受環(huán)境氣體阻力作用大。

圖12 不同背壓噴霧貫穿距對(duì)比

(2)噴霧錐角

溫度760K，噴油壓力160MPa不變，3和4MPa兩種背壓下3種噴嘴自由噴霧錐角的對(duì)比如圖13所示。

可以看出，隨著背壓的提高，3種噴嘴的噴霧錐角都明顯增大，交叉孔噴霧錐角的增幅大于單孔。25°交叉孔在兩個(gè)背壓下噴霧錐角均大于15°交叉孔，尤其在噴霧前期高背壓較低背壓錐角提高程度大于15°交叉孔，這也說(shuō)明與較小角度的交叉孔相比，大角度的交叉孔噴霧邊緣易蒸發(fā)，噴霧前期周?chē)鷼庀嗾舭l(fā)量很多。

3.4 交叉角的影響

溫度760K，背壓4MPa和噴射壓力160MPa下，對(duì)比15°，20°和25°交叉孔自由噴霧特性。圖14為3種交叉角噴嘴自由噴霧貫穿距和噴霧錐角折線(xiàn)圖。

可以看出，隨著交叉角的增大，噴霧貫穿距逐漸減短，而噴霧錐角逐漸增大。

圖13 不同背壓噴霧錐角對(duì)比

圖14 不同交叉角度交叉孔噴霧貫穿距和錐角對(duì)比

4 結(jié)論

本文中采用可視化方法研究了交叉孔噴嘴的噴霧特性，獲得如下結(jié)論。

(1)隨著噴孔交叉角從15°到25°逐漸增大，噴霧貫穿距逐漸減短，而噴霧錐角逐漸增大。交叉孔噴霧蒸發(fā)明顯強(qiáng)于單孔。15°交叉孔噴霧前端蒸發(fā)明顯，這是15°交叉孔貫穿距大于單孔的原因；25°交叉孔噴霧邊緣蒸發(fā)擴(kuò)散范圍最廣，這是25°交叉孔噴霧錐角最大、貫穿距最短的原因。

(2)噴射壓力提高會(huì)增大交叉孔噴霧前期動(dòng)量損失，交叉角越大，損失越多。交叉角較大的噴霧錐角受?chē)娚鋲毫τ绊戄^大，噴射壓力越高，錐角增大越明顯。

(3)低蒸發(fā)溫度下，噴霧前期單孔貫穿距明顯大于交叉孔，隨著噴射壓力增大，差距增大；高蒸發(fā)溫度下，噴霧前期單孔和交叉孔貫穿距的差別較小，說(shuō)明交叉孔噴霧前沿蒸發(fā)較強(qiáng)，氣相擴(kuò)展較快。高蒸發(fā)溫度下，交叉孔噴霧錐角增大程度大于單孔，蒸發(fā)擴(kuò)散范圍更廣；交叉角越大，增幅越大。

(4)背壓提高后，總的趨勢(shì)是噴霧貫穿距縮短，而噴霧錐角增大，但單孔噴霧貫穿距縮短沒(méi)有交叉孔明顯，同時(shí)交叉孔噴霧錐角增大程度大于單孔，交叉角越大，增幅越大，說(shuō)明交叉孔噴霧液滴破碎更小，分布范圍更大，氣相擴(kuò)展更廣。