徐 杰，張 力

(1.重慶工商職業(yè)學院智能制造與汽車學院，重慶 401520；2.四川大學電子信息學院，成都 610054)

眾所周知，柴油機的噴霧特性與柴油燃燒及排放狀況密切相關(guān)，因此對噴嘴內(nèi)部柴油流動的研究與提高柴油機工作性能和實現(xiàn)穩(wěn)定可控的燃燒直接相關(guān)[1].目前，對于柴油機的排放要求愈來愈高，其燃燒方面的相關(guān)技術(shù)也在逐步發(fā)展，為了使其擁有更好的性能并滿足相應的法律法規(guī)，柴油機噴射裝置就需要進行發(fā)展與改良.目前行業(yè)內(nèi)對于噴嘴系統(tǒng)內(nèi)部的兩相流動方式非常重視，要求從根本上解決內(nèi)部壓力等問題[2].噴嘴內(nèi)部空化現(xiàn)象往往以渦空化最為復雜，這一情況主要發(fā)生在漩渦流場的作用下，當渦心壓力低并且壓力為空化臨界壓力時，系統(tǒng)渦心處就會發(fā)生渦空化，且一般呈線狀形態(tài)，被稱為線空化[3-6].由于線空化復雜程度較高，因此對其研究較少.

研究表明[7]，增加噴孔的傾斜角度，會增大其產(chǎn)生空穴的幾率.這是因為傾斜角度的增加會使得噴孔坡度變大，進入噴孔的流體在該位置的流動狀態(tài)和轉(zhuǎn)向過于劇烈，就很容易造成大規(guī)模低壓區(qū)域，使空化現(xiàn)象較容易發(fā)生.張軍等[8]通過對壓力室噴嘴(SAC)和無壓力室噴嘴(VCO)兩種柴油機的多孔噴嘴進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著噴射壓力的增加，空化效應發(fā)生的可能性也不斷增大；而出口處的壓力反而對空化有一定的抑制作用，減小出口處的壓力有利于空化現(xiàn)象的產(chǎn)生.大量研究人員針對噴嘴的實際運用進行了廣泛的分析.Schmidt等[9]采用多孔徑的簡化噴嘴(0.2～2.5mm)進行研究，首次在相應的透明噴嘴中發(fā)現(xiàn)了空穴現(xiàn)象，并得出了噴嘴內(nèi)部的流體運動形態(tài)與噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)的結(jié)論，創(chuàng)造性地將噴嘴霧化現(xiàn)象和空化現(xiàn)象聯(lián)系在了一起.此外，Chen等[10]的研究表明，線空化會對噴霧錐角造成重要的影響使內(nèi)部燃燒和噴霧過程不穩(wěn)定.大量的試驗證明，針閥頂部的夾角會對空化現(xiàn)象產(chǎn)生影響較小的角度，而這種小角度會降低空化現(xiàn)象出現(xiàn)的概率.然而，目前還鮮有針對噴孔的入口處圓角結(jié)構(gòu)對線空化現(xiàn)象的影響的研究.

本試驗對噴孔入口處的圓角結(jié)構(gòu)對空化現(xiàn)象的影響進行了深入的研究，為了排除其他因素對試驗結(jié)果的干擾，試驗對噴孔采用多種入口圓角結(jié)構(gòu)的雙孔min-SAC噴嘴，并按照比例放大，在噴射壓力穩(wěn)定和針閥升程固定的工況下進行試驗研究.本研究結(jié)果對噴嘴內(nèi)部線空化領(lǐng)域進行了補充，并為通過改進噴油器系統(tǒng)來提高柴油機性能提供了理論支撐.

1 試驗設計及方法

在實際試驗中，由于噴孔尺寸較小，導致噴孔內(nèi)呈現(xiàn)多相流狀態(tài)且流場復雜多變，這限制了對線空化現(xiàn)象的觀察；并且由于噴射為瞬態(tài)過程，如果針閥不固定將會造成針閥升程不同而影響線空化現(xiàn)象的規(guī)律，增大其分析難度.由于噴嘴實際尺寸較小，觀察和分析的難度較高，因此本試驗對實際裝置進行了相同倍數(shù)的放大，采用多種入口圓角結(jié)構(gòu)的雙孔 min-SAC噴嘴進行分析與研究.

鑒于實際試驗需要滿足真實性，為確保本試驗系統(tǒng)在噴嘴內(nèi)部流體流動狀態(tài)與在真實的柴油機內(nèi)流動類似，依據(jù)流動相似性原理，本試驗中放大比例的噴嘴內(nèi)部流動狀態(tài)需要與真實噴嘴的幾何、運動以及動力相似.鑒于實際試驗對以上條件很難達到全部滿足，為了使實驗系統(tǒng)中噴嘴內(nèi)部燃油的流動形態(tài)與實際一致，本實驗在整體放大噴嘴幾何尺寸的同時滿足了試驗狀態(tài)與實際情況的雷諾數(shù)相似，從而使系統(tǒng)在噴射壓力變化的情況下噴孔內(nèi)燃油的流動狀態(tài)與實際相似，保證試驗系統(tǒng)能可視化觀察到線空化現(xiàn)象的發(fā)生.

本試驗由按照適當比例放大的噴嘴和可視化試驗臺組成，主要由供油部分、噴射部分和信息采集部分 3個部分構(gòu)成.其中，噴油壓力的穩(wěn)定性主要通過氮氣瓶與穩(wěn)壓油箱的結(jié)合系統(tǒng)來提供，燃油噴射壓力由節(jié)流閥進行調(diào)節(jié).

該實驗裝置中的噴射系統(tǒng)是按照實際噴油器尺寸進行整體放大，還原了原材料的基本組成和結(jié)構(gòu)，其頭部噴嘴是由透明材料的有機玻璃加工而成，通過法蘭銜接固定在噴油器頂部.通過搭建可視化收集裝置，對噴嘴內(nèi)空化內(nèi)流現(xiàn)象以及噴霧情況信息進行采集.透明噴嘴是通過3D打印技術(shù)和高精度機械加工技術(shù)相結(jié)合的工藝進行制作的，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.從圖中可以看出，在噴嘴上存在兩個對稱的噴孔，不同結(jié)構(gòu)的噴嘴具有不同的幾何尺寸，其中，雙孔錐度孔透明噴嘴的噴孔幾何尺寸參數(shù)一致，左噴孔及右噴孔的入口長度和出口長度分別為2.1mm和2.0mm，噴孔長度為10mm，噴孔傾斜角為 75°，兩個噴嘴的區(qū)別在于噴孔入射圓角不同，1號噴嘴為1.5mm，而2號噴嘴為0mm.此外，通過計算可以得出兩個噴嘴的錐度系數(shù)均為+1.

圖1 透明噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of transparent nozzle

盡管試驗過程在穩(wěn)態(tài)下進行，但線空化現(xiàn)象是一個瞬態(tài)的過程.為了捕獲完美的線空化現(xiàn)象，相機在圖像采集部分的拍攝速度為 22000幀/s且照片間隔為 50μs.在連續(xù)噴射過程中隨機抽取持續(xù)時間為0.6s的 6000張照片，利用MATLAB自編程序?qū)ζ溥M行疊加求平均，從而獲得噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象的形態(tài)分布特征圖片，通過對比標準卡圖的顏色對噴嘴空化程度和分布狀態(tài)進行說明，由顏色的深淺對噴嘴內(nèi)部空化出現(xiàn)的概率進行表征.

本試驗中以 0#柴油為系統(tǒng)供油，其物性參數(shù)及試驗條件如表1所示.

表1 燃油物性Tab.1 Physical properties of fuel

為了較為全面地分析柴油機噴嘴的線空化特征，本文對比了兩種不同升程下噴嘴的線空化分布特征，并做出如下定義：α線空化為低針閥在上升過程中在針閥錐面處發(fā)生的空化現(xiàn)象；β線空化是高針閥在上升過程中在連接兩個噴孔之間并發(fā)生在壓力室中的空化現(xiàn)象.

2 結(jié)果分析

本試驗通過設計的實驗裝置，在固定針閥升程且噴射壓力全程穩(wěn)定的工況下進行，研究了噴嘴的噴孔幾何尺寸對噴孔內(nèi)部線空化現(xiàn)象的影響.

2.1 噴孔入口結(jié)構(gòu)對其線空化分布的影響

對比兩種情形下線空化形態(tài)，通過其顏色深淺對其進行全方位的數(shù)據(jù)分析.

不同壓差下，無論噴孔入口是否為圓角結(jié)構(gòu)，在1.0mm針閥升程下均未出現(xiàn)明顯的幾何誘導空化現(xiàn)象.由表2可以看出，1號噴嘴在0.08MPa的噴射壓力差條件下，其線空化的初始位置大多數(shù)發(fā)生在噴孔出口；緊接著提高壓力差為 0.20MPa，可以看出整個噴孔均分布著線空化現(xiàn)象.由表 3中 2號噴嘴數(shù)據(jù)表可知，壓力差為 0.05MPa下的線空化初始位置主要位于噴孔出口處，升高壓差同樣會使線空化形態(tài)布滿整個噴孔.由此可以看出，α線空化發(fā)展過程中，噴孔入口存在的倒圓角會使在低噴射壓差條件下的線空化的初始位置發(fā)生重要改變.這是因為噴孔入口設置的圓角結(jié)構(gòu)會改變?nèi)加瓦M入噴孔的流動形態(tài)，減緩其高度落差，具有平緩其流動形態(tài)的作用；在噴射壓差不變的前提下，圓角結(jié)構(gòu)的存在會避免回流區(qū)并且使得噴孔入口處渦旋運動強度減弱.

表2 1.0 mm針閥升程下 1號噴嘴在不同壓差下的線空化狀態(tài)Tab.2 Linear cavitation of No.1 nozzle under 1.0 mm needle valve lift and different pressure differences

當針閥升程為 1.8mm 時，線空化現(xiàn)象很明顯地發(fā)生在 2號噴嘴，而 1號噴嘴并沒有出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象.由表 4可見，當 1號噴嘴內(nèi)噴射壓力差為0.08MPa時，線空化初始位置大多數(shù)位于噴孔出口的位置.升高其噴射壓力差會使得線空化的出現(xiàn)位置連通兩孔并貫穿壓力室，基本覆蓋整個噴嘴.但壓力室內(nèi)部的線空化分布程度要比噴孔內(nèi)的線空化分布程度弱

表3 1.0 mm針閥升程下 2號噴嘴在不同壓差下的線空化狀態(tài)Tab.3 Linear cavitation of No.2 nozzle under 1.0 mm needle valve lift and different pressure differences

由表4和表5可知，在2號噴嘴的線空化分布特征變化實驗中，當噴射壓力差為0.24MPa時，線空化現(xiàn)象主要發(fā)生在壓力室和噴孔入口這兩個位置，分布程度不高且沒有出現(xiàn)幾何誘導空化的現(xiàn)象.繼續(xù)升高噴射壓力差至 0.50MPa，在噴孔入口偏向于幾何誘導空化這個位置處的線空化分布程度明顯要比0.24MPa時強.增大噴射壓力差使得幾何誘導空化及其區(qū)域?qū)木€空化不斷地從下游出口一直發(fā)展到出口位置.由此可見，β線空化發(fā)展主要受幾何誘導空化所影響，在β線空化噴孔內(nèi)部具有較大的分布程度，但是壓力室內(nèi)的β線空化分布程度并不受幾何誘導空化的影響.

表4 1.8 mm針閥升程下 1號噴嘴在不同壓差下的線空化狀態(tài)Tab.4 Linear cavitation of No.1 nozzle under 1.8 mm needle valve lift and different pressure differences

表5 1.8 mm針閥升程下 2號噴嘴在不同壓差下的線空化狀態(tài)Tab.5 Linear cavitation of No.2 nozzle under 1.8 mm needle valve lift and different pressure differences

2.2 圓角結(jié)構(gòu)對線空化分布的影響

依據(jù)以上試驗可知，采用圓角結(jié)構(gòu)的噴孔一方面改變了燃油進入噴孔后的流動狀態(tài)，另一方面降低幾何誘導空化現(xiàn)象產(chǎn)生的幾率，因此對線空化的發(fā)展歷程產(chǎn)生了重要的影響.

表6是1.8mm針閥升程下幾何誘導空化與線空化的相互作用.通過對比可以看出，在 0.5MPa噴射壓力差下，不同圓角結(jié)構(gòu)的噴孔噴嘴內(nèi)的線空化形態(tài)分布并不相同：在幾何誘導空化和線空化同時存在且沒有設置倒圓角的噴嘴內(nèi)部，幾何誘導空化分布所在區(qū)域的線空化程度比其他位置更強，這是因為線空化現(xiàn)象在該位置分布程度更大；通過觀察可以看出，幾何誘導空化尾部會發(fā)生幾何誘導空化現(xiàn)象和線空化現(xiàn)象相互吸引閉合的趨勢，倘若線空化不存在會出現(xiàn)幾何誘導空化尾部存在云狀空化脫落的現(xiàn)象.

表6 1.8 mm針閥升程下幾何誘導空化與線空化的相互作用Tab.6 Interaction between geometrically induced cavitation and linear cavitation under 1.8 mm needle valve lift

綜上所述，造成柴油機閉合的現(xiàn)象主要是由于云狀空化脫落泡被渦旋運動轉(zhuǎn)移至旋渦中心聚集所致，在渦旋運動作用下使得燃油內(nèi)氣相聚集在中心區(qū)域，而幾何誘導空化區(qū)域的氣相分布量比其他區(qū)域更大，這也是在幾何誘導空化分布區(qū)域中的線空化發(fā)展程度比其他區(qū)域更大的原因.

3 結(jié) 論

(1) 噴射壓差與噴孔內(nèi)部線空化程度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系.

(2) 噴孔入口結(jié)構(gòu)形狀直接影響噴孔內(nèi)部線空化程度，不同針閥升程下的線空化現(xiàn)象在初始發(fā)展過程中的分布狀態(tài)變化受到噴嘴入口圓角結(jié)構(gòu)的影響，但α線空化形態(tài)和強度受其影響要強于β線空化.

(3) 在低針閥升程試驗中，幾何誘導空化并沒有與發(fā)展程度大的α線空化同時存在；而在高針閥升程試驗條件下的幾何誘導空化不僅存在，同時會加快β線空化的發(fā)展.

(4) 幾何誘導空化發(fā)生在渦旋運動的條件下，遠離近壁區(qū)并且聚集在漩渦中心，從而加快了線空化的發(fā)展.

(5) 改變噴孔入口圓角結(jié)構(gòu)可以減少高針閥升程下其壁面幾何誘導空化及線空化的發(fā)生，而在低針閥升程下受其影響則非常微弱.