何邦全，張更伽，張?巖

柴油近場噴霧初期形成過程的研究

何邦全1，張更伽1，張?巖2

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300405)

為了更好地理解噴油初期柴油噴霧的形成過程，利用長工作距離顯微鏡頭和高速攝影相結(jié)合的方法，試驗(yàn)研究了不同噴油壓力、環(huán)境壓力以及噴孔長徑比下噴油初期單孔柴油噴油器噴孔下方 3.5mm內(nèi)的近場噴霧特性．結(jié)果表明，在噴油初期階段，噴霧貫穿度存在一個(gè)加速發(fā)展過程，而油束的破碎區(qū)域由頭部破碎區(qū)和液柱破碎區(qū)組成．燃油噴出后，油束頭部先產(chǎn)生破碎，形成了一個(gè)隨時(shí)間發(fā)展而逐漸增大的傘狀頭部，并伴隨油絲剝離現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)噴油壓力越大，相同噴射時(shí)間下的頭部破碎區(qū)域越大，油滴群分布范圍越廣；液柱區(qū)初始破碎的時(shí)間要晚于頭部破碎區(qū)．隨著空化流發(fā)展至孔外，液柱區(qū)開始產(chǎn)生破碎，油束寬度明顯變大，柱狀形態(tài)逐漸消失，導(dǎo)致近場噴霧錐角迅速增大；當(dāng)環(huán)境壓力為4.5MPa、噴油壓力從80MPa增加至140MPa時(shí)，噴霧液柱區(qū)開始破碎的時(shí)間由72μs提前至36μs；當(dāng)噴油壓力為120MPa、環(huán)境壓力從2.5MPa提高至4.5MPa時(shí)，噴霧液柱區(qū)的破碎時(shí)間也相對推遲，同時(shí)噴霧貫穿度和噴霧面積明顯減小；當(dāng)噴油壓差平方根呈線性增加時(shí)，相同噴油時(shí)間下噴霧前端速度的增加幅度明顯變大．當(dāng)噴孔直徑不變時(shí)，減小噴孔長度，噴霧貫穿度增加，噴霧液柱區(qū)的破碎時(shí)間提前，近場噴霧錐角相對增加，破碎程度隨之增大，油束破碎區(qū)域也更加對稱．

柴油；噴霧；近場；破碎；長徑比

目前，柴油機(jī)的噴油壓力很高．在噴油過程中，噴油器噴孔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)包括氣蝕在內(nèi)的一系列瞬態(tài)現(xiàn)象[1-2]，尤其是在噴油的初期階段，這一現(xiàn)象更加明顯．噴油初期是指燃油剛從噴孔內(nèi)噴出形成不穩(wěn)定油束的初始階段，它對油束的破碎及霧化起著至關(guān)重要的作用，并影響柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣的形成、燃燒和排放[3-4]．因此，其近場特性的研究得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注．

利用數(shù)值模擬方法，Salvador等[5]發(fā)現(xiàn)，噴孔內(nèi)的高度湍流會(huì)增加靠近油束中心和霧化區(qū)域的渦量；噴油壓力越高，湍流越強(qiáng)，霧化效果越好．Hattori?等[6]在環(huán)境壓力為3MPa、噴油壓力為32MPa下，試驗(yàn)研究了距噴孔4mm處的近場噴霧圖像，并發(fā)現(xiàn)由噴孔噴出的油束，其中心受噴孔的剪切力影響較小，導(dǎo)致中心燃油速度較高，這部分燃油先在空氣的作用下逐漸向周圍擴(kuò)展，形成了傘狀頭部，但隨著噴油的進(jìn)行，前端傘狀結(jié)構(gòu)逐漸消失．Dong等[7]通過模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究了多孔噴油器在不同噴孔長度下的噴霧及內(nèi)部流動(dòng)特性，并發(fā)現(xiàn)噴霧的發(fā)展受噴嘴內(nèi)部流動(dòng)和相鄰油束之間的相互影響．噴孔長度減小會(huì)增加噴孔內(nèi)的空化及湍流程度，增大油束徑向尺寸，減小噴孔有效流動(dòng)面積．張軍[8]通過數(shù)值模擬研究了單孔柴油噴油器不同噴孔長度下的噴孔內(nèi)部流動(dòng)特性，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)長徑比為6時(shí)，大量空化氣泡隨燃油一起流出孔外，有助于加速燃油的破碎，而當(dāng)長徑比為8時(shí)，噴孔出口處的氣泡所占的體積較少．王忠遠(yuǎn)等[9]試驗(yàn)研究了噴孔長徑比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴嘴內(nèi)部空化過程的影響，結(jié)果表明，增大噴孔傾角、直徑、長徑比以及采用入口圓角等措施會(huì)抑制空化現(xiàn)象的產(chǎn)生．Guo等[10]和Wang等[11]通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究了殘余燃油或倒吸氣泡對噴霧結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，殘余燃油或倒吸氣泡的分布、大小和數(shù)量決定了初始噴霧結(jié)構(gòu)的變化，噴霧初始的蘑菇云是由殘余燃油或倒吸氣泡產(chǎn)生的；此外，空化會(huì)使油束表面的擾動(dòng)更加劇烈，導(dǎo)致油束的剝離和破碎過程出現(xiàn)得更早．Henry等[12]的研究表明，影響噴霧特性的主要因素有噴油器結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)和外界環(huán)境，在噴油器結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)一定時(shí)，噴油初期的霧化主要受初始動(dòng)能和孔內(nèi)流動(dòng)特性的影響．

對不同噴油壓力和環(huán)境壓力下單孔直噴汽油機(jī)噴油器射流的微觀特性的研究[13]表明，近場射流表面會(huì)伴隨著表面波的形成，間斷產(chǎn)生的表面波會(huì)在射流向外擺動(dòng)的切線處發(fā)生剝離，形成密集的微小液滴群，且噴射壓力越高，射流表面波長越短，表面波越容易破碎．Junkyu等[14]的研究表明，在環(huán)境阻力的作用下，噴油初期階段噴霧頭部動(dòng)量較小的區(qū)域變寬，且隨著供油量的不斷加大，前端燃油在后端高壓燃油的推動(dòng)下，逐漸形成了蘑菇狀的結(jié)構(gòu)，同時(shí)前端強(qiáng)渦流和不穩(wěn)定波的傳播加速了燃油的初次破碎．此外，隨著噴油壓力的不斷提高，高噴油壓力下長徑比的改變會(huì)使得噴霧錐角的差異性加大．文華等[15]的研究結(jié)果表明，噴油結(jié)束階段空化潰滅后導(dǎo)致噴嘴內(nèi)的壓力降低是引起空氣倒吸的原因，且噴嘴內(nèi)的空化量隨針閥運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大．Wei等[16]的研究結(jié)果表明，噴霧錐角隨噴射時(shí)間的變化呈雙峰型，在噴射開始和噴射結(jié)束時(shí)的噴霧錐角明顯大于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的噴霧錐角，而噴霧錐角的增大導(dǎo)致了周圍空氣卷吸作用的增強(qiáng)．

目前，國內(nèi)外多側(cè)重于利用數(shù)值模擬或試驗(yàn)手段研究孔內(nèi)流動(dòng)以及全場噴霧特性，而對于噴油初期近場噴霧形成過程的試驗(yàn)研究仍然較少，尤其是高環(huán)境壓力條件下的研究．為了揭示柴油機(jī)噴油時(shí)高環(huán)境壓力、噴油壓力和不同噴孔長徑比對噴油初期近場噴霧特性的影響，為后續(xù)孔內(nèi)研究提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文利用顯微放大試驗(yàn)系統(tǒng)，從相對微觀的角度對噴油初期單孔柴油噴油器噴孔外0～3.5mm內(nèi)的近場噴霧特性進(jìn)行了研究．

1?試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1?試驗(yàn)裝置

為了進(jìn)行近場噴霧特性試驗(yàn)，搭建了試驗(yàn)測試系統(tǒng)，如圖1所示．試驗(yàn)系統(tǒng)主要由定容彈、Infinity Model K2-SC長工作距離顯微鏡、燃料供給系統(tǒng)、氙燈、Photron Fastcam SA5型高速相機(jī)、環(huán)境壓力顯示器及調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成．其中，顯微鏡頭由Infinity Model K2-SC單筒鏡組、CF-2物鏡、TR二倍鏡筒組成．該鏡組工作距離為138～209mm，景深為0.03～0.06mm，放大倍數(shù)為2.72～4.58；高速相機(jī)的最大分辨率為1024×1024，其最高拍攝幀率可達(dá)106幀/s.供油系統(tǒng)由低壓油路和高壓油路組成．試驗(yàn)所需噴油壓力由高壓泵的燃油計(jì)量單元調(diào)節(jié)，最大噴油壓力為140MPa．通過上位機(jī)通訊，可以改變噴油壓力．試驗(yàn)所用噴油器為噴孔中心布置的單孔噴油器．噴霧時(shí)定容彈中的環(huán)境壓力用高壓氮?dú)庹{(diào)節(jié)．

測試條件如表1所示．

1—ECU；2—高速相機(jī)；3—長工作距離顯微鏡；4—噴油器；5—定容彈；6—高壓共軌；7—氙燈；8—油箱；9—濾清器；10—高壓油泵；11—位置傳感器；12—電機(jī)

表1?測試條件

Tab.1?Experimental conditions

在試驗(yàn)前，通過拍攝與噴油器中心在一個(gè)垂直面內(nèi)顯微刻度尺，根據(jù)MATLAB編寫的比例尺標(biāo)定程序，得到噴霧圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際長度為7.7μm．試驗(yàn)時(shí)，每兩幅圖像之間的時(shí)間間隔為12μs，圖像的像素點(diǎn)數(shù)為128×448，曝光時(shí)間為370ns，以減少高速射流產(chǎn)生的拖尾現(xiàn)象．

1.2?試驗(yàn)的可重復(fù)性

噴油系統(tǒng)是一個(gè)液壓系統(tǒng)，因此，電磁閥通電后，噴油器針閥的開啟過程有一定的隨機(jī)性，由此影響燃油的噴射過程，進(jìn)而影響噴霧參數(shù)的準(zhǔn)確性．為了減小噴油過程中噴霧圖像的隨機(jī)誤差，將噴油時(shí)刻固定在油軌中壓力波動(dòng)最小的平穩(wěn)階段．當(dāng)手動(dòng)觸發(fā)照相和噴油命令后，控制單元處于等待狀態(tài)，當(dāng)高壓油泵凸輪旋轉(zhuǎn)到指定位置時(shí)，NI PCI-6123同時(shí)發(fā)出拍攝和噴油觸發(fā)信號(hào)，拍攝信號(hào)直接發(fā)送給高速相機(jī)進(jìn)行拍攝工作，噴油信號(hào)發(fā)送給具有可調(diào)電流波形的NI-cRIO驅(qū)動(dòng)模塊迅速打開針閥來防止針閥的跳動(dòng)，提高了試驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性．

圖2給出了噴油后24μs、48μs 5個(gè)不同噴油過程的噴霧圖像．從圖中可以看到，同一時(shí)刻不同噴油過程的近場噴霧形態(tài)的一致性較高．在試驗(yàn)過程中，對每一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了5次重復(fù)拍攝，還發(fā)現(xiàn)每次試驗(yàn)的噴霧貫穿度、錐角以及噴霧面積隨噴射時(shí)間有相似的變化規(guī)律，且試驗(yàn)值的標(biāo)準(zhǔn)差均在2以內(nèi)，不同長徑比的試驗(yàn)同樣具有較好的重復(fù)性，此處不再贅述.

此外，本文進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)，取試驗(yàn)值的平均值進(jìn)行分析，并計(jì)算試驗(yàn)值的標(biāo)準(zhǔn)差，疊加到取平均值后的噴霧貫穿度等曲線上．

圖2 環(huán)境壓力為4.5MPa、噴油壓力為120MPa時(shí)的近場噴霧圖(L/D＝6)

1.3?圖像處理和參數(shù)定義

利用自編的MATLAB程序?qū)婌F圖像進(jìn)行處理．為了減少圖像噪聲的干擾，首先獲得沒有噴油時(shí)的圖像作為背景圖，因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中沒有對燃油和環(huán)境氣體加溫，因此背景圖與噴霧圖之間的對比較為明顯．然后利用噴霧圖減去背景圖的方法獲得噴霧主體．此后進(jìn)行噴霧邊緣的識(shí)別[17-18]，本文采用的二值化閾值是0.139．

在提取了圖像邊界后，再進(jìn)行噴霧錐角和貫穿度等參數(shù)的計(jì)算．分析時(shí)采用噴射時(shí)間(injection time)的計(jì)時(shí)方式，并將記錄到第1張燃油噴出圖像的前一張圖像的噴射時(shí)間定義為0μs．

本文研究的是近場噴霧，其在噴霧形態(tài)上與全場噴霧有所區(qū)別，尤其是噴油初期的噴霧錐角正處于快速發(fā)展階段．為了便于分析，對近場噴霧圖像進(jìn)行了定義．其中，液柱區(qū)是噴孔下方油束寬度近似等于噴孔直徑的線性區(qū)域，噴霧頭部是油束最前端的傘形部分，在噴霧頭部的后端有剝離下來的油絲和它破碎后形成的油滴群，如圖3所示．

圖3?近場噴霧參數(shù)定義

2?結(jié)果與討論

2.1?噴油壓力對噴霧近場特性的影響

圖4給出了環(huán)境壓力為4.5MPa，噴油壓力為80MPa、100MPa時(shí)一次噴油過程中噴油初始階段噴霧貫穿度的發(fā)展趨勢．由圖4可知，在噴油初始階段，噴霧貫穿度有一個(gè)加速發(fā)展過程．原因如下：一方面，在實(shí)際噴油過程中，針閥抬起使密封座面流通面積逐漸變大，進(jìn)而使得流出噴孔的燃油量不斷加大；另一方面，壓力室和噴孔內(nèi)有上一次噴油時(shí)殘留下來的燃油和倒吸氣泡，與來自針閥后的高壓燃油混合并推動(dòng)此部分靜止燃油加速噴出，加上倒吸氣泡的可壓縮性，被燃油包裹著的壓縮氣泡流出后迅速膨脹，進(jìn)一步加速了燃油的噴出和破碎，使初始階段的噴霧貫穿度較快增長．

圖5給出了環(huán)境壓力為4.5MPa，噴油壓力為80MPa、100MPa時(shí)一次噴油過程中噴油初始階段的近場噴霧圖像．可以發(fā)現(xiàn)，燃油噴出時(shí)，破碎區(qū)域集中出現(xiàn)在噴霧前端，形成了一個(gè)隨時(shí)間發(fā)展而不斷增大的噴霧頭部．其主要原因如下：燃油噴出后，前端燃油首先脫離噴孔并破碎，在環(huán)境阻力的作用下，前端燃油受沖擊產(chǎn)生彎曲，不斷卷吸周圍氣體并與其混合，同時(shí)破碎程度較大的燃油逐漸脫離主液柱，速度迅速降低．而動(dòng)能較大的油滴又會(huì)進(jìn)一步地破碎，形成滴徑更小的油滴．因此隨著噴射時(shí)間的增加，噴霧前端面積不斷增大，形成了明顯的傘狀頭部．此外，油束中心的燃油速度比周圍高，在與周圍氣體進(jìn)行動(dòng)量交換的過程中，油束周圍的燃油速度下降得更快，使得油束中心貫穿度更大．

對比不同噴油壓力下的噴霧圖像還可以發(fā)現(xiàn)，在相同的噴射時(shí)間下，高噴油壓力下的噴霧前端所占據(jù)的區(qū)域更大，而且懸浮的油滴區(qū)域也更大，這說明提高噴油壓力加速了燃油的破碎，細(xì)小的油滴數(shù)量也隨之增多．

在一個(gè)噴油過程中，當(dāng)平滑的液柱區(qū)在后一個(gè)時(shí)刻發(fā)生明顯的變形時(shí)，說明此時(shí)液柱區(qū)發(fā)生了破碎，如圖5中inj＝80MPa時(shí)的72μs和inj＝100MPa時(shí)的60μs噴霧圖．為了分析其破碎特點(diǎn)，圖6給出了環(huán)境壓力為4.5MPa，噴油壓力分別為80MPa、100MPa、120MPa和140MPa時(shí)液柱區(qū)開始出現(xiàn)破碎的第1張近場噴霧圖像．可以看出，隨著噴油壓力的提高，液柱區(qū)發(fā)生破碎的時(shí)刻不斷提前．噴油壓力分別為80MPa、100MPa、120MPa和140MPa時(shí)，液柱區(qū)出現(xiàn)破碎所對應(yīng)的時(shí)刻分別為80μs、60μs、48μs和36μs，并且破碎程度有增大的趨勢．

圖5 環(huán)境壓力為4.5MPa時(shí)不同噴油壓力下的近場噴霧圖像(L/D＝6)

為了分析引起液柱區(qū)破碎的主要原因，設(shè)噴孔內(nèi)的燃油為不可壓縮理想流體，并且不考慮燃油流動(dòng)過程中的高度變化差，根據(jù)伯努利方程可以計(jì)算出噴口出口處燃油的平均流速為

式中：為噴孔進(jìn)出口之間的壓力差；為燃油的?密度．

由于空化在噴口入口處初生，而噴孔內(nèi)留有上一次噴油殘余的燃油，此部分燃油不是空化流．因此根據(jù)噴孔長度可以計(jì)算出壓力室內(nèi)燃油流出噴孔所需的時(shí)間，即

由式(3)可得，當(dāng)噴油壓力為80MPa、環(huán)境壓力為4.5MPa時(shí)，≈2.25μs．噴油壓力越高，值越?。趯?shí)際噴油中，從噴油器接收噴油信號(hào)到針閥打開并開始噴出燃油存在一個(gè)響應(yīng)滯后，加上燃油從靜止到流出存在一個(gè)加速過程，所以實(shí)際燃油噴出的時(shí)間比由式(3)計(jì)算的時(shí)間長得多，而在噴孔內(nèi)形成空化區(qū)以及空化氣泡流出噴孔也存在時(shí)間延遲，所以空化燃油流出時(shí)間會(huì)更晚．因此，可以推斷，液柱區(qū)出現(xiàn)的破碎主要是由進(jìn)入液柱區(qū)的空化燃油在低壓環(huán)境下破碎所引起．

由于高噴油壓力提高了孔內(nèi)的燃油流速，所以液柱區(qū)出現(xiàn)破碎的時(shí)刻有一定程度的提前．此外，高噴油壓力在噴孔內(nèi)產(chǎn)生更強(qiáng)的湍流擾動(dòng)，又會(huì)改變噴孔內(nèi)的空化程度和運(yùn)動(dòng)軌跡，從而在一定程度上增強(qiáng)了液柱區(qū)的破碎程度．

圖6 環(huán)境壓力為4.5MPa時(shí)不同噴油壓力下液柱區(qū)開始出現(xiàn)破碎時(shí)的噴霧對比(L/D＝6)

圖7給出了環(huán)境壓力為4.5MPa，噴油壓力分別為80MPa、100MPa、120MPa和140MPa時(shí)噴油初始階段的噴霧錐角隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律．可見，當(dāng)噴油壓力為80MPa，噴射時(shí)間為0～60μs時(shí)，噴霧錐角接近0°，這是噴霧液柱區(qū)并未發(fā)生破碎所致；當(dāng)噴射時(shí)間為60～96μs時(shí)，噴霧錐角開始增大．在噴油壓力從80MPa提高至140MPa時(shí)，噴霧錐角基本遵循相同的規(guī)律，但燃油射流出現(xiàn)錐角變化的時(shí)刻逐步提前，并出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)．這是由于噴霧液柱區(qū)進(jìn)入破碎的時(shí)刻提前所致(如圖6所示)，而噴油過程中高壓油管中的壓力波動(dòng)和空化擾動(dòng)是噴霧錐角出現(xiàn)波動(dòng)的主要原因．王謙等[19]發(fā)現(xiàn)針閥的快速開啟改變射流的法向脈動(dòng)速度，也會(huì)使噴霧錐角呈波動(dòng)式發(fā)展．

圖7 不同噴油壓力下噴霧錐角隨噴射時(shí)間的變化趨勢(pa＝4.5MPa，L/D＝6)

圖8 噴油初始階段不同下噴霧前端速度隨噴射時(shí)間的變化趨勢(pa＝4.5MPa，L/D＝6)

2.2?環(huán)境壓力對噴霧近場特性的影響

噴油壓力為120MPa、環(huán)境壓力為4.5MPa時(shí)，噴霧液柱區(qū)在噴油后48μs時(shí)開始產(chǎn)生破碎(圖6)，因此在圖9中分析了噴油后48μs時(shí)環(huán)境壓力對噴霧液柱區(qū)破碎的影響．

圖9 噴油壓力為120MPa時(shí)不同環(huán)境壓力下液柱區(qū)開始出現(xiàn)破碎時(shí)的近場噴霧對比(L/D＝6，噴射時(shí)間為48ms)

從圖9中可以看出，噴射時(shí)間為48μs時(shí)，不同環(huán)境壓力下的噴霧液柱區(qū)均產(chǎn)生了破碎，這是噴孔內(nèi)的空化流流出孔外并在油束中破碎產(chǎn)生的結(jié)果．還發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境壓力的不斷增加，噴霧液柱區(qū)的破碎程度有所減?。渲饕蚴黔h(huán)境壓力的改變會(huì)影響空化的初生和發(fā)展速度[20]，也會(huì)影響空化氣泡在噴孔外的潰滅過程和膨脹波的傳播．從試驗(yàn)結(jié)果來看，環(huán)境壓力的提高抑制了孔內(nèi)空化的初生和發(fā)展，空化氣泡流出噴孔后的破碎力也隨之減小，從而使得噴霧液柱區(qū)的破碎時(shí)間有所推遲．可見，噴孔出口處的空化破碎對于初期燃油噴霧的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用．

此外，為了分析不同環(huán)境壓力對噴油初始階段近場噴霧發(fā)展的影響，利用自編的圖像識(shí)別程序，提取了不同噴油時(shí)刻下的噴霧面積分布情況，如圖10所示．可見，隨著環(huán)境壓力的增加，相同噴射時(shí)間下的噴霧面積有所減小．這是因?yàn)?，環(huán)境壓力的增加在一定程度上減小了理論燃油噴出速度，使得噴霧貫穿度減小，噴霧面積降低．另外，在較高的環(huán)境壓力下，油束與周圍氣體的卷吸作用增強(qiáng)，破碎程度有所增加，但燃油向徑向擴(kuò)散的能力下降．這兩個(gè)因素共同作用的結(jié)果使得噴霧所占據(jù)的面積隨著環(huán)境壓力的增加而降低．

圖10 噴油壓力為120MPa時(shí)不同環(huán)境壓力下噴霧面積隨噴射時(shí)間的變化趨勢

2.3?長徑比對噴霧近場特性的影響

圖11給出了不同噴油壓力條件下，液柱區(qū)開始發(fā)生破碎時(shí)的近場噴霧對比．可以發(fā)現(xiàn)，在不同噴油壓力下，減小長徑比可以使液柱區(qū)的破碎程度增加.這是因?yàn)樵趪娍字睆讲蛔兊臈l件下，減小長徑比，一方面減小了噴孔長度，在相同的噴油壓力下空化氣泡提前發(fā)展至孔外，使液柱區(qū)提前破碎；另一方面，噴孔長度減小后，更多的氣泡隨燃油流出并發(fā)生潰滅，這是空化程度增強(qiáng)的結(jié)果[21-22]，而且在相同噴射時(shí)間下，油束破碎程度更大，油束破碎區(qū)域也更加對稱．

在不同噴油壓力下噴霧的破碎都遵循上述規(guī)律，但由于初始動(dòng)能不同，導(dǎo)致高噴油壓力下的液柱區(qū)破碎時(shí)間更早．

圖12給出了環(huán)境壓力為4.5MPa，噴油壓力為120Pa，長徑比分別為5、6時(shí)噴霧貫穿度和近場噴霧錐角隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律．可以發(fā)現(xiàn)，在相同噴射時(shí)間下，隨著長徑比的減小，即噴孔長度減小，噴霧貫穿度增大．其主要原因是在相同的噴油壓力下，噴孔直徑不變時(shí)，長徑比小，則噴孔長度短，噴孔對燃油產(chǎn)生的阻力減小，來自高壓油腔的燃油產(chǎn)生的加速度更大，噴霧貫穿度增加更快．

圖11 不同邊界條件下液柱區(qū)開始發(fā)生破碎時(shí)的近場噴霧對比圖(pa＝4.5MPa)

圖12 不同長徑比下噴霧參數(shù)隨噴射時(shí)間的變化趨勢?(pa＝4.5MPa)

從圖12還可以看出，不同長徑比下的噴霧錐角在36μs后開始迅速增加，但具有小長徑比的噴霧錐角增加較快．這是因?yàn)?，噴霧液柱區(qū)的破碎使得近場噴霧錐角迅速進(jìn)入增加階段，而長徑比的減小導(dǎo)致噴霧液柱區(qū)的破碎時(shí)間提前，使近場噴霧錐角增加得?較快．

3?結(jié)?論

(1) 噴油初期，油束的破碎階段可分為頭部破碎和液柱區(qū)破碎階段，其破碎程度受噴油壓力和環(huán)境壓力影響較大．在相同噴射時(shí)間下，噴油壓力越高，頭部破碎區(qū)域越大，細(xì)小油滴量也隨之增多；噴霧液柱區(qū)中產(chǎn)生的破碎是導(dǎo)致近場噴霧錐角迅速增大的主要原因．在環(huán)境壓力為4.5MPa下，當(dāng)噴油壓力從80MPa增加至140MPa時(shí)，液柱區(qū)的破碎時(shí)間由72μs提前至36μs，而且破碎程度明顯增大，近場噴霧錐角整體增大且前移；當(dāng)噴油壓力為120MPa、環(huán)境壓力由2.5MPa增加至4.5MPa時(shí)，噴霧貫穿度和噴霧面積明顯減小，噴霧液柱區(qū)開始破碎的時(shí)間也有所推遲．

(3) 當(dāng)噴孔直徑不變時(shí)，減小噴孔長徑比，噴霧貫穿度增大，噴霧液柱區(qū)開始產(chǎn)生破碎的時(shí)間提前，近場噴霧錐角相對增大，破碎程度也隨之增大，油束破碎區(qū)域也更加對稱．

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Study on the Initial Formation Processes of Near-Field Diesel Spray

He Bangquan1，Zhang Gengjia1，Zhang Yan2

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. China North Engine Research Institute，Tianjin 300405，China)

To understand the initial formation processes of the near-field diesel spray，the characteristics of the near-field spray within 3.5mm below the hole exit of a single-hole diesel injector under different injection pressures，ambient pressures，and length-to-diameter ratios were experimentally investigated；this was carried out by combining a long-distance microscope and a high-speed digital camera. The results show that an acceleration process occurs during the spray development，and the breakup zones of the spray are composed of the spray head and the liquid column zones. The breakup first occurs in the spray head，then an increased umbrella-shaped head is formed，and stripped fuel filaments are also formed during injection. The larger the injection pressure is，the larger the area of fuel droplets distributed at the same injection timing. The breakup time of the liquid column area is later than that in the head. With the outflow of the cavitation area in the nozzle hole，the liquid column begins to break up，the width of the spray significantly increases，the columnar shape gradually disappears，and the near-field spray cone angle rapidly increases. At the ambient pressure of 4.5MPa，the time of the liquid column breakup is advanced from 72μs to 36μs when the injection pressure is increased from 80MPa to 140MPa. At the injection pressure of 120MPa，the time of the liquid column breakup is delayed，and the penetration and spray areas are significantly reduced when the ambient pressure is increased from 2.5MPa to 4.5MPa. Moreover，after fuel injection，the spray front speed increases sharply with the increase of the square root of the injection pressure differential. At a fixed diameter of the nozzle hole，the reduction of the nozzle hole length results in increased spray penetration，advanced breakup time of spray liquid columns，relatively increased spray cone angle，increased degree of spray breakup，and a more symmetrical distribution of fuel droplets relative to the center line of the spray.

diesel；spray；near field；breakup；length to diameter ratio

TK421

A

0493-2137(2021)05-0542-09

10.11784/tdxbz202003022

2020-03-13；

2020-04-29.

何邦全（1964—??），男，博士，副教授.

何邦全，bqhe@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51606175，51476151).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51606175，No.51476151).

(責(zé)任編輯：金順愛)