柴油机射流碎裂的影响因素

李艳霞，张鑫（长安大学，陕西 西安 710064）

柴油机射流碎裂的影响因素

李艳霞，张鑫
（长安大学，陕西 西安 710064）

液体射流雾化质量对改善内燃机缸内的燃烧过程非常重要，因此柴油喷雾射流碎裂影响因素的研究在内燃机领域中具有重要的使用价值和学术意义。液膜碎裂的影响因素除了自身的物理因素（如粘度、表面张力、雷诺数）外，还有一些其他因素，如液体射流的温度、射流速度和喷孔几何形状等，因此研究液体碎裂过程应全面考虑这些因素对它的影响。

雾化；射流碎裂；影响因素

CLC NO.:TK 421Docum ent Code:AArticle ID:1671-7988(2014)06-30-03

引言

在燃油喷射式的内燃机中，燃烧是最重要的一个环节，当燃料雾化的非常好的时候才能提高燃烧效率，进而使发动机的动力性和经济性得以改善，达到降低排放的指标；在非燃烧设备上，喷雾质量的优劣将会影响配套设备和相关产业的生产效率及其产品的质量和成本[1]。燃料的燃烧过程是当今学术界研究的主要课题之一，如果要从根本上提高发动机的动力性和经济性而且更有效地控制排放，只有通过有效地控制燃烧过程。燃烧技术的进步与喷雾技术的发展相关，两者相互促进，所以对喷雾进行深入的研究相当关键。雾化可以认为是在内、外力的作用下，液体的碎裂过程。研究液体的碎裂过程必须首先了解影响液膜碎裂的因素。

1、物理因素对液膜碎裂的影响

1.1 粘度对液膜碎裂的影响

粘性是最重要的液体性质。低粘度的液膜非常容易碎裂成液片，而高粘度液膜则更易碎裂成液线。低粘度液膜碎裂形成的小颗粒液滴多。虽然粘度对喷雾影响程度不如表面张力，但是它的影响不仅体现在雾化液滴的尺寸分布，而且还有液体在喷嘴内部的流动速率和雾化的模式。液体粘度的增加将使雷诺数Re减小，减缓湍流的发展，阻止喷雾圆射流或液膜射流的碎裂，使雾化液滴的尺寸增大。液体粘度降低将使雷诺数Re增大，加快湍流的发展，促进喷雾圆射流或液膜射流的碎裂，使雾化液滴的尺寸减小。

除此之外，液体粘性对喷嘴内部流动的影响是非常复杂的。对于粘度低的液体，粘度的增大会使流动速率增加，在这种情况下，喷嘴流通面积对流动速率的影响是很大的。不过，对于粘度高的液体，流动速率通常会随着液体粘度的增大而减小。液体粘度的增大会使压力旋转喷嘴的喷雾锥角变窄，当液体粘度很高时，锥形液束可能演变成一条长长的直线。对于燃油来讲，液体的粘性通常会影响雾化的质量，使之变差。

1.2 表面张力对液膜碎裂的影响

喷雾使连续的液体碎裂成为细小的液滴，液滴的稳定将取决于液体的表面张力，它阻止液滴表面的变形，雾化所需要的最小能量就等于表面张力乘以液体表面积的增加量。因此，无论喷雾发生在何种条件下，表面张力都是雾化过程中十分重要的液体物理性质。

1.3 雷诺数对液膜碎裂的影响

Ohnesorge[2]提出了圆柱液体碎裂与雷诺数Re有关的三种模式：当低雷诺数低时，圆柱液体碎裂成几乎同样大小的球形液滴。这种模式被称为圆柱液体碎裂的瑞利模式。中雷诺数下，圆柱液体的振动随空气阻力的增大而增大，直到振动使圆柱液体完全碎裂，这种模式成为圆柱液体碎裂的断续模式。当雷诺数高时，圆柱液体在喷嘴出口附近碎裂，雾化成大量的细小液滴，这种模式称为雾化模式

1.4 密度对液膜碎裂的影响

压力喷嘴的质量流动率将随着液体密度的变化而改变，但是如果没有液体其他的物理性质和外部环境的影响，它的密度将很难改变。由于液体的可压缩性极小，密度变化不大，所以在大多数情况下液体密度本身对雾化的影响很小。由于气体的可压缩性较大，所以气液密度比对雾化过程的影响就不能忽略了。

2、外界因素对液膜碎裂的影响

2.1 温度对液膜碎裂的影响[3]

温度越高，燃油的表面张力和粘性下降，We主要受射流液体的表面张力和射流速度的影响，雷诺数主要受射流液体的粘度和射流速度的影响。在非加热条件下的射流碎裂机理中，不考虑液体表面张力和粘度的变化。而在加热条件下，射流液体表面张力和粘度的变化就不能忽视了。因此当温度升高时，燃油的表面粘力和粘性下降，因此韦伯数We减少和雷诺数Re增大，导致喷雾射流扰动波的增长。环境介质温度增高，喷雾射流表面温度就增高，扰动波的增长率就增大，喷雾就越容易破碎和雾化。

2.2 速度对液膜碎裂的影响

液体的速度增高，周围气体对液体的扰动作用越大，碎裂长度和碎裂时间越短，液体的细小颗粒会越多。液体的碎裂长度和时间与液体的速度密切相关。随着喷射速度的增大，当液体处于层流状态时，液体的碎裂长度随喷射速度的增大而呈直线增大；当液体处于湍流状态和雾化状态时，液体的碎裂长度极小，而且随着速度的增加，碎裂长度会越来越小。

2.3 喷嘴几何形状对液膜碎裂的影响

在研究圆射流时，采用喷口的长径比来定义不同喷嘴的几何形状。在水射流进入常压空气的实验中，发现湍流速度在50m/s以下时，碎裂长度在20-60mm的范围内随流速的增大而增大，而在50-200m/s的流速下，碎裂长度则随流速的增加而减小。当喷口的长径比从4增大到20时，碎裂长度逐渐减小；而当长径比从20增大到50时，碎裂长度又逐渐增大。

3、总结

本文主要对影响液膜碎裂物理和其他环境因素进行了阐述。这些因素对喷雾的研究至关重要，要想研究喷雾碎裂机理，首先必须了解这些因素是如何影响液膜碎裂的。本篇论文为喷雾的研究提供了一些理论基础。

[1] 程前.柴油机与LPG/柴油双燃料混合喷射发动机的特性对比研究[D]. 西安, 长安大学硕士学位论文, 2003. 4.

[2] Ohnesorge W. Formation of drops by nozzles and the breakup of liquid jets. Z. Angew. Math. Mech.1936, 16:355-358.

[3] 丁宁，杜清，等加热条件下液膜射流破碎尺度影响因素研究.内燃机学报.2003,1:53-56.

[4] 马志义.喷雾中液滴破裂机理的研究.车用发动机，1997，（4）：11-14.

Loca lMotors公布3D打印设计赛获奖车型

LocalMotors print design contest w inners announced 3D models

Local Motors公司宣布了发起“3D打印汽车设计挑战赛”的通知，此次活动获奖的汽车设计将被打印，并在“IM TS制造”展上展示，“IMTS制造”- 2014年芝加哥国际制造技术展览会，将在2014年9月8日至13日在伊利诺伊州举行。

为其六个星期的挑战赛从4月13日开始，超过1万美元的奖金将颁发给各种项目的获奖者，获奖项目奖在5月30公布。

2014年1 月，Local Motors和美国能源部的橡树岭国家实验室（ORNL ）签署了一项新的伙伴关系，双方共同开发并交付世界上第一个可生产的3D打印的汽车。

Local Motors将用橡树岭国家实验室开发的増/减材混合制造机器，打印全尺寸全功能电动汽车。

本次3D打印汽车设计挑战赛就是寻求在方法上的创新，而这种创新把增材制造与减材制造有机地组合，用在汽车的设计和开发上面。

Factors engine jet fragmentation

Li Yanxia, Zhang Xin
（Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064）

The of quality Liquid jet atomization is very important for improving the combustion process in the cylinder of combustion engine, so the research of influence factor of the diesel spray jet has important value and academic significance in the field of combustion engine .The influence factors of the breakup of the liquid are not only contain their own physical factors (such as viscosity, surface tension, Reynolds number), but also contain some other factors, such as the temperature of the liquid jet, jet velocity and geometry of the nozzle and so on, so The research of the process liquid breakup should fully consider the impact of these factors on it.

Atom ization；liquid breakup；The in fluence factor

TK421

A

1671-7988(2014)06-30-03

李艳霞，硕士研究生，就读于长安大学。