不同喷孔入口的柴油机喷嘴空化特性

徐 杰，张 力

(1.重庆工商职业学院智能制造与汽车学院，重庆 401520；2.四川大学电子信息学院，成都 610054)

众所周知，柴油机的喷雾特性与柴油燃烧及排放状况密切相关，因此对喷嘴内部柴油流动的研究与提高柴油机工作性能和实现稳定可控的燃烧直接相关[1].目前，对于柴油机的排放要求愈来愈高，其燃烧方面的相关技术也在逐步发展，为了使其拥有更好的性能并满足相应的法律法规，柴油机喷射装置就需要进行发展与改良.目前行业内对于喷嘴系统内部的两相流动方式非常重视，要求从根本上解决内部压力等问题[2].喷嘴内部空化现象往往以涡空化最为复杂，这一情况主要发生在漩涡流场的作用下，当涡心压力低并且压力为空化临界压力时，系统涡心处就会发生涡空化，且一般呈线状形态，被称为线空化[3-6].由于线空化复杂程度较高，因此对其研究较少.

研究表明[7]，增加喷孔的倾斜角度，会增大其产生空穴的几率.这是因为倾斜角度的增加会使得喷孔坡度变大，进入喷孔的流体在该位置的流动状态和转向过于剧烈，就很容易造成大规模低压区域，使空化现象较容易发生.张军等[8]通过对压力室喷嘴(SAC)和无压力室喷嘴(VCO)两种柴油机的多孔喷嘴进行研究，结果发现随着喷射压力的增加，空化效应发生的可能性也不断增大；而出口处的压力反而对空化有一定的抑制作用，减小出口处的压力有利于空化现象的产生.大量研究人员针对喷嘴的实际运用进行了广泛的分析.Schmidt等[9]采用多孔径的简化喷嘴(0.2～2.5mm)进行研究，首次在相应的透明喷嘴中发现了空穴现象，并得出了喷嘴内部的流体运动形态与喷嘴内部结构相关的结论，创造性地将喷嘴雾化现象和空化现象联系在了一起.此外，Chen等[10]的研究表明，线空化会对喷雾锥角造成重要的影响使内部燃烧和喷雾过程不稳定.大量的试验证明，针阀顶部的夹角会对空化现象产生影响较小的角度，而这种小角度会降低空化现象出现的概率.然而，目前还鲜有针对喷孔的入口处圆角结构对线空化现象的影响的研究.

本试验对喷孔入口处的圆角结构对空化现象的影响进行了深入的研究，为了排除其他因素对试验结果的干扰，试验对喷孔采用多种入口圆角结构的双孔min-SAC喷嘴，并按照比例放大，在喷射压力稳定和针阀升程固定的工况下进行试验研究.本研究结果对喷嘴内部线空化领域进行了补充，并为通过改进喷油器系统来提高柴油机性能提供了理论支撑.

1 试验设计及方法

在实际试验中，由于喷孔尺寸较小，导致喷孔内呈现多相流状态且流场复杂多变，这限制了对线空化现象的观察；并且由于喷射为瞬态过程，如果针阀不固定将会造成针阀升程不同而影响线空化现象的规律，增大其分析难度.由于喷嘴实际尺寸较小，观察和分析的难度较高，因此本试验对实际装置进行了相同倍数的放大，采用多种入口圆角结构的双孔 min-SAC喷嘴进行分析与研究.

鉴于实际试验需要满足真实性，为确保本试验系统在喷嘴内部流体流动状态与在真实的柴油机内流动类似，依据流动相似性原理，本试验中放大比例的喷嘴内部流动状态需要与真实喷嘴的几何、运动以及动力相似.鉴于实际试验对以上条件很难达到全部满足，为了使实验系统中喷嘴内部燃油的流动形态与实际一致，本实验在整体放大喷嘴几何尺寸的同时满足了试验状态与实际情况的雷诺数相似，从而使系统在喷射压力变化的情况下喷孔内燃油的流动状态与实际相似，保证试验系统能可视化观察到线空化现象的发生.

本试验由按照适当比例放大的喷嘴和可视化试验台组成，主要由供油部分、喷射部分和信息采集部分 3个部分构成.其中，喷油压力的稳定性主要通过氮气瓶与稳压油箱的结合系统来提供，燃油喷射压力由节流阀进行调节.

该实验装置中的喷射系统是按照实际喷油器尺寸进行整体放大，还原了原材料的基本组成和结构，其头部喷嘴是由透明材料的有机玻璃加工而成，通过法兰衔接固定在喷油器顶部.通过搭建可视化收集装置，对喷嘴内空化内流现象以及喷雾情况信息进行采集.透明喷嘴是通过3D打印技术和高精度机械加工技术相结合的工艺进行制作的，其结构示意图如图1所示.从图中可以看出，在喷嘴上存在两个对称的喷孔，不同结构的喷嘴具有不同的几何尺寸，其中，双孔锥度孔透明喷嘴的喷孔几何尺寸参数一致，左喷孔及右喷孔的入口长度和出口长度分别为2.1mm和2.0mm，喷孔长度为10mm，喷孔倾斜角为 75°，两个喷嘴的区别在于喷孔入射圆角不同，1号喷嘴为1.5mm，而2号喷嘴为0mm.此外，通过计算可以得出两个喷嘴的锥度系数均为+1.

图1 透明喷嘴结构示意Fig.1 Schematic of transparent nozzle

尽管试验过程在稳态下进行，但线空化现象是一个瞬态的过程.为了捕获完美的线空化现象，相机在图像采集部分的拍摄速度为 22000帧/s且照片间隔为 50μs.在连续喷射过程中随机抽取持续时间为0.6s的 6000张照片，利用MATLAB自编程序对其进行叠加求平均，从而获得喷孔内空化现象的形态分布特征图片，通过对比标准卡图的颜色对喷嘴空化程度和分布状态进行说明，由颜色的深浅对喷嘴内部空化出现的概率进行表征.

本试验中以 0#柴油为系统供油，其物性参数及试验条件如表1所示.

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

为了较为全面地分析柴油机喷嘴的线空化特征，本文对比了两种不同升程下喷嘴的线空化分布特征，并做出如下定义：α线空化为低针阀在上升过程中在针阀锥面处发生的空化现象；β线空化是高针阀在上升过程中在连接两个喷孔之间并发生在压力室中的空化现象.

2 结果分析

本试验通过设计的实验装置，在固定针阀升程且喷射压力全程稳定的工况下进行，研究了喷嘴的喷孔几何尺寸对喷孔内部线空化现象的影响.

2.1 喷孔入口结构对其线空化分布的影响

对比两种情形下线空化形态，通过其颜色深浅对其进行全方位的数据分析.

不同压差下，无论喷孔入口是否为圆角结构，在1.0mm针阀升程下均未出现明显的几何诱导空化现象.由表2可以看出，1号喷嘴在0.08MPa的喷射压力差条件下，其线空化的初始位置大多数发生在喷孔出口；紧接着提高压力差为 0.20MPa，可以看出整个喷孔均分布着线空化现象.由表 3中 2号喷嘴数据表可知，压力差为 0.05MPa下的线空化初始位置主要位于喷孔出口处，升高压差同样会使线空化形态布满整个喷孔.由此可以看出，α线空化发展过程中，喷孔入口存在的倒圆角会使在低喷射压差条件下的线空化的初始位置发生重要改变.这是因为喷孔入口设置的圆角结构会改变燃油进入喷孔的流动形态，减缓其高度落差，具有平缓其流动形态的作用；在喷射压差不变的前提下，圆角结构的存在会避免回流区并且使得喷孔入口处涡旋运动强度减弱.

表2 1.0 mm针阀升程下 1号喷嘴在不同压差下的线空化状态Tab.2 Linear cavitation of No.1 nozzle under 1.0 mm needle valve lift and different pressure differences

当针阀升程为 1.8mm 时，线空化现象很明显地发生在 2号喷嘴，而 1号喷嘴并没有出现这样的现象.由表 4可见，当 1号喷嘴内喷射压力差为0.08MPa时，线空化初始位置大多数位于喷孔出口的位置.升高其喷射压力差会使得线空化的出现位置连通两孔并贯穿压力室，基本覆盖整个喷嘴.但压力室内部的线空化分布程度要比喷孔内的线空化分布程度弱

表3 1.0 mm针阀升程下 2号喷嘴在不同压差下的线空化状态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号喷嘴的线空化分布特征变化实验中，当喷射压力差为0.24MPa时，线空化现象主要发生在压力室和喷孔入口这两个位置，分布程度不高且没有出现几何诱导空化的现象.继续升高喷射压力差至 0.50MPa，在喷孔入口偏向于几何诱导空化这个位置处的线空化分布程度明显要比0.24MPa时强.增大喷射压力差使得几何诱导空化及其区域对应的线空化不断地从下游出口一直发展到出口位置.由此可见，β线空化发展主要受几何诱导空化所影响，在β线空化喷孔内部具有较大的分布程度，但是压力室内的β线空化分布程度并不受几何诱导空化的影响.

表4 1.8 mm针阀升程下 1号喷嘴在不同压差下的线空化状态Tab.4 Linear cavitation of No.1 nozzle under 1.8 mm needle valve lift and different pressure differences

表5 1.8 mm针阀升程下 2号喷嘴在不同压差下的线空化状态Tab.5 Linear cavitation of No.2 nozzle under 1.8 mm needle valve lift and different pressure differences

2.2 圆角结构对线空化分布的影响

依据以上试验可知，采用圆角结构的喷孔一方面改变了燃油进入喷孔后的流动状态，另一方面降低几何诱导空化现象产生的几率，因此对线空化的发展历程产生了重要的影响.

表6是1.8mm针阀升程下几何诱导空化与线空化的相互作用.通过对比可以看出，在 0.5MPa喷射压力差下，不同圆角结构的喷孔喷嘴内的线空化形态分布并不相同：在几何诱导空化和线空化同时存在且没有设置倒圆角的喷嘴内部，几何诱导空化分布所在区域的线空化程度比其他位置更强，这是因为线空化现象在该位置分布程度更大；通过观察可以看出，几何诱导空化尾部会发生几何诱导空化现象和线空化现象相互吸引闭合的趋势，倘若线空化不存在会出现几何诱导空化尾部存在云状空化脱落的现象.

表6 1.8 mm针阀升程下几何诱导空化与线空化的相互作用Tab.6 Interaction between geometrically induced cavitation and linear cavitation under 1.8 mm needle valve lift

综上所述，造成柴油机闭合的现象主要是由于云状空化脱落泡被涡旋运动转移至旋涡中心聚集所致，在涡旋运动作用下使得燃油内气相聚集在中心区域，而几何诱导空化区域的气相分布量比其他区域更大，这也是在几何诱导空化分布区域中的线空化发展程度比其他区域更大的原因.

3 结 论

(1) 喷射压差与喷孔内部线空化程度呈现正相关关系.

(2) 喷孔入口结构形状直接影响喷孔内部线空化程度，不同针阀升程下的线空化现象在初始发展过程中的分布状态变化受到喷嘴入口圆角结构的影响，但α线空化形态和强度受其影响要强于β线空化.

(3) 在低针阀升程试验中，几何诱导空化并没有与发展程度大的α线空化同时存在；而在高针阀升程试验条件下的几何诱导空化不仅存在，同时会加快β线空化的发展.

(4) 几何诱导空化发生在涡旋运动的条件下，远离近壁区并且聚集在漩涡中心，从而加快了线空化的发展.

(5) 改变喷孔入口圆角结构可以减少高针阀升程下其壁面几何诱导空化及线空化的发生，而在低针阀升程下受其影响则非常微弱.