郭立新，施東曉，李康寧

(中國一汽無錫油泵油嘴研究所，江蘇 無錫 214063)

柴油機(jī)噴油嘴噴霧作為燃燒的邊界條件之一，對燃燒和排放有著重要影響，也直接影響著柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性[1-3]。近年的研究表明[4]，柴油機(jī)噴油嘴噴霧霧化除受空氣動力作用影響外，更受到噴油嘴噴孔內(nèi)空穴流動的影響， 因此研究噴油嘴噴孔內(nèi)空穴流動有其重要性和必要性?？梢暬椒ㄊ茄芯繃娪妥靽娍變?nèi)部空穴流動的有效方法，但是由于噴油嘴噴孔尺寸非常小，加工真實(shí)尺寸的透明噴油嘴難度非常大，同時因透明材料強(qiáng)度低，試驗(yàn)噴射壓力將無法達(dá)到實(shí)際噴油壓力。根據(jù)流體力學(xué)相似理論設(shè)計(jì)出來的比例放大噴油嘴，可以在反映噴油嘴細(xì)微結(jié)構(gòu)的同時比擬出工作噴射壓力，已經(jīng)成為噴油嘴可視化研究非常有效的手段[5-7]。

本研究通過搭建的透明噴油嘴空穴流動可視化試驗(yàn)臺，采用高速數(shù)碼相機(jī)，獲得了不同結(jié)構(gòu)噴油嘴內(nèi)部空穴流動情況。詳細(xì)分析了膜狀空穴和線空穴產(chǎn)生、發(fā)展過程及對噴霧的影響，為噴油嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 可視化試驗(yàn)臺

為了能直接觀察噴油嘴內(nèi)部的空穴現(xiàn)象，并得到清晰的噴油嘴空穴流動發(fā)展圖像，簡化了噴油嘴外形結(jié)構(gòu)，噴油嘴內(nèi)部按照實(shí)際結(jié)構(gòu)加工。常用的可視化試驗(yàn)研究方法較多，有陰影法、紋影法、干涉法等，本研究采用的成像方法是陰影法，獲得被攝對象受光線照射后形成的投影照片。當(dāng)平行光線通過的噴油嘴中有空穴時，光線遇到空穴區(qū)域發(fā)生折射，相關(guān)光線無法達(dá)到相機(jī)鏡頭，接收屏上該區(qū)域便會形成暗區(qū)，即所謂的“陰影”，而偏折光線達(dá)到的位置便形成亮區(qū)。搭建的透明噴油嘴空穴流動可視化試驗(yàn)臺由透明噴油嘴、燃油供給系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)等組成，原理示意見圖1[8]。通過使用高速數(shù)碼攝像機(jī)(Motion ProTM10000)及LED 高強(qiáng)度光源，對噴孔內(nèi)部流動進(jìn)行圖像采集，通過流量計(jì)直接獲得體積流量數(shù)據(jù)。渦輪式流量計(jì)的型號為LWGB-6ZX-B，精度等級為1級，壓力表為普通波登管壓力表。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃油噴射，穩(wěn)壓油箱采用氮?dú)饧訅簛硖峁﹪娚渌鑹毫?，循環(huán)供油泵則把燃油泵回供油瓶中從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定噴射。

圖1 噴油嘴空穴流動可視化試驗(yàn)臺原理示意

圖2示出試驗(yàn)用噴油嘴的結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物。噴油嘴由放大10倍的透明針閥體下段、針閥、針閥體上段組成。該試驗(yàn)臺噴油嘴頭部采用樹脂材料做成透明結(jié)構(gòu)，以便于對內(nèi)部流動進(jìn)行可視化研究，噴油嘴具有兩個噴孔，分別定義為1號噴孔和2號噴孔。

圖2 噴油嘴總成簡圖及實(shí)物圖

本研究設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)噴油嘴，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，其中噴孔夾角為噴孔軸線與噴油嘴軸線之間的夾角。噴油嘴A的1號噴孔和2號噴孔具有相同的結(jié)構(gòu)，噴油嘴B兩個噴孔具有不同的k系數(shù)，1號噴孔的k系數(shù)為4.0，2號噴孔的k系數(shù)為2.0。試驗(yàn)中噴射壓力為0.15～1.70 MPa，背壓為0.1 MPa，燃油使用0號柴油，環(huán)境溫度為20 ℃，高速相機(jī)拍攝速度為20 000 f/s。

k系數(shù)定義如下:

(1)

式中：d2為噴孔入口直徑；d1為噴孔出口直徑。

表1 透明噴油嘴主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 噴油嘴內(nèi)空穴

由圖3可見，噴射壓力0.35 MPa、針閥升程1.5 mm時噴油嘴A的2號噴孔入口處已經(jīng)有空穴發(fā)生(噴孔中陰影部分為空穴，壓力室中黑色陰影不是空穴導(dǎo)致光線折射造成)，此時發(fā)生的空穴依附在噴孔壁面上，呈現(xiàn)出膜狀，是典型的膜狀空穴[9]。在高速流動的噴孔入口處，由于拐角的存在，產(chǎn)生局部流動分離及孔口收縮，引起橫截面面積的減小，流速會大大增加，根據(jù)伯努利方程可知這會引起壓力降低。當(dāng)局部壓力降至低于飽和蒸氣壓時，液體發(fā)生汽化而形成許多的小氣泡。小氣泡可長大或互相聚合成為較大的氣泡，在局部區(qū)域形成氣液兩相流，空穴依附在噴孔壁面并向下延伸發(fā)展，形成膜狀空穴。

圖3 噴射壓力0.35 MPa、針閥升程1.5 mm時噴油嘴A膜狀空穴流動

從圖3還可以看到噴孔內(nèi)膜狀空穴是不穩(wěn)定的，拍攝時間在0～0.4 ms時膜狀空穴區(qū)域邊緣形狀不斷發(fā)生變化，呈現(xiàn)快速抖動的狀態(tài)，而膜狀空穴的核心區(qū)空穴很穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谀羁昭ê诵膮^(qū)壓力低于飽和蒸氣壓，為空穴發(fā)生區(qū)。而膜狀空穴區(qū)邊緣燃油壓力高于飽和蒸氣壓，膜狀空穴核心區(qū)產(chǎn)生的大小氣泡進(jìn)入高壓區(qū)后將會破碎，氣泡破碎將產(chǎn)生局部高溫高壓，對局部燃油流動產(chǎn)生影響，必將使膜狀空穴區(qū)邊緣形狀發(fā)生變化。另一方面，噴孔內(nèi)燃油流動不穩(wěn)定(噴孔入口有不穩(wěn)定渦流)導(dǎo)致局部燃油流速波動，空穴區(qū)產(chǎn)生的氣泡主要是被流動燃油帶到下游高壓區(qū)的，流動波動會導(dǎo)致氣泡帶入高壓區(qū)距離不同，即氣泡破碎位置(即空穴區(qū)邊緣)發(fā)生變化。綜上所述，膜狀空穴區(qū)域邊緣形狀不斷發(fā)生變化，呈現(xiàn)快速的抖動。

噴油嘴內(nèi)往往會有線空穴(String Cavitation)[9]出現(xiàn)，線空穴的發(fā)生是因?yàn)榱黧w流動中廣泛存在渦流結(jié)構(gòu)，從剪切流中隨機(jī)渦流渦到葉梢渦，這些都可能在渦心低壓處發(fā)生渦空穴，彼此連接形成線空穴。

由圖4噴油嘴B在噴射壓力1.0 MPa、針閥升程0.50 mm下空穴流動可見，線空穴既發(fā)生在噴孔內(nèi)，也發(fā)生在壓力室內(nèi)，且壓力室和噴孔內(nèi)線空穴構(gòu)成了連續(xù)的軌跡線，即使中間中斷，相應(yīng)的延長線也可連接在一起。這是因局部渦核出現(xiàn)低壓導(dǎo)致空穴發(fā)生，渦流及渦心空穴同時也被流動的燃油從壓力室?guī)雵娍變?nèi)，不斷地從上游流到下游，同時原位置渦流和空穴仍存在，連續(xù)的空穴在軌跡線上組成了線空穴。例如噴射壓力0.60 MPa，升程0.5 mm下0 ms時線空穴開始在A點(diǎn)出現(xiàn)，0.05 ms后從A點(diǎn)發(fā)展到了B點(diǎn)。渦流在產(chǎn)生后，從上游向下游流動中如強(qiáng)度減弱，渦心空穴會因進(jìn)入高壓區(qū)而破裂，線空穴消失，如圖4中1.0 MPa，升程0.50 mm下0.20 ms時所示。當(dāng)渦強(qiáng)度在流動過程中得以保持或者加強(qiáng)，線空穴將繼續(xù)向下游發(fā)展，甚至發(fā)展到噴孔出口。渦流強(qiáng)度在流動中發(fā)生波動將導(dǎo)致線空穴出現(xiàn)斷續(xù)發(fā)展的現(xiàn)象，如圖4中0.60 MPa，升程0.50 mm下0.60 ms時所示。因壓力室中燃油流動的不穩(wěn)定性，當(dāng)線空穴起點(diǎn)渦流的強(qiáng)度不足以產(chǎn)生空穴時，起點(diǎn)空穴將消失(如圖4中0.60 MPa，升程0.50 mm下1.25 ms時A點(diǎn))，隨后下游線空穴也陸續(xù)消失，可見線空穴的產(chǎn)生和發(fā)展都是不穩(wěn)定的。同時線空穴還會出現(xiàn)螺旋旋轉(zhuǎn)及分裂現(xiàn)象(見圖4c)。當(dāng)線空穴發(fā)展到噴孔入口上部的低壓區(qū)時，會出現(xiàn)由線空穴誘發(fā)的壁面膜狀空穴的現(xiàn)象。因不同噴孔流動狀態(tài)的差異，圖4中噴油嘴B兩個噴孔中線空穴的發(fā)生發(fā)展具有明顯的差異。

圖4 噴油嘴B空穴流動

2.2 噴射壓力的影響

由圖5可見，當(dāng)噴射壓力小于0.28 MPa時，噴孔內(nèi)沒有膜狀空穴出現(xiàn)，噴孔內(nèi)為連續(xù)的純?nèi)加土鲃?。隨著噴射壓力提高，噴孔內(nèi)燃油流速不斷增加，噴孔入口處局部壓力不斷降低。當(dāng)噴射壓力為0.28 MPa時，在噴孔入口的上部和兩側(cè)開始有少量的膜狀空穴出現(xiàn)，但是空穴強(qiáng)度很小，擴(kuò)展的范圍很小。由CFD計(jì)算結(jié)果可見(見圖6)，在噴孔上部和兩側(cè)燃油壓力降低得最多，將首先出現(xiàn)膜狀空穴，而噴孔底部壓力降低幅度較小，沒有出現(xiàn)空穴。且在噴射壓力0.28 MPa時，噴孔入口處的空穴區(qū)域很小，空穴從低壓區(qū)域被流動的燃油帶入下游的高壓區(qū)后，空穴將很快消失破碎，因此擴(kuò)展的范圍很小。此后，噴射壓力提高到0.32 MPa后，不但噴孔上部和兩側(cè)的空穴強(qiáng)度、范圍增大，而且噴孔入口底部也開始出現(xiàn)空穴。噴射壓力提高后，噴孔上部空穴延伸和擴(kuò)展程度大于兩側(cè)，底部空穴出現(xiàn)晚于噴孔兩側(cè)，但延伸和擴(kuò)展要比兩側(cè)快。噴射壓力達(dá)到0.40 MPa時，噴孔上部的空穴到達(dá)了噴孔出口，形成所謂超空化或全空化流態(tài)。這是因噴孔入口處上部低壓區(qū)大于噴孔兩側(cè)及底部，因此噴孔上部的空穴將更容易到達(dá)噴孔出口，如圖6中CFD計(jì)算結(jié)果所示。發(fā)生超空化以后，噴射壓力進(jìn)一步增加，噴孔內(nèi)空穴強(qiáng)度和范圍略有增加，當(dāng)噴射壓力為0.50 MPa以后，進(jìn)一步提高噴射壓力，空穴強(qiáng)度和范圍變化不大。

圖5 升程3.5 mm，不同噴射壓力下噴油嘴A空穴流動

圖6 升程3.5 mm時噴油嘴A空穴流動CFD計(jì)算結(jié)果

由圖7可見，隨著升程增大，噴油嘴A發(fā)生膜狀空穴時的噴射壓力有所減小。在相同噴射壓力下，針閥升程3.50 mm時空穴強(qiáng)度和范圍大于1.50 mm和0.50 mm時。在噴射壓力為0.40 MPa時，只有升程為3.50 mm時發(fā)生了超空化流態(tài)。

圖7 不同升程下噴油嘴A空穴流動

由圖8噴油嘴B不同升程下空穴流動可見，升程0.50 mm下噴射壓力小于0.60 MPa時，因壓力室和噴孔內(nèi)燃油流動速度較低，形成的渦流強(qiáng)度較小，不足以產(chǎn)生空穴，沒有線空穴發(fā)生。當(dāng)噴射壓力高于0.6 MPa時，出現(xiàn)線空穴，但強(qiáng)度較弱，在噴孔內(nèi)延伸的距離很短，無法到達(dá)噴孔出口。當(dāng)噴射壓力進(jìn)一步提高以后，在噴孔中延伸距離增加，且會向壓力室內(nèi)延伸。這是因?yàn)橐环矫鎵毫κ抑袊娚鋲毫μ岣呖梢允箿u流強(qiáng)度增加，另一方面噴射壓力提高使流速提高，渦流能向下游傳播得更遠(yuǎn)。當(dāng)壓力達(dá)到0.70 MPa后，噴孔和壓力室中的線空穴將連通在一起，貫穿壓力室。噴射壓力大于0.8 MPa后，針閥0.50 mm升程時，壓力進(jìn)一步提高，線空穴在噴孔中延伸距離的變化不大。針閥升程為3.5 mm時，噴射壓力0.2 MPa開始有線空穴出現(xiàn)，要早于升程0.5 mm時。相同的噴射壓力下，升程3.5 mm時線空穴延伸長度要大于升程0.5 mm。升程3.5 mm時，噴射壓力大于0.25 MPa以后，噴孔和壓力室中線空穴不但連通在一起，且延伸到了噴孔出口，要早于升程0.50 mm時。

圖8 不同升程下噴油嘴B空穴流動

2.3 空穴對噴霧的影響

圖9示出針閥升程3.50 mm時膜狀空穴對噴霧的影響。當(dāng)噴射壓力較低時，噴孔內(nèi)為純?nèi)加土鲃訝顟B(tài)，噴孔出口燃油破碎主要為燃油對空氣的卷吸造成的，噴孔出口上部和底部速度相差很小，噴霧形狀相對噴孔軸線近似為對稱狀。當(dāng)噴射力大于0.28 MPa后，噴孔內(nèi)開始出現(xiàn)空穴(見圖5)，空穴強(qiáng)度較小時沒有延伸到噴孔出口，噴霧仍然以燃油對空氣的卷吸為主。但因空穴對噴孔內(nèi)上部的燃油流動產(chǎn)生了擾動，導(dǎo)致燃油流動偏向噴孔出口上部，噴孔出口近似對稱的流動狀態(tài)被打破，噴霧略偏向噴孔出口上部。當(dāng)噴射壓力大于0.40 MPa，空穴將延伸到出口，空穴將成為初次霧化的主要誘因之一，空穴潰滅時不僅產(chǎn)生強(qiáng)的射流表面擾動，造成液體霧化，而且也卷吸了一部分空氣進(jìn)入液核促進(jìn)油氣混合。此時空穴對噴霧破碎的影響甚至要大于流場中氣動破碎的影響，隨著噴射壓力的提高，噴霧錐角α(噴孔出口上部和下部噴霧邊緣的夾角，定義見圖9)迅速增加(見圖9和圖10)。噴霧油束下側(cè)表面則相對光滑，基本沒有擾動，噴霧形狀上部外邊緣和噴孔軸線夾角大于下部，噴霧呈現(xiàn)明顯的非對稱性。當(dāng)噴射壓力提高到0.7MPa以后，噴油嘴出口下游周邊空氣倒吸入噴孔內(nèi)，這部分空氣與空泡區(qū)相匯合，空化迅速消失，噴霧錐角明顯減小?？栈Ш笕《氖且粚痈街诠鼙谏线吘壍目諝?，即出現(xiàn)了水力柱塞流現(xiàn)象。水力柱塞流現(xiàn)象與超空化現(xiàn)象的主要區(qū)別就在于噴霧錐角的顯著減小(見圖9和圖10)。

圖9 針閥升程為3.50 mm時噴油嘴A膜狀空穴對噴霧的影響

圖10 升程為3.50 mm時噴油嘴B的1號噴孔線空穴對噴霧的影響

由圖10可見，線空穴對噴霧的影響和膜狀空穴不同，線空穴產(chǎn)生于高強(qiáng)度渦流，不容易出現(xiàn)依附噴孔壁面延伸發(fā)展的情況，即使發(fā)生在噴孔的上部、下部也不會偏離噴孔軸線較遠(yuǎn)。線空穴本身流動的同時還進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在噴孔出口發(fā)生破碎時，對噴霧的對稱度影響相對較小，因此線空穴發(fā)生時噴霧對稱度要好于膜狀空穴。隨著噴射壓力提高，線空穴的強(qiáng)度將增加，對噴霧的影響程度也增加，噴霧錐角增大(見圖11和圖12)。

圖11 膜狀空穴對噴霧錐角的影響

圖12 線空穴對噴霧錐角的影響

3 結(jié)論

a) 在噴油嘴內(nèi)有膜狀和線型兩種類型空穴發(fā)生，兩種空穴流動往往都是不穩(wěn)定的，但不穩(wěn)定性表現(xiàn)不同;膜狀空穴外圍邊緣形狀隨著時間會不斷發(fā)生變化，呈現(xiàn)快速抖動狀態(tài);線空穴的產(chǎn)生和發(fā)展都是不穩(wěn)定的，同時線空穴會出現(xiàn)螺旋旋轉(zhuǎn)及分裂現(xiàn)象;

b) 隨著噴射壓力提高,噴孔入口上部和兩側(cè)將首先出現(xiàn)膜狀空穴，隨后噴孔底部才出現(xiàn)，噴孔上部的空穴發(fā)展更快，易延伸到出口，形成所謂超空化；發(fā)生超空化以后，噴射壓力進(jìn)一步增加，空穴強(qiáng)度和范圍將變化不大;

c) 線空穴發(fā)生需要足夠的渦流強(qiáng)度，渦核低壓導(dǎo)致空穴發(fā)生，渦流及空穴被流動的燃油從壓力室?guī)雵娍變?nèi)，同時原位置渦流和空穴仍存在，連續(xù)的空穴在軌跡線上組成了線空穴；線空穴出現(xiàn)后，隨著噴射壓力和針閥升程增加，線空穴延伸的長度會增加；

d) 膜狀空穴和線空穴都會使噴孔出口噴霧錐角增加，線空穴發(fā)生時噴霧對稱度要好于膜狀空穴，出現(xiàn)水力柱塞流現(xiàn)象會導(dǎo)致噴霧錐角明顯減小。