多次噴射下壓力波動(dòng)對(duì)噴嘴內(nèi)流及近場(chǎng)噴霧影響試驗(yàn)研究*

魏云鵬，范立云，張瀚文，禮 博，顧遠(yuǎn)琪，冷先銀

（1.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.江蘇大學(xué)能源研究院，鎮(zhèn)江 212013）

前言

為滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和低碳化的發(fā)展需求，共軌系統(tǒng)往往采用高的噴射壓力和靈活可控的多次噴射策略，以保證燃油的高壓供給和精準(zhǔn)控制，從而滿(mǎn)足燃燒和排放需求［1］。而高壓共軌系統(tǒng)作為非線(xiàn)性復(fù)雜系統(tǒng)，工作過(guò)程中伴隨著機(jī)械運(yùn)動(dòng)、壓力波動(dòng)和針閥瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)，成為了多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)［2］。其中高壓燃油壓力和流量變化傳遞是連接整個(gè)系統(tǒng)的媒介，其波動(dòng)特性直接影響了系統(tǒng)的噴嘴內(nèi)流動(dòng)特性和噴射穩(wěn)定性［3-5］。為了分析這一影響，當(dāng)前的研究者們深入研究了空化形式、空化形成機(jī)理、燃油壓力和噴射策略對(duì)噴嘴內(nèi)流及近場(chǎng)噴霧的影響。

噴射過(guò)程中，針閥抬起和關(guān)閉會(huì)改變噴嘴處流道結(jié)構(gòu)，也會(huì)形成不同空化流動(dòng)。Jia和仇滔等［6-7］研究發(fā)現(xiàn)：噴嘴內(nèi)空化發(fā)展過(guò)程包括無(wú)空化期、局部空化發(fā)展期和超空化期。何志霞等［8-9］研究發(fā)現(xiàn)：針閥瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，閥座區(qū)域發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，在進(jìn)氣孔處觀察到自由空化現(xiàn)象，并形成不同的空化形式。郭根苗等［10］觀察到兩種類(lèi)型的“線(xiàn)空化”現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)“線(xiàn)空化”現(xiàn)象的發(fā)生與噴射針閥的位置、噴射壓力、壓力室的形狀有密切關(guān)系。Chen 等［11］對(duì)比分析了圓柱形孔噴嘴和錐形孔噴嘴中瞬態(tài)空化流動(dòng)及噴霧特性，發(fā)現(xiàn)對(duì)噴霧錐角的增大有較大貢獻(xiàn)的是線(xiàn)空化而不是幾何空化。針對(duì)空化形成機(jī)理研究，Cheng和Guan 等［12-13］利用渦量輸運(yùn)方程分析了空化對(duì)渦旋的影響，發(fā)現(xiàn)拉伸項(xiàng)主導(dǎo)了渦量的演化過(guò)程，渦旋伸展項(xiàng)是線(xiàn)空化形成和發(fā)展的主要因素。

同時(shí)空化及渦流的產(chǎn)生不可避免地引起噴嘴入口處的壓力波動(dòng)，但當(dāng)前研究主要集中于噴射壓力及背壓的影響。仇滔和Prasetya 等［14-15］分析了不同噴射壓力、背壓對(duì)噴嘴內(nèi)空化流動(dòng)的影響。Desantes等［16］研究發(fā)現(xiàn)：空化氣泡形成的射流會(huì)隨著壓降條件的增強(qiáng)而增強(qiáng)。Wang 等［17］發(fā)現(xiàn)噴嘴孔內(nèi)氣穴含量和液體質(zhì)量流量分別與噴嘴入口壓力變化率和壓力變化水平密切相關(guān)。Kim 等［18］發(fā)現(xiàn)由于壓力波引起的壓降導(dǎo)致孔口喉部的流體分離和孔口出口上方出現(xiàn)渦流。Cao 等［19］探討了壓力脈動(dòng)和氣穴現(xiàn)象之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)線(xiàn)空化發(fā)生時(shí)峰值壓力高于幾何空化發(fā)生時(shí)峰值壓力。

由此可知，噴嘴內(nèi)壓力波動(dòng)及空化渦旋現(xiàn)象顯著影響了噴霧的形成過(guò)程。特別是，多次噴射策略下，考慮到針閥瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)和噴射間壓力波動(dòng)的影響，導(dǎo)致其流動(dòng)及噴霧特性更為復(fù)雜。對(duì)此，Manin 和Sykes 等［20-21］研究發(fā)現(xiàn)：多次噴射下每次噴射結(jié)束期間，針閥會(huì)限制燃料的內(nèi)部流動(dòng)，從而降低出現(xiàn)噴霧的慣性。Liu 等［22］研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用分流噴射策略時(shí)，由于流量的穩(wěn)定轉(zhuǎn)變和節(jié)流效應(yīng)，空化效果明顯提高。Wang等［23］發(fā)現(xiàn)多次噴射下，噴嘴內(nèi)初始條件和噴射壓力會(huì)通過(guò)影響燃料與氣泡相互作用的強(qiáng)度，影響噴霧尖端的形態(tài)和破碎過(guò)程。通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，多次噴射過(guò)程中，存在壓力波動(dòng)和針閥瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)等多因素的耦合作用，影響了多次噴射間的穩(wěn)定性，增加了精準(zhǔn)控制的難度。而當(dāng)前針對(duì)壓力波動(dòng)和空化形成間關(guān)系研究尚不清晰，導(dǎo)致噴射過(guò)程近場(chǎng)噴霧的影響機(jī)理不清。

對(duì)此，本文采用真實(shí)尺寸可視化錐形噴嘴進(jìn)行噴射試驗(yàn)，利用高速攝影技術(shù)，獲得壓力室及噴孔內(nèi)線(xiàn)空化以及近場(chǎng)噴霧特性。同時(shí)采用高壓傳感器測(cè)量得到噴嘴入口壓力波動(dòng)數(shù)據(jù)。從時(shí)域角度分析不同共軌壓力下，壓力波動(dòng)與空化流動(dòng)特性間因果關(guān)系，以及對(duì)近場(chǎng)噴霧的影響，為基于壓力波動(dòng)高低頻識(shí)別的高壓噴嘴內(nèi)部燃油流動(dòng)和空化特性預(yù)測(cè)方法提供理論支撐。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文在高壓共軌噴油試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行噴嘴可視化試驗(yàn)改進(jìn)，使其同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓力波動(dòng)測(cè)量和噴嘴內(nèi)流及近場(chǎng)噴霧可視化測(cè)試。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示［10-11］，主要包括供給系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)。供給系統(tǒng)主要由油箱、輸油泵、濾清器、雙柱塞高壓油泵、共軌管、高壓油管和電磁閥控制式噴油器等液壓模塊組成?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)控制油泵入口處的燃油計(jì)量閥開(kāi)度，控制高壓油泵供油量，從而進(jìn)行軌壓穩(wěn)定調(diào)控。通過(guò)控制電控噴油器的電磁閥開(kāi)閉，控制控制腔內(nèi)泄壓和建壓過(guò)程，進(jìn)而調(diào)控噴油器噴油過(guò)程。本文的試驗(yàn)工作是在噴嘴內(nèi)流及近場(chǎng)噴霧可視化試驗(yàn)臺(tái)上，基于高速攝像機(jī)、顯微鏡頭等組成的光路系統(tǒng)對(duì)噴嘴內(nèi)部及近場(chǎng)噴霧區(qū)成像，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得透明噴嘴頭內(nèi)的空化流動(dòng)和下游相應(yīng)的噴霧形態(tài)，同時(shí)噴嘴入口壓力波動(dòng)由Kistler4067高壓傳感器測(cè)量。

圖1 可視化裝置示意圖［10］

1.2 真實(shí)尺寸光學(xué)噴嘴尖端加工和壓力傳感器布置

圖2 為真實(shí)尺寸噴嘴可視化結(jié)構(gòu)加工示意圖，核心是對(duì)原噴嘴與透明噴嘴的處理、替換與密封。加工過(guò)程中，為準(zhǔn)確測(cè)試噴嘴內(nèi)燃油流動(dòng)過(guò)程，同時(shí)保障噴油器的密封特性，將針閥閥座密封面以下噴嘴切除，如圖2（a）所示。采用金剛石磨片將噴嘴頭部磨掉，圖2（b）和圖2（c）即為高壓共軌噴油器噴嘴頭部切除前后的對(duì)比。然后根據(jù)所磨掉噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化噴嘴加工，選擇有機(jī)玻璃作為透明噴嘴材料，并采用鉆床對(duì)透明噴嘴進(jìn)行粗加工和精加工，如圖2（e）所示。同時(shí)在針閥體上加工測(cè)試孔，將高壓傳感器工裝在測(cè)試孔處，如圖2（f）所示。最后將加工好的透明噴嘴與去掉原噴嘴的共軌噴油器進(jìn)行裝配，并通過(guò)夾具固定以保證其擁有良好的密封性能。本次試驗(yàn)所用的相機(jī)為高速數(shù)碼相機(jī)（Photron SAZ），加載QM-1 長(zhǎng)工作距離顯微鏡頭，拍攝速率為100 000 fps，圖片分辨率為280 × 640。噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（g）所示，其中噴孔入口直徑0.36 mm、噴孔出口直徑0.24 mm、噴孔傾角110°、壓力室入口直徑1 mm、噴孔長(zhǎng)度2 mm。本文選用雙漸縮噴孔、對(duì)稱(chēng)噴嘴結(jié)構(gòu)，以分析雙噴孔間及噴孔內(nèi)部的空化特性。

圖2 真實(shí)尺寸可視化噴嘴加工示意圖

2 典型的圖像和后處理方法

本文中采用背光法測(cè)試原理，獲取噴嘴內(nèi)的流動(dòng)空化特性。利用光線(xiàn)照射下，液態(tài)柴油、氣態(tài)柴油、大氣和可視化噴嘴材料之間的折射率不同，來(lái)劃分不同區(qū)域。圖3 為拍攝得到的可視化噴嘴內(nèi)流及近場(chǎng)噴霧分區(qū)示意圖，可得到當(dāng)前時(shí)刻噴嘴內(nèi)燃油兩相分布及近場(chǎng)噴霧情況。圖3 中由于噴嘴內(nèi)外光學(xué)的折射差異，導(dǎo)致噴孔中心和噴霧中心存在一定偏差［24］。同時(shí)噴嘴外邊緣平面與相機(jī)鏡頭的平行度和噴孔出口截面的平滑度對(duì)偏差產(chǎn)生影響［10］。

圖3 背光法下空化流動(dòng)典型圖像

通過(guò)對(duì)可視化噴嘴測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像后處理［24-25］，得到流動(dòng)噴霧特性曲線(xiàn)。圖4（a）為噴霧錐角的后處理過(guò)程，對(duì)噴霧計(jì)算域和無(wú)噴霧圖像進(jìn)行相減得到絕對(duì)差異值，進(jìn)行灰度增加和二值圖像轉(zhuǎn)換處理。經(jīng)曲線(xiàn)擬合，得到噴霧邊界斜率，通過(guò)卷積公式，可計(jì)算得出噴霧錐角θ。圖4（b）所示為噴孔內(nèi)的渦線(xiàn)空化水平后處理過(guò)程，將圖像旋轉(zhuǎn)處理后，選取矩形噴孔截面作為噴孔渦線(xiàn)空化的計(jì)算域，與無(wú)空化的數(shù)據(jù)圖像去差值后，進(jìn)行二值圖像處理。隨后，識(shí)別圖中空化部位的像素點(diǎn)面積與噴孔面積取比值，得到噴孔內(nèi)線(xiàn)空化水平。圖4（c）所示為壓力室內(nèi)的線(xiàn)空化后處理過(guò)程，同樣選取計(jì)算域，進(jìn)行灰度加強(qiáng)和二值圖像轉(zhuǎn)換處理，得到壓力室內(nèi)線(xiàn)空化水平，反映線(xiàn)空化在壓力室內(nèi)發(fā)展程度。

圖4 后處理方法

3 結(jié)果與討論

本文試驗(yàn)所處的工況為共軌壓力分別為50、60和70 MPa 下，預(yù)噴脈寬為400 μs，預(yù)主噴射間隔為1 000 μs，主噴脈寬為2 000 μs，主后噴射間隔為3 000 μs 和后噴脈寬為400 μs。研究3 次噴射過(guò)程中噴霧錐角、噴孔渦線(xiàn)空化水平、壓力室渦線(xiàn)空化水平和噴嘴入口壓力波動(dòng)變化趨勢(shì)，測(cè)試結(jié)果如圖5～圖11所示。

圖5 預(yù)噴過(guò)程后處理云圖

圖6 預(yù)主噴射間隔后處理云圖

圖7 主噴過(guò)程后處理云圖

圖8 主后噴射間隔后處理云圖

圖9 后噴過(guò)程后處理云圖

圖10 噴射壓力對(duì)內(nèi)流和近場(chǎng)噴霧影響后處理曲線(xiàn)

圖11 不同噴射壓力下流動(dòng)噴霧特性對(duì)比分析曲線(xiàn)

圖10和圖11為3次噴射過(guò)程中，關(guān)鍵時(shí)刻后處理數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖。分析過(guò)程中，將整個(gè)噴射過(guò)程劃分VII個(gè)階段：I階段噴射未開(kāi)始，系統(tǒng)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；II 階段為預(yù)噴過(guò)程；III 階段為預(yù)主噴射的間隔；IV階段為主噴開(kāi)始，針閥上升并到達(dá)最大升程；V階段針閥由最大升程開(kāi)始下降，噴射結(jié)束；VI 階段為主后噴射間隔；VII階段為后噴過(guò)程。

3.1 噴射壓力對(duì)內(nèi)流和近場(chǎng)噴霧影響云圖分析

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，I 階段噴射未開(kāi)始，噴嘴內(nèi)存在不同水平的殘余氣泡。II 階段為預(yù)噴過(guò)程，如圖5 所示。可以看出小脈寬（400 μs）下，液力伺服作用導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。不同共軌壓力下，噴嘴內(nèi)流及噴霧水平區(qū)別明顯。50 MPa 共軌壓力下，預(yù)噴過(guò)程沒(méi)有燃油噴射。原因在于，由于噴射壓力較低，在較短的控制脈寬下，沒(méi)有達(dá)到針閥開(kāi)啟受力差。噴射過(guò)程受到電磁機(jī)液耦合作用，針閥的開(kāi)啟受到針閥上下端所受液壓力和彈簧力的綜合影響。當(dāng)共軌壓力較低時(shí)，控制腔內(nèi)泄壓速度慢，導(dǎo)致在小脈寬下，控制腔內(nèi)壓力未達(dá)到針閥抬起閾值。而在60 和70 MPa 共軌壓力下，針閥能夠開(kāi)啟，形成不同的噴霧錐角形式。主要與針閥處節(jié)流效應(yīng)有關(guān)，當(dāng)針閥開(kāi)啟充分時(shí)，節(jié)流效應(yīng)較弱，高速燃油沖擊導(dǎo)致氣泡破碎，充滿(mǎn)噴嘴，噴霧錐角快速發(fā)展。然后隨著針閥關(guān)閉，噴霧逐漸消散。當(dāng)針閥開(kāi)啟程度較低時(shí)，受針閥節(jié)流，燃油供給不足，流速較低。壓力室內(nèi)的殘余氣泡始終保持獨(dú)立，未被沖擊破碎，噴嘴內(nèi)空化特性以及噴霧形態(tài)均未進(jìn)一步發(fā)展。

III 階段為預(yù)主噴射間隔，噴嘴邊界由可變開(kāi)口端轉(zhuǎn)為閉口端，如圖6 所示。在噴射間隔，噴霧水平逐漸趨于穩(wěn)定，噴嘴內(nèi)氣泡水平也較為穩(wěn)定，直到下次噴射開(kāi)始。同時(shí)預(yù)噴結(jié)束時(shí)刻的噴嘴內(nèi)氣泡狀態(tài)，直接影響了主噴開(kāi)始時(shí)刻的初始流場(chǎng)。

IV 階段主噴開(kāi)始，如圖7所示。針閥開(kāi)啟，噴嘴內(nèi)的燃油擠壓氣泡向噴孔外噴出。對(duì)比不同共軌壓力下云圖可知，噴射初期針閥開(kāi)啟速度會(huì)影響噴嘴內(nèi)空泡分布和近場(chǎng)噴霧的形成。50 MPa 共軌壓力下，針閥開(kāi)啟速度較小，壓力室內(nèi)殘余氣泡隨著燃油推動(dòng)由噴孔噴出。噴霧沿軸向發(fā)展，呈柱狀分布，錐角較小，未進(jìn)一步擴(kuò)展。

相比之下，當(dāng)共軌壓力為60 和70 MPa 時(shí)，針閥開(kāi)啟速度提升明顯，針閥及座面處形成較高流通面積，噴霧錐角發(fā)展較快，形成錐形噴霧。隨著針閥繼續(xù)上升直到最大升程0.24 mm，噴嘴內(nèi)存在明顯線(xiàn)空化形成過(guò)程，噴霧錐角進(jìn)一步增加，噴嘴內(nèi)氣泡逐漸消散。針閥上升過(guò)程中，節(jié)流位置由針閥與閥座處轉(zhuǎn)移到噴孔處，壓力室內(nèi)出現(xiàn)明顯的線(xiàn)空化，并向兩側(cè)噴孔延伸，形成孔-孔間線(xiàn)空化（3 450 μs）。然而在50 MPa 共軌壓力下，針閥始終處于小升程狀態(tài)，最大升程為0.06 mm，整個(gè)主噴過(guò)程，僅在壓力室內(nèi)壁形成穩(wěn)定的幾何誘導(dǎo)空化。通過(guò)對(duì)比第5 排云圖可知，不同壓力下，由于節(jié)流效應(yīng)的不同，影響了噴嘴內(nèi)空化形式，也影響噴霧水平。

V 階段針閥開(kāi)始下降直到關(guān)閉，在此過(guò)程中依然存在節(jié)流位置改變和空化形式轉(zhuǎn)變。隨著針閥下降，針閥與閥座節(jié)流效果不斷增強(qiáng)。60和70 MPa共軌壓力下，當(dāng)針閥下降到一定程度（0.08 mm），噴嘴再次處于針閥與閥座節(jié)流狀態(tài)。壓力室內(nèi)孔-孔間線(xiàn)空化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)水平的噴孔-針閥間線(xiàn)空化，噴霧錐角明顯提升，同時(shí)沿著針閥與閥座流通區(qū)域產(chǎn)生幾何誘導(dǎo)空化。在50 MPa 共軌壓力下，依舊沒(méi)有線(xiàn)空化形成，由此說(shuō)明，線(xiàn)空化的形成需要必要的幾何流域，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性也受到針閥運(yùn)動(dòng)的影響。隨后針閥密封，噴射關(guān)閉，噴嘴內(nèi)流逐漸穩(wěn)定，并且近場(chǎng)噴霧逐漸潰散。在此過(guò)程中，噴嘴處邊界條件由開(kāi)口端變?yōu)殚]口端，導(dǎo)致噴嘴內(nèi)產(chǎn)生低壓區(qū)域，引起外界空氣的倒吸。空氣倒吸和幾何誘導(dǎo)空化的作用，導(dǎo)致氣泡充滿(mǎn)整個(gè)噴嘴，并趨于穩(wěn)定。

VI 階段為主后噴射間隔，如圖8 所示。與預(yù)主噴射相比，主后噴射過(guò)程中，前次主噴的噴射結(jié)束時(shí)刻噴嘴內(nèi)云圖較為一致。針閥高速落座，使噴嘴內(nèi)存在空氣倒吸。氣泡快速充滿(mǎn)噴嘴，并在噴射間隔保持。主后噴射需要設(shè)置較高的噴射間隔，以保證后續(xù)噴射的穩(wěn)定。

VII階段為后噴過(guò)程，后噴過(guò)程噴射前噴嘴內(nèi)殘余氣泡水平較為一致，如圖9 所示。因此，針閥位移和開(kāi)啟速度改變導(dǎo)致的針閥及閥座處節(jié)流效應(yīng)的變化，成為了影響后噴過(guò)程噴霧形成的主要因素。50 MPa 共軌壓力下，依舊沒(méi)有噴射過(guò)程產(chǎn)生，原因與預(yù)噴過(guò)程相似，針閥上下端受力差未達(dá)到針閥開(kāi)啟閾值。60和70 MPa共軌壓力下，后噴過(guò)程的噴霧形式有所區(qū)別，分別呈蘑菇型和柱形噴霧，這與開(kāi)啟速度和殘余氣泡有關(guān)。當(dāng)后噴開(kāi)始，燃油迅速補(bǔ)充噴孔，擠壓出噴孔內(nèi)部空泡，后噴過(guò)程中針閥也主要處于小升程區(qū)域。同時(shí)，噴霧團(tuán)有明顯的空泡析出、破碎。整個(gè)后噴過(guò)程噴嘴內(nèi)始終保持較高水平的氣泡。

3.2 噴射壓力對(duì)內(nèi)流和近場(chǎng)噴霧影響后處理分析

為了進(jìn)一步分析不同共軌壓力下，噴射過(guò)程中流動(dòng)噴霧特性與壓力波動(dòng)間的時(shí)序關(guān)系，經(jīng)過(guò)后處理得到圖10 所示的噴孔內(nèi)空化、噴霧錐角曲線(xiàn)圖和噴嘴入口壓力波動(dòng)曲線(xiàn)圖?？梢园l(fā)現(xiàn)：在60 和70 MPa 共軌壓力下，主噴過(guò)程形成了較完整的單次噴射過(guò)程，噴射持續(xù)期分別為2 790 和2 670 μs。噴射前期，針閥抬起，氣泡由噴孔噴出，空化水平逐漸減少，噴霧錐角迅速發(fā)展。噴射中期，噴霧錐角繼續(xù)增加，在35°～56°范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)線(xiàn)空化逐漸形成，噴孔內(nèi)空化水平在0.03～0.36 范圍內(nèi)，呈高頻波動(dòng)。噴射后期，針閥下降、重新密封閥座，噴霧錐角逐漸減少。噴嘴內(nèi)幾何誘導(dǎo)空化形成和空氣倒吸導(dǎo)致噴孔內(nèi)氣泡數(shù)激增，后趨于穩(wěn)定。相比之下，在50 MPa 共軌壓力下，整體噴射呈現(xiàn)小油量工況特性，有效噴射持續(xù)期為1 680 μs。噴霧錐角最大值為37°（3 120 μs）。噴嘴內(nèi)主要存在幾何誘導(dǎo)空化，噴射后期依然存在空氣倒吸現(xiàn)象。針閥開(kāi)啟，隨即關(guān)閉，沒(méi)有維持過(guò)程?？梢园l(fā)現(xiàn)不同軌壓下，設(shè)置相同的控制脈寬，也會(huì)由于液力延遲導(dǎo)致實(shí)際的針閥位移和噴射有效持續(xù)期不同，從而也影響了噴霧錐角的發(fā)展趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)比3 種共軌壓力下的壓力波動(dòng)曲線(xiàn)可知，預(yù)噴或后噴過(guò)程開(kāi)始后，壓力明顯下降。在50 MPa 下，預(yù)噴過(guò)程和后噴過(guò)程即使沒(méi)有明顯噴油過(guò)程，也存在控制腔內(nèi)泄壓過(guò)程，使壓力下降。主噴過(guò)程中，噴射初期，噴嘴入口壓力波動(dòng)近線(xiàn)形趨勢(shì)下降，以低頻波動(dòng)為主。但在噴射中期，不同的空化形式導(dǎo)致了不同的壓力波動(dòng)特性。其中在60 和70 MPa 共軌壓力下，受渦流誘導(dǎo)線(xiàn)空化影響產(chǎn)生高頻壓力波動(dòng)趨勢(shì)；在50 MPa 共軌壓力下，噴孔內(nèi)空化以幾何誘導(dǎo)空化為主，相對(duì)穩(wěn)定，以低頻壓力波動(dòng)為主。研究發(fā)現(xiàn)空化種類(lèi)和波動(dòng)特性影響了壓力波動(dòng)的頻率特性和傳播速度。

3.3 不同噴射壓力下流動(dòng)噴霧特性對(duì)比分析

對(duì)比分析了不同共軌壓力下噴射過(guò)程中流動(dòng)噴霧特性，如圖11 所示。可以發(fā)現(xiàn)在60 和70 MPa 共軌壓力下，主噴過(guò)程中的噴霧錐角變化呈現(xiàn)靴形趨勢(shì)，主要包括：發(fā)展期、轉(zhuǎn)化期、穩(wěn)定期和衰減期。在發(fā)展期，噴霧錐角呈近線(xiàn)性快速增加，隨后噴孔內(nèi)空化水平開(kāi)始下降，仍以幾何誘導(dǎo)空化為主，噴霧錐角維持在中等水平波動(dòng)。在轉(zhuǎn)化期，針閥開(kāi)啟較為充分，線(xiàn)空化逐漸形成，噴霧錐角快速發(fā)展到最高水平。穩(wěn)定期內(nèi)，噴霧錐角、噴孔內(nèi)空化水平和壓力均存在高頻波動(dòng)，穩(wěn)定期兩端會(huì)形成強(qiáng)擾動(dòng)的針閥-噴孔線(xiàn)空化，使噴霧錐角在兩側(cè)形成凸起。衰減期內(nèi)，針閥下落，噴霧錐角逐漸減少。相比于發(fā)展期錐角的增加速度，衰減期錐角的減小速度更緩慢一些，其整體趨勢(shì)一定程度影響燃燒性能，可通過(guò)燃燒特性需求進(jìn)行反向設(shè)計(jì)。預(yù)噴及后噴過(guò)程壓力室內(nèi)空化水平較高，以幾何誘導(dǎo)空化為主，曲線(xiàn)較為平滑。噴孔內(nèi)空化水平穩(wěn)定性較差，同時(shí)小油量下噴霧錐角一致性較差。

通過(guò)對(duì)比壓力波動(dòng)曲線(xiàn)可知，燃油噴射會(huì)導(dǎo)致噴嘴入口處壓力下降。受到針閥瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)和噴嘴內(nèi)空化形成的影響，壓力有所波動(dòng)。隨著針閥下落，壓力水平呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。預(yù)噴和后噴過(guò)程中，噴嘴入口處壓力降幅與循環(huán)噴油量水平呈正相關(guān)，壓力波動(dòng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)體現(xiàn)了噴射時(shí)刻的轉(zhuǎn)變。噴射間隔時(shí)間內(nèi)，燃油壓力受針閥落座時(shí)，引起的水擊現(xiàn)象影響，呈正弦衰減波動(dòng)趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文采用真實(shí)尺寸錐形噴嘴進(jìn)行可視化噴射試驗(yàn)，從噴射時(shí)序角度去分析不同共軌壓力下，多頻壓力波動(dòng)與噴嘴內(nèi)流動(dòng)空化特性的因果關(guān)系以及對(duì)近場(chǎng)噴霧的影響機(jī)理。通過(guò)可測(cè)量的壓力波動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)噴射過(guò)程中難以觀察的流動(dòng)空化特性的預(yù)測(cè)，具體結(jié)論如下。

（1）不同軌壓對(duì)噴嘴內(nèi)流及近場(chǎng)噴霧特性影響趨勢(shì)不同，高軌壓下（60、70 MPa），主噴過(guò)程噴霧錐角呈靴型趨勢(shì)，由發(fā)展期、轉(zhuǎn)化期、穩(wěn)定期和衰減期組成，過(guò)程中存在噴嘴節(jié)流位置的轉(zhuǎn)變和幾何誘導(dǎo)空化與線(xiàn)空化間形式的轉(zhuǎn)變。低軌壓下（50 MPa），整體噴射呈現(xiàn)小油量工況特性，噴霧錐角最大值為37°，噴嘴內(nèi)僅形成幾何誘導(dǎo)空化。

（2）預(yù)噴和后噴過(guò)程，整體處于小升程節(jié)流階段，受壓力波動(dòng)影響明顯。不同軌壓和脈寬會(huì)通過(guò)影響針閥最大升程，影響節(jié)流效應(yīng)，從而影響流動(dòng)噴霧特性。噴射過(guò)程中噴嘴入口處壓力降幅與循環(huán)噴油量水平呈正相關(guān)，壓力波動(dòng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)體現(xiàn)了噴射時(shí)刻的轉(zhuǎn)變。

（3）壓力波動(dòng)與空化特性存在因果關(guān)系，空化形式的轉(zhuǎn)變會(huì)明顯影響壓力波速和傳遞頻率。其中幾何誘導(dǎo)空化形成時(shí)，壓力呈低頻波動(dòng)；線(xiàn)空化形成時(shí)，產(chǎn)生高頻壓力波動(dòng)趨勢(shì)。不同軌壓下的針閥最大升程及有效持續(xù)期決定了壓力波動(dòng)的整體趨勢(shì)，同時(shí)影響噴霧發(fā)展。