徐慧　王鵬超

摘 要：為了更好地了解柴油機(jī)噴孔內(nèi)燃油流動(dòng)特性及空化現(xiàn)象，基于幾何結(jié)構(gòu)相似和空化數(shù)相似原理，采用比例放大試驗(yàn)裝置，并結(jié)合Fluent液壓仿真，分析了隨入口壓力的變化，噴孔內(nèi)燃油空化發(fā)展規(guī)律以及該空化現(xiàn)象對(duì)噴孔燃油流量特性的影響。研究結(jié)果表明：固定噴孔出口壓力，隨著入口壓力的增大，噴孔入口處將出現(xiàn)空化，并且空化逐步向噴孔延伸。隨著入口壓力的增大，孔內(nèi)燃油質(zhì)量流量也逐步增大。但隨著孔內(nèi)空化現(xiàn)象的出現(xiàn)，燃油質(zhì)量增大的加速度有保持不變的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 噴孔 比例放大 入口壓力 空化 質(zhì)量流量

最新柴油機(jī)尾氣排放的標(biāo)準(zhǔn)是CO不超過(guò)2.2g/km，CH不得超過(guò)1.13g/km，顆粒物不得超過(guò)0.18g/km，由于車輛的排氣管是接近地面，處于人群的呼吸地帶，所以這些尾氣和顆粒物的排放對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)有很大的影響。實(shí)驗(yàn)表面柴油在氣缸內(nèi)燃燒質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響柴油機(jī)尾氣的排放質(zhì)量，柴油在缸內(nèi)燃燒越充分，尾氣排放質(zhì)量越好。而進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，提高柴油的霧化效果能夠使其在缸內(nèi)燃燒更加充分，進(jìn)而能降低尾氣的排放[1-2]。為了滿足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)的噴射壓力不斷提高，噴油器的噴孔尺寸也在不斷變小，以獲得良好的缸內(nèi)霧化效果[3]。隨之帶來(lái)的影響是噴孔內(nèi)更容易出現(xiàn)空化現(xiàn)象[4]。研究表面，流體中形成的空化奔潰會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓、放電、和激震波等，這不僅會(huì)引起機(jī)器的噪聲、震動(dòng)、磨損等問(wèn)題，還會(huì)對(duì)氣缸內(nèi)的燃油的霧化和油氣混合過(guò)程產(chǎn)生顯著影響，因此進(jìn)行研究柴油的高壓噴射的同時(shí)必須考慮柴油機(jī)噴孔內(nèi)的空化流動(dòng)特性[5]。

汪翔等[6]對(duì)柴油機(jī)單孔噴油嘴的研究表明： 噴油嘴的噴射壓力提高會(huì)加劇入口壓力的波動(dòng)，而入口壓力的波動(dòng)現(xiàn)象會(huì)使不同時(shí)刻噴孔內(nèi)的空化形態(tài)不同，越靠近噴孔出口的空化氣泡動(dòng)力特性越不穩(wěn)定，也就是說(shuō)對(duì)壓力波動(dòng)越敏感。鄧海鵬利用比尺效應(yīng)建立了放大的可視化噴嘴，并開(kāi)展了噴嘴空化特性研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴孔直徑越大，空化區(qū)域也變大，并且空化區(qū)域從噴油孔壁面逐步向噴油孔中心位置發(fā)展[7]。顏學(xué)升[8]對(duì)比例放大透明噴嘴內(nèi)空穴流動(dòng)的可視化試驗(yàn)表明，空穴現(xiàn)象的發(fā)生與雷諾數(shù)沒(méi)有直接的聯(lián)系，空穴現(xiàn)象的發(fā)生只有空穴數(shù)有關(guān)，隨著噴孔直徑的減小，空穴初生臨界壓力越大，小口徑乃至原型噴嘴，其噴嘴內(nèi)部較難出現(xiàn)空穴現(xiàn)象。此外，柴油機(jī)噴嘴噴孔長(zhǎng)徑比和傾角以及針閥升程、壓力室形狀等幾何結(jié)構(gòu)因素都會(huì)影響其內(nèi)部空穴流動(dòng)特性；噴射燃料的物理特性對(duì)柴油機(jī)噴嘴空穴流動(dòng)有重要影響，生物柴油比柴油更難出現(xiàn)空穴現(xiàn)象，且生物柴油出現(xiàn)水力柱塞流狀態(tài)的壓力要比柴油高，說(shuō)明生物柴油保證獲得良好噴霧狀態(tài)的噴射壓力要高于柴油。鐘汶君[9]在搭建的等比例放大透明噴嘴可視化試驗(yàn)臺(tái)架上獲得了不同燃油溫度下噴嘴內(nèi)部空穴流動(dòng)圖像及流動(dòng)特性數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著燃油溫度的升高，空穴初生的壓力減??；在同樣的試驗(yàn)邊界條件下，燃油溫度越高，流體的雷諾數(shù)越高，而噴嘴內(nèi)的流量系數(shù)與燃油溫度沒(méi)有一定的關(guān)系。仇滔[10]等為了研究噴油器的進(jìn)出口壓力對(duì)燃油在噴嘴里的流動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)了一套出口壓力可調(diào)的試驗(yàn)裝置，針對(duì)高壓共軌噴油器進(jìn)行了不同出口壓力下的噴油規(guī)律測(cè)量，研究了出口壓力對(duì)噴油率的影響。試驗(yàn)表明：噴嘴進(jìn)出口形成一定的壓力差時(shí)，噴孔內(nèi)部會(huì)形成空化流動(dòng)；在處于空化流動(dòng)階段時(shí)，固定噴嘴的入口壓力，改變其出口壓力，不影響噴嘴的噴油率，流動(dòng)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象；出現(xiàn)空化后，增加噴嘴出口壓力，空穴流動(dòng)現(xiàn)象會(huì)減弱，噴孔內(nèi)流量系數(shù)會(huì)增大。上述文獻(xiàn)表明，噴嘴的進(jìn)出口壓力以及壓力的穩(wěn)定性會(huì)影響孔內(nèi)的空化形態(tài)，并且燃油溫度也會(huì)影響噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象。因此深入分析入口壓力對(duì)噴嘴內(nèi)空化過(guò)程的影響，并分析隨入口壓力的變化，噴孔的流量特性規(guī)律十分重要。

1 等效幾何模型

由于柴油機(jī)噴油器噴孔的尺寸很小，試驗(yàn)過(guò)程難以直接觀察噴孔內(nèi)部柴油的空化流動(dòng)，本文基于壓力邊界相似原理，采用等比例放大噴孔模型進(jìn)行試驗(yàn)，其中基準(zhǔn)噴孔的實(shí)際尺寸是直徑為0.7mm，長(zhǎng)度為0.35mm，為了更加充分的觀察空化在噴孔流向的發(fā)展情況，加長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)噴孔的長(zhǎng)度至10mm，放大后噴孔如圖1所示。

2 三維仿真計(jì)算

2.1 仿真模型設(shè)置

本文使用Fluent液壓仿真軟件進(jìn)行三維仿真計(jì)算，主要設(shè)置如表1所示。

由于噴孔尺寸小，可以近似的把燃油在噴孔內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程看作恒溫過(guò)程，忽略兩者之間的能量交換，因此設(shè)置燃油在仿真過(guò)程中溫度保持為25℃。在仿真計(jì)算過(guò)程中，假設(shè)所用的柴油為不可壓縮流體，并且不考慮柴油在噴孔內(nèi)的流動(dòng)時(shí)的能量轉(zhuǎn)化和損失，考慮柴油在氣相和液相之間的質(zhì)量與動(dòng)量交換，壓力邊界均采用表壓。其中，試驗(yàn)及仿真所用0#柴油物性參數(shù)如表2所示。

2.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算模型的可靠性，試驗(yàn)采用下圖2所示的可視化試驗(yàn)裝置進(jìn)行等比例放大柴油機(jī)噴油器噴孔的柴油流動(dòng)特性試驗(yàn)。

光學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中，使用高強(qiáng)度光源 將透明噴孔照亮，并在光源與可視化噴孔間安裝毛玻璃濾光，采用高速攝像機(jī)和長(zhǎng)工作距離顯微成像技術(shù)記錄透明噴孔內(nèi)的流動(dòng)。高速攝像機(jī)的型號(hào)為Phantom V7.3，拍攝速度為500 000幀/s．固定可視化裝置內(nèi)噴孔的入口流動(dòng)壓力為7MPa，調(diào)整噴孔的出口壓力，最后測(cè)量噴孔的出口燃油質(zhì)量流量。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)油泵的轉(zhuǎn)速控制共軌管中的壓力以保持可視化噴孔入口壓力為7MPa，噴孔的出口壓力由背壓閥調(diào)節(jié)，背壓閥的調(diào)壓范圍為0～7MPa。采用定時(shí)間稱重的方法測(cè)量質(zhì)量流率，精度是0.0001kg/s。在入口壓力為7MPa，出口壓力3MPa工況下，試驗(yàn)測(cè)得的質(zhì)量流量是0.0262kg/s，仿真計(jì)算的質(zhì)量流量結(jié)果是0.0268，兩者的誤差未超過(guò)5%，可見(jiàn)模型是具有可靠性的。

3 入口燃油壓力對(duì)孔內(nèi)柴油流動(dòng)規(guī)律影響

從下圖3可以得出，保持噴孔的出口壓力為1MPa，當(dāng)入口壓力為2MPa的時(shí)候，噴孔內(nèi)未出現(xiàn)空化，當(dāng)入口壓力為3Mpa的時(shí)候，噴孔內(nèi)仍未出現(xiàn)空化；當(dāng)入口壓力提高到4MPa的時(shí)候，噴孔入口處出現(xiàn)橙色區(qū)域，噴孔內(nèi)出現(xiàn)氣相燃油，這表示噴孔內(nèi)出現(xiàn)空化；當(dāng)入口壓力逐漸提高到7MPa的時(shí)候，空化區(qū)域也不斷延噴孔出口發(fā)展。

圖4是噴孔的燃油質(zhì)量流量隨入口壓力的變化特性。當(dāng)入口壓力為2MPa的時(shí)候，噴孔出口的燃油質(zhì)量流量為0.0047kg /s，此時(shí)噴孔內(nèi)未出現(xiàn)空化；當(dāng)入口壓力為3Mpa的時(shí)候，噴孔出口的燃油質(zhì)量流量為0.0127kg /s，但噴孔內(nèi)仍未出現(xiàn)空化；當(dāng)入口壓力提高到4MPa時(shí)，噴孔出口的燃油質(zhì)量流量增加至0.0302kg /s，噴孔內(nèi)出現(xiàn)空化；當(dāng)入口壓力逐漸提高到7MPa的時(shí)候，噴孔出口的燃油質(zhì)量流量增加至0.0836kg /s，空化區(qū)域也不斷延噴孔出口發(fā)展。由圖中變化趨勢(shì)可以看出，雖然隨著噴孔內(nèi)出現(xiàn)空化現(xiàn)象，孔內(nèi)燃油的質(zhì)量流量仍在增加，但增大的加速度已經(jīng)有保持不變的趨勢(shì)。

1.結(jié)論

1）固定出口壓力，隨著入口壓力的增大，噴孔入口處將出現(xiàn)空化，并且空化逐步向噴孔延伸；

2）隨著入口壓力的增大，孔內(nèi)燃油質(zhì)量流量也逐步增大。但隨著孔內(nèi)空化現(xiàn)象的出現(xiàn)，燃油質(zhì)量增大的加速度有保持不變的趨勢(shì)。

基金項(xiàng)目：臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年課題（2022QN10）。

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