柴油機噴孔內空化過程及影響參數的試驗研究

仇滔, 徐慧, 雷艷

(1.北京工業大學 環境與能源工程學院， 北京 100124; 2.北京電動車輛協同創新中心， 北京 100081)

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柴油機噴孔內空化過程及影響參數的試驗研究

仇滔1,2, 徐慧1, 雷艷1

(1.北京工業大學 環境與能源工程學院， 北京 100124; 2.北京電動車輛協同創新中心， 北京 100081)

柴油噴油器內部燃油的高速流動易導致噴孔內部出現空化，影響燃油的流通，因此研究噴孔內燃油空化過程具有重要的意義。在比例放大透明噴孔可視化試驗臺架上，完成了不同進出口壓力下的噴孔流動特性試驗，研究了噴孔內的空化規律和對噴孔內流率特性的影響。試驗結果表明：當固定入口壓力時，隨著出口壓力的降低，在無空化階段，流量系數基本不變；當出現空化進入空化發展階段，空化增強并向出口方向發展，質量流率繼續增加，流量系數有所下降；在空化飽和階段，質量流率不再增加，流量系數加速降低；噴孔的入口壓力不影響空化初生和空化飽和對應的臨界空化數；噴孔直徑不影響空化初生點，但影響空化飽和點，噴孔直徑越大，越難達到空化飽和，對應的臨界空化數越小；噴孔長度影響空化初生點和空化飽和點，噴孔長度越長，越難發生空化，也越難達到空化飽和，對應的空化初生和空化飽和的臨界空化數越小。

動力機械工程； 噴孔； 空化過程； 空化數； 試驗研究

0 引言

燃油系統是柴油機的核心部件，其中噴油器的噴孔連接供油和霧化，對噴射特性、噴霧質量、油氣混合狀態有至關重要的影響。文獻[1-4]研究發現噴孔內的流動顯著影響噴霧的粒徑、錐角、貫穿距等宏觀特性，直接影響霧化燃燒，因此必須重視研究噴孔內燃油流動。由于柴油機噴孔尺度小，壓力差大，因此噴孔內很容易空化，已經證明空化是影響噴孔內燃油流動狀態的主要因素[5-6]。為了探明空化現象對噴孔內流動狀態的影響，需要研究噴孔內空化的變化規律，汪翔等[7]、Javier等[8]和Salvador等[9]通過仿真研究了噴嘴內的空化過程及對流動特性的影響，認為根據噴孔內有無空化可分為兩個階段，其中在無空化階段，燃油流量系數趨于恒定不變，而空化階段，噴孔流道有效流通區域將減少導致其流量系數降低；仇滔等[10]通過試驗研究噴油器出口壓力對噴油率的影響，認為在空化階段，增加出口壓力將提高噴孔的流量系數；Payri 等[11]開展了空化對噴孔流量的影響試驗研究，表明隨著出口壓力的增加，流量系數先增大后不變；王忠遠等[12]、何志霞等[13]、鐘汶君等[14]和杜慧勇等[15]通過噴嘴的可視化比例放大試驗，研究表明：空化會影響噴孔的流量，并且噴嘴流量系數會隨著進口壓力的增加而減小。

上述文獻均表明噴孔內將會出現空化，進而影響流量，并已經證明壓力邊界對噴嘴內空化有影響，但是都沒有深入分析噴孔內的空化過程。文獻[16]通過數值模擬研究了出口壓力對噴孔內空化發展過程的影響規律，證明了當入口壓力不變時，隨著出口壓力降低，孔內流動會經歷3個不同的階段，即無空化、空化發展階段和空化飽和階段。但是該研究沒有分析結構參數和壓力邊界條件對3個階段臨界點的影響規律。本文采用比例放大噴孔光學測試裝置，完成了不同結構參數的噴孔在不同進出口壓力工況條件下的可視化試驗測試，研究壓力邊界和結構參數對空化變化臨界點的影響規律。

1 噴孔內流動形態分析

圖1為噴孔空穴流動簡化模型。當燃油高速流入噴孔，在入口處，由于流動方向突然變化，邊界層從壁面分離，入口流通橫截面面積減小，該截面上的流速會大大增加，從而造成局部壓力降低。當局部壓力降到低于燃油的飽和蒸汽壓時，就會形成空穴區(即空化現象)。當入口壓力不變，隨著出口壓力降低，分別會形成入口開始出現空化和出口流量不再隨出口壓力降低而改變的兩個狀態轉折點，這兩個臨界點可將噴孔內分成無空化、空化發展和空化飽和3個階段[16]。

圖1 噴孔空穴流動模型Fig.1 Cavitation model of flow in nozzle hole

用動力相似無量綱參數即空化數K[17]作為變量來描述噴孔內流動，

(1)

式中：pi為入口壓力；pe為出口壓力；pv為燃油飽和蒸汽壓。

用流量系數來表示噴孔的流通能力。噴孔的流量系數定義為在一定條件下噴孔的實際燃油質量流率與理論燃油質量流率之比為

(2)

2 試驗裝置及原理

搭建的可視化噴孔測試臺架原理圖如圖2所示，包括透明噴孔、壓力源系統和光學測試系統。

圖2 可視化噴孔測試臺架原理圖Fig.2 Principle diagram of the visualization nozzle test bench

本文用比例放大的噴孔開展試驗，其中基準噴孔的實際尺寸是直徑為0.175 mm，長度為0.875 mm，等比例放大4倍后對應噴孔實驗尺寸的直徑為0.7 mm，長度為3.5 mm. 基于空化數相似原理，確定了實際壓力與等效實驗壓力的條件如表1所示。為了研究空化在噴孔流向的發展，加成噴孔的長度到10 mm，對應的光學噴孔如圖3所示。

表1 等效壓力邊界

圖3 透明噴孔Fig.3 Transparent nozzle

試驗中采用聚甲基丙烯酸甲酯加工光學噴孔實現可視化測試。為了實現可視化測試，試驗采用0號柴油參數，其參數如表2所示。

表2 0號柴油參數

在光學試驗過程中，使用高強度光源(帶有30個LED燈)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，采用高速攝像機和長工作距離顯微成像技術記錄透明噴孔內的流動。高速攝像機的型號為Phantom V7.3，拍攝速度為500 000幀/s. 試驗過程中，通過調節油泵的轉速控制共軌管中的壓力以保持可視化噴孔入口壓力，噴孔的出口壓力由背壓閥調節，背壓閥的調壓范圍為0～7 MPa. 采用定時間稱重的方法測量質量流率，精度是0.000 1 kg/s.

3 試驗結果分析

3.1 空化發展過程分析

本文定義噴孔內出現空化時刻為空化初生點，質量流率不再隨出口壓力變化而變化為空化飽和點。固定噴孔的入口壓力為7 MPa保持不變，通過調節出口壓力改變噴孔內的空化過程，試驗結果如表2所示。當出口背壓為4.0 MPa時，噴孔入口處出現空化；當出口背壓為1.2 MPa時，空穴層延伸至噴孔出口處。如圖4所示為噴孔內空穴層長度變化過程。

表3 空化發展隨出口壓力變化規律

Tab.3 Development of cavitation vs. outlet pressure

圖4 質量流率和空穴層長度隨出口壓力的變化規律Fig.4 The variation of mass flow rate and the length of the hole layer with the outlet pressure

3.2 噴孔內空化發展的過程

噴孔的質量流率和流量系數Cd隨K系數的變化曲線結果如圖5所示，其中圖5(a)是入口壓力為3 MPa的試驗結果，空化初生點和空化飽和點對應的K分別為2.50、1.88，圖5(b)是入口壓力為7 MPa的試驗結果，空化初生點和空化飽和點對應的K分別為2.33、1.84. 從圖5可以看出，根據空化初生點和空化飽和點，空化發展過程可以分為3個階段：Ⅰ為無空化階段，由于噴孔內沒有空化，流通能力主要受到幾何結構的影響，流量系數保持不變，而此時出口壓力影響質量流率，隨著K的減小，質量流率直線上升，理論流率就是實際流率；Ⅱ為空化發展階段，隨著K的減小，空化從入口向噴孔出口發展，由于噴孔內已經出現了空化，實際液相流通面積減少，流量系數下降，質量流率上升，但上升速率減緩，實際流率與理論流率偏差逐漸變大；Ⅲ為空化飽和階段，空化達到飽和，隨著K的減小，流量系數進一步降低，降低的程度遠大于階段Ⅱ，而質量流率不再變化。試驗結果表明：空化對流通能力有顯著影響，空化越強，流通能力越小。

圖5 質量流率和流量系數的變化規律Fig.5 Change of mass flow rate and flow coefficient

3.3 入口壓力對空化的影響

圖6為噴孔直徑0.7 mm，入口壓力分別3 MPa、4 MPa和7 MPa時噴油質量流率的試驗結果。由圖6可知，3個入口壓力下空化初生點對應的K分別是2.5、2.5、2.3，而空化飽和點對應的K系數分別是1.88、1.81和1.86，這表明噴孔的入口壓力基本上不影響空化初生點和飽和點對應的空化數。

圖6 入口壓力對空化發展的影響Fig.6 Influence of inlet pressure on cavitation development

3.4 噴孔直徑對空化的影響

圖7為噴孔的入口壓力為3 MPa，圓孔直徑分別為0.5 mm、0.7 mm和1.0 mm時噴油質量流率隨出口壓力的試驗結果。由圖7可見：當入口壓力保持3 MPa不變，隨著出口壓力的減小，空化初生點對應的K都是2.5，這表明噴孔直徑不影響空化的初生點對應的臨界空化數。該原因是空化初生因為孔內燃油速度增加使入口局部壓力低于飽和蒸氣壓導致產生空化，對于不同直徑的噴油孔在相同的入口壓力和出口壓力下，在入口處的燃油流速基本相同，因此形成空化對應的壓力條件也基本不變；從圖7還可以看出，隨著出口壓力的增加，噴孔直徑改變對應的空化飽和點是不同的。圖7中空化飽和點對應臨界K分別為2.30、1.86和1.76，這是因為直徑越大的圓孔，空穴層沿徑向方向可發展的空間越大，因此需要更長的過程使空化發展達到穩定，流量才能達到飽和。這表明噴孔直徑不影響空化初生對應的空化數，但是影響空化飽和對應的空化數。

圖7 噴孔直徑對空化發展的影響Fig.7 Influence of nozzle diameter on cavitation development

3.5 噴孔長度對空化的影響

圖8 噴孔長度對空化發展的影響Fig.8 Influence of nozzle length on cavitation development

圖8為入口壓力7 MPa，噴孔直徑為0.7 mm，長度分別為3.5 mm和10 mm時噴油質量流率隨出口壓力的試驗結果。由圖8可見：當入口壓力保持7 MPa不變，長度為3.5 mm、10 mm噴孔空化初生點對應的K為2.9、2.3，空化飽和點對應的K為2.3、1.8. 由此可見，噴孔長度對噴孔燃油的空化初生點和空化飽和點都有影響。噴孔長度越長，空化初生點和空化飽和點對應的K越小，這意味著噴孔內越不容易出現空化，同樣也越難形成阻塞流。這是因為：孔內燃油速度的增加使局部壓力低于飽和蒸氣壓，而在相同的進出口壓差下，長度越短的噴孔入口處的速度越大，越容易使壓力低于飽和蒸氣壓，因此越容易達到空化初生點，同理也越容易達到空化飽和點。

4 結論

本文采用出口壓力可調的比例放大噴孔可視化裝置，研究了柴油機噴油器噴孔內空化的發展過程及壓力和結構參數對臨界空化數的影響，得出以下結論：

1) 在無空化時，出口壓力對流量系數影響很小，當出現空化后，出口壓力越小，空化越強，流量系數下降顯著，尤其是達到流量飽和階段，流量系數的下降程度最大。

2) 噴孔的入口壓力不影響孔內空化發展的初生點和飽和點對應的空化數。

3) 噴孔直徑不影響空化初生點，但影響空化飽和點。噴孔直徑越大，越難達到空化飽和，對應的空化數越小。

4) 噴孔長度影響空化初生點和空化飽和點，噴孔長度越長，越難發生空化，也越難達到空化飽和，對應的空化數越小。

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Experimental Research on the Process of Cavitation and Its Influence on the Nozzle of Diesel Engine

QIU Tao1,2, XU Hui1, LEI Yan1

(1.College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China； 2.Collaborative Innovation Center for Electric Vehicles，Beijing 100081，China)

The high-speed flow of internal fuel in diesel fuel injector is easy to cause cavitation inside the nozzle, which affects the flow of fuel. It is very important to study the cavitation process of fuel in the nozzle. The flow characteristics of the nozzle under different inlet and outlet pressures is studied by experiments on the scale-enlarged visualization test bench. The experimental results show that the inlet pressure is constant, with the decrease in the outlet pressure, 1) during the no cavitation period, the discharge coefficient is basically unchanged; 2) during the cavitation developing period, cavitation becomes stronger and develops from the entrance of the nozzle to the outlet, the mass flow rate continues to increase and the discharge coefficient decreases; 3) during the cavitation saturation period, the mass flow rate maintains stable but the discharge coefficient continues decreasing. The inlet pressure of the nozzle does not affect the critical cavitation number of cavitation inception and cavitation saturation. The diameter of the nozzle does not affect the point of cavitation inception, but the point of cavitation saturation; as the diameter of the nozzle is larger, the more difficult it is to achieve the cavitation saturation, and the smaller of the critical cavitation number. The length of the nozzle affects the point of cavitation inception and cavitation saturation; the length of the nozzle is longer, the more difficult it is to occur cavitation and to achieve cavitation saturation, the critical cavitation numbers of both the cavitation inception and the cavitation saturation are smaller.

power machinery engineering; injector nozzle; cavitation process; cavitation number; experimental research

2016-04-05

國家自然科學基金項目(51006012); 北京市教育委員會促進人才培養綜合改革基金項目(JZ005011201401); 北京市教育委員會科技基金項目(KM201610005018)

仇滔(1976—)， 男， 副教授。 E-mail： qiutao@bjut.edu.cn

TK421+.43

A

1000-1093(2016)11-2114-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.020