真實噴嘴結構對燃油噴霧和內流特性影響的試驗研究進展

張旭升 劉俊楠 戴建偉2 安 驥

(1. 上海海事大學商船學院，上海 201306；2. 滎陽市國土資源局，滎陽 450100)

原創

真實噴嘴結構對燃油噴霧和內流特性影響的試驗研究進展

張旭升1劉俊楠1戴建偉2安 驥1

(1. 上海海事大學商船學院，上海 201306；2. 滎陽市國土資源局，滎陽 450100)

主要回顧了柴油機真實噴嘴幾何結構尺寸對燃油的噴霧特性和內流特性影響的試驗研究結果，著重闡述了噴孔直徑、噴孔錐度、噴孔長徑比、入口圓角和壓力室容積對燃油噴霧和內流動態特性的影響規律。結構參數對噴霧特性的一般規律可以得到，但是研究結果存在不確定性。所以將來此方面的研究必須將單一幾何結構參數對噴霧的影響規律與其他結構參數的影響有效分離，才能準確揭示結構參數的影響規律；結構參數引入的空穴現象與結構參數本身的影響規律耦合在一起，必須在確定空穴指標的前提下研究結構參數的影響規律；商用噴嘴結構與設計尺寸之間存在不可避免的缺陷，必須采用高精度加工的噴嘴來研究結構參數對噴霧特性的影響規律。

噴油器 噴嘴幾何結構 噴霧特性 內流特性

0 概述

柴油發動機具有良好的經濟性、動力性和可靠性，在交通運輸行業的動力裝置中獲得了廣泛的應用。但是柴油在氣缸內燃燒后的有害廢氣和CO2排放會對大氣環境和身體健康產生嚴重的影響，因此全世界都在開發致力于控制柴油機的有害排放物和提高燃油經濟性的新技術，以滿足日益嚴格的排放法規[1]。從機內燃燒優化來看，燃油的噴射破碎和蒸發霧化過程對隨后的燃燒過程和排放物生成起主導作用[2]。燃油的噴射過程受到噴射壓力、環境條件、噴嘴結構以及針閥升程等多種因素的影響[3]。近些年來的研究發現，燃油的噴射過程與噴嘴內部流動和氣穴的產生密不可分，而影響噴嘴內部流動和氣穴的重要因素之一是噴嘴的幾何結構[4-6]。正是由于噴嘴結構優化對于噴嘴內流控制和噴霧的優化控制具有重要的研究價值和指導意義，本文著重對近年來國內外在噴嘴結構對噴霧和內流特性的研究進展方面進行回顧。

眾所周知，噴嘴結構中對噴霧和內流特性產生影響的結構參數包括噴孔直徑、噴孔長度、噴孔數量、噴孔錐度、噴孔入口圓角、噴孔內表面粗糙度、壓力室形狀和針閥座錐面等。本文將這些參數劃分為噴孔參數和壓力室參數。下面就從這兩方面回顧噴嘴結構對噴霧特性影響的主要研究結論。

1 噴孔參數

1.1 噴孔直徑

噴孔直徑的改變本質是改變燃油的流通截面積，從而影響流過噴孔的流量大小。在相同的噴射壓力下，圓柱型噴孔孔徑的減小，噴孔的流量顯著減小，非蒸發狀態下的噴霧貫穿距隨著噴孔直徑的減小而減小[7-8]，蒸發狀態下的噴霧貫穿距離則基本與噴孔直徑呈線性關系[9-10]，如圖1(a)和1(b)所示。但是研究發現噴孔直徑對近場噴霧貫穿距離的影響規律僅僅在10mm以上區域適用，而貫穿距離 10mm 以下則是相反的。另外，針對漸縮型噴孔的研究發現，在完全抑制空穴的情況下，出口孔徑對噴霧貫穿距離的影響存在雙區分布： 開始區域與孔徑無關；噴霧完全擴散區的貫穿距離隨孔徑增大而增大。這表明噴孔內有無空穴現象的發生，孔徑對宏觀噴霧特性的影響規律可能會存在一定差異性。

圖1 孔徑對蒸發和非蒸發狀態下的液柱貫 穿距離的影響規律

從噴霧霧化的角度來看，減小噴孔直徑可以改善空氣向液柱的卷吸效應，提高霧化效果，這對于改善碳煙排放是有利的。但有些研究則發現非蒸發狀態下噴霧錐角隨著噴孔直徑的增大而增大，噴孔直徑與非蒸發狀態下的噴霧錐角之間關系不明確。在蒸發狀態下的噴霧錐角則隨著噴孔直徑的減小而減小，這表明減小孔徑有利于改善霧化。從噴霧微觀尺度來看，噴霧的索特平均直徑(SMD)隨著噴孔直徑的減小而減小，這將有利于油滴與空氣的混合。但噴孔直徑單一尺度對噴霧霧化的改善可能存在一個臨界值(圖2)。

圖2 噴孔直徑對SMD的影響規律

噴孔直徑對噴霧特性的影響規律可以總結為: 隨著噴孔直徑的減小，則噴霧貫穿距離減小，而噴霧錐角通常呈現增大的趨勢，并且微觀的液滴尺寸也出現下降，從而有利于改善霧化效果。但是所有的研究中幾乎都沒有考慮噴孔入口圓角對噴霧貫穿距離的影響，而噴孔內部入口圓弧倒角決定了噴孔內部氣穴的產生、內流的湍流強度和流量系數，從而直接影響宏觀的噴霧特性，所以在真實噴嘴結構尺度上，孔徑對噴霧特性的影響規律仍需更加精確的微孔結構來完善。同時，由于噴孔孔徑的影響與空化的影響存在耦合關聯，所以孔徑對噴霧特性的影響規律需要綜合考慮空穴指標。

1.2 噴孔長徑比和錐度

噴孔的長徑比指的是噴孔長度與噴孔直徑的比值。一般來講，長徑比的增大會帶來流量系數的降低。對于噴霧貫穿距離來講，其主要取決于出口速度，而噴孔長度的增加在降低了流量系數的情況下，類似于減小了噴孔直徑，有助于降低噴霧貫穿距。但是長噴孔的油束導向性，即改善孔內流動的穩定性，又有利于貫穿距離的增大。同時,噴孔長度會影響到氣穴與壁面的附著問題以及氣穴潰滅發生的位置(噴孔內或者噴孔外)，從而不確定的孔內空穴形式也會對噴霧特性產生影響。所以，長徑比對于噴霧貫穿距離的影響規律也需要考慮內部流動特性的差異性。但是，從噴霧破碎的長度來看，長徑比的增加有利于噴霧的破碎，這可能與燃油表面和噴孔壁面摩擦加劇有關。但也有研究發現，不同直徑的噴孔(0.18mm和0.13mm)，小孔徑霧化效果隨著長徑比的增加略有改善，而大孔徑的則相反。所以長徑比對噴霧特性的影響可能與其他結構參數的影響耦合在一起，內流特性的多變性也會導致影響規律存在一定的不確定性。

噴孔錐度定義為噴孔入口直徑與噴孔出口直徑之差的1/10(k系數)，如表1所示。漸縮型噴孔與圓柱形噴孔相比，流量和流量系數明顯增加，在高噴射壓力下并未形成空化，而漸擴型噴孔的流量系數明顯降低。所以，漸縮型噴孔表現為較大的噴霧貫穿距離(如圖3所示)，但對噴霧穩定區域的噴霧錐角影響不大。針對近似k系數的漸縮型噴孔的研究發現，出口直徑的增大，會引起軸向液滴速度的增加，與噴孔直徑增大對噴霧流量的影響類似，但是直徑增大對液滴速度的影響可能存在臨界值。漸縮型和圓柱型噴孔流量系數的差異性表明，漸縮型噴孔可以有效抑制空化。仿真的結果證實漸縮型噴孔增加了噴孔局部壓力，從而降低噴孔內部氣穴的產生，噴霧貫穿距離和出口流速顯著增加，進一步加強氣體在油束內的卷吸，改善噴霧的霧化蒸發過程。

除了噴孔錐度外，改進的ks型噴孔在k型噴孔的基礎上，入口處進行了較大半徑圓角的研磨。初步的仿真結果表明，ks型噴孔與k型噴孔相比，更加有效地抑制氣穴的產生，從而提高流動效率和出口流速分布的均勻性，但是湍流強度的下降導致一次破碎的強度降低。

表1 k型噴孔結構示意圖

圖3 漸縮型和圓柱型噴孔的貫穿距比較

適當的噴孔錐度可以有效抑制孔內空化，對霧化的改善側重于氣體與油束的相互作用，偏重于二次破碎過程，同時噴霧的一致性增強，而噴孔的空化現象則主要影響噴霧的一次破碎過程。如果噴孔的空化被抑制，燃油的噴射流量主要取決于噴射壓力和噴射背壓。值得注意的是，噴孔錐度僅對噴孔入口結構導致的膜狀空化有影響，而對由于噴孔內的旋轉流動引起的條狀氣穴影響較小，此類空化主要發生在小針閥升程，噴嘴內部存在強烈的旋轉流動，而條狀氣穴可以顯著增加噴霧錐角。雖然錐度有利于抑制空化，但是不同錐度與空化之間的定量關系仍不完善。

1.3 噴孔入口圓角和噴孔表面粗糙度

噴孔入口圓角半徑會影響噴孔內部空化現象的發生，進而影響噴孔流量和霧化效果。100MPa噴射壓力下的近場噴霧研究結果表明，無倒角噴孔的噴霧錐角比倒角噴孔的大一倍，同時破碎的位置更接近噴孔。如果噴孔內存在較強的空化，噴射壓力對宏觀噴霧特性的影響可以忽略，如圖4所示。在相同噴射條件下，無倒角噴嘴的液滴SMD要明顯小于倒角噴嘴的，這主要是由于孔內空化改善了噴霧霧化。試驗和仿真結果表明，等直徑圓柱型噴孔空化現象的發生與入口圓角半徑直接相關，但是由于精確的噴孔結構的加工非常困難，所以仍無相關定量試驗佐證。

圖4 不同噴射壓力下的無倒角噴嘴的噴霧形態

由于微孔加工和液力研磨的不均勻性，導致入口圓角沿周向存在不一致性，這會對噴霧貫穿距離、空化臨界壓力和噴孔周向的流動速度產生影響，從而噴霧破碎的發生位置在周向也存在不均勻性，如圖5所示。噴孔入口圓角半徑及入口圓角半徑的周向均勻性是噴嘴加工中非常關鍵的控制指標。

圖5 噴孔入口圓角不均勻度對噴霧特性的影響

噴孔表面粗糙度對真實柴油噴孔的影響研究幾乎沒有。其他噴嘴的研究結果表明，在較低雷諾數情況下，噴孔粗糙度的增加會降低流量系數，但是在較高雷諾數情況下粗糙度影響很小。另外，粗糙度會影響噴孔空化的形成。噴嘴實際加工中采用的磨料流加工方法(AFM)可以有效改善柴油噴嘴內部的粗糙度水平。同時國外已經嘗試在50μm孔徑的噴嘴內部采用化學鍍鎳的方法來改善表面粗糙度，并且進行了噴霧特性的對比，如圖6所示。

圖6 有無鍍層噴嘴的噴霧圖像對比

從噴孔粗糙度的研究來看，內表面的光滑程度會對燃油和噴嘴壁面相互作用，尤其會對邊界層產生影響。在一定范圍內，噴嘴內表面粗糙度越好，越有利于各孔噴霧一致性的改善。但是此因素的影響范圍和程度仍沒有定量的研究結論。

1.4 噴孔數量和噴孔位置

為了滿足柴油機功率輸出的要求，噴孔數量主要取決于噴孔直徑及噴射壓力，即需要滿足循環供油量的要求。柴油機噴嘴常用多孔噴油器，所以各個噴孔噴霧特性的一致性一直是研究的重點。但是多孔噴嘴內部，孔結構特征的不一致性，孔與孔之間流動的相互作用很難控制，尤其是噴孔間條狀空化現象的發生，導致不同噴孔的流量和噴霧特性的差異。

為了揭示噴孔位置對噴霧特性的影響，針對單孔、3孔、6孔噴油器的近場噴霧特性的研究表明，噴孔數量會影響壓力室壓力，從而導致針閥運動差異，主要表現在針閥的開閉時刻，這與單孔和多孔噴嘴的流量差異有關,同時噴霧的速度分布也受噴孔位置的影響。2孔與6孔噴油器的研究表明，130°夾角的2孔噴油器在小針閥升程區域的噴霧寬度明顯增大，主要是由于空化和噴嘴內部的渦旋流動形成中空錐形噴霧，而大針閥升程下則無明顯的旋流噴霧，如圖7所示。

多孔噴嘴的中空噴霧形態與單孔噴嘴存在顯著不同，主要是由于單孔噴嘴的對稱性，在壓力室內產生旋流的可能性很小。壓力室旋流是多孔噴嘴的固有特性，會增強多孔噴嘴中孔與孔之間的相互作用，從而導致內流更加的不穩定，單次噴射的差異性也增大。由于噴孔與軸線的夾角對旋流的強度存在影響，旋流的存在對噴霧特性影響非常大，初步的研究表明，噴孔內旋流條狀氣穴比膜狀氣穴控制難度更大，其產生和強度與較多因素有關，顯著影響碳煙排放。但是針對噴嘴結構與旋流特性的影響規律仍不明確，同時條狀空穴的發生規律仍有待揭示。由于此現象主要發生在小針閥升程，所以可能對多次噴射中的預噴影響較大。但是從噴霧霧化的角度來看，多孔噴嘴固有的孔內旋流特性，可明顯增加噴霧錐角，類似于液膜破碎過程，這對于改善噴霧和油氣混合是有利的。

圖7 170μm和538μm針閥升程的兩孔噴嘴的噴霧形態

2 壓力室參數

柴油機常用的噴嘴壓力室形式主要有小壓力室型(MS)和VCO型。上世紀90年代的研究已經發現，壓力室容積的減小有利于減小SMD，并且噴霧的形成與發展也與壓力室容積有關。小壓力室優勢在于可以有效控制HC的排放。針對MS和VCO型噴嘴的系統研究表明，在無空化情況下，MS噴嘴的流量系數和有效噴射速度更高，噴霧貫穿距離更長，但是噴霧錐角則偏小。而VCO型噴嘴更有利于油氣的混合過程，可以從圖8所示的噴霧過程中的油氣當量比看出。仿真的結果也表明，VCO噴嘴更易在噴孔內形成氣穴，側重于結構引入的膜狀氣穴為主。

圖8 VCO和SAC型噴嘴的噴霧當量比

但是MS噴嘴和VCO噴嘴對內部氣穴的形成也存在差異，主要表現在與中空環型噴霧密切相關的條狀氣穴的產生。在50MPa噴射壓力以下，MS噴嘴會形成條狀氣穴(內部旋流)和膜狀氣穴(入口結構引起)，而VCO噴嘴僅僅產生膜狀氣穴，如圖9所示。另外，針對MS型噴嘴的研究，在改變針閥頂部包角的同時改變了壓力室的容積。結果表明，噴嘴壓力室容積減小，噴嘴內部的旋流強度降低，抑制了條狀氣穴產生，從而噴霧錐角明顯降低。高雷諾數下的研究則發現VCO噴嘴會在噴孔對應的針閥表面位置形成特有的條狀氣穴。這表明VCO噴嘴入口需要更高的噴射壓力才能形成引起氣穴的旋流強度。而不同噴孔間的條狀氣穴特性則是影響噴霧穩定性的主要因素。基于噴嘴振動頻率的研究，揭示了MS噴嘴相比于VCO噴嘴，在噴孔關閉時存在更強的空化現象。

壓力室形狀對噴霧特性的一般影響規律可以總結為，VCO噴嘴在減小壓力室容積后，傾向于降低內部旋流強度，抑制條狀空穴的產生，但是噴嘴入口處則更易于形成膜狀空化，有利于油氣混合。而MS噴嘴的流速更快，噴霧貫穿距離更長。另外，壓力室容積與噴嘴內部旋流強度的緊密關系表明，條狀氣穴的產生在很大程度上伴隨著壓力室容積的填充過程，而壓力室的填充則顯著影響壓力室壓力的穩定。這從針閥升程對壓力室流動速度和壓力的影響規律，以及大針閥升程下內流無旋流的特征中可以確定(圖7所示)。而MS型噴嘴關閉時刻可能存在的較強空化現象也與壓力室壓力的降低有關(壓力室進出口流量不同)。VCO和MS型噴嘴的仿真結果表明，壓力室容積的差異性，會影響針閥升程與噴嘴流量的關系。MS和VCO型噴嘴分別在75μm和200μm的針閥升程才可達到流量穩定。壓力室形狀和壓力室容積對于壓力室內部壓力穩定過程會產生顯著影響，同時旋流的強度與壓力室內部的流動空間關系密切，進而改變了內部流動的動態特性，導致了噴霧特性的變化，而此過程又與針閥升程緊密聯系在一起。新型的噴嘴設計在消除壓力室容積之后，可以有效抑制條狀氣穴的產生，屏蔽了孔與孔之間的條狀氣穴作用，增強了單次噴霧穩定性。但是，針對壓力室結構幾何參數對壓力室壓力和內部旋流特征的影響規律仍需要進一步的揭示，這對于串聯內部流動和噴霧特性十分重要。

3 結論

柴油噴嘴內部結構會顯著影響噴嘴內部的流動特性和噴霧的動態特性，從而進一步影響燃油在柴油機缸內的混合蒸發過程，最終對缸內燃燒和排放物的生成產生影響。本文從柴油噴嘴內部結構的孔徑、長徑比、錐度、入口圓角、表面粗糙度和壓力室形狀等幾個方面，回顧了噴嘴幾何結構參數對噴霧特性和內部流動的主要研究結果。可以從中得到某些幾何參數對噴霧的一般性影響規律，但是各個結構參數之間對噴霧特性的作用存在耦合關聯性；結構參數變化引入的空穴現象會影響內流，同時會導致噴霧特性的改變，因此進一步的研究有必要在結合空穴指標的前提下對比結構參數的影響。工業用柴油噴嘴往往存在與設計尺寸相背離的加工缺陷，所以導致在噴霧特性和內流方面的試驗研究結果參差不齊，規律又存在不確定性，因此亟需定量的精確結構加工來揭示幾何結構尺寸與噴霧和內流特性的本質規律。

另一方面，噴霧和內流研究的主要手段——數值仿真，其計算結果的準確性也是需要定量的具有代表性的試驗來佐證。值得注意的是，近些年來噴霧試驗研究手段的擴展和更新，尤其是不同于傳統可見光測量方法的X射線和中子成像等技術的應用，已經在針閥動態過程、噴霧形態和噴嘴內部流動領域取得了很多創新性的成果。這為從可視化的試驗角度揭開噴嘴結構與內流和噴霧特性之間內在聯系提供了可能，從而更加準確地指導噴嘴結構的最優化設計。

[1] 冀樹德,張偉,高波,等.柴油發動機及車輛排放法規的發展動態[J].鐵道機車車輛,2011,31: 106-109.

[2] Som S. Development and validation of spray models for investigating diesel engine combustion and emissions[D]. Mechanical Engineering, Chicago, Illinois University of Illinois at Chicago, 2009: 8-9.

[3] Mahr B. Future and potential of diesel injection systems[M]. Valencia, Spain: Springer Berlin Heidelberg, 2002: 3-17.

[4] Payri R, Salvador F J, Gimeno J, et al. Diesel nozzle geometry influence on spray liquid-phase fuel penetration in evaporative conditions[J]. Fuel, 2008, 87(7): 1165-1176.

[5] Im K-S, Cheong S-K, Powell C F, et al. Unraveling the geometry dependence of in-nozzle cavitation in high-pressure injectors[J]. SCIENTIFIC REPORTS, 2013, 3(2067): 1-5.

[6] D.Potz, W.Christ, B. Dittus, et al.柴油機噴油嘴是噴油系統與燃燒室之間的關鍵接口[J].現代車用動力,2004, 4: 11-15.

[7] Desantes J M, Payri R, Pastor J M, et al. Experimental characterization of internal nozzle flow and diesel spray behavior. Part Ⅰ: nonevaporative conditions[J]. Atomization and Sprays, 2005, 15(5): 489-516.

[8] 鄭金保,繆雪龍,洪建海,等.共軌系統小壓力室噴油嘴噴霧特性[J].內燃機學報,2011,29(5): 431-437.

[9] Siebers D L.Liquid-phase fuel penetration in diesel sprays[C].SAE Paper 980809,1998.

[10] Desantes J M, Pastor J V, Payri R, et al. Experimental characterization of interanl nozzle flow and diesel spray behavior. part Ⅱ: evaporative contions[J]. Atomization and Sprays, 2005,15(5): 517-544.