柴油機(jī)噴油器噴孔積碳對噴霧影響研究

王憲成， 趙文柱， 和穆， 楊紹卿， 徐冬冬

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系, 北京 100072)

柴油機(jī)噴油器噴孔積碳對噴霧影響研究

王憲成， 趙文柱， 和穆， 楊紹卿， 徐冬冬

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系, 北京 100072)

在定容彈中進(jìn)行了柴油機(jī)噴油器冷態(tài)噴霧特性試驗(yàn)，對比分析了積碳噴油器和新噴油器在不同噴射條件下的噴霧貫穿距和噴霧錐角。試驗(yàn)結(jié)果表明：噴油器噴孔積碳后，噴霧貫穿距和噴霧錐角減小，噴射初期差距較大，噴射后期差距縮小；噴射壓力越大，噴霧貫穿距和噴霧錐角下降越明顯。利用光學(xué)顯微鏡觀察噴孔出口積碳發(fā)現(xiàn)，噴孔出口積碳分布在噴孔外沿，改變了原有的出口結(jié)構(gòu)。利用流體體積方法，對噴孔內(nèi)部流動進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析了孔內(nèi)積碳、出口積碳以及噴孔增長對噴孔內(nèi)部流動的影響。計(jì)算結(jié)果表明：孔內(nèi)積碳、出口積碳、噴孔增長導(dǎo)致噴孔內(nèi)部空化效應(yīng)減弱，出口質(zhì)量流量、速度、湍動能下降，油束霧化質(zhì)量變差，出口積碳影響作用更大。

動力機(jī)械工程； 噴孔積碳； 噴霧特性； 內(nèi)部流動； 流體體積方法

0 引言

噴孔作為噴油器的關(guān)鍵部件，對油氣混合氣的形成和燃燒質(zhì)量有著直接的影響[1]。噴孔積碳后改變了噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，造成噴油器流量損失增大、噴霧質(zhì)量下降、發(fā)動機(jī)功率降低等問題，已成為制約發(fā)動機(jī)性能的重要因素[2-5]。因此，研究噴油器噴孔積碳對噴霧特性的影響對于發(fā)動機(jī)性能的正常發(fā)揮具有重要意義。

Kumagai等[6]采用新的積碳試驗(yàn)方法，在油料中添加鋅元素后發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)運(yùn)行300 h后扭矩線性下降9%，拆解噴油器部件后在噴孔處觀察到積碳。Magno等[7]采用可視化4沖程單缸柴油機(jī)，研究了不同程度的積碳噴油器對燃燒的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：積碳導(dǎo)致噴油器流量減小；積碳程度越嚴(yán)重，燃燒時產(chǎn)生的NOx化合物越多，燃燒室溫度越高。Risberg等[8]采用歐州經(jīng)濟(jì)委員會CEC F-98-08試驗(yàn)方法研究了鋅及其他金屬元素對噴孔積碳形成的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鋅及其他金屬元素加速噴孔積碳形成，孔內(nèi)積碳顆粒在2～4 μm范圍內(nèi)。目前，積碳噴油器對噴霧特性的影響規(guī)律以及原因等方面的研究較少。

本文利用高速攝像、定容彈噴霧技術(shù)研究了積碳噴油器對噴霧特性的影響，使用光學(xué)顯微鏡觀察了噴孔出口積碳的微觀形貌，根據(jù)噴孔內(nèi)部流動計(jì)算結(jié)果分析了積碳噴油器對噴霧特性影響的根本原因。

1 噴霧特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

柴油機(jī)噴油器噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括噴油泵試驗(yàn)臺、定容彈、高速攝像機(jī)、光源、采集控制系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等。噴油泵試驗(yàn)臺為泰安市新寶地試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的XBD-EMC系列，轉(zhuǎn)速、溫度、計(jì)數(shù)、壓力等均由計(jì)算機(jī)屏幕顯示。高速攝像機(jī)型號為Memrecam HX-6，試驗(yàn)時設(shè)置攝像機(jī)采樣幀數(shù)為6 000幀/s，分辨率960×800. 試驗(yàn)用噴油泵為某型柱塞式12缸泵，噴油器為某型多孔密封式噴油器，噴孔數(shù)8個，噴孔直徑0.35 mm，開啟壓力21 MPa. 積碳噴油器已進(jìn)行400 h耐久性試驗(yàn)，對比噴油器為同型號新噴油器。

試驗(yàn)僅拍攝其中一個噴孔的噴霧圖像，為防止其他噴孔噴射過程中相互干擾，設(shè)計(jì)了噴孔擋片，將其安裝在噴油嘴針閥體上，只保留其中一個噴孔。這樣，在燃油噴射時，保留噴孔噴射不受影響，其余噴孔燃油沿?fù)跗蛳铝鞒觥?/p>

圖1 噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Spray test system

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

噴霧特性的宏觀參數(shù)主要是貫穿距和噴霧錐角，本文對貫穿距和噴霧錐角的定義如圖2所示。貫穿距L是指噴霧油束所能達(dá)到的最大長度，噴霧錐角θ是指噴霧油束縱向最寬的兩個點(diǎn)與噴孔連線的夾角。

圖2 貫穿距及噴霧錐角定義Fig.2 Definition of spray penetration distance and cone angle

試驗(yàn)時，噴油泵轉(zhuǎn)速分別為350 r/min、1 000 r/min，定容彈內(nèi)壓力分別為2.0 MPa、2.8 MPa，與某型車不同轉(zhuǎn)速下噴油始點(diǎn)燃燒室內(nèi)壓力相同，溫度為20 ℃. 為了消除隨機(jī)誤差，同一條件下進(jìn)行3次試驗(yàn)，圖3～圖6為新噴油器與積碳噴油器不同試驗(yàn)條件下的噴霧圖像，圖像間隔0.5 ms，為了便于觀察，圖像經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后豎直向下。

我國養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)在經(jīng)濟(jì)的帶動下不斷發(fā)展，畜禽交易以及運(yùn)輸?shù)雀黝惿虡I(yè)性質(zhì)的貿(mào)易活動越來越多，大幅度提升了人畜共患傳染病的幾率，不僅會對我國畜牧業(yè)的健康發(fā)展造成嚴(yán)重影響，而且會威脅人類的生命健康。布魯氏菌類屬于一種病原菌，寄生在細(xì)胞內(nèi)部，一旦感染此種菌病會對動物的淋巴系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)進(jìn)行侵害，以流產(chǎn)、波狀熱為主要臨床表現(xiàn)，情況嚴(yán)重時直接制約畜牧行業(yè)的發(fā)展，影響我國的國民經(jīng)濟(jì)。

圖3 轉(zhuǎn)速350 r/min、背壓2.0 MPa時新噴油器噴霧圖像Fig.3 Spray image of new injector at rotating speed of 350 r/min and back pressure of 2.0 MPa

圖4 轉(zhuǎn)速350 r/min、背壓2.0 MPa時積碳噴油器噴霧圖像Fig.4 Spray image of carbon-deposited injector at rotating speed of 350 r/min and back pressure of 2.0 MPa

圖5 轉(zhuǎn)速1 000 r/min、背壓2.8 MPa時新噴油器噴霧圖像Fig.5 Spray image of new injector at rotating speed of 1 000 r/min and back pressure of 2.8 MPa

圖6 轉(zhuǎn)速1 000 r/min、背壓2.8 MPa時積碳噴油器噴霧圖像Fig.6 Spray image of carbon-deposited injector at rotating speed of 1 000 r/min and back pressure of 2.8 MPa

從圖3～圖6可以看出，相同技術(shù)狀況的噴油器，轉(zhuǎn)速越高、背壓越大，噴霧錐角增大。積碳噴油器相對于新噴油器噴霧錐角變小，轉(zhuǎn)速越高、背壓越大，差距越明顯。為了定量分析噴霧特性，利用Matlab編寫了圖像處理程序，得到貫穿距和噴霧錐角的具體值。轉(zhuǎn)速350 r/min、背壓2.0 MPa時新噴油器和積碳噴油器貫穿距如圖7所示。從圖7可以看出，積碳噴油器噴霧貫穿距小于新噴油器，噴霧發(fā)展初期差距較大，噴霧發(fā)展后期差距逐漸縮小。噴孔內(nèi)部積碳導(dǎo)致噴孔壁面粗糙度增大，出口積碳一定程度上造成噴孔出口結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出口區(qū)域有可能產(chǎn)生不規(guī)則的變化，出口不對稱以及凹凸不平。噴孔壁面粗糙度增大，對內(nèi)部燃油流動產(chǎn)生了較大的擾動和阻力，燃油與壁面摩擦損失增大，進(jìn)而影響噴孔出口速度，導(dǎo)致噴霧貫穿距減小。噴孔出口積碳在一定程度上導(dǎo)致噴孔長度增加，造成噴孔出口速度減小、質(zhì)量流量減小；同時由于出口結(jié)構(gòu)的不規(guī)則，使燃油流動發(fā)生紊亂，噴孔出口速度變化增大，能量損失增加。轉(zhuǎn)速350 r/min、背壓2.0 MPa時新噴油器和積碳噴油器噴霧錐角如圖8所示。從圖8可以看出，噴霧錐角隨時間不斷減小，噴霧發(fā)展后期噴霧錐角趨于穩(wěn)定，積碳噴油器噴霧錐角小于新噴油器。噴孔出口積碳對噴孔出口的流動區(qū)域有所限制，影響原有的噴霧模式，抑制了噴霧油束的流動和擴(kuò)散，造成噴霧錐角減小。

圖7 轉(zhuǎn)速350 r/min、背壓2.0 MPa時貫穿距對比Fig.7 Penetration distances of different injectors at rotating speed of 350 r/min and back pressure of 2.0 MPa

圖8 轉(zhuǎn)速350 r/min、背壓2.0 MPa時噴霧錐角對比Fig.8 Spray cone angles of injector at rotating speed of 350 r/min and back pressure of 2.0 MPa

轉(zhuǎn)速1 000 r/min、背壓2.8 MPa時新噴油器和積碳噴油器貫穿距如圖9所示。從圖9可以看出，積碳噴油器噴霧貫穿距小于新噴油器，噴霧發(fā)展初期差距明顯，噴霧發(fā)展后期差距逐漸縮小。轉(zhuǎn)速1 000 r/min、背壓2.8 MPa時新噴油器和積碳噴油器噴霧錐角如圖10所示。從圖10可以看出，噴霧錐角隨時間不斷減小，噴霧發(fā)展后期噴霧錐角趨于穩(wěn)定，積碳噴油器噴霧錐角小于新噴油器。與圖7、圖8相比，圖9、圖10中積碳噴油器與新噴油器的噴霧貫穿距和噴霧錐角差距變大。隨著轉(zhuǎn)速的升高，噴油壓力增大，燃油流動速度升高，噴孔內(nèi)部空化程度增強(qiáng)，霧化質(zhì)量變好。噴孔積碳不僅導(dǎo)致噴孔出口速度減小，還影響噴孔內(nèi)部空化程度，進(jìn)一步影響油束霧化程度。

圖9 轉(zhuǎn)速1 000 r/min、背壓2.8 MPa時噴霧貫穿距對比Fig.9 Penetration distances of different injectors at rotating speed of 1 000 r/min and back pressure of 2.8 MPa

圖10 轉(zhuǎn)速1 000 r/min、背壓2.8 MPa時噴霧錐角對比Fig.10 Spray cone angles of different injectors at rotating speed of 1 000 r/min and back pressure of 2.8 MPa

2 積碳形貌觀察

為了更加清楚了解噴孔積碳的形貌，采用高分辨率光學(xué)顯微鏡分別觀察了新噴油及積碳噴油器的噴孔形貌。

圖11 新噴油器噴孔形貌(放大145倍)Fig.11 Nozzle morphology of new injector (145×)

圖11所示為新噴油器噴孔形貌。從圖11中可以看出，噴孔出口區(qū)域干凈無異物，有明顯的金屬光澤。

圖12所示為積碳噴油器中4個噴孔的形貌。從圖12中可以看出，噴孔出口有較多的積碳，形狀不規(guī)則，沿噴孔出口外沿分布，由噴孔出口不斷向外堆積，大致呈圓弧狀。與圖11相比，積碳的存在不僅導(dǎo)致噴孔出口結(jié)構(gòu)更加不規(guī)則，同時導(dǎo)致噴孔圓度下降。對圖像進(jìn)行尺寸測量，測得噴孔出口積碳的寬度范圍為0.32～0.53 mm，將二維圖像轉(zhuǎn)化為三維圖像，測得噴孔出口積碳的高度范圍為0.12～0.20 mm.

3 噴孔內(nèi)部流動數(shù)值計(jì)算

噴孔積碳影響噴霧質(zhì)量的根本原因是由于對噴孔內(nèi)部流動的影響。本文利用三維流體力學(xué)仿真軟件，采用k-ε模型和流體體積(VOF)方法，對噴孔內(nèi)部流動和射流進(jìn)行數(shù)值模擬，分析噴孔積碳對噴孔內(nèi)部流動的影響。

3.1 物理模型

圖13 噴油器物理模型Fig.13 Physical model of injector

本文計(jì)算分析4種不同噴孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流動情況，如圖14所示。

圖14 4種噴孔結(jié)構(gòu)Fig.14 Four kinds of nozzle structure

圖14(a)是干凈噴油器，噴孔沒有積碳。圖14(b)是噴孔內(nèi)部積碳，由于現(xiàn)有條件無法觀察內(nèi)部積碳的大小，本文根據(jù)文獻(xiàn)[9]中拍攝的噴孔內(nèi)部形貌進(jìn)行設(shè)置。文獻(xiàn)[9]中噴孔內(nèi)部積碳顆粒長度范圍為20～40 μm，厚度只有幾微米，對其進(jìn)行簡化處理，將內(nèi)部積碳設(shè)置為長0.03 mm、高0.006 mm的圓弧凸起，沿噴孔圓周均勻分布，并且在噴孔軸向均勻分布，如圖14(b)中局部放大圖所示。圖14(c)是噴孔出口積碳，根據(jù)圖12中圖像尺寸測量結(jié)果，對不規(guī)則的噴孔出口積碳幾何形狀進(jìn)行簡化處理，將其設(shè)置為半徑0.175 mm的半圓分布在噴孔出口處。圖14(d)是噴孔長度增加，為了對比出口積碳的影響，噴孔長度增長0.175 mm.

3.2 數(shù)學(xué)模型及初始條件

VOF方法由Hirt首次提出，主要思想是通過網(wǎng)格中流體和網(wǎng)格體積分?jǐn)?shù)來確定流體的自由面，追蹤流體的變化[10]。湍流模型選擇k-ε模型，VOF中加入空化模型。入口為壓力邊界，由試驗(yàn)測得噴油器端壓力給出；出口為壓力邊界，設(shè)置為2 MPa；溫度293 K；燃油使用柴油，密度834 kg/m3；初始網(wǎng)格0.002 m，由于噴孔直徑較小，進(jìn)行7級網(wǎng)格加密，射流區(qū)域進(jìn)行5級網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總數(shù)53萬。

圖15 噴孔內(nèi)部及射流區(qū)域密度分布Fig.15 Density distribution of nozzle hole and jet region

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 噴孔結(jié)構(gòu)對密度分布的影響

圖15所示為0.24 ms時噴孔內(nèi)部及射流區(qū)域密度分布。從圖15中可知，噴孔出口積碳對密度分布影響較大。相同時刻，出口積碳降低了噴孔內(nèi)部空化強(qiáng)度。圖16所示為不同時刻圖14(a)中截面A處不同位置的密度值。從圖16中可知：孔內(nèi)積碳、出口積碳以及噴孔長度在一定范圍內(nèi)都削弱了空化效應(yīng)；0.24 ms時，密度平均值與干凈噴孔分別相差40 kg/m3、310 kg/m3、100 kg/m3，出口積碳對空化的影響更大；2.4 ms時，出口積碳對空化效應(yīng)的影響減小，密度平均值與干凈噴孔相差120 kg/m3.

圖16 不同時刻噴孔截面A密度值Fig.16 Densities of section A at different times

噴孔內(nèi)部積碳限制了燃油流動的區(qū)域，導(dǎo)致燃油流動發(fā)生分離，流量的減少造成空化效應(yīng)減弱。噴孔出口積碳不僅導(dǎo)致噴孔長徑比增大，在入口結(jié)構(gòu)不變的條件下，流動速度減慢，空化向中心區(qū)域的擴(kuò)散距離增長，影響空化強(qiáng)度；同時造成噴孔出口處的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，限制燃油流動，抑制了空化強(qiáng)度。噴孔長度增加，液體與空穴區(qū)域的混合距離增長，燃油流動速度下降，對空化有一定的抑制作用。

3.3.2 噴孔結(jié)構(gòu)對湍動能分布的影響

圖17所示為0.24 ms時噴孔內(nèi)部及射流區(qū)域湍動能分布。從圖17中可知，噴孔出口積碳、噴孔長度增加造成噴霧射流區(qū)域湍動能減小，噴孔內(nèi)部積碳影響不明顯。

圖17 噴孔內(nèi)部及射流區(qū)域湍動能分布Fig.17 Distribution of turbulent kinetic energy in nozzle hole and jet region

圖18所示為不同時刻圖14(a)中截面B處不同位置的湍動能。從圖18中可知：噴孔出口處中心湍動能最小，兩側(cè)湍動能逐漸增大；孔內(nèi)積碳、出口積碳以及噴孔長度增加都造成噴孔出口湍動能減小；0.24 ms時，湍動能平均值與干凈噴孔分別相差3 m2/s2、72 m2/s2、45 m2/s2；2.40 ms時，內(nèi)部積碳對湍動能的影響作用減小，湍動能平均值與干凈噴孔相差13 m2/s2.

圖18 不同時刻噴孔出口湍動能值Fig.18 Turbulent kinetic energy in nozzle outlet at different times

孔內(nèi)積碳影響內(nèi)部流動區(qū)域，流動阻力增加，造成出口湍動能減小。出口積碳導(dǎo)致噴孔出口區(qū)域受限，同時沿程阻力增加，湍流強(qiáng)度降低，對出口湍動能影響較大。噴孔長度增加導(dǎo)致流動速度下降，進(jìn)而造成出口湍動能減小。

3.3.3 噴孔結(jié)構(gòu)對速度分布的影響

圖19所示為0.24 ms時噴孔內(nèi)部及射流區(qū)域速度分布。從圖19中可知，噴孔出口積碳導(dǎo)致射流區(qū)域油束速度減小，噴孔內(nèi)部積碳影響較小。圖20所示為不同時刻圖14(a)中截面B處不同位置的速度值。從圖20中可知：孔內(nèi)積碳、出口積碳以及噴孔長度增加都造成噴孔出口速度減小；0.24 ms時，速度平均值與干凈噴孔分別相差4 m/s、20 m/s、14 m/s；2.40 ms時，內(nèi)部積碳對速度的影響作用減小，速度平均值與與干凈噴孔相差6 m/s.

圖19 噴孔內(nèi)部及射流區(qū)域速度分布Fig.19 Velocity distribution of nozzle hole and jet region

噴孔內(nèi)部積碳使孔內(nèi)流動區(qū)域減小，阻礙了液體的流動，造成出口速度減小。噴孔長度增加使得流體流經(jīng)噴孔時沿程阻力增加，出口速度降低。出口積碳導(dǎo)致噴孔長度增加，同時出口區(qū)域受到限制，出口速度下降。

圖20 不同時刻噴孔出口速度值Fig.20 Velocity of nozzle outlet at different times

3.3.4 噴孔結(jié)構(gòu)對質(zhì)量流量的影響

圖21 噴孔出口噴油速率Fig.21 Mass flow rate of nozzle outlet

圖21所示為噴孔出口處的質(zhì)量流量。從圖21中可知，孔內(nèi)積碳、出口積碳以及噴孔長度增加導(dǎo)致噴孔出口質(zhì)量流量下降，質(zhì)量流量平均值與干凈噴孔分別相差0.003 kg/s、0.008 kg/s、0.006 kg/s.

柴油機(jī)工作的可靠性嚴(yán)重依賴燃油霧化質(zhì)量，噴油器噴孔積碳后導(dǎo)致燃油霧化質(zhì)量變差，影響混合氣形成及擴(kuò)散，極易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降、油耗增大、廢氣排放物增多、溫度過高等問題[11-14]，影響發(fā)動機(jī)性能的正常發(fā)揮。

4 結(jié)論

1)柴油機(jī)噴油器噴孔積碳后，噴霧貫穿距降低，噴射初期，下降明顯，噴射后期差距減小，噴霧錐角降低。噴射壓力越大、背壓越大，噴霧貫穿距和噴霧錐角下降越明顯。積碳噴油器霧化質(zhì)量變差。

2)噴油器噴孔出口積碳沿噴孔外沿分布，呈圓弧狀，積碳量較多，改變了原有的噴孔出口結(jié)構(gòu)。

3)噴孔內(nèi)部積碳、出口積碳以及噴孔長度增加導(dǎo)致噴孔內(nèi)部空化強(qiáng)度降低，噴孔出口速度、湍動能、質(zhì)量流量下降，噴孔出口積碳影響作用更大。噴射后期，噴孔出口積碳影響作用逐漸減小。

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Research on the Effect of Diesel Injector Nozzle Deposit on Spray Characteristics

WANG Xian-cheng， ZHAO Wen-zhu， HE Mu， YANG Shao-qing， XU Dong-dong

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

The cold spray characteristics experiment of diesel injector is carried out in a constant volume bomb. The spray penetration distances and cone angles of carbon-deposited injector and new injector in the condition of different injections are analyzed. The results show that the spray penetration distance and cone angle of carbon-deposited injector decrease compared to those of new injector. The value gap is great at the initial stage of injection and is reduced at the late stage of injection. If the injection pressure is increased, spray penetration distance and cone angle would be decreased. The optical micrograph reveals that nozzle external deposit distributes along the orifice, and the original structure is changed. VOF (volume of fluid) is used to numerically calculate the internal flow, and the effects of internal and external deposits and increase in nozzle length on internal flow are analyzed. The results show that the internal and external deposits and increase in nozzle length could result in weakening the cavitation effect, reducing the mass flow rate, velocity and turbulent kinetic energy, and deteriorating the atomization quality. Compared with internal deposit and increase in nozzle length, the external deposit has more impact on internal flow.

power machinery engineering; nozzle deposit; spray characteristic; internal flow; volume of fluid method

2016-06-14

軍隊(duì)科研項(xiàng)目(2014ZB15)

趙文柱(1990—), 男, 博士研究生。E-mail: zhu852433854@126.com

王憲成(1964—), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師。E-mail: xianchengw@sina.com

TK421+.4

A

1000-1093(2017)02-0218-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.002