柴油機交叉孔噴嘴自由噴霧特性實驗研究?

向立明，田江平，隆武強，袁文華

(1.湖北文理學院汽車與交通工程學院，襄陽 441053； 2.大連理工大學能源與動力學院，大連 116024；3.邵陽學院機械與能源工程學院，邵陽 422000)

前言

柴油機噴霧霧化效果對燃燒有重要影響，優化柴油機噴霧對提高燃油經濟性和改善排放非常關鍵。在新型柴油機設計中，為減小碳煙生成，主要通過提高燃油空氣的混合速率和減小燃燒過程中過濃混合氣分布的區域，從而改變燃燒在空間和時間上分布來實現。通過優化噴油器噴嘴設計來加強噴霧體內的湍流擾動是提高油氣混合速率的有效手段。1987年大連理工大學胡國棟教授首次提出“傘噴燃燒系統”[1]的概念，經過近40年的探索研究，傘噴噴油嘴前后經歷三代[2-7]，增大噴霧貫穿距和噴霧擴散面積使噴霧分布更均勻。日本廣島大學的西田等[8-12]人對組孔噴油嘴的研究得出與單孔噴油嘴相比其噴霧破碎更徹底、霧化效果更好的結論。美國威斯康星大學的Reitz等人的實驗[13-14]也證明了組孔噴嘴在特定條件下能降低柴油機的油耗。大連理工大學隆武強教授在2008年提出了交叉孔噴油嘴結構的設計思想，在相同的噴射壓力下可得到更好的霧化效果[15]。董全等人的實驗表明，交叉孔噴嘴的噴霧錐角更大，霧化效果更好[16-18]。之前的研究主要集中在噴霧的初次破碎，為進一步研究噴霧后續氣相的發展，本文中基于可視化定容彈系統，利用陰影法研究噴射壓力、溫度、背壓和交叉角度對交叉孔噴嘴的噴霧特性的影響，并與單孔噴油嘴進行對比，探究交叉孔噴油嘴在噴霧過程中的優勢。

1 實驗方法與裝置

噴霧與燃燒可視化實驗臺總體布置如圖1所示，主要由定容彈、燃油噴射系統(包括壓力產生器、共軌管、噴油器等)和高速攝影機等部件組成。定容彈內的氣體通過布置在其中的電阻絲來加熱，最高可提供的溫度為1 000K，壓力為10MPa。溫度檢測采用K型熱電偶，最高可測量溫度為1 300K。采用NCI3.1 052型噴油器，由電磁閥控制噴射。控制軟件給出信號后電磁閥打開，高壓燃油通過噴油器噴入定容彈內。壓力產生器在高壓共軌內產生最高可達660MPa的超高壓力。基于NI CompactRIO和LabVIEW控制程序的同步控制系統可實現精確的控制。高速攝影機記錄整個噴霧起始發展過程，型號為 FASTCAM SA-Z，鏡頭型號為 AF-S VR 70-300mm f/4.5-5.6G IF-ED。在計算機上使用相機自帶的PFV軟件來控制調節相機的分辨率和拍攝幀速率等參數。

圖1 可視化實驗臺總體布置

自由噴霧實驗主要采用陰影法，分別觀測高蒸發態和低蒸發態下的自由噴霧特性。圖2為紋影儀的原理示意圖，去除刀口，即可得到噴霧場內液相變化的陰影法圖像。

圖2 紋影儀原理示意圖

2 實驗條件

圖3 單孔和交叉孔結構圖

實驗中選用了4種噴嘴，其結構尺寸如圖3所示。交叉噴孔直徑為0.14mm，交叉角為15°，20°和25°，同時選用直徑0.14mm的單孔噴嘴進行對比。其中20°交叉孔噴油器僅在研究交叉角對噴霧的影響時采用。本文中研究噴射壓力、溫度、背壓和交叉角對交叉孔噴嘴噴霧特性的影響，實驗條件如表1所示。

表1 自由噴霧實驗條件(陰影法)

3 實驗結果與分析

3.1 噴射壓力的影響

3.1.1 低蒸發態

在較低的環境溫度(560K)下噴霧液滴蒸發相對較慢，本文中將此噴霧狀態稱為低蒸發態，較高的環境溫度下的噴霧狀態稱為高蒸發態。

(1)噴霧宏觀結構

溫度560K，背壓3MPa和噴射壓力160MPa下單孔與15°和25°兩個角度的交叉孔不同時刻的噴霧圖像如圖4所示。由圖可見，0.5ms ASOI(噴射開始后時間)時刻單孔噴嘴的貫穿距要比兩種交叉孔噴嘴都長，而15°和25°交叉孔噴霧錐角和噴霧投影面積都比單孔的大。在環境氣體的卷吸作用下，0.9ms ASOI，15°和25°交叉孔噴霧圖像邊緣可明顯地觀測到更多的細小液滴破碎和湍流渦團，25°交叉孔的左下側小范圍出現液滴蒸發并向周圍擴散，如圖中淺色橢圓范圍所示。在1.1和1.3ms ASOI時刻，25°交叉孔噴霧前沿兩側出現范圍更大的氣相擴散蒸發，如圖中深色橢圓范圍所示；而15°交叉孔噴霧邊緣也出現了很多湍流渦團，在1.3ms ASOI時刻也出現了小范圍的氣相蒸發擴散，但比25°交叉孔的要小很多。在1.3ms ASOI時刻，單孔噴霧邊緣也出現渦團和小液滴的破碎，以及范圍更小的氣相蒸發擴散。

(2)貫穿距

圖4 160MPa下噴霧圖像

不同噴射壓力下3種噴嘴自由噴霧貫穿距如圖5所示。80，120和160MPa對應的噴射脈寬分別為2.15，1.55 和 1.05ms。

80MPa時噴射前期單孔和15°交叉孔自由噴霧貫穿距相差不大，而25°交叉孔噴霧前期貫穿距小于前兩者。說明交叉孔交叉角使噴孔匯聚時噴束的動量損失增大，減小了軸向動能。這種損失隨著噴射壓力提高而增大，故在噴霧前期，單孔貫穿距大于交叉孔噴霧貫穿距的幅度隨著噴射壓力提高而增大；在80MPa噴射壓力下，15°交叉孔貫穿距大于25°交叉孔，大交叉角度導致更多的動量損失。而隨著噴射壓力的提高，2個角度噴霧前期貫穿距的差距在減小，說明較高的噴射壓力增強液滴破碎效果，25°交叉孔由于交叉角度較大，油滴破碎受噴射壓力影響較大，細小的破碎液滴擴展較快，一定程度上彌補了由于大交叉角度而導致的更多的動量損失。在噴霧后期，與單孔相比，15°和25°交叉孔噴霧貫穿距明顯增大，隨著噴射壓力提高，交叉孔和單孔貫穿距差距縮小。

(3)噴霧錐角

圖5 不同噴射壓力下貫穿距

圖6 為噴射壓力80和160MPa下單孔與15°和25°交叉孔噴霧錐角的折線圖。低蒸發態下，噴霧錐角主要受噴射壓力和交叉角的影響。在噴霧前期主要是密集的液注階段，在80MPa的低噴射壓力條件下，兩種角度交叉孔噴霧錐角折線圖幾乎重合，當提高噴射壓力后，較大角度的交叉孔徑噴霧錐角有很大提高，在噴霧前期25°交叉孔噴霧錐角比15°大。在噴霧后期由于蒸發較少，且本文中采用的是測量1/2貫穿距處的噴霧錐角，沒有考慮噴霧前沿蒸發擴散的不規則氣相部分，兩種角度的交叉孔噴霧錐角接近。交叉孔噴霧在兩種壓力下的噴霧錐角均明顯大于單孔噴霧錐角。隨著噴射壓力的提高，交叉孔噴霧錐角和單孔噴霧錐角的差距在增大，且25°交叉孔增幅大于15°交叉孔。

3.1.2 高蒸發態

溫度760K，4MPa的環境工況，160MPa噴射壓力下單孔和兩種角度的交叉孔不同時刻的噴霧圖像如圖7所示。可以看出，在高溫和高噴射壓力下，交叉孔蒸發比單孔提前很多，其中25°交叉孔的蒸發提前明顯。在噴霧前期，25°交叉孔噴霧邊緣細小液滴破碎和氣相蒸發擴散現象非常明顯。15°交叉孔噴霧前沿向周邊不規則的蒸發擴散的范圍明顯比25°交叉孔小。但與單孔相比較，噴霧面積要大很多，而且前沿氣相范圍更廣。

圖6 不同噴油壓力下的噴霧錐角

圖7 160MPa下噴霧圖像

不同噴射壓力對貫穿距的影響如圖8所示。噴霧前期單孔與交叉孔貫穿距差距不大，這是由于較高的溫度和噴射壓力下，交叉孔前期噴霧蒸發加強，氣相軸向擴散在一定程度上彌補了噴射初始由于交叉角度帶來的動量損失。在160MPa噴射壓力下25°交叉孔貫穿距短于15°交叉孔和單孔。這是由于過高噴射壓力帶來的動量方面的損失和促使液滴破碎與蒸發氣相向徑向周邊擴散蒸發的作用大于氣相蒸發軸向擴散對貫穿距的彌補作用，高噴射壓力和高蒸發溫度對較大交叉角度的交叉孔蒸發的影響更大。在噴霧后期，15°的交叉孔貫穿距始終略大于單孔貫穿距，這可能是因高蒸發溫度下交叉孔氣相蒸發效果強于單孔，交叉孔噴霧邊緣液滴破碎蒸發更快，細小的破碎液滴伴隨著氣相蒸發加強，噴霧前沿氣相蒸發軸向擴展更快所致。而25°交叉孔則始終低于單孔和15°交叉孔，這是因為大交叉角度使噴霧發展過程中向周邊蒸發擴散效果較強，動量損失多，空氣卷吸阻力作用大的緣故。可以看出，隨著噴射壓力的增大，交叉孔與單孔貫穿距的差距縮小。

圖8 不同噴射壓力下貫穿距

圖9 為80和160MPa噴射壓力下3種噴嘴噴霧錐角折線圖。與低蒸發態噴霧錐角變化規律類似，兩種角度的交叉孔噴霧錐角明顯大于單孔，且隨著噴射壓力的提高而明顯增大。25°交叉孔噴霧前中期錐角比15°交叉孔大，且隨著噴射壓力的提高而差距變大，這是由于在高蒸發態下，提高噴射壓力對較大交叉角度影響作用更大，使大角度交叉孔噴霧邊緣更易蒸發擴散，從而增大了噴霧錐角。

3.2 溫度的影響

(1)貫穿距

圖10為3種噴嘴在160MPa噴射壓力和不同的環境條件下貫穿距的對比。

圖9 不同噴油壓力下的噴霧錐角

可以看出，在噴霧前期，單孔在高蒸發態下貫穿距明顯短于低蒸發態。隨著噴霧發展，在噴霧后期蒸發加強，貫穿距增大直至超過低蒸發態。而兩種角度交叉孔在噴霧前期，其高蒸發態噴霧貫穿距就略大于低蒸發態，15°交叉孔高蒸發態貫穿距大于低蒸發態的幅度更明顯，說明交叉孔蒸發較單孔提前，細小液滴破碎蒸發擴散增大了噴霧貫穿距。小角度交叉孔在噴霧軸向蒸發擴展更快，而大角度交叉孔噴霧徑向擴展更快。

圖10 不同溫度貫穿距對比

(2)噴霧錐角

圖11為3種噴嘴在160MPa噴射壓力和不同的環境條件下噴霧錐角的對比。

圖11 不同溫度噴霧錐角對比

可以看出，無論在高蒸發態還是低蒸發態，單孔自由噴霧錐角均遠小于交叉孔，且溫度提升后，噴霧錐角提升較小，說明加強蒸發后單孔自由噴霧邊緣液滴破碎蒸發效果不如交叉孔，而交叉孔在低蒸發態和高蒸發態的自由噴霧錐角遠大于單孔，交叉角度越大噴霧錐角越大。高蒸發態對25°交叉孔噴霧錐角的增大程度大于15°交叉孔，這是因為較大的交叉角的噴霧錐角更大，氣相蒸發更早，擴散范圍更廣。

3.3 背壓的影響

(1)貫穿距

溫度760K，噴射壓力160MPa不變，3和4MPa兩種背壓下3種噴嘴噴霧貫穿距對比如圖12所示。

可以看出，當背壓從3加大到4MPa時，單孔自由噴霧貫穿距減小不明顯，而交叉孔受背壓的影響較大，背壓升高后，貫穿距明顯減小，且25°交叉孔減小比15°交叉孔明顯。這是由于交叉孔噴霧前沿蒸發量較多，氣相貫穿距受到氣壓影響較大，較大的交叉角噴霧蒸發擴散范圍廣，受環境氣體阻力作用大。

圖12 不同背壓噴霧貫穿距對比

(2)噴霧錐角

溫度760K，噴油壓力160MPa不變，3和4MPa兩種背壓下3種噴嘴自由噴霧錐角的對比如圖13所示。

可以看出，隨著背壓的提高，3種噴嘴的噴霧錐角都明顯增大，交叉孔噴霧錐角的增幅大于單孔。25°交叉孔在兩個背壓下噴霧錐角均大于15°交叉孔，尤其在噴霧前期高背壓較低背壓錐角提高程度大于15°交叉孔，這也說明與較小角度的交叉孔相比，大角度的交叉孔噴霧邊緣易蒸發，噴霧前期周圍氣相蒸發量很多。

3.4 交叉角的影響

溫度760K，背壓4MPa和噴射壓力160MPa下，對比15°，20°和25°交叉孔自由噴霧特性。圖14為3種交叉角噴嘴自由噴霧貫穿距和噴霧錐角折線圖。

可以看出，隨著交叉角的增大，噴霧貫穿距逐漸減短，而噴霧錐角逐漸增大。

圖13 不同背壓噴霧錐角對比

圖14 不同交叉角度交叉孔噴霧貫穿距和錐角對比

4 結論

本文中采用可視化方法研究了交叉孔噴嘴的噴霧特性，獲得如下結論。

(1)隨著噴孔交叉角從15°到25°逐漸增大，噴霧貫穿距逐漸減短，而噴霧錐角逐漸增大。交叉孔噴霧蒸發明顯強于單孔。15°交叉孔噴霧前端蒸發明顯，這是15°交叉孔貫穿距大于單孔的原因；25°交叉孔噴霧邊緣蒸發擴散范圍最廣，這是25°交叉孔噴霧錐角最大、貫穿距最短的原因。

(2)噴射壓力提高會增大交叉孔噴霧前期動量損失，交叉角越大，損失越多。交叉角較大的噴霧錐角受噴射壓力影響較大，噴射壓力越高，錐角增大越明顯。

(3)低蒸發溫度下，噴霧前期單孔貫穿距明顯大于交叉孔，隨著噴射壓力增大，差距增大；高蒸發溫度下，噴霧前期單孔和交叉孔貫穿距的差別較小，說明交叉孔噴霧前沿蒸發較強，氣相擴展較快。高蒸發溫度下，交叉孔噴霧錐角增大程度大于單孔，蒸發擴散范圍更廣；交叉角越大，增幅越大。

(4)背壓提高后，總的趨勢是噴霧貫穿距縮短，而噴霧錐角增大，但單孔噴霧貫穿距縮短沒有交叉孔明顯，同時交叉孔噴霧錐角增大程度大于單孔，交叉角越大，增幅越大，說明交叉孔噴霧液滴破碎更小，分布范圍更大，氣相擴展更廣。