柴油機噴孔內(nèi)空化過程仿真研究

徐慧　王鵬超

摘 要：為了更好地了解柴油機噴孔內(nèi)燃油流動特性及空化現(xiàn)象，基于幾何結構相似和空化數(shù)相似原理，采用比例放大試驗裝置，并結合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)象對噴孔燃油流量特性的影響。研究結果表明：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。

關鍵詞：柴油機 噴孔 比例放大 入口壓力 空化 質(zhì)量流量

最新柴油機尾氣排放的標準是CO不超過2.2g/km，CH不得超過1.13g/km，顆粒物不得超過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人體的呼吸系統(tǒng)有很大的影響。實驗表面柴油在氣缸內(nèi)燃燒質(zhì)量的好壞會直接影響柴油機尾氣的排放質(zhì)量，柴油在缸內(nèi)燃燒越充分，尾氣排放質(zhì)量越好。而進一步實驗表明，提高柴油的霧化效果能夠使其在缸內(nèi)燃燒更加充分，進而能降低尾氣的排放[1-2]。為了滿足國家排放標準，柴油機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產(chǎn)生高溫、高壓、放電、和激震波等，這不僅會引起機器的噪聲、震動、磨損等問題，還會對氣缸內(nèi)的燃油的霧化和油氣混合過程產(chǎn)生顯著影響，因此進行研究柴油的高壓噴射的同時必須考慮柴油機噴孔內(nèi)的空化流動特性[5]。

汪翔等[6]對柴油機單孔噴油嘴的研究表明： 噴油嘴的噴射壓力提高會加劇入口壓力的波動，而入口壓力的波動現(xiàn)象會使不同時刻噴孔內(nèi)的空化形態(tài)不同，越靠近噴孔出口的空化氣泡動力特性越不穩(wěn)定，也就是說對壓力波動越敏感。鄧海鵬利用比尺效應建立了放大的可視化噴嘴，并開展了噴嘴空化特性研究。結果發(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]。顏學升[8]對比例放大透明噴嘴內(nèi)空穴流動的可視化試驗表明，空穴現(xiàn)象的發(fā)生與雷諾數(shù)沒有直接的聯(lián)系，空穴現(xiàn)象的發(fā)生只有空穴數(shù)有關，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，柴油機噴嘴噴孔長徑比和傾角以及針閥升程、壓力室形狀等幾何結構因素都會影響其內(nèi)部空穴流動特性；噴射燃料的物理特性對柴油機噴嘴空穴流動有重要影響，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臺架上獲得了不同燃油溫度下噴嘴內(nèi)部空穴流動圖像及流動特性數(shù)據(jù)，試驗結果表明，隨著燃油溫度的升高，空穴初生的壓力減小；在同樣的試驗邊界條件下，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)與燃油溫度沒有一定的關系。仇滔[10]等為了研究噴油器的進出口壓力對燃油在噴嘴里的流動的影響，設計了一套出口壓力可調(diào)的試驗裝置，針對高壓共軌噴油器進行了不同出口壓力下的噴油規(guī)律測量，研究了出口壓力對噴油率的影響。試驗表明：噴嘴進出口形成一定的壓力差時，噴孔內(nèi)部會形成空化流動；在處于空化流動階段時，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，空穴流動現(xiàn)象會減弱，噴孔內(nèi)流量系數(shù)會增大。上述文獻表明，噴嘴的進出口壓力以及壓力的穩(wěn)定性會影響孔內(nèi)的空化形態(tài)，并且燃油溫度也會影響噴孔內(nèi)空化現(xiàn)象。因此深入分析入口壓力對噴嘴內(nèi)空化過程的影響，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

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

2 三維仿真計算

2.1 仿真模型設置

本文使用Fluent液壓仿真軟件進行三維仿真計算，主要設置如表1所示。

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

2.2 模型驗證

為了驗證仿真計算模型的可靠性，試驗采用下圖2所示的可視化試驗裝置進行等比例放大柴油機噴油器噴孔的柴油流動特性試驗。

光學試驗過程中，使用高強度光源 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，采用高速攝像機和長工作距離顯微成像技術記錄透明噴孔內(nèi)的流動。高速攝像機的型號為Phantom V7.3，拍攝速度為500 000幀/s．固定可視化裝置內(nèi)噴孔的入口流動壓力為7MPa，調(diào)整噴孔的出口壓力，最后測量噴孔的出口燃油質(zhì)量流量。試驗過程中，通過調(diào)節(jié)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。采用定時間稱重的方法測量質(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，試驗測得的質(zhì)量流量是0.0262kg/s，仿真計算的質(zhì)量流量結果是0.0268，兩者的誤差未超過5%，可見模型是具有可靠性的。

3 入口燃油壓力對孔內(nèi)柴油流動規(guī)律影響

從下圖3可以得出，保持噴孔的出口壓力為1MPa，當入口壓力為2MPa的時候，噴孔內(nèi)未出現(xiàn)空化，當入口壓力為3Mpa的時候，噴孔內(nèi)仍未出現(xiàn)空化；當入口壓力提高到4MPa的時候，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；當入口壓力逐漸提高到7MPa的時候，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。當入口壓力為2MPa的時候，噴孔出口的燃油質(zhì)量流量為0.0047kg /s，此時噴孔內(nèi)未出現(xiàn)空化；當入口壓力為3Mpa的時候，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；當入口壓力提高到4MPa時，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；當入口壓力逐漸提高到7MPa的時候，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。

1.結論

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。

基金項目：臺州職業(yè)技術學院青年課題（2022QN10）。

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