柴油机双层多孔喷油嘴瞬态流动特性
柴 油 机 双 层 多 孔 喷 油 嘴 瞬态 流 动 特性
王 谦 ，李 念 ， 何 志霞 ， 钟 汶君 ，高 志胜
（ 江苏大学 能源与动力工程学 院 ， 江苏 镇江 ２ １ ２ ０ １ ３ ）
ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌｏ ｆ ｗ． Ａ ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉｍｅ ｒ ｎ ｔ ｏ ｆ ｉ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｏ ｚ ｚ ｌ ｅ ｌｏ ｆ ｗ ｗａ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｖ ａ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｒ ｅ － ｓ ｕ ｉ ｔ ｓ ． Ｔｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｎ ｅ ｅ ｄ ｌ ｅ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｌ ｏ ｗ ａ ｎ ｄ ｌｏ ｆ ｗ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｐ ａ ｒ ａ —
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摘要 ：以某型国产喷油器喷油嘴为对象， 在 ｘ射线精确测量其几何参数的基础上， 采用动网格技术对
喷 油嘴 内部 瞬态流动进 行模拟研 究 ， 并 通过 可视化 试 验验 证 所建模 型 的 准确性 ． 研 究 了不 同位 置处 、 不 同喷射压 力下喷孔 内流量 系数 、 气相体积 分数 随针 阀运动 的变化 ， 分析 了燃 油性质 对喷 孔 内流 动特
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｚ ｈ ｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ２ １ ２ ０ １ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｌｏ ｆ ｗ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ ・ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ
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性 的影响． 结果表 明 ： 在 相 同的喷 油压 力下 ， 上层 喷孔 与 下层喷 孔相 比， 空 穴现 象会 提 前 出现 ， 且 空 穴 发展 更加迅速 ， 空 穴区域 更 大 ； 针 阀关 闭阶段 与针 阀开启阶段相 比 ， 喷 油嘴 内部 空穴发展较 快 ， 喷嘴 内 空穴在针 阀关 闭的前一刻会 瞬间增加 ； 喷 油压 力增加 ， 空 穴现 象产 生时刻提 前 ， 空穴发展 区域 增 大； 进 出口压 力相 同时 ， 喷 孔 内空穴现 象的发展 及其 强度受燃 油运动黏度 、 饱 和蒸汽压 和密度 的影响．
关键词 ： 柴油机 ； 喷油嘴 ； 针阀运动；空穴； 数值模拟 中 图分类 号 ： Ｔ Ｋ ４ ２ １ ． ５ 文 献标 志码 ： Ａ 文章 编号 ： ４— ０ ３ ７ ３— ０ ７
引文格式 ： 王
３ ７９
谦， 李
念， 何志霞 ， 等．柴油机双层多孔喷油嘴瞬态流动特性［ Ｊ ］ ． 江苏 大学学报 ： 自然科学 版， ２ ０ １ ５ ， ３ ６ （ ４ ） ： ３ ７ ３—
ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｄ ｉ ｓ ｃ ｈａ ｒ ｇ ｅ ｃ ｏ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｇ ａ ｓ ｖ ｏ ｌ ｕ ｍｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｎｏ ｚ ｚ ｌ ｅ ｈｏ ｌ ｅ ｐｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ
超多喷孔喷油嘴的喷油规律研究
超多喷孔喷油嘴的喷油规律研究作者：张美芹来源：《科技创新与应用》2013年第16期摘要：本文介绍了超多喷孔喷油嘴的基本知识，并对超多喷孔喷油嘴的喷油规律试验进行研究，得出其喷油规律，为以后的节能生产奠定了坚实的基础。
关键词：超多喷孔喷油嘴；喷油规律；研究1 前言随着科技水平的提高，污染问题逐渐受到了人们的关注，尤其是节能减排问题。
怎样才能减少含氮化合物及微微粒子是降低污染排放的重要工作之一。
因为当前我国普遍使用的柴油机是含氮化合物及微微粒子的主要来源，所以如何对柴油机的燃烧方式进行改进是减排的关键所在。
超多喷孔喷油嘴的应用可以使燃油更充分燃烧，大幅度降低污染物的排放量，研究超多喷孔喷油嘴的喷油规律具有十分重要的意义。
2 关于超多喷孔喷油嘴超多喷孔喷油嘴由针阀和针阀体组成，它的特点表现在以下两个方面：双层喷孔在针阀体的上部；上部喷孔的喷油角度小于下部喷孔的喷油角度。
因为超多喷孔喷油嘴应用了两层喷孔技术，所以大幅度增加了喷孔的综合流动面积，这样在启动的时候所有燃油都进入汽缸，是柴油机预混合燃烧的前提条件。
还因为超多喷孔喷油嘴的上部喷油角度小于下部喷孔的喷油角度，引起来自相反方向的油在缸内相遇，能够防止喷油直接撞击到缸内壁，而且还可以提高喷油的挠动，促使柴油和油雾混合均匀，形成了密度适合的油气混合物，柴油机可以达到均质预混合燃烧目的。
可以把现在普遍使用的喷油嘴与超多喷孔喷油嘴进行比较。
现在普遍使用的喷油嘴内仅仅是一层喷孔，喷油和汽缸内壁直接撞击的概率就非常高，这就增加了碳氢化合物及一氧化碳的排放量。
超多喷孔喷油嘴是则是采用具有双层喷孔的喷油嘴，避免油股和内壁直接撞击，促使油气混合，是预混合燃烧的前提条件。
3 超多喷孔喷油嘴的喷油规律研究通过普通喷油嘴与超多喷孔喷油嘴进行比较，研究在压力、喷油控制脉宽及喷油量的作用下两种喷嘴的差异，得出超多喷孔喷油嘴的喷油规律，为柴油机的预混合燃烧提供了数据资料。
3.1 喷嘴喷油规律试验概述随着时间的不同，喷油率也随之变化，时间与喷油率之间存在一定的规律，这个规律就是喷嘴的喷油规律。
喷油器内部瞬态流动三维数值模拟
高压共轨喷油器内部瞬态流动三维数值模拟罗新浩 王谦（江苏大学能源与动力工程学院，镇江212013）摘要：喷油器的内部流动以及后续的喷雾特性直接影响了柴油机的排放和经济性能，对喷油嘴的内部流动进行三维瞬态数值模拟分析就显得更为重要。
利用计算流体力学软件STAR-CD 建立三维动态计算网格并进行模拟分析，得到了喷嘴内部的压力分布和喷孔出口的平均速度变化等信息。
计算结果可为缸内喷雾研究提供更真实的边界条件，以及对喷嘴结构参数的优化设计具有指导意义。
Abstract ：The investigation of the three-dimension transient flow characteristics inside the nozzle becomes more and more important because the flow status in the nozzle and fuel injection immediately influence the emission and economy performance of diesel engines.The three dimension dynamic model was performed by computational fluid dynamics software package STAR-CD.The results including pressure distributing and average velocity in the nozzle can provide more realistic boundary conditions for the spray model ，which are very useful for the optimum design of the nozzle structure parameters.关键词：高压共轨 柴油机 数值模拟 喷嘴 CFDKey words ：High-pressure common-rail ，Diesel engine ，Numerical simulation ，Nozzle ，CFD1 前言燃油喷射系统对柴油机的动力性、经济性和排放性发挥着重要作用。
喷油嘴内燃油流动对柴油机喷雾的影响
基金项 目：河南省教育厅基础研究项 目（ ０６ ７ ０ １２ ０ ９２ ３ ） ２０ ４ ０ ０ ；０４ ２０ ４ 作者简介 ：杜慧勇（ ９ ３一） 男 ， １７ ， 河南 洛 阳人 ， 副教授 ， 博士 ， Ｅ—ｍａ ） （ ｉ ｌ
情况 ； 以燃 油流 动 的 计 算结 果 作 为 初 始 条 件 ， 行 了喷 雾 过 程 的数 值 模 拟 ， 把 计 算 结 果 与 不 使 用 初 期 破 碎 模 型 进 并 而 得 到 的喷 雾 计算 结 果 相 比较 。结 果 表 明 ： 油 嘴 内 燃 油流 动 模 型 为模 拟 燃 烧 室 内的 喷 雾 提 供 更 准 确 的初 始 条 喷 件 ， 能较 为 真 实地 反 映燃 油 的 喷 雾 特性 。 更 关键 词 ：柴 油 机 ；流 动 ；喷 雾 ；燃 烧 室 ；Ｃ Ｄ Ｆ
样 的 ， ＳＭ Ｌ 用 Ｉ Ｐ Ｅ法 耦 合 压 力 和 单 相 速 度 。 进 口边 界
设 定 为 压力 边 界 ６ ＭＰ， Ｖ边 界设 为 ０ １ Ｐ ＿ ３。 ０ 出 Ｉ ． Ｍ ａ２ －３
作为计算网格的运动 约为 ０ ２ ｍｍ， 造 出 针 阀燃 油 针 ．５ 构
ｄ ｙ ｍａｌ ｈ ｕ ｔ ｅ ｕ． ｎ。 ｈ＠ ｉ． ａ ｓ． ｄ ｅ
流通 面 积 减 小 ， 流 效 果 明显 ， 成 在 燃 油 喷孔 人 口 节 造 内流 速 迅速 增 加 。随着 针 阀 的 上 升 ， 口处 流通 面 积 人
逐 渐 增 大 ， 流 效 果 减 弱 ， 油 流 动 速 度 变 化 趋 于平 节 燃 缓 。气 泡最 先 发 生在 喷 孔 入 口壁 面拐 角 附 近 ， 喷孔 在
柴油机喷孔内空化过程与流动特性研究
柴油机喷孔内空化过程与流动特性研究仇滔;宋鑫;雷艳;徐慧【摘要】为研究柴油机喷孔内燃油空化过程及其对流动能力的影响,基于试验和CFD三维仿真,保持入口压力不变,通过改变出口压力改变空化数,研究了随空化数变化,喷孔内空化过程及空化流动特性.研究结果表明:随空化数降低,喷孔内流动经历3个阶段:无空化阶段、空化发展阶段和空化饱和阶段.在不同的空化阶段,随空化数降低,空化过程和燃油的流通能力不同:无空化阶段,喷孔轴向各截面气液混合相体积分数不变,燃油流量增加,流量系数不变;空化发展阶段,空化从喷孔入口端向出口端发展,沿流向各截面气液混合相体积分数均增加,燃油流量增加,但流量系数下降;空化饱和阶段,喷孔入口端面的气液混合相体积分数首先达到稳定,沿流动方向,其他截面依次达到稳定,燃油流量达到最大并保持稳定,流量系数不断减小.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2016(047)009【总页数】7页(P359-365)【关键词】柴油机;喷嘴;空化;数值模拟;流动特性【作者】仇滔;宋鑫;雷艳;徐慧【作者单位】北京工业大学环境与能源工程学院,北京100124;北京电动车辆协同创新中心,北京100081;北京工业大学环境与能源工程学院,北京100124;北京工业大学环境与能源工程学院,北京100124;北京工业大学环境与能源工程学院,北京100124【正文语种】中文【中图分类】TK421+.4柴油机喷油器是现代柴油发动机喷射系统必不可少的组成元件。
喷油器喷油雾化效果的好坏对发动机燃烧过程有着至关重要的影响[1-3]。
机动车尾气排放法规政策对机动车尾气的排放限值及燃油经济性要求越来越高，有效地提高燃油的雾化效果已成为一种节能减排的技术手段。
柴油机喷油器的喷油雾化特性受多种因素的影响，其中喷孔内的燃油流动特性，尤其是喷孔内空化过程更是影响燃油喷射和雾化效果的关键因素[4-7]，因此研究喷孔内空化流动特性一直是学术界的热点。
车用柴油机瞬变工况性能劣变及其控制策略
02
开发智能控制算法
应用先进的控制算法可以实现对发动 机的精确控制，提高发动机的性能和 可靠性。
03
实现与车辆其他系统 的协同控制
将发动机控制系统与车辆其他系统（ 如变速器、制动系统等）进行协同控 制，可以实现整车的优化控制，提高 车辆的性能和安全性。
04
车用柴油机瞬变工况性能劣变试 验研究
试验方案与试验条件
采用多孔燃烧室
多孔燃烧室可以增加燃油与空气的接触面积， 促进混合气的形成和燃烧。
采用可变压缩比技术
可变压缩比技术可以根据发动机的负荷和转速自动调整压缩比，以实现最佳的 燃烧效果。
开发智能控制系统
01
采用先进的传感器技 术
应用先进的传感器技术可以实时监测 发动机的工作状态和运行参数，为控 制策略提供准确的数据支持。
分析瞬变工况下影响柴油机性能 的主要因素，如进气系统、燃油 喷射系统、冷却系统等。
探讨瞬变工况下柴油机性能劣变 的机制，包括燃烧过程的不稳定 、部件磨损加剧、油膜剥离等。
05
车用柴油机瞬变工况性能劣变控 制策略优化
控制策略优化的必要性
提高燃油经济性
优化控制策略可以降低燃油消耗，提高车辆 的燃油经济性。
实验优化
通过实验手段，对不同的控制策略进行测试 和比较，选择最优的控制策略。
控制策略优化实例分析
案例一
某重型商用车企业通过优化控制策略，使得 车辆在城市工况下的燃油消耗降低了10%。
案例二
某柴油机制造商通过优化控制策略，成功降 低了某型号柴油机的排放污染物。
06
车用柴油机瞬变工况性能劣变控 制策略展望
数据采集
通过测量仪器实时采集柴油机的运行数据，包括转速、负载、燃油 消耗量、排放物浓度等。
柴油机喷嘴空穴流动特性分析
后处 理系 统外 ， 须进 一步 完善 柴油 机 的燃 烧 过程 ， 还 即完善 柴油 机 中空气 和燃 油 的混 合及 燃烧 问题 。良
好 的 化是 实现 高效 率 燃 烧 的 前提 ， 节 能和 净 化 对
排放具 有 重要 的意 义 。长 期 以来 ， 们对 发 动机 喷 人
喷嘴 内流 动的有 效方 法 。
表 １ 出 了喷嘴计 算 的边界 条件 。进 出 口均 为 列
压力 边 界 ， 固壁 边 界 上 流 速无 滑移 ， 取 为 ０ 而 在 均 ，
压力 则 取第 ２类边 界条 件 。截取 １ ４ 为计算 区域 ／作
收 稿 日期 ： ０ ００—９ ２ １—３０ ；修 回 日期 ：２ １ —６０ ０ ００ —８ 基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（０ ０ ０ ０ ５８ ６３ ） 作者简介 ： 王 谦 （ ９ ８ ）男 ， 授 ， 士 生 导 师 ， 要 从 事 内 燃 机燃 烧 技 术 的研 究 ；ｗａｇ ｊ．ｄ ．ｎ １６一 ， 教 博 主 ｑ ｎ ＠ｕｓｅｕ ｃ 。
本 几 何 参 数 如 下 ： 孔 数 喷
７一 ４ ｚ ；喷 孑 Ｌ直 径 ｄ 一
对 喷 嘴喷 孔 内 燃 油 流 动 特 性 及 其 对 雾 化 的 影 响
知 之 甚 少 。
０３ ． ２ｍｍ； 孔 长 度 Ｌ： 喷
１ ３ｍｍ； ． 多孔 垂 直 喷 嘴各
喷 孔 中 心 线 与 针 阀 轴 线 间
车
用
发
动
机
２１ ０ ０年第 ３期
果表 明 ， 量 纲 空 穴 数 直 接 影 响 喷 孔 内的 空 穴 分 布 ， 流 量 系数 和燃 油 出 口平 均 速 度 等 流 动 特 性 则 与喷 油 压 力 、 无 而 喷
柴油机喷油嘴工作原理
柴油机喷油嘴工作原理
柴油机喷油嘴是将燃油喷入燃烧室，使其与空气混合后实现燃烧的关键部件。
它的工作原理可以概括为以下几个步骤：
1. 压力调节：柴油机燃油系统通过高压泵将燃油加压，形成高压燃油供给给喷油嘴。
喷油嘴上的压力调节装置可以调整供给给喷油嘴的燃油压力，以适应不同工况的要求。
2. 燃油进入喷油嘴：经过压力调节的燃油通过喷油嘴的燃油通道进入喷油嘴内部，接触到喷嘴的喷孔。
3. 高压喷射：燃油在喷油嘴内部的喷孔处形成高压喷雾。
这是通过喷嘴内部的小孔和喷油嘴上的喷孔形成的，通常采用小喷孔细化燃油，以促进更好的混合和燃烧效果。
4. 喷油角度控制：喷嘴上的孔径和造型设计会对燃油的喷射角度产生影响，以确保燃油喷射方向与气缸内部的活塞、气缸壁等组件的相互作用产生理想效果。
5. 精确控制：现代柴油机喷油嘴通常配备了电控系统，能够根据发动机负载、速度和其他参数精确控制燃油的喷射量和喷射时机，以实现更有效的燃烧和性能。
通过上述工作原理，柴油机喷油嘴能够将燃油高压喷射进入燃烧室，实现与空气的混合，最终推动柴油机的工作。
18喷嘴结构对多孔喷油器喷射特性影响的研究
84北京，2009年10月 A P C联合学术年会论文集喷嘴结构对多孔喷油器喷射特性影响的研究邵利民1，常汉宝，秦建文(1、海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033)摘 要：利用E F S8246单次喷射测量系统和高速闪光摄影系统对不同结构参数的非轴对称喷嘴的喷油规律和油束形态进行了试验研究，利用C F D软件F i r e的两相流模型对各喷嘴内部流动和气蚀现象进行了仿真模拟。
喷嘴结构包括喷孔数、喷孔直径、喷孔夹角和喷孔长径比。
研究结果表明，各结构参数对喷嘴流量系数、雾束形态、各孔间流量差异、各次喷射的一致性有不同程度的影响，而这些影响的大小由压力室和喷孔内的气穴强度决定。
关键词：非轴对称喷嘴；喷油规律；喷雾形态；空穴；三维数值模拟中图分类号：T K421文献标识码：A电控高压共轨系统由于具有较高的喷射压力、精确控制的喷油量以及可柔性控制的喷油规律等优点在现代柴油机上广泛运用。
喷油器是共轨系统的关键部件，其喷嘴结构参数，如喷孔数、喷孔直径、喷孔夹角和喷孔长径比等对喷油规律、喷雾特性有着直接的影响，从而影响柴油机的燃烧过程与排放特性。
特别是对于各孔非轴（喷油器轴线）对称的喷油器来说，喷嘴结构对各孔间的流量差异、各孔雾束在空间的分布以及其雾化质量有着较大的影响，目前，国内关于这类问题研究的文献不多。
本文将对喷嘴结构对非轴对称多孔喷油器喷射特性的影响进行试验和仿真研究。
利用E F S8246单次喷射测量仪对喷油器进行瞬时喷油量和喷油规律的测试；利用三维C F D软件F i r e对各喷嘴内部流动和气蚀现象进行模拟；利用闪光摄影装置对喷束的宏观特征进行测试。
通过此研究，可以为共轨喷射系统与燃烧系统的最优匹配提供理论指导。
1喷嘴结构由于喷油器在柴油机缸头上的布置受结构的影响,其中心线与气缸中心线及燃烧室中心线存在着一定量的偏移和夹角。
根据此特点，本文按研究需要设计了8种不同喷孔直径和个数，不同长径比，不同喷孔夹角的喷嘴，其型式为mini-sac，安装夹角均为20°，设计的喷嘴结构及安装位置如图1所示，具体设计方案如表1所示。
柴油机无压力室喷油器各孔喷射特性差异测量分析
柴油机无压力室喷油器各孔喷射特性差异测量分析罗福强;夏骅;叶兵舰;董少锋;周立迎【摘要】在油泵试验台上用数据采集系统测量分析油泵-油管-油嘴燃油供给系统相同型号4个无压力室喷油器各孔喷射特性.研究结果表明:各喷油器及同一喷油器各孔的喷油喷射特性均存在差异;动态流量系数在喷油过程中随时间(凸轮转角)而变化;同一喷油器针阀全开时各孔流量系数差异与各孔循环喷油量差异变化趋势相同,随转速及循环喷油量的增加各孔循环喷油量及流量系数不均匀度均降低;但各孔流量系数不均匀度比各孔循环喷油量不均匀度要小,说明仅用各孔流量系数差异不能完全反映出各孔喷射特性差异.【期刊名称】《内燃机工程》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】8页(P60-67)【关键词】柴油机;喷油器;喷油量;流量系数;不均匀度【作者】罗福强;夏骅;叶兵舰;董少锋;周立迎【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013;江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013;江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013;江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013;江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013;贵阳学院机械工程学院,贵阳 550005【正文语种】中文【中图分类】TK421+.42柴油机作为热效率较高的一种机械,在全世界得到了广泛的应用。
随着环境污染日益加剧和各国严格的排放法规出台,对柴油机动力性、经济性和排放性等指标的要求也越来越高。
喷油器是柴油机燃油喷射系统的核心部件之一,燃油喷射特性是评定喷油器质量的重要指标,影响喷雾特性,进而影响柴油机的性能[1-3]。
国内外研究学者对燃油喷射特性进行了大量研究[4-9],但是在试验台上测得的是喷油器总的喷射特性[4-5]。
因喷油器在动态的喷油压力下工作[10-11],动态特性更能准确地反映其喷油性能[12-14],但各孔动态喷射特性的测量研究目前少见报道。
基于此开展各孔动态喷射特性的试验研究,并测量分析同型号4个喷油器,对比分析其各孔喷射特性。
不同喷孔入口的柴油机喷嘴空化特性
不同喷孔入口的柴油机喷嘴空化特性徐杰;张力【摘要】柴油在柴油机喷嘴内部流动会直接影响其喷射和雾化,进而影响柴油机的性能和排放.线空化是柴油在喷嘴系统中脱离喷孔壁面后呈现线状形态的特殊空化现象.由于受到柴油机喷嘴真实尺寸的限制,使得燃油流动瞬间变化,同时线空化是随机性发生的,这两个现象使线空化试验的难度大大增加.本试验采用具有可视化记录功能的稳态实验装置,通过固定柴油机喷嘴内针阀升程并控制喷射压力使其全程处于稳定状态,研究不同喷孔入口的柴油机喷嘴在线空化现象中的形态分布特征.研究得出,喷射压力差对线空化影响较大,喷孔内部线空化分布长度与喷射压差呈正相关;此外,喷孔入口处的圆角结构会明显改变线空化在形成过程中的分布特征;几何诱导空化泡可以在涡旋运动的作用下聚集在漩涡中心从而促进线空化的发展;喷孔入口设置倒圆角结构可以明显抑制几何诱导空化和线空化的产生,从而提高柴油机的性能.【期刊名称】《燃烧科学与技术》【年(卷),期】2019(025)004【总页数】5页(P304-308)【关键词】线空化;柴油机;喷孔【作者】徐杰;张力【作者单位】重庆工商职业学院智能制造与汽车学院,重庆 401520;四川大学电子信息学院,成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TK42众所周知，柴油机的喷雾特性与柴油燃烧及排放状况密切相关，因此对喷嘴内部柴油流动的研究与提高柴油机工作性能和实现稳定可控的燃烧直接相关[1].目前，对于柴油机的排放要求愈来愈高，其燃烧方面的相关技术也在逐步发展，为了使其拥有更好的性能并满足相应的法律法规，柴油机喷射装置就需要进行发展与改良.目前行业内对于喷嘴系统内部的两相流动方式非常重视，要求从根本上解决内部压力等问题[2].喷嘴内部空化现象往往以涡空化最为复杂，这一情况主要发生在漩涡流场的作用下，当涡心压力低并且压力为空化临界压力时，系统涡心处就会发生涡空化，且一般呈线状形态，被称为线空化[3-6].由于线空化复杂程度较高，因此对其研究较少.研究表明[7]，增加喷孔的倾斜角度，会增大其产生空穴的几率.这是因为倾斜角度的增加会使得喷孔坡度变大，进入喷孔的流体在该位置的流动状态和转向过于剧烈，就很容易造成大规模低压区域，使空化现象较容易发生.张军等[8]通过对压力室喷嘴(SAC)和无压力室喷嘴(VCO)两种柴油机的多孔喷嘴进行研究，结果发现随着喷射压力的增加，空化效应发生的可能性也不断增大；而出口处的压力反而对空化有一定的抑制作用，减小出口处的压力有利于空化现象的产生.大量研究人员针对喷嘴的实际运用进行了广泛的分析.Schmidt等[9]采用多孔径的简化喷嘴(0.2～2.5mm)进行研究，首次在相应的透明喷嘴中发现了空穴现象，并得出了喷嘴内部的流体运动形态与喷嘴内部结构相关的结论，创造性地将喷嘴雾化现象和空化现象联系在了一起.此外，Chen等[10]的研究表明，线空化会对喷雾锥角造成重要的影响使内部燃烧和喷雾过程不稳定.大量的试验证明，针阀顶部的夹角会对空化现象产生影响较小的角度，而这种小角度会降低空化现象出现的概率.然而，目前还鲜有针对喷孔的入口处圆角结构对线空化现象的影响的研究.本试验对喷孔入口处的圆角结构对空化现象的影响进行了深入的研究，为了排除其他因素对试验结果的干扰，试验对喷孔采用多种入口圆角结构的双孔min-SAC喷嘴，并按照比例放大，在喷射压力稳定和针阀升程固定的工况下进行试验研究.本研究结果对喷嘴内部线空化领域进行了补充，并为通过改进喷油器系统来提高柴油机性能提供了理论支撑.1 试验设计及方法在实际试验中，由于喷孔尺寸较小，导致喷孔内呈现多相流状态且流场复杂多变，这限制了对线空化现象的观察；并且由于喷射为瞬态过程，如果针阀不固定将会造成针阀升程不同而影响线空化现象的规律，增大其分析难度.由于喷嘴实际尺寸较小，观察和分析的难度较高，因此本试验对实际装置进行了相同倍数的放大，采用多种入口圆角结构的双孔 min-SAC喷嘴进行分析与研究.鉴于实际试验需要满足真实性，为确保本试验系统在喷嘴内部流体流动状态与在真实的柴油机内流动类似，依据流动相似性原理，本试验中放大比例的喷嘴内部流动状态需要与真实喷嘴的几何、运动以及动力相似.鉴于实际试验对以上条件很难达到全部满足，为了使实验系统中喷嘴内部燃油的流动形态与实际一致，本实验在整体放大喷嘴几何尺寸的同时满足了试验状态与实际情况的雷诺数相似，从而使系统在喷射压力变化的情况下喷孔内燃油的流动状态与实际相似，保证试验系统能可视化观察到线空化现象的发生.本试验由按照适当比例放大的喷嘴和可视化试验台组成，主要由供油部分、喷射部分和信息采集部分 3个部分构成.其中，喷油压力的稳定性主要通过氮气瓶与稳压油箱的结合系统来提供，燃油喷射压力由节流阀进行调节.该实验装置中的喷射系统是按照实际喷油器尺寸进行整体放大，还原了原材料的基本组成和结构，其头部喷嘴是由透明材料的有机玻璃加工而成，通过法兰衔接固定在喷油器顶部.通过搭建可视化收集装置，对喷嘴内空化内流现象以及喷雾情况信息进行采集.透明喷嘴是通过3D打印技术和高精度机械加工技术相结合的工艺进行制作的，其结构示意图如图1所示.从图中可以看出，在喷嘴上存在两个对称的喷孔，不同结构的喷嘴具有不同的几何尺寸，其中，双孔锥度孔透明喷嘴的喷孔几何尺寸参数一致，左喷孔及右喷孔的入口长度和出口长度分别为2.1mm和2.0mm，喷孔长度为10mm，喷孔倾斜角为75°，两个喷嘴的区别在于喷孔入射圆角不同，1号喷嘴为1.5mm，而2号喷嘴为0mm.此外，通过计算可以得出两个喷嘴的锥度系数均为+1.图1 透明喷嘴结构示意Fig.1 Schematic of transparent nozzle尽管试验过程在稳态下进行，但线空化现象是一个瞬态的过程.为了捕获完美的线空化现象，相机在图像采集部分的拍摄速度为 22000帧/s且照片间隔为50μs.在连续喷射过程中随机抽取持续时间为0.6s的 6000张照片，利用MATLAB自编程序对其进行叠加求平均，从而获得喷孔内空化现象的形态分布特征图片，通过对比标准卡图的颜色对喷嘴空化程度和分布状态进行说明，由颜色的深浅对喷嘴内部空化出现的概率进行表征.本试验中以 0#柴油为系统供油，其物性参数及试验条件如表1所示.表1 燃油物性Tab.1 Physical properties of fuel试验条件数值温度/℃ 25黏度/(Pa·s) 3.5饱和蒸气压/Pa 1 200密度/(kg·m-3) 845喷射压力/MPa 0.1～1.0背压/MPa 0.1为了较为全面地分析柴油机喷嘴的线空化特征，本文对比了两种不同升程下喷嘴的线空化分布特征，并做出如下定义：α 线空化为低针阀在上升过程中在针阀锥面处发生的空化现象；β线空化是高针阀在上升过程中在连接两个喷孔之间并发生在压力室中的空化现象.2 结果分析本试验通过设计的实验装置，在固定针阀升程且喷射压力全程稳定的工况下进行，研究了喷嘴的喷孔几何尺寸对喷孔内部线空化现象的影响.2.1 喷孔入口结构对其线空化分布的影响对比两种情形下线空化形态，通过其颜色深浅对其进行全方位的数据分析.不同压差下，无论喷孔入口是否为圆角结构，在1.0mm针阀升程下均未出现明显的几何诱导空化现象.由表2可以看出，1号喷嘴在0.08MPa的喷射压力差条件下，其线空化的初始位置大多数发生在喷孔出口；紧接着提高压力差为 0.20MPa，可以看出整个喷孔均分布着线空化现象.由表 3中 2号喷嘴数据表可知，压力差为0.05MPa下的线空化初始位置主要位于喷孔出口处，升高压差同样会使线空化形态布满整个喷孔.由此可以看出，α 线空化发展过程中，喷孔入口存在的倒圆角会使在低喷射压差条件下的线空化的初始位置发生重要改变.这是因为喷孔入口设置的圆角结构会改变燃油进入喷孔的流动形态，减缓其高度落差，具有平缓其流动形态的作用；在喷射压差不变的前提下，圆角结构的存在会避免回流区并且使得喷孔入口处涡旋运动强度减弱.表2 1.0 mm针阀升程下 1号喷嘴在不同压差下的线空化状态Tab.2 Linear cavitation of No.1 nozzle under 1.0 mm needle valve lift and different pressure differencesp/MPa 初始位置线空化程度/%0.04 喷孔出口 10 0.06 喷孔出口 16 0.08 喷孔出口 30 0.12 喷孔出口 60 0.14 喷孔出口 89 0.20 整个喷孔100 0.50 整个喷孔 100 0.70 整个喷孔 100当针阀升程为 1.8mm 时，线空化现象很明显地发生在 2号喷嘴，而 1号喷嘴并没有出现这样的现象.由表 4可见，当 1号喷嘴内喷射压力差为0.08MPa时，线空化初始位置大多数位于喷孔出口的位置.升高其喷射压力差会使得线空化的出现位置连通两孔并贯穿压力室，基本覆盖整个喷嘴.但压力室内部的线空化分布程度要比喷孔内的线空化分布程度弱表3 1.0 mm针阀升程下 2号喷嘴在不同压差下的线空化状态Tab.3 Linear cavitation of No.2 nozzle under 1.0 mm needle valve lift and different pressure differencesp/MPa 初始位置线空化程度/%0.02 喷孔出口 10 0.05 喷孔出口 13 0.10 喷孔出口 24 0.12 喷孔出口 40 0.18 喷孔出口 50 0.30 喷孔出口59 0.40 整个喷孔 70 0.50 整个喷孔 83 0.60 整个喷孔 92 0.70 整个喷孔 100 0.80 整个喷孔 100 0.90 整个喷孔 100由表4和表5可知，在2号喷嘴的线空化分布特征变化实验中，当喷射压力差为0.24MPa时，线空化现象主要发生在压力室和喷孔入口这两个位置，分布程度不高且没有出现几何诱导空化的现象.继续升高喷射压力差至 0.50MPa，在喷孔入口偏向于几何诱导空化这个位置处的线空化分布程度明显要比0.24MPa时强.增大喷射压力差使得几何诱导空化及其区域对应的线空化不断地从下游出口一直发展到出口位置.由此可见，β线空化发展主要受几何诱导空化所影响，在β线空化喷孔内部具有较大的分布程度，但是压力室内的β线空化分布程度并不受几何诱导空化的影响.表4 1.8 mm针阀升程下 1号喷嘴在不同压差下的线空化状态Tab.4 Linear cavitation of No.1 nozzle under 1.8 mm needle valve lift and different pressure differencesp/MPa 初始位置线空化程度/%0.04 喷孔出口 10 0.06 喷孔出口 13 0.08 喷孔出口 24 0.12 喷孔出口 28 0.14 喷孔出口 33 0.20 出口偏内39 0.50 出口偏内 41 0.70 出口偏内 44表5 1.8 mm针阀升程下 2号喷嘴在不同压差下的线空化状态Tab.5 Linear cavitation of No.2 nozzle under 1.8 mm needle valve lift and different pressure differencesp/MPa 初始位置线空化程度/%0.18 喷孔出口 10 0.24 压力室和喷孔入口 13 0.30 压力室和喷孔入口 18 0.38 压力室和喷孔入口 30 0.44压力室和喷孔入口 33 0.50 下游出口 40 0.58 下游出口 47 0.60 下游出口 52 0.66 下游出口 60 0.70 出口处 66 0.80 出口处 70 0.90 出口处 762.2 圆角结构对线空化分布的影响依据以上试验可知，采用圆角结构的喷孔一方面改变了燃油进入喷孔后的流动状态，另一方面降低几何诱导空化现象产生的几率，因此对线空化的发展历程产生了重要的影响.表6是1.8mm针阀升程下几何诱导空化与线空化的相互作用.通过对比可以看出，在 0.5MPa喷射压力差下，不同圆角结构的喷孔喷嘴内的线空化形态分布并不相同：在几何诱导空化和线空化同时存在且没有设置倒圆角的喷嘴内部，几何诱导空化分布所在区域的线空化程度比其他位置更强，这是因为线空化现象在该位置分布程度更大；通过观察可以看出，几何诱导空化尾部会发生几何诱导空化现象和线空化现象相互吸引闭合的趋势，倘若线空化不存在会出现几何诱导空化尾部存在云状空化脱落的现象.表6 1.8 mm针阀升程下几何诱导空化与线空化的相互作用Tab.6 Interaction between geometrically induced cavitation and linear cavitation under 1.8 mm needle valve lift圆角结构 p/MPa 初始位置线空化程度/%倒圆角 0.5 喷孔入口 24未倒圆角 0.5 喷孔入口 36综上所述，造成柴油机闭合的现象主要是由于云状空化脱落泡被涡旋运动转移至旋涡中心聚集所致，在涡旋运动作用下使得燃油内气相聚集在中心区域，而几何诱导空化区域的气相分布量比其他区域更大，这也是在几何诱导空化分布区域中的线空化发展程度比其他区域更大的原因.3 结论(1) 喷射压差与喷孔内部线空化程度呈现正相关关系.(2) 喷孔入口结构形状直接影响喷孔内部线空化程度，不同针阀升程下的线空化现象在初始发展过程中的分布状态变化受到喷嘴入口圆角结构的影响，但α 线空化形态和强度受其影响要强于β线空化.(3) 在低针阀升程试验中，几何诱导空化并没有与发展程度大的α 线空化同时存在；而在高针阀升程试验条件下的几何诱导空化不仅存在，同时会加快β线空化的发展.(4) 几何诱导空化发生在涡旋运动的条件下，远离近壁区并且聚集在漩涡中心，从而加快了线空化的发展.(5) 改变喷孔入口圆角结构可以减少高针阀升程下其壁面几何诱导空化及线空化的发生，而在低针阀升程下受其影响则非常微弱.参考文献：【相关文献】［1］ Molina S，Salvador F J，Carreres M，et al.A computational investigation on the influence of the use of elliptical orifices on the inner nozzle flow and cavitation development in diesel injector nozzles [J].Energy Conversion& Management，2014，79(2)：114-127.［2］ Hassanzadeh A，Bakhsh M S，Dadvand A.Numerical study of the effect of wall injection on the cavitation phenomenon in diesel injector[J].Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics，2014，8(4)：562-573.［3］郑尊清，查海恩，刘海峰，等.两次喷射参数及 EGR对汽油压燃(GCI)燃烧及排放的影响[J].燃烧科学与技术，2018，24(4)：307-314.Zheng 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