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 212013)

燃油喷油器喷嘴是柴油机最关键的部件之一，喷雾特性决定了燃烧过程.喷嘴利用高喷油压力以非常高的速度喷出燃油并形成由很多细小液滴所组成的喷雾油束.柴油机喷嘴内部的流动状态对下游的喷雾特性有显著的影响［1-3］，不考虑喷嘴的影响对喷雾形成所建立的预测理论是不可靠的，同时，喷嘴流动的复杂性使喷雾的空气动力雾化机理也变得复杂.而多维发动机模型中与喷嘴内部流动直接相关的喷雾初次雾化模型又是当前研究中最薄弱的环节，较难对缸内喷雾燃烧乃至排放进行准确预测，因此，有必要对燃油喷油器喷嘴微小喷孔内复杂空穴湍流流动特性乃至这种复杂的湍流流动对喷雾的影响开展研究.

由于真实喷油嘴结构复杂且喷孔内部流动空间非常小，燃油又以极高的压力和速度流过喷孔，且喷孔内湍流流动强度很高，因此试验观察和测量其内部流动状态非常困难，部分学者采用比例放大的透明喷油嘴来研究喷嘴内部空穴流动［4-5］.而燃油喷射持续期非常短，只有几毫秒，通过试验获得喷油嘴内部瞬态空穴流动特性较难，随着计算机技术的发展，计算流体动力学(CFD)方法成为研究喷油嘴内瞬态流动有效的方法，而当前国内外的数值模拟研究大多是在固定针阀升程条件下开展，专门研究喷油过程中针阀运动对喷油嘴空穴流动特性的影响还很缺乏.

笔者基于同步辐射高能X射线对喷油嘴内部结构断层扫描获得双层8孔喷油嘴内部高精度高分辨率几何结构，建立数值计算物理模型.结合喷油嘴内部流动可视化试验，采用3维动网格技术对喷孔内空穴两相流动的3维数值模拟进行研究，分析喷油嘴内瞬态流动特性受针阀运动的影响.

1 断层扫描试验及物理模型的建立

1.1 喷油嘴X射线断层扫描试验

本研究的对象是某型国产双层交错喷孔的喷油器喷油嘴.为了获得喷油嘴内部几何结构的详细信息，采用同步辐射高能X射线对试验用双层8喷孔喷油嘴进行3维CT(computed tomography)扫描，在不损坏喷油嘴的情况下获得喷油嘴内部结构的高精度3维图像.

笔者采用的高能X射线是由上海光源的同步辐射装置提供的，X射线能量调整范围为8.0～72.5 keV，喷油嘴在样品旋转台上以1.8(°)·s-1的速度旋转180°，完成断层扫描，获得喷油嘴断层切片图像，进而获得喷油嘴喷孔的3维数学模型.在旋转过程中，每0.2°拍摄1幅X射线相衬所得的图像，图像曝光时间为30 ms，图像设计空间分辨率为500 nm［6-7］.试验喷嘴的X射线CT成像过程如图1所示，包括X射线源的产生、X射线对喷嘴的透射、透射后的X射线探测和计算机成像以及图像处理等过程.

图1 喷嘴X射线3维CT成像过程

试验测量得到的双层8喷孔交错布置喷油嘴结构及喷孔位置结构关系3维造型图如图2所示.各结构参数的测量值如表1所示，Din为入口直径，Dout为出口直径，K为喷孔锥度，r为喷孔入口圆角半径，L为喷孔长度.

喷孔锥度定义为

从表1可得:上层喷孔锥度为-0.002 2，下层喷孔的锥度为-0.002 8.上下层喷孔进出口直径的差异主要是由于测量时的机械误差引起的.

图2 喷油嘴3维造型、切片图及喷孔几何特征定义

表1 X射线测得的喷油嘴几何特性参数

1.2 物理模型的建立

X射线测量结果如图2所示，8个喷孔形状大小基本相同，均匀分布于上下2个圆周上，每层各4个喷孔，沿周向交错均匀分布，具有周期性.在保证能够比较上下层喷油嘴内流动特性的基础上，为减小计算量，选取完整喷油嘴的1/4(选取含有2个分布在不同圆周上的喷孔区域)来研究8喷孔喷油器喷油嘴内部的两相流动.根据X射线测量结果在3维UG制图软件中建立的柴油机喷油嘴流体流经区域模型图如图3所示，喷孔直径D=0.18 mm，L=0.65 mm，上下层喷孔的高度差ΔH约为0.12 mm.

图3 柴油机喷油嘴模型图

2 数学模型

2.1 控制方程

针阀运动直接影响喷油嘴内的空穴流动，由于喷油嘴喷孔直径只有零点几毫米，通过喷孔的流速很高，喷油持续期非常短，内部为高雷诺数的复杂湍流流动，因此，全面考虑采用瞬态计算方案，并加入混合多相流模型、空穴模型和标准k-ε湍流模型［8-9］.喷油嘴3维空穴两相流动湍流模型的基本控制方程包括连续性方程、动量方程、气相输运方程、单个气泡的成长破碎过程方程、k-ε方程以及壁面方程等［10］.

2.2 数值方法

根据动态层动网格模型的要求，只对初始时刻喷油嘴内流体流域建立网格，且移动边界区域网格类型为棱柱型网格(六面体或楔形)，如图4所示，针阀升程的初始值为0.02 mm，采用分块耦合、局部加密的方法生成3维结构化网格，网格单元数为234 926.边界条件设置为压力入口、压力出口和周期性边界，其余为壁面条件.对湍流采用k-ε湍流模型，近壁区内低雷诺数情况采用壁面函数法处理，即用1组半经验公式将湍流核心区内的物理量与壁面上相应的物理量联系起来.压力场的耦合计算采用SIMPLE算法.主要研究喷油嘴内部瞬态流动特性受针阀运动的影响.

图4 喷油嘴计算网格和边界条件

2.3 针阀运动规律

针阀升程h随时间的变化规律如图5所示，针阀升程的初始值为0.02 mm，针阀升程最高为0.35 mm，针阀往复运动1次的周期为360°的曲轴转角.

图5 针阀升程运动规律

3 试验验证

3.1 喷嘴空穴流动的表征参数

喷孔内产生空穴现象会造成液流紊乱，同时也会促进油束的雾化.为了反映空穴发展情况，对喷孔空穴流动定义量纲一参数即空穴数［11］为

式中:p1为无限远处上游侧压力(喷油压力);p2为下游侧压力(背压);pv为液体饱和蒸汽压.

k值能反映喷孔内部空穴发展情况，k值越小，空穴程度越严重，越能促进燃油雾化.喷油嘴的流量系数为喷油嘴的实际喷油量(有效流通面积)与理论喷油量(最小几何流通面积)之比.流体流经喷孔，由于湍流摩擦涡旋及喷孔几何形状的影响，流动产生损失，所以流体的实际流量与理想流动下的流量不同，故对流经喷孔内的流动引入流量系数:

式中:Cc为收缩系数，是喷孔收缩流通面积和几何流通面积之比.

由式(2)，(3)可得

从式(4)可以看出:流量系数与空穴分布联系密切，空穴现象越严重，k越小，流量系数就越小.

3.2 模拟结果与试验结果对比

当流体流动过程中局部压力低于饱和蒸汽压力时会出现空穴现象，空穴的形成和发展受喷油压差影响显著.流动相似性准则试验背压为0.10 MPa，在不同入口喷射压力pin下，分别将可视化试验所拍图片反映出的空穴分布与数值模拟所获得的空穴分布进行对比，结果如图6-8所示.试验在针阀全开时进行，入口压力分别为 0.21，0.30，0.48 MPa，喷嘴内部流动会随着入口压力增加由空穴初生发展为超空穴，数值模拟结果与试验结果［12］基本相符.

图6 入口压力为0.21 MPa，喷孔空穴初生

图7 入口压力为0.30 MPa，喷孔空穴发展

图8 入口压力为0.48 MPa，喷孔超空穴

喷油嘴喷孔流量系数与空穴数关系如图9所示，当空穴数小于临界空化数时，空穴现象随空穴数的增加而减弱，流量系数则随空穴数增加而增加.当空穴数大于临界空化数后，孔内不再出现空穴现象，流量系数也基本保持不变，模拟数据与试验数据的变化趋势一致，验证了所计算模型的可靠性.由于喷孔内部流动的相似性，试验验证的单层喷孔模型的准确性也适用于双层喷孔模型.

图9 流量系数与空穴数关系

4 计算结果及分析

4.1 上下层喷孔内空穴分布特性

基于上述喷油嘴内部空穴流动的数值计算模型，在入口喷射压力为50 MPa，背压为3 MPa条件下，研究针阀运动对喷油嘴上、下层喷孔内空穴流动的影响.喷油嘴上、下层喷孔内在不同曲轴转角下的空穴分布情况如图10所示.在曲轴转角为0.7°时，上层喷孔出现空穴现象，此时下层喷孔并无空穴现象出现，在0.8°时，下层喷孔也出现空穴，此时上层喷孔的空穴区域大范围增加.这说明在相同的喷射压力下，上层喷孔空穴初生时刻提前，随着针阀的抬起，与下层喷孔相比，上层喷孔内空穴发展更加迅速，喷孔空穴强度及空穴区域范围均加大.

图10 不同曲轴转角下喷油嘴上下层喷孔内空穴分布

在固定喷油压力下，上下层喷孔内平均气相体积分数随针阀运动的变化如图11所示.在针阀抬起阶段，下层喷孔与上层喷孔相比其孔内空穴现象初生时刻稍晚，但上下层喷孔内的空穴现象均能迅速产生，气相体积分数很快达到某一最大值，在随后的时间里，气相体积分数基本在这一值上波动，变化不大，气相体积分数只有在针阀关闭那一时刻会有突变.这个过程说明空穴现象在初生、发展过程中变化极为迅速，达到一定程度后，空穴区域、强度不再随针阀继续抬升而变化，在针阀落座且即将被关闭的过程中，空穴现象会突然增强，继而消失.造成这一时刻气相体积分数突然增大的原因是座面的有效流通截面积在针阀即将关闭时减小，截面收缩处的流动速度增大，从而使内部流动压强降低，以至于空泡外压力小于空泡内压力，促使很多没能生长的空泡进一步长大.在整个针阀运动过程中，上层喷孔内的气相体积分数始终大于下喷孔内的气相体积分数.

图11 气相体积分数随曲轴转角的变化

喷油压力pin=100 MPa时，针阀开启和关闭过程喷嘴内空穴发布如图12，13所示，在相同的针阀升程下，上层喷孔内空穴的范围和强度都较下层喷孔大，喷孔内空穴分布在针阀开启与针阀落座2个过程中有所不同，针阀落座过程中的空穴现象更加严重，即在固定针阀升程条件下开展的稳态计算已不能反映出喷孔空穴发生、发展及溃灭的全过程.

图12 针阀开启过程喷嘴内空穴分布

图13 针阀关闭过程喷嘴内空穴分布

4.2 不同喷油压力下喷孔内空穴分布特性

上下层喷孔内空穴现象的发生、发展及溃灭过程基本一致，取上层喷孔进行研究.当背压为3 MPa，喷油压力分别为 20，50，100 MPa 时，不同曲轴转角下喷油嘴内部气相分布分别如图14-16所示.在0.5°时，空穴现象在喷油压为100 MPa时出现，20和50 MPa时未出现.在0.7°时，50 MPa时出现空穴，100 MPa时空穴区域迅速发展向喷孔中下部延伸.这说明空穴初生时刻随入口压力的增加而提前，入口压力越大，空穴区延伸长度越大.另外，喷孔内空穴层随针阀的抬起而向喷孔出口延伸.

图14 当背压为3 MPa，喷油压力为20 MPa时，不同曲轴转角下喷油嘴内部气相分布

图15 当背压为3 MPa，喷油压力为50 MPa时，不同曲轴转角下喷油嘴内部气相分布

图16 当背压为3 MPa，喷油压力为100 MPa时，不同曲轴转角下喷油嘴内部气相分布

4.3 燃油性质对空穴分布特性的影响

Diesel(柴油)、DME(二甲醚)和 FAME(生物柴油)3种燃油的主要物理性质如表2所示.

表2 燃油的理化性质

在喷射压力为100 MPa，背压为3 MPa时，燃油对喷孔内空穴分布的影响如图17-19所示.

图17 Diesel燃油对喷孔内空穴分布的影响

图18 DME燃油对喷孔内空穴分布的影响

图19 FAME燃油对喷孔内空穴分布的影响

从图17-19可以看出:在相同的曲轴转角下，对于DME燃料，由于其具有较小的运动黏度和较高的蒸汽压，使其喷孔内的空穴区域范围和强度较高，有利于促进燃油的破碎雾化;而对于FAME燃油，由于运动黏度较大，致使喷孔内空穴范围和强度较低.对于Diesel虽然其密度较FAME小，但是由于其运动黏度也较小，所以其空穴分布范围及强度较FAME变化不大.

5 结论

1)通过可视化试验验证了喷油嘴内部空穴流动数值计算模型的可靠性.

2)喷油嘴内部流动信息可采用动网格技术获得.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.喷油嘴内部空穴发展过程在针阀升程与针阀关闭2个阶段中区别较大.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，喷油嘴内部空穴现象在针阀关闭的前一刻会有瞬间的增加.

3)随着喷油压力的增加，空穴现象会提前产生，在针阀升程相同的条件下，空穴发展区域随喷油压力的升高而增大.

4)燃油性质对空穴初生和发展有很大影响.在相同的进出口压力条件下，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.运动黏度低的燃油相比于运动黏度高的燃油，其空穴现象范围广、强度大.

References)

［1］He Zhixia，Zhong Wenjun，Wang Qian，et al.Effect of nozzle geometrical and dynamic factors on cavitating and turbulent flow in a diesel multi-hole injector nozzle［J］.International Journal of Thermal Sciences，2013，70:132-143.

［2］吉恒松，张程程，张州榕，等.船用柴油机实现低NOx燃烧的数值模拟［J］.江苏大学学报:自然科学版，2013，34(4):384-389.

Ji Hengsong，Zhang Chengcheng，Zhang Zhourong，et al.Numerical study to realize low NOxcombustion on marine diesel engine［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2013，34(4):384-389.(in Chinese)

［3］Payri F，Bermudez V，Payri R，et al.The influence of cavitation on the internal flow and the spray characteristics in diesel injection nozzles ［J］.Fuel，2004，83(4):419-431.

［4］Arcoumanis C，Gavaises M，Nouri J M.Analysis of the flow in the nozzle of a vertical multi-hole diesel engine injector，society of automotive engineers International［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:980811.

［5］Kilic A Schulze L，Tschöke H.Influence of nozzle parameters on single jet flow quantities of multi-hole diesel injection nozzles［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2006-01-1983.

［6］Payri R，Salvador F J，Gimeno J，et al.Understanding diesel injection characteristics in winter conditions［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2009-01-0836.

［7］李治龙，吴志军，高 原，等.基于同步辐射高能X射线的喷油器喷嘴内部几何结构及尺寸的测量［J］.吉林大学学报:工学版，2011，41(1):128-132.

Li Zhilong，Wu Zhijun，Gao Yuan，et al.Measurement method for diesel nozzle internal geometry and size using high-energy synchrotron radiation X-ray［J］.Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2011，41(1):128-132.(in Chinese)

［8］Vabre A，Gmar M，Lazaro D，et al.Synchrotron ultrafast X-ray imaging of a cavitating flow in a Venturi profile［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2009，607(8):215-217.

［9］何志霞，李德桃，胡林峰，等.喷油器喷嘴内部空穴两相流动数值模拟分析［J］.内燃机学报，2004，22(5):433-438.

He Zhixia，Li Detao，Hu Linfeng，et al.Numerical simulation analysis of two-phase flow inside the injector nozzle［J］.Transactions of CSICE，2004，22(5):433-438.(in Chinese)

［10］何志霞，袁建平，李德桃，等.柴油机喷嘴结构优化的数值模拟分析［J］.内燃机学报，2006，24(1):35-41.

He Zhixia，Yuan Jianping，Li Detao，et al.Numerical simulation analysis of diesel engine nozzle structure optimization［J］.Transactions of CSICE，2006，24(1):35-41.(in Chinese)

［11］Payri A，Garcia J M，Salvador F J，et al.Using spray momentum flux measurements to understand the influence of diesel nozzle geometry on spray characteristics［J］.Fuel，2005，84:551-561.

［12］王 谦，柏 金，何志霞，等.柴油机喷嘴空穴流动特性分析［J］. 车用发动机，2010(3):27-30，34.

Wang Qian，Bai Jin，He Zhixia，et al.Cavitating flow characteristics in diesel nozzle［J］.Vehicle Engine，2010(3):27-30，34.(in Chinese)