柴油机喷孔内空化过程及影响参数的试验研究

仇滔, 徐慧, 雷艳

(1.北京工业大学 环境与能源工程学院， 北京 100124; 2.北京电动车辆协同创新中心， 北京 100081)



柴油机喷孔内空化过程及影响参数的试验研究

仇滔1,2, 徐慧1, 雷艳1

(1.北京工业大学 环境与能源工程学院， 北京 100124; 2.北京电动车辆协同创新中心， 北京 100081)

柴油喷油器内部燃油的高速流动易导致喷孔内部出现空化，影响燃油的流通，因此研究喷孔内燃油空化过程具有重要的意义。在比例放大透明喷孔可视化试验台架上，完成了不同进出口压力下的喷孔流动特性试验，研究了喷孔内的空化规律和对喷孔内流率特性的影响。试验结果表明：当固定入口压力时，随着出口压力的降低，在无空化阶段，流量系数基本不变；当出现空化进入空化发展阶段，空化增强并向出口方向发展，质量流率继续增加，流量系数有所下降；在空化饱和阶段，质量流率不再增加，流量系数加速降低；喷孔的入口压力不影响空化初生和空化饱和对应的临界空化数；喷孔直径不影响空化初生点，但影响空化饱和点，喷孔直径越大，越难达到空化饱和，对应的临界空化数越小；喷孔长度影响空化初生点和空化饱和点，喷孔长度越长，越难发生空化，也越难达到空化饱和，对应的空化初生和空化饱和的临界空化数越小。

动力机械工程； 喷孔； 空化过程； 空化数； 试验研究

0 引言

燃油系统是柴油机的核心部件，其中喷油器的喷孔连接供油和雾化，对喷射特性、喷雾质量、油气混合状态有至关重要的影响。文献[1-4]研究发现喷孔内的流动显著影响喷雾的粒径、锥角、贯穿距等宏观特性，直接影响雾化燃烧，因此必须重视研究喷孔内燃油流动。由于柴油机喷孔尺度小，压力差大，因此喷孔内很容易空化，已经证明空化是影响喷孔内燃油流动状态的主要因素[5-6]。为了探明空化现象对喷孔内流动状态的影响，需要研究喷孔内空化的变化规律，汪翔等[7]、Javier等[8]和Salvador等[9]通过仿真研究了喷嘴内的空化过程及对流动特性的影响，认为根据喷孔内有无空化可分为两个阶段，其中在无空化阶段，燃油流量系数趋于恒定不变，而空化阶段，喷孔流道有效流通区域将减少导致其流量系数降低；仇滔等[10]通过试验研究喷油器出口压力对喷油率的影响，认为在空化阶段，增加出口压力将提高喷孔的流量系数；Payri 等[11]开展了空化对喷孔流量的影响试验研究，表明随着出口压力的增加，流量系数先增大后不变；王忠远等[12]、何志霞等[13]、钟汶君等[14]和杜慧勇等[15]通过喷嘴的可视化比例放大试验，研究表明：空化会影响喷孔的流量，并且喷嘴流量系数会随着进口压力的增加而减小。

上述文献均表明喷孔内将会出现空化，进而影响流量，并已经证明压力边界对喷嘴内空化有影响，但是都没有深入分析喷孔内的空化过程。文献[16]通过数值模拟研究了出口压力对喷孔内空化发展过程的影响规律，证明了当入口压力不变时，随着出口压力降低，孔内流动会经历3个不同的阶段，即无空化、空化发展阶段和空化饱和阶段。但是该研究没有分析结构参数和压力边界条件对3个阶段临界点的影响规律。本文采用比例放大喷孔光学测试装置，完成了不同结构参数的喷孔在不同进出口压力工况条件下的可视化试验测试，研究压力边界和结构参数对空化变化临界点的影响规律。

1 喷孔内流动形态分析

图1为喷孔空穴流动简化模型。当燃油高速流入喷孔，在入口处，由于流动方向突然变化，边界层从壁面分离，入口流通横截面面积减小，该截面上的流速会大大增加，从而造成局部压力降低。当局部压力降到低于燃油的饱和蒸汽压时，就会形成空穴区(即空化现象)。当入口压力不变，随着出口压力降低，分别会形成入口开始出现空化和出口流量不再随出口压力降低而改变的两个状态转折点，这两个临界点可将喷孔内分成无空化、空化发展和空化饱和3个阶段[16]。

图1 喷孔空穴流动模型Fig.1 Cavitation model of flow in nozzle hole

用动力相似无量纲参数即空化数K[17]作为变量来描述喷孔内流动，

(1)

式中：pi为入口压力；pe为出口压力；pv为燃油饱和蒸汽压。

用流量系数来表示喷孔的流通能力。喷孔的流量系数定义为在一定条件下喷孔的实际燃油质量流率与理论燃油质量流率之比为

(2)

2 试验装置及原理

搭建的可视化喷孔测试台架原理图如图2所示，包括透明喷孔、压力源系统和光学测试系统。

图2 可视化喷孔测试台架原理图Fig.2 Principle diagram of the visualization nozzle test bench

本文用比例放大的喷孔开展试验，其中基准喷孔的实际尺寸是直径为0.175 mm，长度为0.875 mm，等比例放大4倍后对应喷孔实验尺寸的直径为0.7 mm，长度为3.5 mm. 基于空化数相似原理，确定了实际压力与等效实验压力的条件如表1所示。为了研究空化在喷孔流向的发展，加成喷孔的长度到10 mm，对应的光学喷孔如图3所示。

表1 等效压力边界

图3 透明喷孔Fig.3 Transparent nozzle

试验中采用聚甲基丙烯酸甲酯加工光学喷孔实现可视化测试。为了实现可视化测试，试验采用0号柴油参数，其参数如表2所示。

表2 0号柴油参数

在光学试验过程中，使用高强度光源(带有30个LED灯)将透明喷孔照亮，并在光源与可视化喷孔间安装毛玻璃滤光，采用高速摄像机和长工作距离显微成像技术记录透明喷孔内的流动。高速摄像机的型号为Phantom V7.3，拍摄速度为500 000帧/s. 试验过程中，通过调节油泵的转速控制共轨管中的压力以保持可视化喷孔入口压力，喷孔的出口压力由背压阀调节，背压阀的调压范围为0～7 MPa. 采用定时间称重的方法测量质量流率，精度是0.000 1 kg/s.

3 试验结果分析

3.1 空化发展过程分析

本文定义喷孔内出现空化时刻为空化初生点，质量流率不再随出口压力变化而变化为空化饱和点。固定喷孔的入口压力为7 MPa保持不变，通过调节出口压力改变喷孔内的空化过程，试验结果如表2所示。当出口背压为4.0 MPa时，喷孔入口处出现空化；当出口背压为1.2 MPa时，空穴层延伸至喷孔出口处。如图4所示为喷孔内空穴层长度变化过程。

表3 空化发展随出口压力变化规律

Tab.3 Development of cavitation vs. outlet pressure

图4 质量流率和空穴层长度随出口压力的变化规律Fig.4 The variation of mass flow rate and the length of the hole layer with the outlet pressure

3.2 喷孔内空化发展的过程

喷孔的质量流率和流量系数Cd随K系数的变化曲线结果如图5所示，其中图5(a)是入口压力为3 MPa的试验结果，空化初生点和空化饱和点对应的K分别为2.50、1.88，图5(b)是入口压力为7 MPa的试验结果，空化初生点和空化饱和点对应的K分别为2.33、1.84. 从图5可以看出，根据空化初生点和空化饱和点，空化发展过程可以分为3个阶段：Ⅰ为无空化阶段，由于喷孔内没有空化，流通能力主要受到几何结构的影响，流量系数保持不变，而此时出口压力影响质量流率，随着K的减小，质量流率直线上升，理论流率就是实际流率；Ⅱ为空化发展阶段，随着K的减小，空化从入口向喷孔出口发展，由于喷孔内已经出现了空化，实际液相流通面积减少，流量系数下降，质量流率上升，但上升速率减缓，实际流率与理论流率偏差逐渐变大；Ⅲ为空化饱和阶段，空化达到饱和，随着K的减小，流量系数进一步降低，降低的程度远大于阶段Ⅱ，而质量流率不再变化。试验结果表明：空化对流通能力有显著影响，空化越强，流通能力越小。

图5 质量流率和流量系数的变化规律Fig.5 Change of mass flow rate and flow coefficient

3.3 入口压力对空化的影响

图6为喷孔直径0.7 mm，入口压力分别3 MPa、4 MPa和7 MPa时喷油质量流率的试验结果。由图6可知，3个入口压力下空化初生点对应的K分别是2.5、2.5、2.3，而空化饱和点对应的K系数分别是1.88、1.81和1.86，这表明喷孔的入口压力基本上不影响空化初生点和饱和点对应的空化数。

图6 入口压力对空化发展的影响Fig.6 Influence of inlet pressure on cavitation development

3.4 喷孔直径对空化的影响

图7为喷孔的入口压力为3 MPa，圆孔直径分别为0.5 mm、0.7 mm和1.0 mm时喷油质量流率随出口压力的试验结果。由图7可见：当入口压力保持3 MPa不变，随着出口压力的减小，空化初生点对应的K都是2.5，这表明喷孔直径不影响空化的初生点对应的临界空化数。该原因是空化初生因为孔内燃油速度增加使入口局部压力低于饱和蒸气压导致产生空化，对于不同直径的喷油孔在相同的入口压力和出口压力下，在入口处的燃油流速基本相同，因此形成空化对应的压力条件也基本不变；从图7还可以看出，随着出口压力的增加，喷孔直径改变对应的空化饱和点是不同的。图7中空化饱和点对应临界K分别为2.30、1.86和1.76，这是因为直径越大的圆孔，空穴层沿径向方向可发展的空间越大，因此需要更长的过程使空化发展达到稳定，流量才能达到饱和。这表明喷孔直径不影响空化初生对应的空化数，但是影响空化饱和对应的空化数。

图7 喷孔直径对空化发展的影响Fig.7 Influence of nozzle diameter on cavitation development

3.5 喷孔长度对空化的影响

图8 喷孔长度对空化发展的影响Fig.8 Influence of nozzle length on cavitation development

图8为入口压力7 MPa，喷孔直径为0.7 mm，长度分别为3.5 mm和10 mm时喷油质量流率随出口压力的试验结果。由图8可见：当入口压力保持7 MPa不变，长度为3.5 mm、10 mm喷孔空化初生点对应的K为2.9、2.3，空化饱和点对应的K为2.3、1.8. 由此可见，喷孔长度对喷孔燃油的空化初生点和空化饱和点都有影响。喷孔长度越长，空化初生点和空化饱和点对应的K越小，这意味着喷孔内越不容易出现空化，同样也越难形成阻塞流。这是因为：孔内燃油速度的增加使局部压力低于饱和蒸气压，而在相同的进出口压差下，长度越短的喷孔入口处的速度越大，越容易使压力低于饱和蒸气压，因此越容易达到空化初生点，同理也越容易达到空化饱和点。

4 结论

本文采用出口压力可调的比例放大喷孔可视化装置，研究了柴油机喷油器喷孔内空化的发展过程及压力和结构参数对临界空化数的影响，得出以下结论：

1) 在无空化时，出口压力对流量系数影响很小，当出现空化后，出口压力越小，空化越强，流量系数下降显著，尤其是达到流量饱和阶段，流量系数的下降程度最大。

2) 喷孔的入口压力不影响孔内空化发展的初生点和饱和点对应的空化数。

3) 喷孔直径不影响空化初生点，但影响空化饱和点。喷孔直径越大，越难达到空化饱和，对应的空化数越小。

4) 喷孔长度影响空化初生点和空化饱和点，喷孔长度越长，越难发生空化，也越难达到空化饱和，对应的空化数越小。

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Experimental Research on the Process of Cavitation and Its Influence on the Nozzle of Diesel Engine

QIU Tao1,2, XU Hui1, LEI Yan1

(1.College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China； 2.Collaborative Innovation Center for Electric Vehicles，Beijing 100081，China)

The high-speed flow of internal fuel in diesel fuel injector is easy to cause cavitation inside the nozzle, which affects the flow of fuel. It is very important to study the cavitation process of fuel in the nozzle. The flow characteristics of the nozzle under different inlet and outlet pressures is studied by experiments on the scale-enlarged visualization test bench. The experimental results show that the inlet pressure is constant, with the decrease in the outlet pressure, 1) during the no cavitation period, the discharge coefficient is basically unchanged; 2) during the cavitation developing period, cavitation becomes stronger and develops from the entrance of the nozzle to the outlet, the mass flow rate continues to increase and the discharge coefficient decreases; 3) during the cavitation saturation period, the mass flow rate maintains stable but the discharge coefficient continues decreasing. The inlet pressure of the nozzle does not affect the critical cavitation number of cavitation inception and cavitation saturation. The diameter of the nozzle does not affect the point of cavitation inception, but the point of cavitation saturation; as the diameter of the nozzle is larger, the more difficult it is to achieve the cavitation saturation, and the smaller of the critical cavitation number. The length of the nozzle affects the point of cavitation inception and cavitation saturation; the length of the nozzle is longer, the more difficult it is to occur cavitation and to achieve cavitation saturation, the critical cavitation numbers of both the cavitation inception and the cavitation saturation are smaller.

power machinery engineering; injector nozzle; cavitation process; cavitation number; experimental research

2016-04-05

国家自然科学基金项目(51006012); 北京市教育委员会促进人才培养综合改革基金项目(JZ005011201401); 北京市教育委员会科技基金项目(KM201610005018)

仇滔(1976—)， 男， 副教授。 E-mail： qiutao@bjut.edu.cn

TK421+.43

A

1000-1093(2016)11-2114-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.020