燃油近嘴区初始射流破碎及影响因素试验研究*

2020-03-18高永强陶莉莉刘永辉王希波

汽车工程 2020年1期

高永强，钟兵，陶莉莉，刘永辉，王希波，常静

（山东交通学院汽车工程学院，济南 250357）

前言

燃油射流破碎（雾化）是柴油机喷雾燃烧的重要子过程，人们对其破碎机理的研究可以追溯到一个多世纪以前。文献［1］-文献［5］中研究表明，由于喷孔内部燃油的高度湍动，特别是空化现象的存在，空化气泡溃灭产生强烈扰动，导致近嘴区射流表面形成的初始扰动源，在离开喷嘴后，加上环境介质的强烈剪切作用，在喷孔出口处分裂为“液团、液滴”或“液丝”，使喷射过程中并不存在一个完整的分裂长度。同时，研究还表明［6-12］：射流内气泡的存在可降低喷雾液滴的索特平均直径，扩大喷雾锥角，使液滴的大小、速度在空间分布更加均匀，从而有效改善喷雾的宏观特性。Suh等人［13］利用几种长径比的喷嘴研究了空化现象对射流破碎的影响，发现喷嘴内空化越剧烈，近嘴区燃油雾化效果越好。Crua等人［14-15］研究发现近嘴区射流初期形态为带有尖端的蘑菇型，这种形态是由于倒流的气泡喷出孔外时发生破碎，使气泡前方的流体被破碎的气体冲破形成。Ghiji等人［16］研究结果表明喷嘴针阀关闭后倒流进入的气体可能是引起试验中喷射初期的形态与模拟结果存在偏差的原因。Huang等人［17］认为喷嘴针阀起落对射流雾化有较大影响，发现近场射流与针阀起落过程和喷射压力密切相关。Battistoni等人［18］利用X射线拍摄技术研究了喷嘴内瞬态流动的影响，发现针阀的抬起与落座会对初期雾化产生影响，并在喷油结束后发现倒流气体。

从上述的研究中可以看出：燃油近嘴区射流雾化和影响因素的研究，主要集中在喷雾宏观特性，对喷雾的微观结构的观测较少。近嘴区射流表面波结构变化过程以及射流头部是如何破碎的，特别是初始射流初始扰动结构和破碎过程，仍然不是十分清楚，有必要通过提高试验精度和手段做进一步的研究。

本文中搭建了可视化试验平台，采用数码相机和高放大倍数、高分辨率的长距离显微成像技术和纳秒级闪光灯作为相机曝光光源，对燃油近嘴区射流破碎过程进行微观观测。考察了射流表面波、液丝和液滴等初始扰动结构的产生、变形和破碎过程，揭示了射流近嘴区的破碎机理，加深和完善了射流破碎机理研究的理论基础。

1 试验装置及原理

1.1 高速闪光显微成像原理

高速闪光显微成像技术采用高分辨率、高放大倍数的长距离显微镜代替原相机镜头。长距离显微镜（QM-100，QUESTAR）主要对微小喷孔进行放大，最高放大率可达381倍，而且具有极高的分辨率（1.1μm），工作距离在15～35 cm之间，视场直径在0.375～8.0 mm之间。相机曝光光源由高速闪光驱动器（NP-1A）和灯体（NPL-5）组成，驱动器可发出180 ns的脉冲信号给灯体发光作为相机的曝光光源。试验时将灯体及相机分别置于喷油器喷孔的两侧，采用逆光拍摄，通过喷油系统的ECU发出的喷油信号作为灯体的外触发信号。灯体的外触发信号经过自制的同步装置控制延迟时间（喷油信号和灯体的触发信号的时间延迟），触发信号的脉冲时序如图1所示。通过调节同步器的延迟时间对不同喷油时刻进行拍摄。

1.2 成像同步装置

成像同步装置主要由32 MHz的主控芯片Freescale MC9S12XDP512和2个固态继电器组成。固态继电器1接收到喷油（输入）信号后给单片机控制板进行处理，输出信号经固态继电器2输出给闪光灯驱动器，启动闪光灯，如图2所示。成像同步装置的主要作用是让喷油信号和图像采集信号进行同步，因为喷油器接收到喷油信号时不能立刻喷油，它们之间有个时间延迟，让同步装置控制这个延时时间，就能够获得不同时刻的燃油喷射雾化图像。试验同步成像示意图如图3所示，试验采用市场上销售的0＃柴油，其主要物性参数如表1所示。

图2 成像同步装置

图3 高速闪光显微成像示意图

表1 柴油物性参数

2 结果及分析

2.1 近嘴区射流破碎过程

图4为喷油压力为40 MPa、环境压力为0.1 MPa时近嘴区射流表面波、液丝和液滴等初始扰动结构的产生、变形和破碎过程结构图。从图中可以看出，喷射开始时，由于针阀升程较小，射流速度较低，射流受到的扰动（受湍流、空化和环境气体的空气动力学效应的影响）较小，可以看出射流表面比较光滑（50μs之前）。随着喷射进行，针阀升程增大，射流速度增加，射流表面受到扰动增加，射流表面开始出现“坑洼”和“凸起”结构（60μs开始），形成表面波结构，且表面波沿流动方向波长逐渐增大（λ1＜λ2＜λ3）。随着射流速度增加射流表面的扰动也更加强烈，射流表面不断发生脱落，产生液丝，液丝在环境气体的空气动力学效应的作用下继续破碎成更小的液滴，形成油雾。喷油末期，随着针阀回落，射流速度减小，射流受到扰动减弱，液丝在表面张力作用下收缩，形成较粗液丝。另外，还可以看出，早期射流头部除了形成“蘑菇”形结构外，还有一个“针”形液丝穿过“蘑菇”形头部，随后“针”形液丝随着射流发展逐渐消失。产生这种现象的主要原因是由于喷油开始时，上一次喷油结束时喷孔内有残留燃油以及环境气体倒吸喷孔的气泡所致。很多研究人员在试验中也描述过这种现象，文献［19］和文献［20］中通过数值模拟对这一现象进行验证。

图4 喷油压力40 MPa时近嘴区射流发展过程

图5 为喷射压力为40 MPa、喷油时刻为200μs时近嘴区射流表面波波长的变化规律。由图可见，当距孔口距离增大时，射流表面波波长基本上呈现增大趋势，在某些区域有所减小，呈现不稳定增长。其主要原因是由于近嘴区射流除受到本身表面张力、黏性力的作用外，还受到环境气体的气动力等作用，另外受到射流在喷孔内流动状态、空化效应的影响，因此射流表面波长变化波动比较明显。波长较大时，射流表面张力、黏性力作用较弱，射流表面受湍流、空化和环境气体的空气动力学效应的作用较大。特别是空化气泡溃灭时产生较强的扰动，在空气卷吸作用和剪切力作用下，表面波波长迅速增加，当增大到一定值后，液丝或液滴开始从射流表面剥离下来，波长迅速减小。

图5 近嘴区射流表面波长发展

图6 为喷射压力为40 MPa、喷油时刻为200μs时近嘴区射流表面振幅的变化规律。由图可见，近嘴区射流表面波振幅的变化趋势与波长的变动趋势基本相同，随着距喷嘴距离的增大而呈现不稳定的增长，特别是离孔口较远处变化比较明显。近嘴区射流表面波振幅受到喷嘴内湍流、空化和环境气体与射流之间相互作用的影响。湍流造成近嘴区射流的初始扰动以及射流初始表面波的形成；空化气泡溃灭产生强烈的扰动促使近嘴区射流表面波增长以及射流破碎；射流与环境气体的空气动力学效应使射流表面波增长进一步加强。

图6 近嘴区射流表面振幅发展

2.2 喷油压力的影响

图7 为大气环境压力下（0.1 MPa）不同喷油压力下近嘴区初始射流微观流结构图。喷油压力较低时，此时射流速度一般较低，射流液柱的表面波形成、发展较慢，射流表面较光滑，其表面液丝的产生也较慢。随着喷油压力增加，燃油喷射速度增加，射流受到的扰动增强，射流液柱的表面波形成、发展显著增加，射流表面较早出现“坑洼”和“凸起”结构。此时可以观测到大量液丝从射流表面剥离下来。由此可见，近嘴区初始射流破碎主要取决于射流的速度和流动状态，喷油压力较高时，射流速度增加，射流湍流效应、空化强度也相应增加，射流受到扰动增加，加速了燃油近嘴区射流破碎。湍流产生的径向速度分量使得射流表面产生扰动并导致液丝从射流表面剥离。空化气泡溃灭时产生的扰动加速射流表面波的增长。同时，射流表面与环境气体之间相互作用增强（两者之间速度差增大），空气动力作用（剪切力）增大，加速射流表面的剥离。

图7 不同喷油压力近嘴区初始射流发展过程

图8 和图9分别给出了表面波振幅和波长在喷射压力为30、40和50 MPa时的变化曲线。由图可见，表面波波长与振幅之间并不存在简单的线性或单调函数关系，提高燃油喷射压力，对于初始表面波的生成和发展有促进作用。另外还发现，当喷射压力逐渐增大时，表面波开始出现的位置更靠近喷孔，表明提高燃油喷射压力更有助于初始表面波的发展和生成。

图8 不同压力下500μs时近嘴区射流表面振幅发展

图9 不同压力下500μs时近嘴区射流表面波长发展

2.3 空化对射流破碎的影响

为揭示空化对近嘴区射流破碎的影响，本文中采用有机玻璃制造两种喷孔，一种是容易发生空化的渐扩喷孔，另一种是难以发生空化的渐缩喷孔，如图10所示，图中所示为喷油压力为40 MPa、背压为0.1 MPa，在稳定喷油阶段喷油时刻500μs时的图像。由图可见，发生空化时，近嘴区射流周围产生大量液丝，形成织状物，且射流的喷雾锥角明显变大。这主要是由于空化气泡增进射流表面产生强烈扰动，有利于促进射流的初始破碎，形成大量液丝，然后在外部湍流涡团运动和气动力作用下，进一步发生二次雾化，使喷雾锥角增大，燃油雾化质量提高。

图10 渐扩喷孔近嘴区射流微观结构形态

2.4 环境气体对射流破碎的影响

图11 不同环境压力下近嘴区射流破碎过程

图11 为不同背压下、喷油压力为30 MPa时近嘴区射流破碎过程。由图可见，随着环境压力增加，近嘴区射流形态在环境压力下不再呈现出常压环境时的“针”形液丝结构，射流前端以“伞”形结构向前发展，且该头部结构形态随喷油时刻和环境压力不同更加明显。这主要是由于环境压力的增大增强了对射流前端的空气阻力作用。另外，还发现早期射流表面比较光滑，随着喷油时刻增加，射流表面开始出现表面波，并不断增长。射流头部随着环境压力的增大，迎风面受到空气阻力愈发明显，与空气发生动量交换后产生更大的径向扩散，形成了中间更宽的“伞”状结构。同时，射流表现出更弱的轴向贯穿能力，这也要归因于上述“伞”状结构形态形成液滴，径向扩散液滴形成更大的喷雾迎风面积，导致了射流在沿轴向发展时受到更强的空气阻力作用，使喷雾体贯穿能力减弱。

从图中还可看出，随着射流速度增加，环境气体的气动力作用增强，射流破碎雾化程度更高。较低环境气体压力时射流周围主要是以液丝的形态呈现，较高环境压力射流周围以液滴形态出现，随着环境气体压力增大，形成液滴更加细小。分析认为，这是由于随环境压力增大，环境气体密度也会相应增加，一方面，射流与环境气体的空气动力学效应增强，射流表面波的增长随着环境气体的增加而快速增加，由于环境气体密度的增加主要体现在气体扰动的增加上，而环境气体阻力导致最不稳定波增长是射流破碎的主要支配因素。另一方面，射流在贯穿过程中受到更大的阻力，加强了射流表面的液滴与环境气体之间的卷吸作用，虽然射流沿轴向动能损耗增加而导致贯穿能力减小，但是沿径向的扩张能力增强。