柴油近场喷雾初期形成过程的研究

何邦全，张更伽，张 岩

柴油近场喷雾初期形成过程的研究

何邦全1，张更伽1，张 岩2

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 中国北方发动机研究所，天津 300405)

为了更好地理解喷油初期柴油喷雾的形成过程，利用长工作距离显微镜头和高速摄影相结合的方法，试验研究了不同喷油压力、环境压力以及喷孔长径比下喷油初期单孔柴油喷油器喷孔下方 3.5mm内的近场喷雾特性．结果表明，在喷油初期阶段，喷雾贯穿度存在一个加速发展过程，而油束的破碎区域由头部破碎区和液柱破碎区组成．燃油喷出后，油束头部先产生破碎，形成了一个随时间发展而逐渐增大的伞状头部，并伴随油丝剥离现象的产生，同时喷油压力越大，相同喷射时间下的头部破碎区域越大，油滴群分布范围越广；液柱区初始破碎的时间要晚于头部破碎区．随着空化流发展至孔外，液柱区开始产生破碎，油束宽度明显变大，柱状形态逐渐消失，导致近场喷雾锥角迅速增大；当环境压力为4.5MPa、喷油压力从80MPa增加至140MPa时，喷雾液柱区开始破碎的时间由72μs提前至36μs；当喷油压力为120MPa、环境压力从2.5MPa提高至4.5MPa时，喷雾液柱区的破碎时间也相对推迟，同时喷雾贯穿度和喷雾面积明显减小；当喷油压差平方根呈线性增加时，相同喷油时间下喷雾前端速度的增加幅度明显变大．当喷孔直径不变时，减小喷孔长度，喷雾贯穿度增加，喷雾液柱区的破碎时间提前，近场喷雾锥角相对增加，破碎程度随之增大，油束破碎区域也更加对称．

柴油；喷雾；近场；破碎；长径比

目前，柴油机的喷油压力很高．在喷油过程中，喷油器喷孔内会出现包括气蚀在内的一系列瞬态现象[1-2]，尤其是在喷油的初期阶段，这一现象更加明显．喷油初期是指燃油刚从喷孔内喷出形成不稳定油束的初始阶段，它对油束的破碎及雾化起着至关重要的作用，并影响柴油机缸内混合气的形成、燃烧和排放[3-4]．因此，其近场特性的研究得到了国内外的广泛关注．

利用数值模拟方法，Salvador等[5]发现，喷孔内的高度湍流会增加靠近油束中心和雾化区域的涡量；喷油压力越高，湍流越强，雾化效果越好．Hattori 等[6]在环境压力为3MPa、喷油压力为32MPa下，试验研究了距喷孔4mm处的近场喷雾图像，并发现由喷孔喷出的油束，其中心受喷孔的剪切力影响较小，导致中心燃油速度较高，这部分燃油先在空气的作用下逐渐向周围扩展，形成了伞状头部，但随着喷油的进行，前端伞状结构逐渐消失．Dong等[7]通过模拟和试验相结合的方式研究了多孔喷油器在不同喷孔长度下的喷雾及内部流动特性，并发现喷雾的发展受喷嘴内部流动和相邻油束之间的相互影响．喷孔长度减小会增加喷孔内的空化及湍流程度，增大油束径向尺寸，减小喷孔有效流动面积．张军[8]通过数值模拟研究了单孔柴油喷油器不同喷孔长度下的喷孔内部流动特性，研究发现，当长径比为6时，大量空化气泡随燃油一起流出孔外，有助于加速燃油的破碎，而当长径比为8时，喷孔出口处的气泡所占的体积较少．王忠远等[9]试验研究了喷孔长径比等结构参数对喷嘴内部空化过程的影响，结果表明，增大喷孔倾角、直径、长径比以及采用入口圆角等措施会抑制空化现象的产生．Guo等[10]和Wang等[11]通过数值模拟和试验研究了残余燃油或倒吸气泡对喷雾结构的影响，结果表明，残余燃油或倒吸气泡的分布、大小和数量决定了初始喷雾结构的变化，喷雾初始的蘑菇云是由残余燃油或倒吸气泡产生的；此外，空化会使油束表面的扰动更加剧烈，导致油束的剥离和破碎过程出现得更早．Henry等[12]的研究表明，影响喷雾特性的主要因素有喷油器结构、流体性质和外界环境，在喷油器结构和流体性质一定时，喷油初期的雾化主要受初始动能和孔内流动特性的影响．

对不同喷油压力和环境压力下单孔直喷汽油机喷油器射流的微观特性的研究[13]表明，近场射流表面会伴随着表面波的形成，间断产生的表面波会在射流向外摆动的切线处发生剥离，形成密集的微小液滴群，且喷射压力越高，射流表面波长越短，表面波越容易破碎．Junkyu等[14]的研究表明，在环境阻力的作用下，喷油初期阶段喷雾头部动量较小的区域变宽，且随着供油量的不断加大，前端燃油在后端高压燃油的推动下，逐渐形成了蘑菇状的结构，同时前端强涡流和不稳定波的传播加速了燃油的初次破碎．此外，随着喷油压力的不断提高，高喷油压力下长径比的改变会使得喷雾锥角的差异性加大．文华等[15]的研究结果表明，喷油结束阶段空化溃灭后导致喷嘴内的压力降低是引起空气倒吸的原因，且喷嘴内的空化量随针阀运动速度的增大而增大．Wei等[16]的研究结果表明，喷雾锥角随喷射时间的变化呈双峰型，在喷射开始和喷射结束时的喷雾锥角明显大于准稳态时的喷雾锥角，而喷雾锥角的增大导致了周围空气卷吸作用的增强．

目前，国内外多侧重于利用数值模拟或试验手段研究孔内流动以及全场喷雾特性，而对于喷油初期近场喷雾形成过程的试验研究仍然较少，尤其是高环境压力条件下的研究．为了揭示柴油机喷油时高环境压力、喷油压力和不同喷孔长径比对喷油初期近场喷雾特性的影响，为后续孔内研究提供可靠的试验数据，本文利用显微放大试验系统，从相对微观的角度对喷油初期单孔柴油喷油器喷孔外0～3.5mm内的近场喷雾特性进行了研究．

1 试验系统和方法

1.1 试验装置

为了进行近场喷雾特性试验，搭建了试验测试系统，如图1所示．试验系统主要由定容弹、Infinity Model K2-SC长工作距离显微镜、燃料供给系统、氙灯、Photron Fastcam SA5型高速相机、环境压力显示器及调节系统等组成．其中，显微镜头由Infinity Model K2-SC单筒镜组、CF-2物镜、TR二倍镜筒组成．该镜组工作距离为138～209mm，景深为0.03～0.06mm，放大倍数为2.72～4.58；高速相机的最大分辨率为1024×1024，其最高拍摄帧率可达106帧/s.供油系统由低压油路和高压油路组成．试验所需喷油压力由高压泵的燃油计量单元调节，最大喷油压力为140MPa．通过上位机通讯，可以改变喷油压力．试验所用喷油器为喷孔中心布置的单孔喷油器．喷雾时定容弹中的环境压力用高压氮气调节．

测试条件如表1所示．

1—ECU；2—高速相机；3—长工作距离显微镜；4—喷油器；5—定容弹；6—高压共轨；7—氙灯；8—油箱；9—滤清器；10—高压油泵；11—位置传感器；12—电机

表1 测试条件

Tab.1 Experimental conditions

在试验前，通过拍摄与喷油器中心在一个垂直面内显微刻度尺，根据MATLAB编写的比例尺标定程序，得到喷雾图像中每个像素点的实际长度为7.7μm．试验时，每两幅图像之间的时间间隔为12μs，图像的像素点数为128×448，曝光时间为370ns，以减少高速射流产生的拖尾现象．

1.2 试验的可重复性

喷油系统是一个液压系统，因此，电磁阀通电后，喷油器针阀的开启过程有一定的随机性，由此影响燃油的喷射过程，进而影响喷雾参数的准确性．为了减小喷油过程中喷雾图像的随机误差，将喷油时刻固定在油轨中压力波动最小的平稳阶段．当手动触发照相和喷油命令后，控制单元处于等待状态，当高压油泵凸轮旋转到指定位置时，NI PCI-6123同时发出拍摄和喷油触发信号，拍摄信号直接发送给高速相机进行拍摄工作，喷油信号发送给具有可调电流波形的NI-cRIO驱动模块迅速打开针阀来防止针阀的跳动，提高了试验系统的稳定性．

图2给出了喷油后24μs、48μs 5个不同喷油过程的喷雾图像．从图中可以看到，同一时刻不同喷油过程的近场喷雾形态的一致性较高．在试验过程中，对每一个试验点进行了5次重复拍摄，还发现每次试验的喷雾贯穿度、锥角以及喷雾面积随喷射时间有相似的变化规律，且试验值的标准差均在2以内，不同长径比的试验同样具有较好的重复性，此处不再赘述.

此外，本文进行参数计算时，取试验值的平均值进行分析，并计算试验值的标准差，叠加到取平均值后的喷雾贯穿度等曲线上．

图2 环境压力为4.5MPa、喷油压力为120MPa时的近场喷雾图(L/D＝6)

1.3 图像处理和参数定义

利用自编的MATLAB程序对喷雾图像进行处理．为了减少图像噪声的干扰，首先获得没有喷油时的图像作为背景图，因为在试验过程中没有对燃油和环境气体加温，因此背景图与喷雾图之间的对比较为明显．然后利用喷雾图减去背景图的方法获得喷雾主体．此后进行喷雾边缘的识别[17-18]，本文采用的二值化阈值是0.139．

在提取了图像边界后，再进行喷雾锥角和贯穿度等参数的计算．分析时采用喷射时间(injection time)的计时方式，并将记录到第1张燃油喷出图像的前一张图像的喷射时间定义为0μs．

本文研究的是近场喷雾，其在喷雾形态上与全场喷雾有所区别，尤其是喷油初期的喷雾锥角正处于快速发展阶段．为了便于分析，对近场喷雾图像进行了定义．其中，液柱区是喷孔下方油束宽度近似等于喷孔直径的线性区域，喷雾头部是油束最前端的伞形部分，在喷雾头部的后端有剥离下来的油丝和它破碎后形成的油滴群，如图3所示．

图3 近场喷雾参数定义

2 结果与讨论

2.1 喷油压力对喷雾近场特性的影响

图4给出了环境压力为4.5MPa，喷油压力为80MPa、100MPa时一次喷油过程中喷油初始阶段喷雾贯穿度的发展趋势．由图4可知，在喷油初始阶段，喷雾贯穿度有一个加速发展过程．原因如下：一方面，在实际喷油过程中，针阀抬起使密封座面流通面积逐渐变大，进而使得流出喷孔的燃油量不断加大；另一方面，压力室和喷孔内有上一次喷油时残留下来的燃油和倒吸气泡，与来自针阀后的高压燃油混合并推动此部分静止燃油加速喷出，加上倒吸气泡的可压缩性，被燃油包裹着的压缩气泡流出后迅速膨胀，进一步加速了燃油的喷出和破碎，使初始阶段的喷雾贯穿度较快增长．

图5给出了环境压力为4.5MPa，喷油压力为80MPa、100MPa时一次喷油过程中喷油初始阶段的近场喷雾图像．可以发现，燃油喷出时，破碎区域集中出现在喷雾前端，形成了一个随时间发展而不断增大的喷雾头部．其主要原因如下：燃油喷出后，前端燃油首先脱离喷孔并破碎，在环境阻力的作用下，前端燃油受冲击产生弯曲，不断卷吸周围气体并与其混合，同时破碎程度较大的燃油逐渐脱离主液柱，速度迅速降低．而动能较大的油滴又会进一步地破碎，形成滴径更小的油滴．因此随着喷射时间的增加，喷雾前端面积不断增大，形成了明显的伞状头部．此外，油束中心的燃油速度比周围高，在与周围气体进行动量交换的过程中，油束周围的燃油速度下降得更快，使得油束中心贯穿度更大．

对比不同喷油压力下的喷雾图像还可以发现，在相同的喷射时间下，高喷油压力下的喷雾前端所占据的区域更大，而且悬浮的油滴区域也更大，这说明提高喷油压力加速了燃油的破碎，细小的油滴数量也随之增多．

在一个喷油过程中，当平滑的液柱区在后一个时刻发生明显的变形时，说明此时液柱区发生了破碎，如图5中inj＝80MPa时的72µs和inj＝100MPa时的60µs喷雾图．为了分析其破碎特点，图6给出了环境压力为4.5MPa，喷油压力分别为80MPa、100MPa、120MPa和140MPa时液柱区开始出现破碎的第1张近场喷雾图像．可以看出，随着喷油压力的提高，液柱区发生破碎的时刻不断提前．喷油压力分别为80MPa、100MPa、120MPa和140MPa时，液柱区出现破碎所对应的时刻分别为80μs、60μs、48μs和36μs，并且破碎程度有增大的趋势．

图5 环境压力为4.5MPa时不同喷油压力下的近场喷雾图像(L/D＝6)

为了分析引起液柱区破碎的主要原因，设喷孔内的燃油为不可压缩理想流体，并且不考虑燃油流动过程中的高度变化差，根据伯努利方程可以计算出喷口出口处燃油的平均流速为

式中：为喷孔进出口之间的压力差；为燃油的 密度．

由于空化在喷口入口处初生，而喷孔内留有上一次喷油残余的燃油，此部分燃油不是空化流．因此根据喷孔长度可以计算出压力室内燃油流出喷孔所需的时间，即

由式(3)可得，当喷油压力为80MPa、环境压力为4.5MPa时，≈2.25μs．喷油压力越高，值越小．但在实际喷油中，从喷油器接收喷油信号到针阀打开并开始喷出燃油存在一个响应滞后，加上燃油从静止到流出存在一个加速过程，所以实际燃油喷出的时间比由式(3)计算的时间长得多，而在喷孔内形成空化区以及空化气泡流出喷孔也存在时间延迟，所以空化燃油流出时间会更晚．因此，可以推断，液柱区出现的破碎主要是由进入液柱区的空化燃油在低压环境下破碎所引起．

由于高喷油压力提高了孔内的燃油流速，所以液柱区出现破碎的时刻有一定程度的提前．此外，高喷油压力在喷孔内产生更强的湍流扰动，又会改变喷孔内的空化程度和运动轨迹，从而在一定程度上增强了液柱区的破碎程度．

图6 环境压力为4.5MPa时不同喷油压力下液柱区开始出现破碎时的喷雾对比(L/D＝6)

图7给出了环境压力为4.5MPa，喷油压力分别为80MPa、100MPa、120MPa和140MPa时喷油初始阶段的喷雾锥角随喷射时间的变化规律．可见，当喷油压力为80MPa，喷射时间为0～60μs时，喷雾锥角接近0°，这是喷雾液柱区并未发生破碎所致；当喷射时间为60～96μs时，喷雾锥角开始增大．在喷油压力从80MPa提高至140MPa时，喷雾锥角基本遵循相同的规律，但燃油射流出现锥角变化的时刻逐步提前，并出现一定程度的波动．这是由于喷雾液柱区进入破碎的时刻提前所致(如图6所示)，而喷油过程中高压油管中的压力波动和空化扰动是喷雾锥角出现波动的主要原因．王谦等[19]发现针阀的快速开启改变射流的法向脉动速度，也会使喷雾锥角呈波动式发展．

图7 不同喷油压力下喷雾锥角随喷射时间的变化趋势(pa＝4.5MPa，L/D＝6)

图8 喷油初始阶段不同下喷雾前端速度随喷射时间的变化趋势(pa＝4.5MPa，L/D＝6)

2.2 环境压力对喷雾近场特性的影响

喷油压力为120MPa、环境压力为4.5MPa时，喷雾液柱区在喷油后48μs时开始产生破碎(图6)，因此在图9中分析了喷油后48μs时环境压力对喷雾液柱区破碎的影响．

图9 喷油压力为120MPa时不同环境压力下液柱区开始出现破碎时的近场喷雾对比(L/D＝6，喷射时间为48ms)

从图9中可以看出，喷射时间为48μs时，不同环境压力下的喷雾液柱区均产生了破碎，这是喷孔内的空化流流出孔外并在油束中破碎产生的结果．还发现，随着环境压力的不断增加，喷雾液柱区的破碎程度有所减小．其主要原因是环境压力的改变会影响空化的初生和发展速度[20]，也会影响空化气泡在喷孔外的溃灭过程和膨胀波的传播．从试验结果来看，环境压力的提高抑制了孔内空化的初生和发展，空化气泡流出喷孔后的破碎力也随之减小，从而使得喷雾液柱区的破碎时间有所推迟．可见，喷孔出口处的空化破碎对于初期燃油喷雾的发展有着至关重要的作用．

此外，为了分析不同环境压力对喷油初始阶段近场喷雾发展的影响，利用自编的图像识别程序，提取了不同喷油时刻下的喷雾面积分布情况，如图10所示．可见，随着环境压力的增加，相同喷射时间下的喷雾面积有所减小．这是因为，环境压力的增加在一定程度上减小了理论燃油喷出速度，使得喷雾贯穿度减小，喷雾面积降低．另外，在较高的环境压力下，油束与周围气体的卷吸作用增强，破碎程度有所增加，但燃油向径向扩散的能力下降．这两个因素共同作用的结果使得喷雾所占据的面积随着环境压力的增加而降低．

图10 喷油压力为120MPa时不同环境压力下喷雾面积随喷射时间的变化趋势

2.3 长径比对喷雾近场特性的影响

图11给出了不同喷油压力条件下，液柱区开始发生破碎时的近场喷雾对比．可以发现，在不同喷油压力下，减小长径比可以使液柱区的破碎程度增加.这是因为在喷孔直径不变的条件下，减小长径比，一方面减小了喷孔长度，在相同的喷油压力下空化气泡提前发展至孔外，使液柱区提前破碎；另一方面，喷孔长度减小后，更多的气泡随燃油流出并发生溃灭，这是空化程度增强的结果[21-22]，而且在相同喷射时间下，油束破碎程度更大，油束破碎区域也更加对称．

在不同喷油压力下喷雾的破碎都遵循上述规律，但由于初始动能不同，导致高喷油压力下的液柱区破碎时间更早．

图12给出了环境压力为4.5MPa，喷油压力为120Pa，长径比分别为5、6时喷雾贯穿度和近场喷雾锥角随喷射时间的变化规律．可以发现，在相同喷射时间下，随着长径比的减小，即喷孔长度减小，喷雾贯穿度增大．其主要原因是在相同的喷油压力下，喷孔直径不变时，长径比小，则喷孔长度短，喷孔对燃油产生的阻力减小，来自高压油腔的燃油产生的加速度更大，喷雾贯穿度增加更快．

图11 不同边界条件下液柱区开始发生破碎时的近场喷雾对比图(pa＝4.5MPa)

图12 不同长径比下喷雾参数随喷射时间的变化趋势 (pa＝4.5MPa)

从图12还可以看出，不同长径比下的喷雾锥角在36µs后开始迅速增加，但具有小长径比的喷雾锥角增加较快．这是因为，喷雾液柱区的破碎使得近场喷雾锥角迅速进入增加阶段，而长径比的减小导致喷雾液柱区的破碎时间提前，使近场喷雾锥角增加得 较快．

3 结 论

(1) 喷油初期，油束的破碎阶段可分为头部破碎和液柱区破碎阶段，其破碎程度受喷油压力和环境压力影响较大．在相同喷射时间下，喷油压力越高，头部破碎区域越大，细小油滴量也随之增多；喷雾液柱区中产生的破碎是导致近场喷雾锥角迅速增大的主要原因．在环境压力为4.5MPa下，当喷油压力从80MPa增加至140MPa时，液柱区的破碎时间由72μs提前至36μs，而且破碎程度明显增大，近场喷雾锥角整体增大且前移；当喷油压力为120MPa、环境压力由2.5MPa增加至4.5MPa时，喷雾贯穿度和喷雾面积明显减小，喷雾液柱区开始破碎的时间也有所推迟．

(3) 当喷孔直径不变时，减小喷孔长径比，喷雾贯穿度增大，喷雾液柱区开始产生破碎的时间提前，近场喷雾锥角相对增大，破碎程度也随之增大，油束破碎区域也更加对称．

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Study on the Initial Formation Processes of Near-Field Diesel Spray

He Bangquan1，Zhang Gengjia1，Zhang Yan2

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. China North Engine Research Institute，Tianjin 300405，China)

To understand the initial formation processes of the near-field diesel spray，the characteristics of the near-field spray within 3.5mm below the hole exit of a single-hole diesel injector under different injection pressures，ambient pressures，and length-to-diameter ratios were experimentally investigated；this was carried out by combining a long-distance microscope and a high-speed digital camera. The results show that an acceleration process occurs during the spray development，and the breakup zones of the spray are composed of the spray head and the liquid column zones. The breakup first occurs in the spray head，then an increased umbrella-shaped head is formed，and stripped fuel filaments are also formed during injection. The larger the injection pressure is，the larger the area of fuel droplets distributed at the same injection timing. The breakup time of the liquid column area is later than that in the head. With the outflow of the cavitation area in the nozzle hole，the liquid column begins to break up，the width of the spray significantly increases，the columnar shape gradually disappears，and the near-field spray cone angle rapidly increases. At the ambient pressure of 4.5MPa，the time of the liquid column breakup is advanced from 72μs to 36μs when the injection pressure is increased from 80MPa to 140MPa. At the injection pressure of 120MPa，the time of the liquid column breakup is delayed，and the penetration and spray areas are significantly reduced when the ambient pressure is increased from 2.5MPa to 4.5MPa. Moreover，after fuel injection，the spray front speed increases sharply with the increase of the square root of the injection pressure differential. At a fixed diameter of the nozzle hole，the reduction of the nozzle hole length results in increased spray penetration，advanced breakup time of spray liquid columns，relatively increased spray cone angle，increased degree of spray breakup，and a more symmetrical distribution of fuel droplets relative to the center line of the spray.

diesel；spray；near field；breakup；length to diameter ratio

TK421

A

0493-2137(2021)05-0542-09

10.11784/tdxbz202003022

2020-03-13；

2020-04-29.

何邦全（1964—  ），男，博士，副教授.

何邦全，bqhe@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51606175，51476151).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51606175，No.51476151).

(责任编辑：金顺爱)