柴油机喷孔内空化过程仿真研究

徐慧　王鹏超

摘 要：为了更好地了解柴油机喷孔内燃油流动特性及空化现象，基于几何结构相似和空化数相似原理，采用比例放大试验装置，并结合Fluent液压仿真，分析了随入口压力的变化，喷孔内燃油空化发展规律以及该空化现象对喷孔燃油流量特性的影响。研究结果表明：固定喷孔出口压力，随着入口压力的增大，喷孔入口处将出现空化，并且空化逐步向喷孔延伸。随着入口压力的增大，孔内燃油质量流量也逐步增大。但随着孔内空化现象的出现，燃油质量增大的加速度有保持不变的趋势。

关键词：柴油机 喷孔 比例放大 入口压力 空化 质量流量

最新柴油机尾气排放的标准是CO不超过2.2g/km，CH不得超过1.13g/km，颗粒物不得超过0.18g/km，由于车辆的排气管是接近地面，处于人群的呼吸地带，所以这些尾气和颗粒物的排放对人体的呼吸系统有很大的影响。实验表面柴油在气缸内燃烧质量的好坏会直接影响柴油机尾气的排放质量，柴油在缸内燃烧越充分，尾气排放质量越好。而进一步实验表明，提高柴油的雾化效果能够使其在缸内燃烧更加充分，进而能降低尾氣的排放[1-2]。为了满足国家排放标准，柴油机的喷射压力不断提高，喷油器的喷孔尺寸也在不断变小，以获得良好的缸内雾化效果[3]。随之带来的影响是喷孔内更容易出现空化现象[4]。研究表面，流体中形成的空化奔溃会产生高温、高压、放电、和激震波等，这不仅会引起机器的噪声、震动、磨损等问题，还会对气缸内的燃油的雾化和油气混合过程产生显著影响，因此进行研究柴油的高压喷射的同时必须考虑柴油机喷孔内的空化流动特性[5]。

汪翔等[6]对柴油机单孔喷油嘴的研究表明： 喷油嘴的喷射压力提高会加剧入口压力的波动，而入口压力的波动现象会使不同时刻喷孔内的空化形态不同，越靠近喷孔出口的空化气泡动力特性越不稳定，也就是说对压力波动越敏感。邓海鹏利用比尺效应建立了放大的可视化喷嘴，并开展了喷嘴空化特性研究。结果发现，喷孔直径越大，空化区域也变大，并且空化区域从喷油孔壁面逐步向喷油孔中心位置发展[7]。颜学升[8]对比例放大透明喷嘴内空穴流动的可视化试验表明，空穴现象的发生与雷诺数没有直接的联系，空穴现象的发生只有空穴数有关，随着喷孔直径的减小，空穴初生临界压力越大，小口径乃至原型喷嘴，其喷嘴内部较难出现空穴现象。此外，柴油机喷嘴喷孔长径比和倾角以及针阀升程、压力室形状等几何结构因素都会影响其内部空穴流动特性；喷射燃料的物理特性对柴油机喷嘴空穴流动有重要影响，生物柴油比柴油更难出现空穴现象，且生物柴油出现水力柱塞流状态的压力要比柴油高，说明生物柴油保证获得良好喷雾状态的喷射压力要高于柴油。钟汶君[9]在搭建的等比例放大透明喷嘴可视化试验台架上获得了不同燃油温度下喷嘴内部空穴流动图像及流动特性数据，试验结果表明，随着燃油温度的升高，空穴初生的压力减小；在同样的试验边界条件下，燃油温度越高，流体的雷诺数越高，而喷嘴内的流量系数与燃油温度没有一定的关系。仇滔[10]等为了研究喷油器的进出口压力对燃油在喷嘴里的流动的影响，设计了一套出口压力可调的试验装置，针对高压共轨喷油器进行了不同出口压力下的喷油规律测量，研究了出口压力对喷油率的影响。试验表明：喷嘴进出口形成一定的压力差时，喷孔内部会形成空化流动；在处于空化流动阶段时，固定喷嘴的入口压力，改变其出口压力，不影响喷嘴的喷油率，流动出现阻塞现象；出现空化后，增加喷嘴出口压力，空穴流动现象会减弱，喷孔内流量系数会增大。上述文献表明，喷嘴的进出口压力以及压力的稳定性会影响孔内的空化形态，并且燃油温度也会影响喷孔内空化现象。因此深入分析入口压力对喷嘴内空化过程的影响，并分析随入口压力的变化，喷孔的流量特性规律十分重要。

1 等效几何模型

由于柴油机喷油器喷孔的尺寸很小，试验过程难以直接观察喷孔内部柴油的空化流动，本文基于压力边界相似原理，采用等比例放大喷孔模型进行试验，其中基准喷孔的实际尺寸是直径为0.7mm，长度为0.35mm，为了更加充分的观察空化在喷孔流向的发展情况，加长实验喷孔的长度至10mm，放大后喷孔如图1所示。

2 三维仿真计算

2.1 仿真模型设置

本文使用Fluent液压仿真软件进行三维仿真计算，主要设置如表1所示。

由于喷孔尺寸小，可以近似的把燃油在喷孔内的流动过程看作恒温过程，忽略两者之间的能量交换，因此设置燃油在仿真过程中温度保持为25℃。在仿真计算过程中，假设所用的柴油为不可压缩流体，并且不考虑柴油在喷孔内的流动时的能量转化和损失，考虑柴油在气相和液相之间的质量与动量交换，压力边界均采用表压。其中，试验及仿真所用0#柴油物性参数如表2所示。

2.2 模型验证

为了验证仿真计算模型的可靠性，试验采用下图2所示的可视化试验装置进行等比例放大柴油机喷油器喷孔的柴油流动特性试验。

光学试验过程中，使用高强度光源 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．固定可视化装置内喷孔的入口流动压力为7MPa，调整喷孔的出口压力，最后测量喷孔的出口燃油质量流量。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为7MPa，喷孔的出口压力由背压阀调节，背压阀的调压范围为0～7MPa。采用定时间称重的方法测量质量流率，精度是0.0001kg/s。在入口压力为7MPa，出口压力3MPa工况下，试验测得的质量流量是0.0262kg/s，仿真计算的质量流量结果是0.0268，两者的误差未超过5%，可见模型是具有可靠性的。

3 入口燃油压力对孔内柴油流动规律影响

从下图3可以得出，保持喷孔的出口压力为1MPa，当入口压力为2MPa的时候，喷孔内未出现空化，当入口压力为3Mpa的时候，喷孔内仍未出现空化；当入口压力提高到4MPa的时候，喷孔入口处出现橙色区域，喷孔内出现气相燃油，这表示喷孔内出现空化；当入口压力逐渐提高到7MPa的时候，空化区域也不断延喷孔出口发展。

图4是喷孔的燃油质量流量随入口压力的变化特性。当入口压力为2MPa的时候，喷孔出口的燃油质量流量为0.0047kg /s，此时喷孔内未出现空化；当入口压力为3Mpa的时候，喷孔出口的燃油质量流量为0.0127kg /s，但喷孔内仍未出现空化；当入口压力提高到4MPa时，喷孔出口的燃油质量流量增加至0.0302kg /s，喷孔内出现空化；当入口压力逐渐提高到7MPa的时候，喷孔出口的燃油质量流量增加至0.0836kg /s，空化区域也不断延喷孔出口发展。由图中变化趋势可以看出，虽然随着喷孔内出现空化现象，孔内燃油的质量流量仍在增加，但增大的加速度已经有保持不变的趋势。

1.结论

1）固定出口压力，随着入口压力的增大，喷孔入口处将出现空化，并且空化逐步向喷孔延伸；

2）随着入口压力的增大，孔内燃油质量流量也逐步增大。但随着孔内空化现象的出现，燃油质量增大的加速度有保持不变的趋势。

基金项目：台州职业技术学院青年课题（2022QN10）。

参考文献：

[1]BADOCK C，WIRTHR R，FATH A，et al． Investigation of cavitation in real size diesel injection nozzles[J]．International Journal of Heat and Fluid Flow，1999，20： 538-544．

[2]李聪，方蜀州，张平．微型燃气涡轮发动机喷嘴雾化性能研究[J]．北京理工大学学报，2007，27（11）：952-955．

[3]MATSUMOTO S，DATE K，TAGUCHI T，et al． The new denso common rail diesel solenoid injector [J]．MTZ，2013，74（2）：44-48．

[4]QIU T，SONG X，LEI Y，et al．Effect of back pressure on nozzle inner flow in fuel injector[J]．Fuel，2016，173：79-89．

[5]董庆兵．柴油机喷油器喷孔内空化特征及机理研究[D]．天津：天津大学，2010．

[6]汪翔，苏万华．柴油高压喷嘴内部的压力波动与不稳定空化现象分析[J]．内燃机学报，2010，28（3）：193-198．

[7]邓海鹏. 缸內直喷汽油机喷孔内两相流瞬时变化特性分析[D]. 长春： 吉林大学，2019.

[8]颜学升．柴油机喷嘴结构对喷雾特性的影响研究[D]．江苏：江苏大学能源与动力工程学院，2013．

[9]钟汶君，何志霞，王谦，等．不同燃油温度喷嘴内部流动可视化试验[J]．内燃机学报，2015，33（3）：238-242．

[10]仇滔，冯祥，雷艳，等．出口压力对柴油喷油器流量特性影响的试验研究[J]．兵工学报，2015，36（5）：777-780．