高永強，鐘 兵，陶莉莉，劉永輝，王希波，張克松

（山東交通學院汽車工程學院，濟南 250357）

前言

發(fā)生于柴油機噴嘴內(nèi)部的空化涉及湍流、相變、可壓縮性和非定常等幾乎所有的復雜流動現(xiàn)象。對高壓噴嘴來說，噴孔的幾何尺寸相當小，通過噴孔的流速又非常高，對其內(nèi)部的流場進行試驗觀測非常困難，迄今為止，人們對柴油機噴嘴內(nèi)空化流動過程的了解還十分有限［1-4］。但隨著實驗技術的提高和理論知識的擴展，人們對柴油機噴嘴內(nèi)部空化現(xiàn)象進行了大量深入的研究，研究顯示，當內(nèi)部燃油經(jīng)過噴孔入口縮口時，流速會急速增加導致壓力降低，從而發(fā)生空化現(xiàn)象，空化的存在以及在噴嘴出口位置的潰滅導致流場極不穩(wěn)定，加速燃油近嘴區(qū)射流發(fā)生破碎和霧化。

柴油機噴油嘴的燃油霧化過程一般分為靠近噴嘴出口主要受燃油噴孔內(nèi)流影響的近噴孔區(qū)初次霧化和離噴嘴出口遠端主要受空氣動力擾動影響的二次霧化兩個過程，并認為柴油近場噴霧的霧化效果直接影響隨后的二次破碎和霧化過程［5］。因此，研究柴油機噴嘴內(nèi)燃油空化過程對于優(yōu)化和改善柴油機的燃燒效率和減小排放物形成有重要的意義。

國內(nèi)外學者圍繞著噴油嘴結構參數(shù)和形狀［6-9］、噴油參數(shù)［10-21］和不同燃油［22-23］等對噴孔內(nèi)空化過程及空化對燃油射流霧化的影響進行了大量深入研究。上述研究表明：噴孔內(nèi)空化形成的可視化實驗大多采用較大尺寸的透明噴嘴模型，主要通過無量綱數(shù)、射流參數(shù)、結構參數(shù)來研究，得到的試驗圖像比較模糊，獲得的有用信息有限，特別是對實際尺寸透明噴嘴中空化現(xiàn)象的微觀結構的觀測，很難獲得高分辨率和清晰度的實驗圖像，因此還需進一步提高觀測手段和實驗精度。

本文中在高壓共軌的可視化實驗平臺上［20］，設計透明有機玻璃噴孔代替原噴嘴的噴孔，采用高速數(shù)碼相機和高放大倍數(shù)、高分辨率的長距離顯微成像技術以及納秒級閃光燈作為相機曝光光源，獲得了較高分辨率和清晰度的實驗圖像，對柴油機噴嘴內(nèi)燃油空化產(chǎn)生、發(fā)展和分布狀態(tài)顯微觀測，直觀展現(xiàn)噴嘴內(nèi)燃油空化及影響規(guī)律，獲得了燃油空化過程的直觀認識。

1 實驗裝置和實驗方法

1.1 實驗裝置

圖1所示為可視化實驗平臺示意圖，主要包括3大系統(tǒng)：燃油供給系統(tǒng)、高速閃光成像系統(tǒng)和同步裝置。燃油供給控制系統(tǒng)采用Delphi Multec DCR1400高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，并對供油壓力、噴油頻率和噴油脈寬進行精確設置。高速閃光成像系統(tǒng)主要由相機（EOS 700D）、長距離顯微鏡（QM-100，QUESTAR）、閃光燈驅(qū)動和閃光燈組成。由于長距離顯微鏡主要對微小噴孔進行顯微放大，因此它代替相機鏡頭，可獲得高放大倍數(shù)和高分辨率的圖像。閃光燈驅(qū)動主要為閃光燈提供納秒級脈沖信號，以便給相機提供曝光光源，如圖2所示。同步裝置用來對噴油信號進行時間延遲，使噴油過程和相機成像過程達到同步。

圖1 可視化實驗平臺示意圖

圖2 相機成像裝置

1.2 透明噴孔模型

透明噴孔模型是在商用電磁式噴油器基礎上加以改造，即將實際噴油器的球頭部分（壓力室和噴孔）磨去，用透明有機玻璃（Perspex）加工出含壓力室和噴孔的結構部件，并用丙烯酸酯膠粘劑（AB膠）將透明噴孔與噴油器本體粘合，組成透明噴嘴，如圖3所示。有機玻璃具有極佳的透光率，透光率可達92%以上，同時還具有較高機械強度和韌性，更為重要的是其折射率與柴油的折射率接近。相同的折射率可消除透明材料對成像的影響，使拍攝到的圖像能真實反映孔內(nèi)流體形態(tài)。實驗噴孔模型及噴射基本參數(shù)如表1所示，實驗采用的燃油是市場銷售的0＃柴油，柴油的理化特性如表2所示。

圖3 透明噴孔模型

表1 透明噴嘴模型及噴射基本參數(shù)

表2 柴油物性參數(shù)

1.3 實驗原理及方法

利用透明噴孔模型中柴油和發(fā)生相化時空穴氣泡對光線的散射不同，利用射入相機中的光線發(fā)生相應的變化，使相機成像時在噴孔模型中燃油和空化區(qū)域呈現(xiàn)不同灰度。實驗時首先將閃光燈和相機及長距顯微鏡分別放置在透明噴孔模型的兩側，使光源、透明噴孔模型、相機和長距顯微鏡在一條線上，主要是減少光線折射對拍攝圖像的影響。其次，數(shù)碼相機設置為B快門模式，快門開啟時間設置為1／4～1／8之間，確保相機快門開啟時間大于閃光持續(xù)時間和驅(qū)動信號傳送時間之和。然后要對長距離顯微鏡的焦距進行調(diào)節(jié)，保證獲得高清晰度的實驗圖像。相機成像一次只能獲得噴油過程的某時刻一張圖像，可通過調(diào)節(jié)同步裝置延遲時間（增加或減少延遲時間），拍攝其他噴油時刻的圖像。為消除噴油循環(huán)變動對實驗圖像的影響，可通過同一噴油時刻進行多次拍攝，從中選擇一張圖像作為這一噴油時刻的實驗圖像。

2 結果及分析

2.1 噴孔內(nèi)空化強度定量描述

實驗中采用相機顯微成像方法獲得的噴嘴內(nèi)燃油空化過程的圖像，有一個最大特點就是圖像中顏色不同，當噴嘴內(nèi)燃油發(fā)生空化時，由于光線對噴孔內(nèi)燃油和空化區(qū)域具有不同的散射使拍攝圖像呈現(xiàn)不同顏色，噴孔內(nèi)燃油呈現(xiàn)透明狀，而噴孔內(nèi)發(fā)生空化區(qū)域呈現(xiàn)黑色，如圖4所示。當噴嘴內(nèi)空化強度增大時，光線穿過時被散射的光量也隨著增大，此時獲得的圖像中空化區(qū)域的顏色也隨之變深，因此采用數(shù)碼相機獲得的噴嘴模型內(nèi)燃油空化圖像的灰度與空化之間有關，可用來定量分析噴嘴內(nèi)空化強度。

圖4 噴孔內(nèi)燃油流動圖

實驗獲得噴孔內(nèi)燃油流動的圖像經(jīng)Matlab處理得到二值圖像，可用來量化噴嘴內(nèi)空化強度。首先將任一噴油時刻獲得的圖像中噴孔區(qū)域的RGB值取出，采用加權平均值法計算實際平均灰度值SV。

式中：Ri、Gi、Bi為圖像中第i個像素點的紅色（R）、綠色（G）、藍色（B）的灰度值；N為噴孔區(qū)域圖像的總像素點數(shù)量。0.3、0.59、0.11分別為R、G、B的權重值，采用加權平均形成不同的灰度圖像。這樣處理的主要原因是人眼對綠色的敏感度最高，而紅色的敏感度次之，藍色的敏感度最低，實驗和理論證明上述對圖像的處理比較合理。

采用式（1）所獲得的平均灰度值有256級灰度分區(qū)，其值在0～255之間，當平均灰度值為0時，說明圖像為純黑色，空化強度最大；當平均灰度值為255時，圖像為純白色，空化強度最小。

根據(jù)平均灰度值就可以計算該噴油時刻噴孔內(nèi)的瞬時空化強度S，如式（2）所示。

式中：Scav為獲得圖像實際平均灰度值；Sback為獲得圖像的背景灰度，不同燃油（折射率不同）以及拍攝環(huán)境對圖像的影響都可以通過Sback來修正；Sopaq為不透光區(qū)域灰度值，Sopaq-Sback表示圖像中光線不發(fā)生散射（純?nèi)加停┖凸饩€完全散射（純氣相）時灰度值的差值。

2.2 噴孔內(nèi)空化過程

圖5為噴油壓力為40 MPa、環(huán)境壓力為0.1 MPa、噴孔直徑為0.5 mm、孔長為3 mm時，不同噴油時刻噴孔內(nèi)空化產(chǎn)生、發(fā)展和分布圖像。噴孔內(nèi)空化可用3個階段描述，分別為噴油初期、噴油穩(wěn)定階段和噴油后期。

燃油噴射初期（0-200μs），此時噴油器針閥處于開啟階段?？梢娽橀y開啟后，首先觀測到新噴入燃油把上一次噴油結束后滯留在壓力室的燃油和初始氣泡擠出孔外（如圖5中噴油時刻50和100μs），隨后在壓力室內(nèi)針閥附近出現(xiàn)大量空穴氣泡，空穴氣泡隨著噴射進行向噴孔出口處延伸、發(fā)展（如圖5中噴油時刻150和200μs）。原因是當噴油器針閥開啟后，針閥座前后出現(xiàn)較大的壓差，使新噴入壓力室的燃油產(chǎn)生一個強烈擾動，燃油以較高的速度撞擊殘留在噴孔內(nèi)的燃油（上次噴射未完全噴出），使其產(chǎn)生一定的氣相（空化）成分。

燃油穩(wěn)定噴射階段（250-600μs），此時針閥升程較大，燃油流動速度逐漸增大。可以觀測到壓力室和噴孔內(nèi)氣相（空化）逐漸消失，如圖5中噴油時刻250μs時，噴孔出口處空化區(qū)域，同時可觀測到噴孔入口處出現(xiàn)空化，并逐漸向噴孔出口處發(fā)展、延伸，空穴區(qū)域不斷擴大（如圖5中噴油時刻300、350和400μs），在500μs時，孔內(nèi)空化延伸到孔出口，形成超空化。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著針閥開啟增大，燃油流動速度增大，且在噴孔入口處由于流動截面收縮，使流速進一步增加，伴隨著流動分離以及壓力進一步減小，空化效應逐漸增強。

噴油后期（800μs以后），此時針閥開始關閉，可觀測到壓力室內(nèi)和噴孔內(nèi)的空穴氣泡又開始增多，空穴區(qū)域增加。這是由于隨著針閥升程的減小，針閥座前后壓差增加，同時由于燃油流動慣性的作用，使得噴孔內(nèi)的壓力減小，產(chǎn)生空化的條件又變得較容易，噴孔內(nèi)又出現(xiàn)空穴氣泡。

圖5 不同噴油時刻噴孔內(nèi)流動圖

2.3 噴嘴結構對空化的影響

Blessing等人［24］對漸擴噴孔和漸縮噴孔的空化發(fā)展進行了數(shù)值模擬，研究表明噴嘴內(nèi)空化發(fā)展過程對噴孔結構極其敏感。但是，由于噴孔結構和加工工藝的原因，對不同幾何特征的透明噴孔內(nèi)空化發(fā)展過程的可視化實驗研究較少。

為便于對比分析，根據(jù)噴孔入口直徑（Din）、出口直徑（Dout）和噴孔長度（L）定義了一個K系數(shù)來描述噴孔幾何特征。

圖6所示為不同幾何特征（K系數(shù)）噴孔內(nèi)空化發(fā)展過程，其中，噴油壓力為30 MPa，環(huán)境壓力為0.1 MPa。從圖中可以看出，噴孔幾何特征對空化過程影響非常顯著。對于K＝0的圓柱形噴孔，空化初生、發(fā)展比較緩慢，在200μs時，空化區(qū)域還沒有發(fā)展延伸到噴孔出口。而對于K＝-0.04的漸擴噴孔，空化初生、發(fā)展非常迅速，在50μs時就已經(jīng)發(fā)展延伸到噴孔出口，形成超空化。最明顯的是K＝0.04的漸縮噴孔，整個噴油過程沒有觀測到空化形成。

圖6 不同K系數(shù)的噴孔內(nèi)空化發(fā)展過程

上述觀測到的實驗現(xiàn)象其主要原因是由于漸縮噴孔截面逐漸收縮，孔內(nèi)流速增加，孔內(nèi)壓力沿流動方向也逐漸減小，但由于噴孔出口壓力（0.1 MPa）不變，這樣就造成孔內(nèi)逆流方向（噴孔出口到入口）的壓力逐漸增大，致使孔內(nèi)空化產(chǎn)生條件受到抑制。而對于漸擴噴孔，噴孔截面沿燃油流動方向逐漸增大，孔內(nèi)燃油流動速度減小，壓力沿流動方向逐漸增大，噴孔出口處壓力不變，噴孔內(nèi)上游壓力逐漸減小，使孔內(nèi)有利于空化形成。

圖7為噴孔長度相同、噴孔直徑不同的空化發(fā)展過程?？组LL＝3 mm不變、噴孔直徑d分別為0.3、0.4、0.5 mm，即長徑比L／d為10、7.5、6，噴油壓力和環(huán)境壓力分別為30和0.1 MPa。從圖中可以觀測到噴油參數(shù)不變、噴孔長度相同、噴孔直徑不同時，噴孔內(nèi)空化過程差異較大，噴孔直徑越大，即長徑比越小的噴孔內(nèi)空化較容易產(chǎn)生，噴孔內(nèi)空化產(chǎn)生、發(fā)展也更加迅速。主要原因是由于大噴孔直徑燃油流動時受到較小的阻礙，燃油流動更加順暢，流動速度有所增大，導致噴孔內(nèi)壓力降低，更有利于空化產(chǎn)生、發(fā)展。

圖8為噴孔長度不變、不同噴孔直徑的空化強度S和平均空化強度Sm的分布圖。從圖中可以看出，噴油壓力不變時，噴孔長度相同，噴孔直徑越大，即噴孔長徑比越小，空化強度越大，噴孔長徑比增加到一定值后，空化強度增加不再明顯。噴孔內(nèi)平均空化強度Sm也隨著長徑比的增加而減小，長徑比L／d分別為6、7.5、10時，Sm分別為0.228、0.164、0.117，L／d＝6與L／d＝7.5相比，Sm減少約28%，L／d＝6與L／d＝10相比Sm減少約48.7%。

2.4 環(huán)境壓力對空化的影響

圖9所示為不同環(huán)境壓力下的噴嘴內(nèi)空化發(fā)展過程。其中環(huán)境壓力分別為0.1、1、2和3 MPa，噴孔傾角為60°，噴油壓力為40 MPa。噴孔直徑為0.3 mm，孔長為2.5 mm。從圖中可以看出，環(huán)境壓力對空化發(fā)展過程影響比較顯著，隨著環(huán)境壓力的增大，噴嘴內(nèi)空化受到抑制，空化初生、發(fā)展比較緩慢。在50μs時，環(huán)境壓力為0.1和1 MPa時，噴孔入口處已經(jīng)有空化產(chǎn)生，不過空化區(qū)域不大，而環(huán)境壓力升高到2和3 MPa時，噴孔內(nèi)還沒有空化產(chǎn)生。隨著噴射進行，在100μs時，環(huán)境壓力為0.1 MPa時，空化區(qū)域已經(jīng)發(fā)展、延伸到噴孔出口處，而環(huán)境壓力較高的噴孔，噴孔入口處空化區(qū)域發(fā)展較慢，且隨著環(huán)境壓力增大，空化區(qū)域發(fā)展更加緩慢。在200μs時，環(huán)境壓力為0.1和1 MPa的噴孔，空化區(qū)域已經(jīng)擴大到整個噴孔，發(fā)展形成較強的空化流，此時環(huán)境壓力為2和3 MPa的噴孔，空化區(qū)域發(fā)展較慢，還沒有發(fā)展到噴孔出口。在500μs時，所有噴孔的空化區(qū)域都能發(fā)展到噴孔出口，形成超空化。隨著噴射進行，在800μs時，低環(huán)境壓力的噴孔（如0.1 MPa），孔內(nèi)空化區(qū)域變化不明顯，而較高環(huán)境壓力的噴孔（如3 MPa），噴孔內(nèi)空化區(qū)域開始減小，不能延伸到噴孔出口，即高的環(huán)境壓力抑制孔內(nèi)空化的形成。

圖9 不同環(huán)境壓力下的噴孔內(nèi)流動圖

圖10為不同環(huán)境壓力下孔內(nèi)超空化時間對比。由圖可見，環(huán)境壓力越低，形成超空化時間越長，對于環(huán)境壓力為0.1 MPa的噴孔，超空化時間大約有600μs，而環(huán)境壓力分別為1、2、3 MPa時，噴孔內(nèi)形成超空化時間分別為450、200、150μs，與環(huán)境壓力為0.1 MPa相比，超空化時間分別減少約25%、66.7%、75%，當環(huán)境壓力超過一定值（2 MPa）時，超空化時間變化不再明顯，可以推測當環(huán)境壓力繼續(xù)增大時，噴孔內(nèi)可能不會出現(xiàn)超空化。

圖10 不同環(huán)境壓力下噴孔內(nèi)超空化時間

圖11為不同環(huán)境壓力的空化強度對比。由圖11（a）可以看出，空化強度受環(huán)境壓力影響比較顯著，環(huán)境壓力為0.1 MPa，空化產(chǎn)生、發(fā)展比較迅速，空化強度明顯較大，當環(huán)境壓力升高到一定值（2 MPa）后，空化產(chǎn)生、發(fā)展變得緩慢，空化強度變化不再明顯。從圖11（b）中還可看出，環(huán)境壓力分別為0.1、1、2、3 MPa時，平均空化強度Sm分別為0.294、0.245、0.176、0.165，與 環(huán) 境 壓 力 為0.1 MPa時相比，環(huán)境壓力分別為1、2、3 MPa時平均空化強度分別減少約16.7%、40.1%、43.9%，環(huán)境壓力增加到一定值后，平均空化強度Sm變化不再明顯。

圖11 不同環(huán)境壓力下噴孔內(nèi)空化強度

3 結論

基于高壓共軌燃油噴射實驗臺，采用高速可控閃光顯微成像技術，對接近實際尺寸的透明噴孔內(nèi)燃油流動特性進行了可視化研究，顯微觀測噴孔內(nèi)氣泡的形成、發(fā)展和分布狀態(tài)，然后結合二值化方法對空化特性進行定量分析，得出以下結論。

（1）噴孔內(nèi)燃油流動為氣液兩相流動，流動特性較復雜，空化首先出現(xiàn)在針閥附近，隨后向噴孔內(nèi)發(fā)展、延伸和破裂，甚至發(fā)展成超空化。

（2）在30 MPa噴油壓力下，漸縮噴孔（K＞0），空化形成受到抑制，噴孔內(nèi)無空化產(chǎn)生；漸擴噴孔（K＜0）有利于空化產(chǎn)生，噴孔內(nèi)空化形成發(fā)展更加迅速，較快形成“超空化”。

（3）噴油壓力為30 MPa、噴孔長度不變時，噴孔長徑比L／d越大，空化越不容易產(chǎn)生，空化強度越小。平均空化強度，在長徑比L／d分別為6、7.5、10時，Sm分別為0.228、0.164、0.117，即長徑比L／d＝6與L／d＝7.5相比，Sm分別減少約28%；長徑比L／d＝6與L／d＝10相比，Sm減少約48.7%。

（4）噴油壓力為40 MPa時，環(huán)境壓力（即背壓）增大，空化形成受到抑制，空化產(chǎn)生、發(fā)展比較緩慢，空化雖也能延伸到噴孔出口處形成超空化，但形成超空化所占時間隨著環(huán)境壓力增大明顯減小。環(huán)境壓力分別為0.1、1、2、3 MPa時，形成超空化時間分別為600、450、200、150μs，即環(huán)境壓力為1、2、3 MPa與0.1 MPa相比，超空化時間分別減少約25%、66.7%、75%，而平均空化強度Sm分別減少約16.7%、40.1%、43.9%。