高 雅，黃魏迪，李理光，吳志軍

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所 能源與環(huán)境部門，日本 筑波市 3058564)

內(nèi)燃機(jī)中的燃油噴射霧化與燃油在噴油嘴內(nèi)部的流動(dòng)特性以及噴油嘴噴孔出口附近的液核破碎過程密切相關(guān).由于噴油嘴金屬外殼的存在，可見光測量技術(shù)無法對燃油在噴油嘴內(nèi)部的流動(dòng)過程進(jìn)行直接觀察測量.目前相關(guān)的試驗(yàn)主要采用透明的、比例放大的非實(shí)際噴油嘴開展研究工作[1-2].在非實(shí)際噴油嘴研究的過程中，噴射壓力、噴油嘴材料的表面特性與實(shí)際噴油嘴存在顯著差異.非實(shí)際噴油嘴試驗(yàn)所獲得的結(jié)果是否可以直接應(yīng)用到實(shí)際噴油嘴當(dāng)中目前仍然存在疑問.此外，采用非實(shí)際噴油嘴進(jìn)行研究時(shí)，通常是將針閥的位置固定，分析固定針閥開度下噴油嘴內(nèi)流的特性規(guī)律[3].這并不能準(zhǔn)確地反映針閥運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程對于內(nèi)流特性的影響.上述的不足與可動(dòng)式針閥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、高壓密封難度大等技術(shù)難題有關(guān).

另一方面，在噴油嘴噴孔出口附近的液核破碎過程中，大部分質(zhì)量的燃油集中在液核上.在液核的周圍同時(shí)存在數(shù)量龐大、但質(zhì)量較小的離散的液滴群.利用可見光觀測手段對液核破碎進(jìn)行觀測時(shí)，入射光線會(huì)被液核周圍的液滴群散射、吸收.導(dǎo)致可見光測量只能觀察到液滴群的外圍輪廓，而無法對液滴群內(nèi)部的液核進(jìn)行成像.目前，可見光測量手段主要適用于噴霧下流區(qū)域，即燃油液核破碎充分完成后液滴群霧化特性的研究[4].受此影響，學(xué)界尚未充分掌握液核破碎的機(jī)理，需要新的、有效的試驗(yàn)測量技術(shù)手段來解開這一長久以來的謎題.

近年來，同步輻射X射線技術(shù)成為了研究射流液核破碎現(xiàn)象的一種重要技術(shù)手段.與可見光相比，X射線波長短，不會(huì)被噴霧液滴群所散射；同時(shí)，同步輻射X射線提供的高能量和高亮度，可以保證高時(shí)間/空間分辨率，有利于對液核破碎這種小尺度、高瞬態(tài)的流動(dòng)現(xiàn)象開展研究.基于該測試技術(shù)，目前已經(jīng)開展了不少研究工作[5-6].然而利用同步輻射X射線測量技術(shù)，對實(shí)際噴油嘴的內(nèi)流特性的研究還鮮見報(bào)道.特別是在結(jié)合針閥運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的內(nèi)流特性與液核破碎過程的同場測量試驗(yàn)方面，仍未看到相關(guān)的研究文獻(xiàn).

筆者利用同步輻射X射線測量技術(shù)，在美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源(APS)的7ID-B線站開展了針閥運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下直噴汽油機(jī)真實(shí)噴油嘴的內(nèi)流流動(dòng)與射流液核破碎特性同場測量試驗(yàn).研究過程中，首先在多個(gè)X射線光源參數(shù)條件下進(jìn)行了圖像拍攝，通過對拍攝圖像的對比確定了最優(yōu)的拍攝技術(shù)方案.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了試驗(yàn)測量與研究，并深入分析針閥運(yùn)動(dòng)、噴射壓力以及噴孔結(jié)構(gòu)對噴油嘴內(nèi)流與射流液核破碎的影響，并進(jìn)一步討論了噴油嘴內(nèi)流與射流液核破碎的關(guān)聯(lián).該研究可以為射流液核破碎機(jī)理研究提供重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持.

1 研究方法及試驗(yàn)裝置

首先，將簡要地介紹同步輻射X射線試驗(yàn)測量的基本原理以及所使用的試驗(yàn)測量系統(tǒng).

1.1 研究方法

電子在同步輻射電子儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過程中，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)沿運(yùn)動(dòng)的切線方向發(fā)射X射線.X射線經(jīng)由光束線站的聚焦、調(diào)整以后進(jìn)入試驗(yàn)線站.研究人員可以在試驗(yàn)線站內(nèi)利用X射線進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)測量.

X射線穿過測試樣品的過程中，其入射能量會(huì)被樣品吸收，形成吸收襯度.吸收襯度與X射線所透過樣品的質(zhì)量相關(guān).基于X射線吸收襯度開展燃油射流霧化特性研究時(shí)，可以通過吸收襯度計(jì)算出燃油噴霧的濃度分布[7]；但是燃油噴霧的直徑通常只有幾個(gè)毫米至幾十個(gè)毫米，而X射線能量高、穿透性強(qiáng)，這使得X射線透過燃油噴霧后的能量衰減程度較弱.實(shí)際試驗(yàn)過程中，需要進(jìn)行上百次的重復(fù)測量，并將結(jié)果進(jìn)行累計(jì)疊加以后才能獲得較好的圖像信噪比.因此，上述方法不適用于射流噴霧動(dòng)態(tài)過程的觀察研究.

除吸收襯度以外，X射線在穿過測試樣品的過程中其相位改變也會(huì)發(fā)生改變，形成相位襯度，簡稱相襯.有研究表明[8]，對于密度較輕的物質(zhì)，X射線透過樣品后相位襯度的差異較吸收襯度高出約3個(gè)數(shù)量級.此外，隨著X射線能量的增大，X射線透過樣品后的相位襯度與吸收襯度會(huì)逐漸減小，但是相位襯度減小的幅度較吸收襯度低[8].再次，相位襯度通常會(huì)在不同介質(zhì)的界面上取得最大值.因此，相位襯度適用于開展高瞬態(tài)、多相流狀態(tài)的射流液核破碎過程觀察研究.

1.2 試驗(yàn)裝置

研究中所有試驗(yàn)均在美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源的7ID-B線站進(jìn)行.其主要光學(xué)參數(shù)參見文獻(xiàn)[5].在7ID-B線站搭建的噴霧測量系統(tǒng)如圖1所示，主要包括X射線成像拍攝系統(tǒng)、信號同步控制系統(tǒng)、燃料加壓系統(tǒng)和噴霧容彈.

圖1 基于同步輻射X射線相稱成像的噴油嘴內(nèi)流測量系統(tǒng)Fig.1 In-nozzle flow measurement using synchrotron X-ray

同步輻射X射線能量高、單位面積功率大及脈沖頻率高，需要使用機(jī)械閘門將X射線進(jìn)入成像系統(tǒng)的時(shí)長減小，通常減至10ms左右，以此控制成像器件的熱負(fù)荷，防止燒壞.燃油加壓采用HASKEL公司出品的M-71型氣體加壓泵.該泵的出口端燃油最高壓力可以達(dá)到60.7MPa.在光路上添加特殊的光學(xué)晶體-閃爍晶體，以此先將X射線相位襯度轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽獾膹?qiáng)度差異.高速攝影機(jī)與閃爍晶體通常成90°布置，兩者之間安裝一面45°反射鏡.這種設(shè)置方式可以減少圖像中的噪點(diǎn)以及防止X射線直接入射高速攝影機(jī)的光學(xué)鏡頭，造成損害.

噴霧容彈為長方形結(jié)構(gòu)，容彈長邊的兩側(cè)安裝觀察用視窗與視窗體.X射線在空氣的傳播過程中會(huì)被空氣吸收而發(fā)生亮度衰減，為了減少X射線的亮度衰減，光路沿程安裝鋁管并抽取真空.同時(shí)，所有管路的視窗以及噴霧容彈的視窗均采用Kapton膜作為窗口材料.Kapton膜是一種聚酰亞胺的薄膜材料，具有非常低的X射線吸收系數(shù)，有利于減少X射線亮度的衰減，提高拍攝圖像的質(zhì)量；但是Kapton膜的耐壓與耐熱性遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)噴霧容彈的石英玻璃或藍(lán)寶石玻璃視窗.研究中噴霧容彈的Kapton膜視窗的實(shí)際尺寸為12×30mm，其設(shè)計(jì)最高工作壓力為2MPa(表壓力).

1.3 試驗(yàn)條件

研究中所使用的噴油器為直噴汽油機(jī)用的電磁閥式噴油器.噴油嘴為特制3孔鋁制噴油嘴(試驗(yàn)定制用).與鋼制材料相比，鋁制材料的X射線能量透過率更高，可以保證更多的光子透過噴油嘴金屬外殼，有利于提高拍攝圖像的質(zhì)量.鋁制噴油嘴噴孔內(nèi)流特性與鋼制噴油嘴(實(shí)際產(chǎn)品用)基本相同.該判斷的理由是噴孔內(nèi)流特性主要受噴孔結(jié)構(gòu)、流動(dòng)狀態(tài)以及噴孔材料的影響.首先，鋁制噴油嘴加工完全參照鋼制噴油嘴進(jìn)行，兩者結(jié)構(gòu)與尺寸一致.其次，鋁制噴油嘴組裝鋼制針閥以及鋼制噴油器部件后工作性能可靠，內(nèi)流狀態(tài)始終穩(wěn)定，模擬了鋼制噴油嘴實(shí)際工作狀態(tài)下的內(nèi)流過程.再次，噴孔內(nèi)流屬于高雷諾數(shù)湍流，其特性會(huì)受材料表面粗糙度的影響.鋁合金材料與鋼制材料具有近似的表面粗糙度、表面能特性.綜上措施及分析，可以判斷鋁制噴油嘴與鋼制噴油嘴的噴孔內(nèi)流特性基本一致.

3孔鋁制噴油嘴有一個(gè)垂直的噴孔以及兩個(gè)傾斜的噴孔.兩個(gè)傾斜噴孔的結(jié)構(gòu)完全相同.3個(gè)噴孔間的夾角為120°，呈空間對稱分布.采用3孔結(jié)構(gòu)噴油嘴有利于試驗(yàn)測量與觀察，同時(shí)與多孔噴油嘴的內(nèi)流狀態(tài)保持基本一致.所有噴孔都采用沉孔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即分為噴孔與沉孔兩階段.該設(shè)計(jì)在直噴汽油機(jī)噴油嘴中比較常見.其目的主要是減小噴孔的長徑比，以實(shí)現(xiàn)更加迅速的射流破碎霧化.噴油嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示.圖中：β為噴孔傾角，即噴孔軸線與垂直方向的夾角；Dh和Dc分別表示噴孔直徑與沉孔直徑；lh和lc分別代表噴孔長度與沉孔長度.噴孔與沉孔結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)見表1.由于試驗(yàn)中X射線入射方向與位置固定不變，需要旋轉(zhuǎn)噴霧容彈，使得擬測量的噴孔截面與X射線入射方向垂直，然后再進(jìn)行拍攝測量.

表1 噴油嘴噴孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Nozzle geometry specifications

圖2 噴油嘴噴孔結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the nozzle configuration

試驗(yàn)中，燃油噴射壓力為8、15和20MPa，屬于直噴汽油機(jī)常見的噴射壓力范圍.每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行5次采樣.環(huán)境氣體為氮?dú)?，保持常溫、常壓不變，噴射脈寬固定為2ms，高速攝影機(jī)的拍攝速率為67889幀/s，圖像分辨率為512×512像素，單個(gè)像素尺寸約為2.54μm.以正庚烷為試驗(yàn)燃料，通常也作為替代燃料來研究汽油機(jī)的早燃和爆震特性.此外，正庚烷與汽油具有相近的黏度與表面張力特性.綜上考慮，研究以正庚烷作為汽油的替代燃料開展了試驗(yàn)測量.試驗(yàn)主要參數(shù)見表2.

表2 試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experiment specifications

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 X射線光源參數(shù)對成像結(jié)果的影響

為了觀察金屬噴油嘴噴孔的內(nèi)流特性，X射線需要透過噴油嘴的金屬外殼對其內(nèi)部進(jìn)行成像.這一過程中，X射線的能量與亮度會(huì)被噴油嘴金屬外殼吸收，使得相機(jī)接收到的光子數(shù)量不足，引起成像失敗.針對這一問題，首先可以延長相機(jī)快門的開啟時(shí)間，而噴孔內(nèi)流形態(tài)在噴油過程中會(huì)不斷發(fā)生變化.過長的曝光時(shí)間容易引起動(dòng)態(tài)模糊現(xiàn)象發(fā)生，從而無法準(zhǔn)確辨析內(nèi)流的瞬時(shí)形態(tài).因此，試驗(yàn)過程中必須考慮在短快門開啟時(shí)間條件下，增加X射線的能量及亮度，以實(shí)現(xiàn)有效成像.但是X射線能量以及亮度越高，其產(chǎn)生的熱負(fù)荷越高，對成像元器件的損害越大.同時(shí)X射線透過測試樣品后所產(chǎn)生的相位襯度與X射線能量的平方呈反比，即X射線的能量越高，其所能提供的相位襯度會(huì)顯著下降.綜上所述，在正式的試驗(yàn)測量之前，需要對X射線光源進(jìn)行優(yōu)化選擇，從而獲得最佳的拍攝圖像質(zhì)量.

研究中，在4種X射線光源參數(shù)條件下開展了噴油嘴噴孔內(nèi)流的圖像拍攝，具體參數(shù)見表3.其中，插入件間隙是X射線光源相關(guān)的控制參數(shù)之一，插入件間隙越小，其磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，所獲得的X射線中高能量部分的比例越高.電子束團(tuán)是指存儲(chǔ)環(huán)內(nèi)的電子數(shù)以及束團(tuán)模式，束團(tuán)數(shù)越大，其包含的電子數(shù)量越多，其產(chǎn)生的X射線亮度越高；但電子束團(tuán)間存在約50ns的時(shí)間間隔.采用雙束團(tuán)或多束團(tuán)的模式進(jìn)行拍攝時(shí)，相當(dāng)于在同一張照片上進(jìn)行了多次曝光.

表3 X射線成像拍攝條件參數(shù)Tab.3 Imaging parameters using X-ray

利用模擬計(jì)算軟件Spectra[9]，可以計(jì)算出表3中4種參數(shù)條件下X射線能量與亮度的分布譜線，結(jié)果如圖3所示.計(jì)算結(jié)果表明，相同能量下X射線的亮度從條件1至條件4逐漸降低，即光子數(shù)逐漸減少.雙電子束團(tuán)下的X射線亮度略高于單束團(tuán)下的X射線亮度.采用25mm插入件間隙時(shí)，X射線中高能部分(大于40keV)的亮度迅速衰減.

圖3 不同拍攝模式下X射線能量與亮度譜Fig.3 X-ray energy-brilliance spectrum at various imaging parameters

圖4為不同拍攝條件下所獲得的噴油嘴噴孔1的內(nèi)流圖像.該組試驗(yàn)所采用的噴射壓力為15MPa.圖片取自噴油持續(xù)時(shí)刻為1ms時(shí)，即射流穩(wěn)定以后的內(nèi)流圖像.此外，圖片已經(jīng)過了除背景、調(diào)整對比度等圖像預(yù)處理操作，以此提高內(nèi)流觀察清晰度.

圖4 X射線成像拍攝條件參數(shù)對結(jié)果的影響Fig.4 Effect of X-ray imaging parameters on results

從圖4可以清楚地觀察到噴油嘴內(nèi)部的針閥、壓力室、噴孔以及沉孔的結(jié)構(gòu)；同時(shí)，圖片中展現(xiàn)了燃油在噴孔與沉孔內(nèi)部以及沉孔出口附近的燃油流動(dòng)的瞬時(shí)輪廓.經(jīng)對比，筆者認(rèn)為拍攝條件3下的噴孔內(nèi)流圖像質(zhì)量最佳.原因是：首先，由圖3可知，相比于拍攝條件4，條件3下X射線的亮度更高.高亮度保證了充分的成像曝光.其次，相比于拍攝條件1，條件3的X射線中高能量部分比例有所降低，有利于增強(qiáng)相位襯度.再次，相比于拍攝條件2，條件3采用單束團(tuán)曝光，束團(tuán)脈寬只有0.15ns.假設(shè)射流速度為200m/s，則在單束團(tuán)曝光時(shí)間內(nèi)，射流位移為0.03μm.該位移值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖像上單個(gè)像素的尺寸值，即2.54μm，可以完全消除動(dòng)態(tài)模糊的影響，獲得準(zhǔn)靜止的內(nèi)流流動(dòng)狀態(tài)圖像.綜上可知，條件3的情況下圖像質(zhì)量最優(yōu).

2.2 針閥運(yùn)動(dòng)的測量結(jié)果

通過高速攝影機(jī)拍攝獲得噴油過程中噴油嘴內(nèi)部的連續(xù)圖像，可以計(jì)算針閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算方法如圖5所示.其中：x1為移動(dòng)后坐標(biāo)；x0為針閥在軸向上初始坐標(biāo)；z0為在徑向上初始坐標(biāo)；z1為移動(dòng)后徑向坐標(biāo).首先，在噴油開始前的圖像中任意選取一張圖片，在該圖片上設(shè)置查詢域，并截取圖像.查詢域應(yīng)包括針閥的部分，它代表了針閥靜止時(shí)的位置.其次，在針閥移動(dòng)后的圖像中設(shè)定一個(gè)掃描域，掃描域尺寸大于查詢域且包含針閥可能位移的范圍.然后，在掃描域范圍內(nèi)截取與查詢域尺寸相同的部分圖像作為匹配域.計(jì)算匹配域與查詢域內(nèi)圖像灰度值矩陣的協(xié)方差，獲得兩者之間的相關(guān)性系數(shù).不斷地移動(dòng)匹配域的位置，并重復(fù)上述計(jì)算，當(dāng)匹配域與查詢域內(nèi)圖像完全一致時(shí)，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到最大值，即確定了該時(shí)刻下針閥所在位置.最后，根據(jù)匹配域位置的坐標(biāo)信息計(jì)算針閥軸向位移及徑向偏移等，詳細(xì)說明參見文獻(xiàn)[10—11].

圖5 針閥開度計(jì)算方法Fig.5 Method of needle-lift calculation

針閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律測量結(jié)果如圖6所示.針閥在起升過程中存在明顯的超調(diào)，這與針閥上方未設(shè)置針閥限位裝置有關(guān).當(dāng)電磁閥通電以后，銜鐵帶動(dòng)針閥抬升直至銜鐵限位裝置的位置.此時(shí)，針閥在慣性作用下繼續(xù)上升，發(fā)生超調(diào).之后，針閥在其上方回位彈簧的作用下減速并回落，直至再次接觸銜鐵，然后維持位置不變.

圖6 針閥開度隨時(shí)間變化的結(jié)果Fig.6 Needle motion vs.time

不同噴射壓力下，針閥起升以及關(guān)閉階段的針閥升程曲線完全一致.這一過程中，針閥運(yùn)動(dòng)主要受電磁閥力作用的影響，與噴油器的燃油壓力無關(guān).針閥完全開啟后，燃油噴射進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，此時(shí)針閥的起升高度隨著噴射壓力的增加略微升高.這一現(xiàn)象可能與燃油壓力提高改變了銜鐵與銜鐵限位裝置的接觸有關(guān).在以往的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)銜鐵與其限位裝置的接觸并不充分.燃油壓力的提高會(huì)改善兩者之間的接觸，使其變得更緊密，略微提升銜鐵的開啟高度，進(jìn)而帶動(dòng)針閥開度增加.

2.3 內(nèi)流特性的觀測結(jié)果

2.3.1 內(nèi)流特性隨時(shí)間/針閥升程變化規(guī)律

圖7a～圖7f展示噴油壓力為15MPa、噴孔1及其沉孔內(nèi)的燃油流動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)間變化規(guī)律.圖7a所示隨著針閥的開啟，在噴孔內(nèi)右側(cè)觀察到了氣/液相分離的界面，即噴孔內(nèi)形成空穴.此時(shí)空穴的尾部并不十分清晰，空穴會(huì)在噴孔出口附近重新著壁.燃油離開噴孔進(jìn)入沉孔以后急劇擴(kuò)張，幾乎覆蓋整個(gè)沉孔出口見圖7b，在沉孔內(nèi)右側(cè)出口位置上觀察到燃油撞壁現(xiàn)象發(fā)生.需要說明的是，圖7a～圖7b中氣/液相分離的界面不明顯的原因可能與低針閥開度下，噴孔內(nèi)流湍流強(qiáng)度高，空穴形態(tài)不穩(wěn)定有關(guān).在目前所采用的視線法成像設(shè)置下，當(dāng)空穴形態(tài)不穩(wěn)定，在噴孔內(nèi)具有復(fù)雜的扭曲變形結(jié)構(gòu)時(shí)，部分出射光會(huì)相互疊加，從而影響了空化氣/液相界面的分辨度.

圖7 不同噴射壓力條件下噴孔1中內(nèi)流隨時(shí)間的變化Fig.7 Internal flow vs.time at various injection pressures

隨著針閥開度進(jìn)一步增加，噴孔內(nèi)右側(cè)的氣/液相分離界面從噴孔入口延伸至噴孔出口，且氣/液相分離界面十分清晰，預(yù)示穩(wěn)定的內(nèi)流狀態(tài)，如圖7c～圖7d所示.上述特征表明噴孔內(nèi)形成了挑射液流，簡稱挑流[12].有研究[13]證明，在短噴嘴(長徑比為2)中，由微小氣泡組成的初始空穴可以到達(dá)噴孔出口附近，即使低流速條件下噴孔內(nèi)也能形成挑流而不是空穴.該分析可以解釋噴孔1(長徑比為2)內(nèi)快速形成挑流的原因.此外，研究中觀察發(fā)現(xiàn)，燃油噴射進(jìn)入穩(wěn)定階段后，噴孔內(nèi)流以及射流狀態(tài)基本保持穩(wěn)定.文獻(xiàn)[14]指出，當(dāng)噴孔內(nèi)形成挑流時(shí)，燃油流經(jīng)噴孔所受的阻力和初始擾動(dòng)減小，會(huì)導(dǎo)致射流張角變小，穩(wěn)定性變好.

在噴油結(jié)束階段，隨著針閥下降，噴孔內(nèi)的挑流會(huì)逐漸失去穩(wěn)定，如圖7e所示.挑流在噴孔出口位置附近重新著壁.此時(shí)射流在沉孔內(nèi)會(huì)顯著地?cái)U(kuò)張.圖7f所示當(dāng)針閥完全關(guān)閉時(shí)，高壓共軌端的燃油來流被切斷，射流流量迅速減小，直至完全中止.

圖7g給出了不同噴射壓力下噴孔出口位置上挑流寬度隨時(shí)間的變化規(guī)律.結(jié)果表明：當(dāng)噴射壓力從8MPa提高至15MPa時(shí)，噴孔出口位置上的挑流寬度略微減小.15MPa與20MPa噴射壓力下的挑流寬度幾乎一致.文獻(xiàn)[14]認(rèn)為，提高噴射壓力可以逐漸增加噴孔內(nèi)空穴的長度，直至形成挑流；但研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用短噴孔(長徑比為2)時(shí)，噴孔結(jié)構(gòu)對內(nèi)流的影響非常顯著，并快速趨于飽和.即使較低的噴射壓力(8MPa)也可以在噴孔內(nèi)迅速地形成挑流，通過增加噴射壓力的方式并不能顯著地改變噴孔內(nèi)流特性.

圖8給出了噴射壓力為15MPa噴孔1內(nèi)挑流寬度隨針閥開度的變化規(guī)律.從圖7中可以觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)針閥部分開啟時(shí)，挑流寬度在多次重復(fù)試驗(yàn)中存在顯著的波動(dòng)，測量結(jié)果方差較大.該現(xiàn)象表明，噴孔內(nèi)挑流狀態(tài)在低針閥開度時(shí)較不穩(wěn)定.這一不穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)至針閥開度到達(dá)40μm左右.在此之后，挑流寬度趨于穩(wěn)定，多次重復(fù)試驗(yàn)中，結(jié)果方差較小.即使在針閥起升超調(diào)的過程中，挑流寬度也基本保持不變，結(jié)果方差較小.上述結(jié)果表明，當(dāng)針閥開度超過40μm以后，內(nèi)流進(jìn)入了穩(wěn)定階段，不再隨針閥開度變化而變化.

圖8 在噴射壓力為15MPa時(shí)噴孔1中挑流寬度隨針閥開度的變化Fig.8Hydraulic-flip thickness vs.needle liftunder the injection pressure of 15MPa

在針閥關(guān)閉的過程中，當(dāng)針閥開度低于20μm以后，挑流寬度迅速地減小，測量結(jié)果再次出現(xiàn)較大的方差.針閥關(guān)閉與開啟階段挑流特性不完全一致的原因可能在于針閥關(guān)閉過程中，壓力室內(nèi)的燃油壓力逐漸降低，燃油流動(dòng)特性的變化存在滯后性所導(dǎo)致.從噴油持續(xù)期的角度看，由于針閥起升與關(guān)閉的速度較快，噴孔內(nèi)的挑流寬度幾乎是瞬時(shí)達(dá)到最大值并保持不變.上述結(jié)果表明，對于采用沉孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、長徑比較短的直噴汽油機(jī)噴油嘴，其內(nèi)流狀態(tài)會(huì)在針閥開啟后迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).應(yīng)通過改變噴孔長徑比的方式來控制噴孔內(nèi)流狀態(tài)，進(jìn)而影響射流液核的破碎過程.

2.3.2 內(nèi)流特性隨噴孔結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

圖9對比了噴孔1和噴孔4出口位置上的挑流寬度隨針閥開度的變化規(guī)律.兩者的變化趨勢基本一致，但是噴孔4內(nèi)的挑流寬度小于噴孔1中的挑流寬度.圖9b～圖9c給出了噴射壓力為15MPa、噴油持續(xù)時(shí)刻為1ms時(shí)噴孔1和噴孔4內(nèi)流圖像.噴孔1中的挑流出現(xiàn)在噴孔右側(cè)，即靠近噴油嘴壓力室的一側(cè).而在噴孔4中，挑流同樣出現(xiàn)在噴孔內(nèi)右側(cè)，即遠(yuǎn)離噴油嘴壓力室的一側(cè).挑流出現(xiàn)位置相對于壓力室位置發(fā)生變化的原因應(yīng)該與噴孔入口的角度有關(guān).進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，無論是噴孔1還是噴孔4，挑流均出現(xiàn)在噴孔壁面與針閥座壁面為銳角的一側(cè)，簡稱噴孔入口銳角一側(cè).其原因可能在于當(dāng)燃油從壓力室或者針閥上游進(jìn)入噴孔時(shí)，在噴孔入口銳角一側(cè)，燃油流動(dòng)方向會(huì)發(fā)生較大程度的改變，從而容易引起噴孔內(nèi)挑流的形成.此外，由于噴孔1入口銳角的角度小于噴孔4，即燃油進(jìn)入噴孔1時(shí)的流動(dòng)方向改變程度要大于進(jìn)入噴孔4.因此，噴孔1內(nèi)能會(huì)形成更強(qiáng)的氣/液相分離，挑流寬度更大.上述結(jié)果表明，改變噴孔的入口角度是改變噴孔內(nèi)流流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響射流液核破碎特性的有效手段之一.

圖9 在噴射壓力為15MPa時(shí)噴孔結(jié)構(gòu)對內(nèi)流挑流寬度的影響Fig.9 Nozzle-hole effect on hydraulic-flip thickness under the injection pressure of 15MPa

2.4 內(nèi)流特性對射流液核特性的影響

圖10給出了噴射壓力為15MPa時(shí)噴油嘴沉孔出口位置上射流邊界隨時(shí)間的變化規(guī)律.沉孔出口位置距離噴孔出口0.6mm.噴孔1的射流寬度略大于噴孔4的射流寬度.具體而言，在射流的右側(cè)，即噴孔1和4的右側(cè)，兩個(gè)噴孔的射流邊界位置基本一致.通過觀察圖9b和圖9c可知，噴孔1和4的右側(cè)均出現(xiàn)了挑流現(xiàn)象，同時(shí)燃油在離開噴孔后迅速分離出小液滴，并與沉孔右側(cè)壁面發(fā)生撞壁.燃油撞壁以后沿著沉孔壁面向下傳播，因而噴孔1和4的射流右側(cè)邊界基本與沉孔邊界位置保持一致.在噴孔1和4的左側(cè)，即遠(yuǎn)離噴孔內(nèi)挑流的一側(cè)，射流離開噴孔后會(huì)沿徑向張開，但未與沉孔壁面發(fā)生碰撞.噴孔1的射流左側(cè)邊界位置大于噴孔4的射流邊界位置.因此，噴孔1的射流寬度大于噴孔4的射流寬度.

圖10 在噴射壓力為15MPa時(shí)沉孔出口附近的射流寬度隨時(shí)間變化Fig.10Jet width at the counterbore exit vs.timeunder the injection pressure of 15MPa

靠近挑流一側(cè)的燃油更容易發(fā)生破碎的原因，可能與挑流內(nèi)燃油與環(huán)境氣體之間具有較強(qiáng)的相互作用有關(guān).有模擬計(jì)算研究[15]指出，噴孔內(nèi)挑流的一側(cè)由于空氣進(jìn)入噴孔，會(huì)加速液核表面的破碎，促進(jìn)生成離散液滴.離散液滴脫離射流燃油主體以后，進(jìn)一步沿徑向擴(kuò)張，與沉孔發(fā)生碰撞.部分燃油與沉孔壁面發(fā)生了碰撞以后的速度、方向和粒徑可能會(huì)受到顯著的影響.在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中，上述現(xiàn)象是否會(huì)導(dǎo)致排放增加及噴油嘴積炭等問題值得引起注意.可以考慮通過噴孔長徑比以及噴孔入口角度等噴孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化來改善燃油與沉孔撞壁的問題.

在遠(yuǎn)離挑流的一側(cè)，由圖9b和圖9c可知，射流邊界完整、連續(xù)且氣/液相邊界清晰.因此，可以認(rèn)為該側(cè)燃油尚未完成射流液核破碎，而主要是在自身內(nèi)在壓力下向外擴(kuò)張.具體而言，燃油在噴孔內(nèi)挑流的作用下被推向噴孔壁面.挑流寬度越大，該作用力越強(qiáng).燃油離開了噴孔以后，失去了噴孔壁面的約束，會(huì)在內(nèi)在壓力的作用下首先向外方向擴(kuò)張，或理解為彈性恢復(fù).噴孔內(nèi)的挑流寬度越寬，燃油被壓縮的程度越高，其離開噴孔后彈性恢復(fù)的程度也會(huì)越大.這可能是噴孔1的射流左側(cè)位置大于噴孔4的射流左側(cè)位置的原因.

圖11為射流穩(wěn)態(tài)階段下噴孔內(nèi)流挑流寬度與射流寬度的對應(yīng)規(guī)律.射流穩(wěn)態(tài)階段是指噴油持續(xù)時(shí)間為1.0～2.0ms之間的內(nèi)流及射流液核狀態(tài)，結(jié)果表明：噴孔內(nèi)部挑流寬度越寬，射流的寬度越大.對比不同噴射壓力的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴射壓力越高，挑流的寬度反而略微有所降低，同時(shí)射流的寬度也隨之略微降低.該現(xiàn)象可能與高噴射壓力下燃油內(nèi)在壓力增大，部分地克服了挑流的作用力有關(guān).

圖11 射流穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)流挑流寬度與射流寬度的關(guān)聯(lián)Fig.11Relationship between hydraulic-flip thickness and jet width during the steady state of injection

3 結(jié) 論

利用同步輻射X射線相稱成像測量技術(shù)，開展了直噴汽油機(jī)實(shí)際針閥運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下噴油嘴內(nèi)流與射流液核破碎特性的同場觀測試驗(yàn)，對X射線光源參數(shù)以及拍攝技術(shù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，分析了針閥運(yùn)動(dòng)、噴射壓力及噴孔結(jié)構(gòu)對噴油嘴內(nèi)流及射流液核破碎特性的影響.所得結(jié)論如下：

(1) 金屬噴油嘴內(nèi)流透視成像質(zhì)量會(huì)受X射線的能量、亮度以及脈沖寬度的影響，當(dāng)X射線光源的插入件間隙為19mm，并采用單電子束團(tuán)(脈寬為0.15ns，電子流強(qiáng)為16mA)時(shí)，可以獲得最為清晰的噴油嘴內(nèi)流透視成像結(jié)果.

(2) 隨著針閥開度的增加，噴油嘴噴孔內(nèi)會(huì)快速地出現(xiàn)空穴現(xiàn)象；當(dāng)針閥開度低于40μm時(shí)，噴孔內(nèi)的空穴狀態(tài)并不穩(wěn)定，形態(tài)波動(dòng)較大；隨著針閥開度進(jìn)一步增加，噴孔內(nèi)形成挑流，挑流寬度在整個(gè)噴油過程中保持穩(wěn)定.

(3) 噴孔內(nèi)的挑流會(huì)出現(xiàn)在噴孔入口角度為銳角的一側(cè)，且噴孔入口角度越小，挑流的寬度越大；噴射壓力提高時(shí)，燃油自身的內(nèi)在壓力增大，挑流寬度反而略微減小.

(4) 挑流的存在會(huì)導(dǎo)致與挑流接觸一側(cè)的射流更快地發(fā)生破碎，進(jìn)而引起燃油與沉孔發(fā)生撞壁；挑流寬度增加時(shí)，噴孔中燃油受壓縮的程度增加，射流寬度變寬.

致謝：

試驗(yàn)中，得到了美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室王晉博士的指導(dǎo)與幫助，在此向其表示感謝.