背壓對噴油嘴斷油過程中氣體倒流現象的影響

文 華 王晨亮 MEDHAT Elkelawy 姜光軍

(1.南昌大學機電工程學院，南昌 330031； 2.坦塔大學工學院，坦塔 31111)

背壓對噴油嘴斷油過程中氣體倒流現象的影響

文 華1王晨亮1MEDHAT Elkelawy2姜光軍1

(1.南昌大學機電工程學院，南昌 330031； 2.坦塔大學工學院，坦塔 31111)

基于流體體積(VOF)模型和動態重疊網格技術對針閥關閉過程的噴油嘴內流場進行了瞬態模擬，分析發現在斷油過程中，噴油嘴壓力室和噴孔入口兩個位置都會發生空化現象，與試驗現象一致。計算得到的最大空化體積與倒流氣體體積基本相等，說明空化潰滅是造成外部氣體倒流的主要原因。壓力室內的空化潰滅是引起倒流氣體進一步流入壓力室的必要條件。進一步從理論推導出新的變量——空化數，用以評估針閥關閉過程噴嘴內空化的程度，得出背壓增大，斷油過程的空化程度減弱，使倒流的氣體體積減少，較好地解釋了背壓對氣體倒流的影響規律。

氣體倒流； 噴油嘴； 數值模擬； 可視化試驗； 背壓； 空化

引言

柴油機的燃油噴霧特性對發動機的經濟性、動力性、排放性能有重要影響，而噴霧特性受到噴嘴內部流場的影響[1]。在不同比例尺寸的透明噴嘴噴射試驗研究[2-7]中發現，穩定噴射階段在噴孔入口處發生空化現象，空化使噴孔流量系數降低，并對射流霧化起到促進作用，同時也指出放大噴嘴和實際噴嘴內部的空化現象存在差異[8]。隨著多次噴射技術的廣泛應用，針閥開啟與關閉過程對應的非穩定噴射階段所占的時間比重增大，國內外學者[9-12]開始利用透明噴油嘴研究針閥運動帶來的影響。DUKE等[13-17]采用X射線相襯成像技術拍攝到實際噴油嘴中噴孔內存在空化與氣體倒流現象，并且發現針閥運動會對射流霧化產生影響。本課題組[18]利用高速頻閃技術拍攝到實際尺寸透明噴嘴內的倒流氣體現象，分析指出倒流氣體量隨燃料表面張力減小而增大。目前國內外的研究主要集中于穩態噴射時噴孔內部空化現象，對于噴油嘴斷油瞬態過程中的空化和氣體倒流現象的機理分析以及背壓對倒流現象的影響研究比較欠缺。本文對實際噴孔尺寸透明噴嘴進行可視化試驗，基于流體體積 (Volume of fluid,VOF)方法的多相流模型模擬噴油嘴內部流場，采用重疊網格技術實現針閥運動，研究斷油過程中背壓對噴嘴內空化及氣體倒流現象的影響。

1 不同背壓下斷油時噴油嘴內流場試驗

在噴油嘴可視化試驗裝置基礎上加裝定容彈，通過改變定容彈壓力實現噴油嘴的背壓調節。加工的透明噴油嘴為軸對稱直孔結構，孔徑0.2 mm，孔長約1.3 mm。考慮到透明噴油嘴材料強度較低，燃油噴射系統使用0號柴油，油軌壓力設定為30 MPa，分別對背壓pb為0.1 MPa和1 MPa條件下的噴油嘴內部流動進行高速頻閃拍攝，頻閃儀閃光持續時間為180 ns，有效地凍結了流場。試驗結果如圖1所示，拍攝時刻以針閥關閉時刻(End of injection, EOI)為時間參考點，圖中黑色部分是由于氣液界面對光散射造成的，可反映空化和倒流氣泡界面。

0.1 MPa背壓條件下，在EOI-0.1 ms(處于針閥完全開啟，穩定噴射時)，孔內有部分空化；在EOI時由于針閥關閉產生的擾動和斷油使得噴油嘴內部產生的壓力迅速降低而產生空化，導致噴孔和壓力室內均產生較多的空化氣泡；在EOI+0.2 ms時，噴孔內的空化潰滅，使孔外環境氣體倒流進入噴孔內；在EOI+0.4 ms時，壓力室內的空化進一步潰滅使已經進入噴孔內的環境氣體倒流進入壓力室；由于壓力室內空化比較劇烈，在下一次噴射開始時刻(Start of injection, SOI)，倒流氣體還沒有完全聚合成大氣泡，但噴孔內已經形成較大的氣泡。

1 MPa背壓條件下，在EOI-0.1 ms時并沒有明顯空化現象；在EOI時，噴孔內發生一部分空化，壓力室內幾乎沒有空化產生；這也使得在EOI+0.4 ms只有少量氣體倒流進入噴孔內，壓力室內沒有倒流氣泡；最終形成的初始氣泡只停留在噴孔入口附近。

圖1 不同背壓下斷油時噴嘴內部流場(圓圈為空化、方框為倒流氣泡)Fig.1 Flow fields with different ambient pressures after end of injection (circles showed cavitation, boxes showed ingestion air)

試驗結果顯示，在針閥關閉時噴孔及壓力室內部都迅速產生空化現象，空化潰滅后外部氣體倒流進入噴嘴。對比2種背壓條件下的試驗現象，高背壓條件下斷油過程噴嘴內的空化區域較小，倒流氣體體積也隨之減小。

2 噴嘴內流場數值模擬

2.1 計算模型與邊界設置

基于VOF模型和重疊網格技術，對斷油過程噴嘴內的氣-液-汽兩相三組分瞬態湍流流動進行模擬。數學物理模型采用均相流模型框架下的標準k-ε湍流模型、Sauer空化相變模型和Kistler相界面接觸角模型。

受透明噴嘴加工手段限制，制作的透明噴嘴和實際噴油嘴壓力室結構有些差異，故流場計算的幾何模型采用文獻[15]的單孔軸對稱噴嘴。孔徑0.206 mm,孔長1.16 mm，噴孔與針閥軸線夾角為0°，壓力室體積為1.122 mm3。噴射流體為柴油，環境氣體為空氣，計算中流體為柴油，在常溫下其密度為840 kg/m3，運動粘度為4.24 mm2/s，飽和蒸汽壓力為0.27 kPa，表面張力為0.027 8 N/m。

模擬中網格劃分和邊界設置如圖2所示，為減少計算工作量，網格采用二維軸對稱多面體網格。針閥運動使用重疊網格技術實現，針閥周圍生成一套重疊網格，按圖3所示的規律運動。每個時刻的流動區域由重疊網格、背景網格和壁面確定。當針閥間隙內的網格小于2層時，間隙中的網格不激活，即針閥關閉。流場入口和出口設為壓力邊界，入口壓力pinj為50 MPa，出口背壓pb分別取0.1、1.0、2.0 MPa。

圖2 邊界條件設定Fig.2 Boundary condition design1.燃油入口 2.針閥 3.閥座 4.重疊區域 5.壓力室 6.噴孔 7.軸對稱邊界 8.環境區域 9.壓力出口邊界

圖3 針閥運動規律Fig.3 Law of needle movement

2.2 模型驗證

計算網格在噴孔及壓力室區域做局部加密，進行網格獨立性分析，以噴嘴內空化體積作為網格獨立性的評判依據。不同網格基本尺寸的空化體積如圖4所示。當網格基本尺寸減小到0.012 mm后，空化體積基本保持不變，取該網格基本尺寸可以滿足網格獨立性要求。

圖4 網格獨立性驗證Fig.4 Verification of mesh-dependence

模擬計算邊界條件取SWANTEK等[19]試驗對應的pinj=50 MPa和pb=0.1 MPa，模擬結果和試驗結果的對比如圖5所示，對比發現模擬和試驗的噴油嘴壓力室和噴孔內的倒流氣體分布形態基本吻合，從而驗證了計算模型的可靠性。

圖5 倒流氣體分布的仿真與試驗結果對比(右圖紅圈中為倒流氣泡)Fig.5 Contrast between simulation and experiment results of ingestion air(red circles on right showed ingestion air)

2.3 斷油過程中噴油嘴內部流場分析

圖6 噴油嘴內空氣、空化、燃油分布的變化過程Fig.6 Changing process of distribution of air, cavitation and fuel in nozzle

圖7 空化體積與倒流氣體體積關系曲線Fig.7 Relationship curves between cavitation volume and ingested air volume

圖6為pinj=50 MPa和pb=0.1 MPa時噴油嘴內空氣、空化、燃油分布的變化過程，圖7是空化與倒流氣體體積變化曲線，結合兩圖進行分析。在0.020 ms時刻針閥開始關閉前，由于噴孔入口圓角較大，在穩定噴射階段噴孔入口下游沒有發生空化。在0.020～0.070 ms針閥關閉過程中，由于針閥運動產生的擾動使噴孔入口下游有少量空化產生和潰散的交替現象。在0.070 ms時，由于針閥完全關閉使針閥密封面附近燃油流速迅速降低為零，噴孔入口附近流速也隨之下降，導致壓力室內閥座密封面附近和噴孔內的壓力降低，從而迅速出現空化現象。0.100 ms時噴孔內空化體積達到最大值0.02 mm3，空化開始潰滅并伴隨著外部氣體倒流進入噴孔。在0.180 ms噴油嘴內的總空化體積達到最大值0.053 mm3，隨后總空化體積開始減小。從圖7可以看出，噴孔內空化程度小于壓力室，噴孔內的空化首先發生潰滅，在其完全潰滅后壓力室內部空化才開始潰滅。這是由于噴孔位置更靠近孔外區域，孔外壓力向噴嘴內部傳遞，先經過噴孔使噴孔內空化潰滅先于壓力室發生。在0.700 ms壓力室內空化已經基本潰滅消失，潰滅過程導致的氣液界面移動使外部氣體倒流進入到壓力室內。在1.000 ms時刻倒流氣體在氣液表面張力的作用下，界面收縮形成氣泡，噴嘴內倒流氣體體積為0.058 mm3，略大于最大總空化體積。1.500 ms時流體基本靜止，該氣泡殘留在壓力室內，將隨下一次噴射排出噴孔。

氣體倒流的形成機理可從兩方面做出解釋。首先從圖7中可以看出，空化體積的減小過程和倒流氣體體積增加過程基本是同步進行的，空化的生成導致噴孔內近似相等體積量的燃油流出，降低了孔內殘余燃油量，噴油嘴內空出的體積由臨近流體填充，從而導致外部氣體跟隨倒流進入噴嘴。其次少量孔內燃油受到流出噴孔的燃油粘性力作用被拖曳出噴孔，而流入部分外部氣體，導致倒流氣體體積比最大總空化體積略大。綜上所述，空化現象造成的孔內燃油擠出效應是影響倒流氣體體積的主要因素，最大總空化體積基本等于倒流氣體體積。

2.4 背壓對氣體倒流的影響

圖8是在pinj=50 MPa條件下，針閥關閉后噴嘴內最大總空化體積和倒流氣體體積隨背壓變化的曲線。可以看出隨著背壓的升高，最大總空化體積和倒流氣體體積逐漸減小，說明背壓對空化有抑制作用。背壓增大使斷油過程噴嘴內燃油流出的阻力增大，噴嘴內部壓力降低幅度減小，空化程度減弱，從而導致空化體積減小，倒流氣體體積也相應減小。

圖8 不同背壓對空化量和氣體倒流的影響Fig.8 Effects of ambient pressure on cavitation volume and ingested air volume

圖9 不同背壓下空化和倒流氣體云圖Fig.9 Contours of cavitation and air ingestion with different ambient pressures

圖9是pinj為50 MPa噴射壓力下，環境背壓分別為0.1、1.0、2.0 MPa條件下的壓力室內空化最大時刻以及最后穩定時刻的燃油體積分數分布云圖。可以看出，隨著背壓升高，壓力室內最大空化體積減小，進入壓力室內的氣泡隨之減小。根據圖7的分析結果，空化潰滅是導致氣體倒流的主要因素，空化體積和倒流氣體體積基本相等，所以最大空化體積大于噴孔體積時倒流氣體會進入壓力室。壓力室內空化潰滅使噴孔內部液體回流從而使倒流進入噴孔的氣體能進一步卷入壓力室。故壓力室內的空化潰滅是氣體倒流進入壓力室的必要條件。有研究表明[20-21]，發動機內工作的噴油嘴內部結焦由于高溫引起，針閥關閉后回流的高溫燃氣可能引起噴油嘴內部結焦。

3 空化機理分析

圖10 簡化的噴孔流動模型Fig.10 Simplified flow model of nozzle

忽略壓力室的幾何結構影響，將噴嘴內流動近似看作直孔內的Poiseuille流動，如圖10所示。圖中陰影部分為噴孔內端，這部分流體在斷流時受到的拉伸作用力最大，壓力變化較大，則孔內流體動量方程可表示為

(1)

式中un——噴孔內流體平均流速

pi——噴孔內端壓力

ρ——燃油密度ν——運動粘度

ln——噴孔等效長度

An——噴孔等效截面積

式(1)中噴孔內端壓力pi可近似表示為

(2)

式中K——燃油體積模量

uc——噴孔入口流速

β——噴孔內端長度所占比例

把方程(2)代入微分后的方程(1)可得un的二階常微分方程，并求出該二階系統的固有頻率ω0、阻尼比ξ和相位φ

(3)

其中

當不考慮粘性時，式(3)可簡化為

(4)

由于pimin在噴孔內不低于燃油飽和蒸氣壓psat，壓力差存在極限值。可定義針閥關閉過程的空化數為

(5)

CN代表噴孔內燃油壓力極限勢能與初始動能的比值。當初始動能等于壓力極限勢能時，噴孔內端壓力會降到燃油飽和蒸汽壓，發生臨界空化；若進一步增大初始動能，即減小CN，孔內端壓力不能下降，但空化程度增大。因此CN可以表征針閥關閉過程中噴嘴內部發生空化的程度。從式(5)可得,隨著pb減小，uc、ρ、K增大，CN越小，空化越劇烈。

上述分析可以對本文的試驗現象和模擬結果作出理論解釋：隨著背壓增加，空化數變大，在斷油過程壓力室和噴孔內的空化程度減小，造成倒流氣體體積的減小。

4 結論

(1)試驗和模擬結果表明，針閥關閉時在壓力室針閥密封面附近及噴孔入口附近都會迅速產生空化現象，空化潰滅伴隨著孔外氣體倒流進入噴油嘴；對于實際工作的噴油器，倒流的高溫燃氣可能造成噴嘴內部結焦。

(2)定量分析發現，斷流過程中的最大空化體積基本等于倒流氣體體積，說明空化潰滅是導致氣體倒流的主要因素，壓力室內的空化潰滅易引起倒流氣體進一步流入壓力室。

(3)提出了表征斷油過程噴嘴內空化程度的空化數CN，從理論分析得出，隨著背壓增大，CN增大，斷油過程的空化程度減弱，從而使倒流的氣體體積減少，這與試驗及模擬結果相符。

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InfluenceofAmbientPressureonGasIngestioninDieselNozzleafterEndofInjection

WEN Hua1WANG Chenliang1MEDHAT Elkelawy2JIANG Guangjun1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,China2.FacultyofEngineering，TantaUniversity，Tanta31111，Egypt)

For researching phenomena of the cavitation and the air ingestion in the nozzle under different ambient pressures, a visualization experiment with a transparent injector nozzle was carried out, which used the stroboscope, long-distance microscope, CCD camera, high-pressure spray chamber etc.The VOF method and the overset grid technology were used to simulate transient state flow in the spray orifice and the sac.The simulation results showed that the strong cavitation phenomenon would happen in the orifice and the sac of nozzle after the end of injection.The void volume of the cavitation bubble collapsing was filled with ingested air.And the cavitation volume was roughly equal to the ingested air volume based on the calculated data which can prove the conclusion.This showed that the cavitation collapse was the main cause of air ingestion.The cavitation collapse in the sac was a necessary condition for the ingestion air further flowing into the sac.And the smaller the cavitation area in the sac was, the less hot combustion gas was ingested into the sac.The cavitation number was proposed which represented the degree of cavitation in the nozzle after the end of injection.Further studies found that an increase in ambient pressure can cause the cavitation number to increase which led to the cavitation volume and the ingested air volume tend to decrease.And the cavitation number explained the influence of ambient pressure on air ingestion, and this was consistent with the experiment and simulation results.

air ingestion; nozzle; numerical simulation; visualization experiment; ambient pressure; cavitation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.047

TK421.4

A

1000-1298(2017)10-0364-06

2017-01-12

2017-02-27

國家自然科學基金項目(51466009)

文華(1976—)，男，副教授，主要從事內燃機工作過程研究，E-mail：wenhua25@ncu.edu.cn