柴油机喷油嘴内空化与空蚀特性研究

发布时间：2020-05-25 03:20

【摘要】：为了满足日益严格的排放法规,各种新型燃烧方式相继提出,对柴油机燃油喷射系统的发展也提出了更高的要求。目前,燃油喷射压力已经可以高达300MPa,而喷孔孔径只有0.1mm量级,使得喷孔内更加容易形成空化。一方面,空化可以促进射流雾化并改善燃烧,但另一方面,空化会降低喷孔流量系数,并且会使喷嘴内形成空蚀,严重情况下,甚至会使喷油器失效。本文针对柴油模型喷孔内空化及空蚀现象,围绕喷孔锥度及粗糙度两个重要影响因素,开展了大量可视化研究。同时,对真实喷油器进行了耐久性空蚀试验,并结合数值模拟,研究了喷嘴内空蚀分布及成因。主要内容及结论如下:(1)基于自循环内流实验台,搭建了空化内流可视化实验装置。根据不同研究目的,设计加工了三种模型喷嘴,并可开展快速空蚀试验。(2)对比研究了同一喷射压力下,不同锥度喷孔内空蚀分布。研究发现,渐扩孔由于空化已发展至喷孔出口,并在出口处脱落溃灭,因而孔内空蚀麻点主要分布在喷孔出口处;而无锥度孔及渐缩孔内空蚀区域主要位于喷孔入口处,这是由于入口处的空泡冷凝溃灭及破裂溃灭造成的。(3)实验研究了1.6μm、6.3μm及30μm三种不同壁面粗糙度对喷孔内空化及流量的影响。实验发现,随壁面粗糙度增大,喷孔内空化程度先减弱后增强,分析认为是壁面阻力与气核含量共同作用的结果。不同粗糙度喷孔内流量的变化,不仅受到壁面阻力的影响,还受到空化程度的影响。在单相流及空化初生阶段内,壁面阻力的影响起主导作用,随粗糙度增大,喷孔内流量逐渐减小。在空化发展及超空化阶段,空化对流量的抑制作用将占主导地位,所以,6.3μm粗糙度情况下喷孔内流量最高,而30μm粗糙度情况下喷孔内最低。(4)通过片空化相对长度时域图及FFT频域图对不同粗糙度喷孔内云空化主脱落频率进行了分析。发现在相同喷射压力下,30μm喷孔内主脱落频率较低,但相差并不大;并且从不同粗糙度喷孔内片空化相对长度随时间变化的时域图中,可以得到片空化长度整体差异,与空化平均长度分析结果相同。(5)采用X射线CT扫描无损检测技术,对实验喷嘴进行观察,发现喷孔入口处容易发生空蚀。通过扫描电子显微镜对剖开后的喷嘴进行检测,发现位于针阀密封线下游的针阀体壁面上存在环状空蚀带,结合数值模拟,分析了此处空蚀形成的原因。研究还发现,将阶梯过渡型针阀改为多锥过渡型针阀,将有效减弱喷嘴内空蚀。
【图文】：

示意图,微射流,冲击波,示意图

当突然溃灭时，会产生极大的溃灭压强，对其周围的液体介压缩作用，从而形成压力冲击波，，并从溃灭中心处以球状向四周辐使强度很小的冲击波反复作用在材料壁面上时，也会使壁面产生脉性变形，最终形成蚀坑[11]。Schmidt 等人[12]详细研究了冲击波引起理，推进了该理论的发展。廖庭庭[13]研究提出当气泡受力非常均匀冲击波，而当气泡受力并不均匀时，气泡破裂后将会形成微射流。分学者研究认为冲击波理论是造成空蚀的主要机理，还有一些学者面边界附近不对称空泡溃灭所引起的微射流是造成空蚀磨损的主要者们对空蚀作用机理的深入研究，又有研究者认为空蚀是微射流和理共同作用的结果，只有当空泡距离固体壁面较近时，微射流才起距离较远时，则以冲击波破坏为主。除了以上这些空蚀机理外，目的云空化脱落也是造成空蚀的宏观机理之一。

蚀图,喷油嘴,空蚀

图 1.3 喷油嘴内空蚀图像影响空化和空蚀的因素有很多，一般情况下，影响空化产生、发展及溃灭过程的因素都会影响空蚀破坏，按照作用与被作用对象来分，这些影响空蚀素大致可以分为材料因素、作用介质物性因素和外界环境因素，材料因素是体材料的塑性性能、硬度强度、加工痕迹、壁面粗糙度、晶粒大小等；作用物性因素是指液体介质的粘度、表面张力、饱和蒸气压等，外界环境因素是行时间、含气量或含沙量、液体压强流速、温度及试件位置和形状等[6]。其中，关于粗糙度对空化及空蚀影响的研究文章较少，尤其是空化方面。空蚀方面，相关研究认为材料表面比较粗糙或者有明显加工痕迹时，一方面集游移空泡，另一方面，材料表面的凹凸不平又会促进空泡的向内溃灭，从导致空蚀更加严重[25-26]。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK423

【参考文献】