柴油机喷嘴空化特性研究

柴油机喷嘴空化特性研究

 陈广泉，李超

青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司 266101

摘 要: 随着日益突出的能源枯竭问题和越来越严格的排放法规出台的背景下，柴油机的喷雾燃烧优化是解决污染物排放和燃料经济性的根本解决方案，其中柴油机的喷嘴空化对喷雾起着重要的影响，因此探讨空化机理和现象对柴油机喷嘴的优化大有裨益。

关键词:柴油机；喷嘴；空化

1 引言

1.1 背景

随着面对排放法规和燃料经济性的挑战，如何做到节能减排是柴油机当前面临的首要问题。持续优化柴油机燃油系统是一个重要研究方向，而喷雾特性直接影响了燃烧室柴油与空气的混合程度，燃烧效率及燃烧后生成多少排放物。而喷雾特性是受喷嘴内的流场影响的，因此对喷嘴内部流场的空化特性的研究非常重要。

1.2 研究目的

喷嘴内部流场空化现象会导致喷油器的性能下降，空化会导致喷嘴内部气体和燃油流动不畅，导致喷射雾化效果变差，最终导致燃油喷雾的过程不均匀，降低燃烧效率。由于燃油没有被充分喷射雾化，导致需要燃烧更多的燃油才能维持正常运行，导致油耗的增加，燃烧的不充分，生成更多的污染物，如NOx，Soot，碳氢化合物和一氧化碳等有害物质的排放，对环境产生不利影响。空化本身造成喷嘴的磨损和损坏，减少了喷嘴的使用寿命和增加其维护成本。因此，本文主要是探讨喷嘴空化对柴油机性能和排放的影响。

2 柴油机喷嘴结构和空化现象

2.1 喷嘴结构

柴油机的喷嘴是一个关键组件，它负责将高压柴油燃料喷射到发动机的燃烧室中，以支持燃烧过程。以下是柴油机喷油器的喷嘴详细构造：

柴油机喷油器的喷嘴通常包括以下主要部件：(1)喷嘴体：喷嘴的主体部分，通常是金属制成，具有高强度和耐腐蚀性。它包括燃油通道和喷孔。（2）喷孔：是柴油喷雾喷射的出口。喷孔的直径和几何形状对喷雾特性起着关键作用。柴油通过这些喷孔被喷射到燃烧室中。（3）针阀：喷嘴内部有一个可以移动的针阀，它通过磁铁或电磁线圈进行控制。针阀的打开和关闭控制了燃油的流量和喷射的时间。(4)喷嘴座：这是固定喷嘴的部分，通常与燃烧室壁相连。它还有冷却通道，通过这些通道，冷却水或冷却液可以流过，以降低喷嘴温度。(5)密封元件：用于确保喷嘴的密封性能，以防止燃油泄漏或气体进入喷嘴。

柴油机喷油器喷嘴是燃油喷射系统的核心组件，一般包含5~8个均匀分布的喷孔，在喷嘴内针阀落座的状态下，针阀头部周围密闭空间成为压力室，根据针阀头部和喷孔的相对位置，可将喷嘴分为SAC喷嘴和VCO喷嘴。

2.2 空化现象

空化现象是指在柴油喷射过程中，燃油在喷嘴内部，出口附近产生气泡、蒸汽或其他气体的现象。这些气泡或气体的存在影响了燃油的喷射特性和燃烧过程。

空化现象通常在以下情况下发生：(1)高压喷射：柴油喷射通常在非常高的压力下进行，导致喷嘴出口的燃油在瞬间膨胀，降低了局部温度和压力，从而产生气泡或蒸汽。(2)燃油性质：柴油的性质，如温度和压力，以及燃油中的不饱和化合物和杂质，也可能引发空化现象。(3)喷嘴结构：喷嘴的设计和几何形状，特别是喷孔的形式，会影响燃油的喷射和空化特性。3 空化机理和影响

3.1 空化原因和形态分类

空化初生的三要素为气核、低压和低压作用时间。空化现象的产生是在液体温度恒定的条件下，液体内局部压力降低到液体相应温度下的饱和蒸汽压时，液体内部出现稳定的气核，然后在一定低压的作用下，使得气核在负压的作用下有足够的时间膨胀到超过临界半径状态，发展为气泡[1]。

    空化可以分为两类，一类是几何诱导空化，另外一类是涡线空化。

几何诱导空化是由喷嘴结构因素引起的喷孔入口流动收缩所引致的空化，其空化形态主要包括4种形态：I.泡空化、II.类似于部分薄片状的片空化、III.空化尾部呈现不规则云团状的云空化和IV.空化主体已经发展至喷孔出口的超空化。该种空化形态自出现起即贴附在喷孔入口上壁面处，这导致了其在发生空化溃灭时对壁面产生直接冲击作用，显著缩短喷油嘴的使用寿命[2-[3]。

涡线空化喷嘴流道结构使得高速燃油在流动中产生强涡漩中心低压则会引致另外一种线状空化，在实际柴油机多孔喷嘴中几何诱导空化和线空化往往在喷孔内会同时存在[4]。

3.2 空化影响

空化现象对柴油机的燃烧、排放、性能产生多方面的影响，具体如下：

3.2.1. 燃油燃烧：

不稳定燃烧：空化现象导致燃油在燃烧室中的分布不均匀，造成不稳定的燃烧过程。这可能导致火焰失稳和不规则的燃烧，降低了燃烧效率。未燃尽碳氢化合物：不均匀的燃烧和不完全的燃烧可能导致未燃尽的碳氢化合物残留在排气中。这增加了碳氢化合物的排放，并影响了燃油经济性。

3.2.2污染物排放：

NOx排放: 空化现象可能导致高温燃烧区域和不完全燃烧，这会增加氮氧化物（NOx）的排放，对环境造成不利影响。颗粒物排放: 不均匀的燃烧可能导致颗粒物排放的增加，这对空气质量和健康构成威胁。CO排放: 不完全燃烧可能产生一氧化碳（CO），这是一种有毒气体，这对环境和人体健康造成危害。

3.2.3. 柴油机性能：

燃油经济性: 由于不均匀的燃烧导致燃油浪费，空化会降低柴油机的燃油经济性，增加了运营成本。柴油机功率输出: 不稳定的燃烧过程会降低柴油机的功率输出，影响性能。

4 空化喷雾的改进技术和方法

提高喷嘴空化效果是柴油喷射系统中的重要目标，可以改善燃烧效率和降低排放。以下是一些技术和方法，用于增强喷嘴空化效果：

(1)微喷嘴技术：微喷嘴是设计更小口径的喷孔的喷嘴，通常小于100微米。这种技术可以产生更细小的燃油雾化，提高喷雾的表面积和均匀性。微喷嘴可以用于增加燃油的气化速度，减少空化的倾向。

(2)多级注射：多级注射是将燃油分成多个喷射事件的过程。首先进行一个小的预喷射，然后进行主要喷射。这有助于改善喷雾的分散和均匀性，降低空化的风险。

(3)空气辅助喷射：通过引入辅助空气流，可以增强燃油的雾化和混合。这种技术通常用于增加燃烧效率和降低污染物排放。

(4)微细过滤：使用微细过滤器可以去除燃油中的杂质和固体颗粒，确保喷嘴内不会堵塞，有助于维持喷嘴的性能。

(5)改进喷嘴设计：优化喷嘴的几何形状、喷孔尺寸和喷孔形式，以提高雾化和混合效果。喷嘴设计的改进可以减少液滴的大小分布和增加表面积，从而提高空化效果。

(6)精确控制系统：使用精确的喷油控制系统可以确保喷油的时间、量和压力都在良好控制范围内，从而提高空化效果。

(7)高温和高压气化器：一些系统使用高温和高压气化器来将燃油预处理，使其更容易气化。这可以增加燃料的气化速度和改善喷雾质量。

这些技术和方法可以单独或组合使用，具体取决于柴油喷射系统的设计和要求。它们的综合应用有助于提高喷嘴的空化效果，优化燃油雾化，提高柴油发动机的性能和环保性。

5 结束语

柴油机喷嘴内空化现象是研究喷嘴内流场的重要方向。通过对空化机理的深入研究，在一定的条件下空化现象反而有助于改进燃油的喷雾，将液体燃料更加分散成微小液滴，从而增加燃烧表面积，提高燃烧效率，减少污染物的排放。随着研究的不断深入，我们可以期待喷嘴空化的研究在未来继续发挥更重要的作用。

参考文献：

[1]陈曦.船用低速二冲程柴油机重油喷雾燃烧及排放的数值研究[D].天津:天津大学,2017.

[2]Schmidt DP, Corradini M. The internal flow of diesel fuel injector nozzles: a review. International Journal of Engine Research. 2001; 2: 1-22.

[3]郭根苗.柴油机喷嘴内特殊流动现象的瞬态特性及对喷雾的影响[D]. 江苏大学, 2019.

[4]曹天义.柴油机喷嘴内空化形态特性及对系统压力波动和喷雾的影响研究[D]. 江苏大学, 2021.

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