基于X射线成像技术的柴油喷嘴内流与喷雾的关联研究

In order to meet the more strict emission regulation of marine diesel engine and reduce the green-house emissions, it is necessary to improve the fuel spray and internal combustion process from the point of view of engine internal control. Moreover, the importance prerequisite of optimizing the internal combustion is to understand the spray characteristics and break-up mechanism. The primary break-up is the link between liquid core and formation of liquid droplets. Recent studies on the near-field spray（primary break-up） of diesel injection found that spray morphology and break-up process has close relationship with nozzle internal flow. However, the research on the internal flow of real diesel injector is limited and few direct correlation between internal flow and spray characteristics. In this project, X-ray imaging technology and high-strength Al alloy nozzle tip will be used to measure the spray and nozzle internal flow simultaneously at high injection pressure. The expected results will show the effect of nozzle structure and needle lift on the spray characteristics and find the primary break-up mechanism of diesel spray. In addition, new spray model and optimization of nozzle structure can be created. Finally, it is possible to obtain the controllable optimum spray characteristics matching the modern combustion mode in diesel engine.

为了满足日益严格的船舶柴油机尾气排放法规和减少温室气体排放，从柴油机机内控制的角度出发，必须进一步优化燃油喷雾和改善缸内燃烧过程。其中，详细掌握燃油的喷雾特性及其内在的破碎机理是进一步实现缸内燃烧控制优化的重要前提条件。燃油的一次破碎过程是衔接液核区和液滴形成（喷雾完全形成）的纽带。近些年来针对高压柴油近场喷雾（一次破碎）特性的研究发现，喷雾的形态和破碎过程与喷嘴的内部流动存在密切的联系。但是目前针对真实结构柴油喷嘴的内部流动研究极为有限，并且仍没有与喷雾特性直接联系起来。因此本项目拟采用X射线成像技术，利用高强度铝合金制造的柴油喷嘴前端，在实现较高喷射压力的前提下，对柴油喷嘴内部流动和外场喷雾同时测量，掌握喷嘴结构和针阀运动对内流和喷雾的影响规律，进一步揭示柴油喷雾一次破碎的机理，同时指导新的喷雾破碎模型开发，优化喷油器的结构设计，最终实现柴油机先进燃烧模式的可控最优喷雾特性。

船用柴油机的燃油喷雾和蒸发过程对后续的燃烧过程和排放特性具有决定性影响，本项目以开展柴油喷嘴的内流和喷雾的关联研究为目标，按照项目申请书中的设想方案，设计开发了具有可更换铝合金喷嘴的高压密封喷嘴组合装置以及高压恒压的液压装置。随后基于先进的X射线相衬成像技术，成功地实现了高压柴油喷雾的内部流动和外场喷雾的同时测量，建立了高压稳态喷雾和喷孔内流同时测量的新方法。在此基础上，深入研究了单孔喷嘴的直线倒角比、喷孔直径对喷嘴内流和喷雾的影响规律，以及双孔喷嘴的流量特性。小倒角比喷嘴，喷雾宽度最大值位于空化和超空化的临界过渡阶段。喷雾宽度最大的临界倒角比为0.65，并且与喷嘴流量特性密切相关。随着喷嘴孔径的减小，相对倒角比的增大，喷孔内部的空穴特性受到抑制，表现出从完全超空化——局部超空化——一般空化的强度递减规律。定量测量的超空化空穴层厚度为15-25um，并随着喷孔长度的增大而增大。超空化一旦形成，喷射压力基本不会对空穴层厚度产生影响。渐缩喷嘴有效抑制了喷嘴内部空穴层的产生。喷嘴结构特征对空穴发展及喷雾特性的影响规律表明，准确的喷雾特性研究中不能忽略倒角比（或入口圆角比）的影响。喷孔内部的相衬条纹与喷雾内部的相衬条纹吻合并且连续，证实了燃油喷雾形态取决于喷孔的内部流动。喷孔内条纹的分布表征了喷孔内空穴的分布特点。随着喷射压力的增大，内孔条纹逐步清晰的现象表明空穴层的厚度逐步增大。喷嘴出口喷雾形貌中的条纹分布的不规则性，即表面的不规则性对喷雾的破碎存在显著的影响。双孔喷嘴的流量特性研究表明，随着喷孔角度的增大，喷嘴的流量呈现逐步下降的趋势。当喷嘴角度达到160°时，流量下降的最为明显。这表明喷孔角度的增大，引入了位于入口倒角处的结构性气穴，导致入口流动截面的减小，凸显了与燃烧室匹配的喷孔包角优化设计的重要性。