柴油机喷嘴燃油的空化流动、气蚀与积炭特性研究

【摘要】：柴油机喷嘴内的空化对柴油机的性能会产生严重影响，一方面它能促进燃油的雾化，使得燃油在发动机内部能高效、充分的燃烧，降低了积炭产生的可能；另一方面空化能引起喷嘴内部的空蚀磨损，从而影响喷嘴的使用寿命与性能。但由于喷嘴的流体通道的尺寸非常小，流速又非常高，给直接观察与测量空化与空蚀磨损等研究带来困难。本学位论文通过计算流体力学，采用混合均相流模型加完全空化模型进行数值模拟,着重探讨了柴油发动机轴针式喷嘴和孔式喷嘴内部空化流动的影响规律和气蚀磨损特性，研究了生物质燃油在柴油发动机喷嘴内的积炭特性，以期为新型发动机代用燃油---生物质燃油在发动机上的应用打下一定的基础。 对于轴针式喷嘴，研究了喷射压力、背压和针阀升程对空化流动的影响。结果表明：喷射压力会促进空化，当背压为定值时，针阀升程为0.2mm时，喷射压力增加到5MPa时，开始出现空化，10MPa时空化现象明显，以后随着喷射压力的增加，空化程度加深。另外，背压的增加会抑制空化。而针阀升程越大，越易于出现空化现象，如当喷射压力为定值10MPa时，针阀升程为0.1mm时，没有出现空化。针阀升程为0.2mm时,出现明显的空化，当针阀升程为0.3mm时，空化现象有明显的加剧。 对于孔式喷嘴，研究了喷射压力、背压、入口圆角、长径比对空化的影响。喷射压力和背压对空化的影响与轴针式喷嘴相同。不同的喷射压力下的质量流量与压力差（喷射压力与饱和蒸气压）的平方根成正比。在空化初生前，随着喷射压力的增加，流量系数与空化数的平方根成正比；空化初生后，流量系数与空化数的平方根成反比。当直角喷嘴的L/D值为1/8时，在0.3MPa时发生空化。而喷嘴入口处圆角半径为40μm时，在喷射压力为1MPa时空化初生。当直角喷嘴的L/D值为1/16时，在0.4MPa时发生空化。对比柴油和生物质燃油，燃油的物性对空化产生较大影响，粘度越大的燃油，发生空化的临界空化压力越大，即越难发生空化。饱和蒸汽压越大的燃油，发生空化的临界空化压力越小，越容易发生空化。但燃油的表面张力对临界空化压力几乎没有影响。 喷嘴内部出现的空化现象会导致气蚀磨损。本学位论文研究了喷嘴中针阀表面硬度和表面制造精度对气蚀磨损的影响。分别将S195柴油机的实际喷嘴（表面硬度840HV）和经过热处理后的喷嘴（表面硬度420HV），在S195柴油机上运转一段时间后，考察喷嘴的气蚀磨损特性。结果发现实际喷嘴出现了直径在10μm以下的空蚀坑，而经过热处理喷嘴的空蚀坑直径在20-30μm，极少量空蚀坑直径在30μm以上，表明硬度较低的针阀表面容易产生空蚀磨损。并且针阀密封表面上的原始凹坑缺陷由于位置的不同，造成了具有不同的磨损特性。处于针阀密封面上游位置的原始缺陷处，空蚀磨损程度较大，而处于针阀密封面下游位置处的原始缺陷处，没有明显的磨损，即空化强度大的区域空蚀磨损程度也较大。其磨损机理为：原始的表面凹坑缺陷倾向于汇聚游移空泡，造成空化泡易在原始缺陷区域的团聚，空化泡团聚到一定程度后，会发生溃灭。空化泡在高速流场中在极短的时间内溃灭，其溃灭会对壁面产生高的压力脉冲，从而对固壁表面造成破坏。通过自制的孔式喷嘴空蚀磨损试验装置，用紫铜代替孔式喷嘴中的部分喷孔，在喷孔直径200μm，燃油的喷射压力为10MPa，持续时间为0.5h的条件下，发现在喷孔入口区域有直径10μm以下的空蚀坑，且深度较深，呈针状和麻点状。 利用表面活性剂制备了生物质油/柴油乳化混合油。分别用该混合油和柴油在S195柴油机上运转一段时间后，对比了两种燃油的积炭特性。结果表明：两种油使用后积炭物均为非晶态，但混合油的积炭物结晶状态，比柴油形成的积炭物结晶状态好。生物质油/柴油乳化混合油的积炭物与柴油积炭物相比，碳和氢元素的含量较高，氧元素的含量较低。