轴针式喷嘴内部空化与针阀密封面磨损特性.pdf

第 4 7卷第 2 3期 2 0 1 1年l 2 月 机械工程学报 J OU『 RNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG V0 1 ． 47 De c． NO． 23 2 0 1 1 DoI 1 0 ． 3 9 0 1 ／ J M匮． 2 0 1 1 ． 2 3 ． 1 1 3 轴针式喷嘴 内部空化与针 阀密封面磨损特性木 沃恒洲 徐玉福 胡献国 合肥工业大学机械与汽车工程学院合肥2 3 0 0 0 9 摘要喷嘴是柴油机的核心部件之一，其空化与磨损特性对柴油机的雾化、燃烧与动力特性均存在重要影响。从可视化和数 值模拟两个方面研究柴油机轴针式喷嘴内部燃油的流动状况。结果表明，针阀开启前燃油就存在大量空泡，开启后针f碉密封 面上游处的空化现象较下游严重。在 S 1 9 5柴油机上，利用扫描电镜 S c a n n i n g e l e c t r i c mi c r o s c o p e ， S E M 研究轴针式喷嘴针阀 密封面的磨损特性。结果表明，密封面上上游处的原始凹坑缺陷在运转 2 0 h后出现较明显的磨损，而下游处的原始凹坑缺 陷没有明显的磨损，即实际磨损严重的部位与空化密度大的部位一致。上游凹坑缺陷处磨损严重的原因是，原始的凹坑缺陷 是空化的发生源，原始的凹坑缺陷处倾向于汇聚空泡，团聚的空泡溃灭，对壁面产生磨损。研究结果为减缓轴针式喷嘴针阀 密封面的磨损提供理论依据。 关键词轴针式喷嘴空化磨损针阀密封面 中图分类号 T HI 1 7 Ca v i t a t i o n a n d W e a r Ch a r a c t e r i s t i c o f Se a l S u r f a c e i n Pi nt l e No z z l e W O He n g z ho u XU Yu f u HU Xi a n g u o S c h o o l o f Me c h a n i c a l and A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g ， He f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , He f e i 2 3 0 0 0 9 Ab s t r a c t No z z l e i s o n e o f k e y p a r t s i n d i e s e l e n g i n e ． Th e c a v i t a t i o n a n d we a l “ c h a r a c t e r i s t i c s o f s e a l s u r f a c e i n t h e p i n t l e n o zzl e h a v e i mp o r t a n t i n fl u e n c e s o n a t o mi z a t i o n ． c o mb u s t i o n and d y n a mi c a l p e rfo r ma n c e o f d i e s e l e n g ine ． T h e d i e s e l flo w i n t h e p i n t l e n o zzl e o f d i e s e l e n g i n e i s i n v e s t i g a t e d t h r o u g h v i s u a l i z a t i o n a p p ara ms an d n u me ri c a l s i mu l a t i o n me tho d ． Th e r e s u l t s s h o w tha t the r e are a l o t o f b u b b l e s in n o z z l e b e f o r e the n e e de o p e n e d ； the c a v i t a ti o n l o c a t e d o n t h e u p s t r e a m o f s e a l s u r f a c e i s s e v e r e r than tha t l o c a t e d o n t h e d o wn s t r e a m． T h e we ar c h ara c t e ris t i c s o f the p i n t l e n o z z l e are s t u d i e d i n1 9 5 d i e s e l e n g i n e ． 1 1 1 e s u r f a c e a p p e aranc e s o f o rig i n a l an d o p e r a t e d n o zzl e s e a l s u r f a c e are o b s e r v e d b y s c a n n i n g e l e c t r i c mi c r o s c o p e S E M ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t the o r i g i n a l d e f e c t s o f p i t s wh i c h l o c a t e d o n the u p s tr e a m h a v e o b v i o u s we ar a fte r the die s e l o p e r a t e d f o r 2 0 h ， o n the c o n tr a r y o n the d o wn s tre am ． T h a t i s ， t h e l o c a t i o n o f s e v e r e we ar i s the s a me p l a c e wi th t h e s e v e r e c a v i t a t i o n ar e a ． T h e r e a s o n for the we ar i s t h a t t h e o ri g i n a l d e f e c t s o f p i t s t e n d t o c o l l e c t the wand e r i n g c a v i tat i o n b u b b l e s ．T h e we ar o n the s o l i d wa l l i s the r e s u l t o f c o l l a p s e o f c a v i t a t i o n b u b b l e s ． Th e r e s e arc h r e s u l t s p r o v i d e the the o r e t i c a l b a s e s for s l o wi n g d o wn t h e g r o wt h o f t h e we ar o f s e a l s u r f a c e o f n e e d l e i n p i n t l e n o z z l e ． Ke y wo r d s P i n t l e n o z z l e Ca v i t a t i o n W e ar S e a l s u r f a c e o f n e e d l e 0 前言 柴油机通过喷嘴将燃油雾化后进入燃烧室，在 缸体 内燃烧推动活塞运动 。因此喷嘴在柴油机燃油 雾化燃烧动态系统中起着极其重要的作用。但是喷 嘴在燃油喷射过程中会产生空化，空化的出现是由 于低的静压出现在喷嘴的尖锐入口角处。如果入口 角处非常尖 ，流体倾 向于分离并形成颈缩【 J J 。在喷 孔中，颈缩减少液流流过的面积。这个减小的面积 ‘国家 自然科学基金 5 0 8 7 5 0 7 1 和安徽省 自然科学基金 1 1 0 4 0 6 0 6 Q3 7 资 助项目。2 0 1 1 0 3 1 7收到初稿，2 0 1 1 0 8 3 0收到修改稿 随流速的增加而增加。依质量守恒和动量守恒预测 液体通过颈缩能够 引起喷孔 喉部的压力 降。喷孔喉 部的压力将低于液体的饱和蒸汽压而导致空化。喷 嘴 内部空化 流动受喷嘴几何形状[ 2 - 3 ] 和 喷射条件L 4 J 等因素影响。 空化产生蒸汽泡，并在较高压力区迅速破裂， 这样的过程将会使得金属表面承受反复不断的冲击 力作用，进而产生喷嘴的空蚀磨损p j ，喷嘴 出现空 蚀磨损后 ，会影响到燃油的雾化效果，而燃油的喷 雾雾化又决定着柴油机的工作性能和污染物的生 成L 6 J ，雾化差会造成发动机工作状态变差，甚至无 法工作，且空蚀会促使喷嘴微裂纹扩展 ，造成喷嘴 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 l 2 月 沃恒洲等轴针式喷嘴内部空化与针阀密封面磨损特性 l 1 7 运 转前后 磨损 明显 的缺 陷位 置是在针 阀密封 面的上游，也就是靠近喷嘴油腔的表面，而运转前 后没有 明显磨损 的缺 陷位 置是在针 阀密封面 的下 游 ，也就是靠近燃油喷射 出口的位置 。其与上述数 值模拟 的结果相一致 ，即针阀密封锥面上磨损较严 重 的区域是产生空化现象较严重的区域。这与 GA V AI S E S等【 l J 研究 的结果相一致。 据此可以推断， 在发动机继续运转过程中，上游处的缺陷会加剧磨 损 ，导致密封面的失效，即密封面首先失效的部位 在密封面 的上游位置。因此，可 以考虑在针阀的加 工过程 中，减少针 阀密封面上游处的表面缺陷，将 有助于提高针 阀的寿命。 相 比较针阀密封面其他区域 ，在其有原始凹坑 缺陷的区域 ，在运转一段时间后容易出现磨损。这 是由于在针阀开启之前就有空泡 ，和在针阀开启之 后 ，由于燃油流过狭窄的密封面之间的间隙而产生 的空化的联合作用，这些空泡易在针 阀密封面上原 始的凹坑缺陷区域驻 留团聚【 J ，团聚的空泡溃灭， 其溃灭产生的冲击波和微射流对壁面造成磨损。原 始 的凹坑缺陷成为空化的发生源 。且这些空泡是易 附着在针 阀密封面上 的，并且是在高速的流场 中， 因而射流直接作用于壁面会产生较严重的磨损 。罗 经等【 J 的研究表明，附壁面气泡在高速水流中完 全溃灭 的时 间极短，当空泡与壁面 间距 H 1 0 岬 时，射流压力接近 于 3 ． O 1 0 P a 。如此高的压力脉 冲几乎可 以造成任何材料 的表面破坏 。 为进一 步分析磨损机理 。对针 阀密封面进 行 E D S分析。图 1 0是针阀密封面的E D S分析结果。 碍 籁 0 a 磨损 区域 Fe Mr l 。c 能量 E ／ k e V b 非磨损区域 图 1 0 针阀密封面的E DS结果 从分析的结果表明， 在磨损区域中C和 O元素 的质量分数较大， 而非磨损区域 C和 O质量分数较 小 。 这可能是由于空泡的溃灭产生极大的瞬间能量 ， 局部产生高温，柴油在高温下碳化，沉积在磨损的 表面，因而磨损表面 C和 O质量分数较大[ 1 8 ] 。 而其 他元素在磨损前后变化不大 。 3 结论 1 在针阀开启前，柴油机轴针式喷嘴内部已 经有大量的空泡存在。燃油流过针阀密封面时会 由 于形状 的变化产生空化现象 ，且在密封面上游 的区 域 ，空化明显，而在下游区域，空化不明显。 2 针 阀密封面上的原始 凹坑缺 陷的位置对其 磨损特性具有不同的影响。空化强度大的区域，其 原始凹坑缺陷磨损程度也较大。其磨损机理为，这 些原始 的凹坑缺 陷倾 向于汇聚游移空泡，造成原始 缺 陷成为空化磨损的发生源 。 3 在针 阀的加工过程 中，可以考虑尽量减少 针 阀密封面上游处的表面缺陷，将有助于延长针阀 的使用寿命 。 参考文献 [ 1 】VO L MAJ E R M，K EG L B ． C a v i t a t i o n p h e n o me n a i n t h e i n j e c t i o n n o z z l e T h e o r e t i c a l a n d n u me r i c a l a n a l y s i s [ J ] ． J o u r n a l O f KONES I n t e rnal Co mb u s tio n E n g i n e s ，2 0 0 4 ， 1 1 3 4 1 2 9 5 3 0 3 ． [ 2 】何志霞，李德桃，王谦，等．垂直多孔喷嘴内部空穴两 相流动三维数值模拟分析【 J ] ．机械工程学报，2 0 0 5 ， 4 1 3 9 2 - 9 7 ． H E Z h i x i a， L I De t a o， WA NG Q i an ， e t a 1 ． T h r e e d i me n s i o n al n um e r i c a l s i mu l a t i o n an d ana l y s i s o f v e r t i c a l mu l ti h o l e n o z z l e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，4 1 3 9 2 9 7 ． [ 3 】张军，杜青，杨延相，等．柴油机不同类型喷嘴内部空 化流动特性的研 究[ J 】 ．内燃机学报 ，2 0 1 0 ，2 8 2 l 3 3 - 1 4 0 ． Z HA NG J u n ， D U Qi n g ， Y A NGY a n x i ang ， e t a 1 ． S t u d y o n c a v i tat i n g flo w i n d i ffe r e n t t y p e s o f d i e s e l n o z z l e o r i fi c e [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f C S I C E， 2 0 1 0 ， 2 8 2 1 3 3 - 1 4 0 ． [ 4 】R O T H H，G I A NNA DA KI S E，G A V A I S E S M，e t a 1 ． E ff e c t o f multi i n j e c t i o n s t r a t e g y o n c a v i t a t i o n d e v e l o p me n t i n d i e s e l i n j e c t o r n o z z l e h o l e s [ C ] ／ ／S AE 2 0 0 5 Wo r l d Co n g r e s s E x h i b i t i o n， Ap r i l ， 2 0 0 5， De tro i t ， MI ，US A． 2 0 0 5 2 0 0 5 ． 0 1 ． 1 2 3 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 1 8 机械工程学报 第 4 7 卷第 2 3期 【 5 】P A Y RI F ， BE R MU DE ZV， P A Y R I R， e t a 1 ． T h e i n fl u e n c e o f c a v i t a t i o n o n t h e i n t e rna l fl o w a n d t h e s p r a y c h a r a c t e r i s t i c s i n d i e s e l i n j e c t i o n n o z z l e s [ J ] ． F u e l ，2 0 0 4 ， 8 3 41 9 - 4 3 1 ． [ 6 ]闰伟，张浩，陆剑峰，等．直喷式柴油机燃烧系统的均 匀试验设计研 究[ J 】 ．机械工程 学报 ，2 0 0 5 ，4 1 1 21 2 ． 2 1 5 ． YAN W e i ，ZHANG Ha o ，L U J i a n f e n g ，e t a 1 ． Ap p l i c a t i o n o f u n i f o r m d e s i g n t o i mp r o v e s h a l l o w W- t y p e c o mb u s t i o n s y s t e m o n D． I ．d i e s e l e n g i n e [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g ine e r i n g ，2 0 0 5 ，4 1 1 2 1 2 2 1 5 ． [ 7 ]AS I O．F a i l u r e o f a d i e s e l e n g i n e i n j e c t o r n o z z l e b y c a v i t a t i o n d a ma g e [ J ] ．E n g i n e e r i n g F a i l u r e An a l y s i s ， 2 0 0 6 ， 1 3 7 1 1 2 6 1 1 3 3 ． [ 8 】B AD OC K C， WI R T H R， F A T H A， e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n o f c a v i t a t i o n i n r e a l s i z e d i e s e l i n j e c t i o n n o z z l e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l He a t F l u i d F l o w， 1 9 9 9，2 0 5 3 8 - 5 4 4 ． [ 9 】G I AN NA DA S E，P A P 0 UL I A S D，GA V AI S E S M， e t a 1 ．E v a l u a t i o n o f the p r e d i c t i v e c a p a b i l i t y o f die s e l n o z z l e c a v i ta t i o n mo d e l s [ C ] ／ ／ 2 0 0 7 Wo r l d C o n g r e s s ， A p r i l l 6 - 1 9， 2 0 0 7 ， De t r o i t ， M i c h i g a n ． 2 0 0 7 2 0 0 7 0 1 - 0 2 4 5 ． [ 1 0 】S I NGH AL A K，A T HA V AL E M M ，L I H，e t a 1 ． Ma the ma t i c a l b a s i s and v a l i d a t i o n o f the fi l l 1 c a v i tat i o n mo d e l [ J ] ． J o u r n a l o f F l u i d s E n g i n e e ri n g ，2 0 0 2 ，1 2 4 61 7． 6 24． [ 1 1 】刘诗汉，陈大融．粗糙表面的空蚀机制研究[ J 】 ． 润滑与 密封 ，2 0 0 9 ，3 4 3 6 - 8 ． LI U S h i h a n，CHE N Da r o n g ． On me c h a n i s m o f c a v i tat i o n e r o s i o n o f r o u g h s u r f a c e [ J]．L u b r i c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ，3 4 3 6 - 8 ． [ 1 2 】MAR C HI A，NOU R I J M ，Y A N Y，e t a 1 ． I n t e r n a l fl o w an d s p r a y c h ara c t e r i s t i c s o f p i n t l e t y p e o u t ward s o p e n i n g p i e z o i n j e c t o r s for g a s o l i n e d i r e c t i n j e c t i o n e n g i n e s [ C ] ／ ／ 2 0 0 7 Wo r l d Co n g r e s s ， Ap ril 1 6 1 9，2 0 0 7 ，De tro i t ， M i c h i g an ． 2 0 0 7 2 0 0 7 - 01 - 1 4 0 6 ． [ 1 3 】GA V A I S E S M， T O NI N I S ， MAR C H I A， e t a 1 ． Mo d e l l i n g o f i n t e rn a l an d n e ar- n o z z l e flo w o f a p i n t l e - t y p e o u tw a r d s - o p e n i n g g a s o l i n e p i e z o i n j e c t o r [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f E n g i n e R e s e a r c h ，2 0 0 6 7 3 8 1 3 9 7 ． [ 1 4 】GA 、 ， A I s E S M，P AP O UL I AS D，A N DR I O T I S A，e t a 1 ． Li n k b e tw e e n c a v i tat i o n d e v e l o p me n t a n d e r o s i o n d a ma g e i n die s e l i n j e c t o r n o z z l e s [ C ] ／ ／2 0 0 7 Wo r l d C o n gre s s ， Ap ril 1 6 - 1 9 ， 2 0 0 7 ， De t r o i t， M i c h i g an ． 2 0 0 7 2 0 0 7 ． 0 1 ． 0 2 4 6 ． [ 1 5 】B AI L i x i n ， X U We i l in ， Z H ANG F a x i n g ， e t a 1 ． C a v i ta t i o n c h ara c t e r i s t i c s o f p i t s t r u c t u r e i n u l tr a s o n i c fi e l d [ J ] ． S c i e n c e i n C h i n a S e ri e s E ，2 0 0 9 ，5 2 7 1 9 7 4 ． 1 9 8 0 ． [ 1 6 ]罗经， 李健，董光能．壁面处气泡在静止流场和高速水 流中溃灭过程的计算仿真【 J 】 ．摩擦学学报 ，2 0 0 7， 2 7 6 5 6 2 5 6 6 ． L UO J i n g ， LI J i an ，DONG Gu an g n e n g ．S i mu l a t i o n o f v a p o r b u b b l e c o l l a p s i n g n e ar o r o n wa l l i n s t a ti o n a r y wa t e r o r h i g h s p e e d wa t e r [ J]． T r i b o l o g y ，2 0 0 7 ，2 7 6 5 62 ． 566 ． [ 1 7 】李疆 ，陈皓生． F l u e n t 环境 中近壁面 微空泡溃灭的仿真 计算[ J ] ． 摩擦学学报 ，2 0 0 8 2 8 4 3 1 1 - 3 1 5 ． L I J i ang， CHE N Ha o s h e n g ．Nu me ric a l s i mu l mi o n o f mi c r o b u b b l e c o l l a p s e n e a r s o l i d wa l l in F l u e n t e n v i r o n me n t [ J ] ． T r i b o l o g y ，2 0 0 8 ，2 8 4 3 1 1 - 3 1 5 ． [ 1 8 】葛晗， 杜川， 陈皓生．空蚀坑周围彩虹区的形成机理[ J ] ． 摩擦学学报，2 0 1 0 ，3 0 4 3 2 8 - 3 3 2 ． GE Han ， DU Ch u an ， CHE N Ha o s h e n g ． I n v e s t i g a t i o n o n the f o r ma t i o n o f i r i d e s c e n t rin g s aro u n d c a v i tat i o n e r o s i o n p i t [ J ] ． T r i b o l o g y ，2 0 1 0 ，3 0 4 3 2 8 3 3 2 ． 作者简介沃恒洲，男，1 9 7 2年出生，博士研究生。主要研究方向为气 蚀磨损。 E ma i l t r i b o l o g y wo g ma i l ．c o rn 胡献国 通信作者 ，男，1 9 6 3年出生，教授，博士研究生导师。主要研 究方向为发动机摩擦学。 E - ma i l h u x i a n g u o 1 2 6 ．c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m