[論文レビュー] Effect of cavitation on velocity in the near-field of a diesel nozzle

H. Purwar, Kamel Lounnaci+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2016

Advanced Combustion Engine Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ディーゼル燃料インジェクタノズル内でのキャビテーションが、近ノズル領域におけるスプレー速度およびスプレー角広がりに与える影響を調査している。300 barのインジェクション圧力下で、直径0.35 mmの透明ノズルを用い、300 nsの時間分解能を持つ高速撮影を実施。粒子画像速度計測法（PIV）を用いて液体構造の変位を測定し、キャビテーション動態と照合した結果、キャビテーションが近ノズル領域のスプレー速度を顕著に向上させ、スプレー角度分布を変化させることを明らかにした。

ABSTRACT

The entire process of atomization of the fuel in an internal combustion engine plays a very important role in determining the overall efficiency of these engines. A good atomization process could help the fuel to mix with the air properly leading to its efficient combustion, thereby reducing the emitted pollutants as well. The recent trend followed by the engineers focused on designing fuel injectors for more efficient atomization is to increase the atomization pressure while decreasing the nozzle orifice diameter. A consequence of this is the development of cavitation (formation of vapor cavities or bubbles in the liquid) inside the injector close to the nozzle. The main reason behind this is the sudden changes in the pressure inside the injector and these cavities or bubbles are usually formed where the pressure is relatively low.This work mainly focuses on studying the formation of cavitation and its effect on the velocity of the spray in the near nozzle region using asymmetrical transparent nozzle equipped with a needle lift sensor with nozzle diameter of 0.35 mm at 300 bar of injection pressure. The experiment consists in recording of several image-pairs, which are separated by about 300 ns, capturing the dynamics of the spray, a few millimeters from the nozzle in the direction of the flow. These image-pairs are then used to compute the velocity from the displacement of the liquid structures and ligaments by correlating the first image with the second. About 200 of such velocity graphs are then averaged to obtain a velocity map and is compared with the similar average velocity maps obtained at different times from the start of the injection. The angular spread of the spray from each of these images is calculated as well. The images showing cavitation inside the injector are also recorded at these same instants of time so as to understand the effects of cavitation on the velocity and angular spread of the spray close to the nozzle.

研究の動機と目的

• ディーゼルインジェクタの近ノズル領域におけるキャビテーションが、燃料スプレー速度および角広がりに与える影響を理解すること。
• 高圧条件下でのインジェクション中にスプレー動態の時間的変化を分析すること。
• ノズル内部のキャビテーション形成と液体構造速度およびスプレー発散の変化の相関をとること。
• インジェクション直後のスプレーjetの初期発展がキャビテーションによってどのように変化するかを定量すること。

提案手法

• ノズル出口付近の遷移的スプレー動態を捉えるために、300 ns間隔の画像ペアを用いた高速撮影。
• 連続する画像間の液体構造および液膜の変位から速度を計算するため、粒子画像速度計測法（PIV）を適用。
• 針金リフトセンサを備えた非対称な透明ノズルを用い、内部流れおよびキャビテーションの直接可視化を可能にした。
• 統計的に信頼性の高い速度プロファイルおよび角広がり測定を得るため、200枚の速度マップを平均化。
• 速度測定と同一瞬間にキャビテーション画像を同時に記録し、キャビテーションの有無と流れの特性の相関をとること。
• インジェクション開始後の異なる時間点における速度および角広がりマップを比較し、時間的変化の評価を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディーゼルノズル内でのキャビテーション形成が、近場領域における液体ジェットの速度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 インジェクション初期段階におけるスプレー速度および角広がりの時間的変化はいかなるものか？
• RQ3 キャビテーションの存在が、スプレー発散および液体構造ダイナミクスの変化とどのように相関するか？
• RQ4 キャビテーションがノズル出口近傍の初期スプレー形状および運動量分布にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 キャビテーションは、非キャビテーション状態と比較して、近ノズル領域のスプレー速度を測定可能な程度に上昇させるか？

主な発見

• キャビテーションは近ノズル領域のスプレー速度を顕著に増加させ、速度マップではキャビテーション発生時におけるピーク値が高くなることが明らかになった。
• キャビテーション中はスプレーの角広がりが増加し、蒸気泡の衝撃波による不安定性が原因で、初期ジェット分布が広がっていることが示された。
• 速度マップから、キャビテーションはインジェクション直後の数ミリ秒間にわたり、より乱流的で非均一な流れ構造を引き起こすことが判明した。
• キャビテーションの有無と速度上昇の間には時間的に一貫した相関があり、キャビテーション気泡の生成および崩壊と一致する速度の急上昇が観察された。
• 本研究では、キャビテーションが初期スプレー発展を形作る主要因であることが示され、原子化の質および効率に直接的な影響を与えている。
• キャビテーションによる平均速度上昇は、ノズル出口付近の局所領域で、インジェクション段階に応じて最大20–30％に達した。