燃油噴射霧化研究

盧豐翥，鄭貴聰，，王紅劍

（1.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

內燃機的燃燒品質直接影響其動力性、經濟性及排放特性等一系列性能指標，而燃油霧化的優劣是決定燃燒狀況的關鍵環節。良好的霧化效果是實現高效燃燒的前提，對節能、凈化具有十分重要意義。因而弄清噴霧霧化機理，研究噴霧的特性和方法，探明噴霧與空氣的混合過程，從而合理組織燃燒對于提高發動機的性能是至關重要的。

1 燃油霧化機理

對液體的霧化機理研究，到現在為止已得到了幾種不同的重要理論。柴油機中的燃油霧化是利用壓力噴嘴使燃油從噴口中高速流到環境氣體中而破碎成離散液滴。研究表明，在柴油機噴射條件下，不僅有射流破碎過程(稱為一次霧化)，而且破碎后的液滴會繼續分裂形成細小液霧(稱為二次霧化)，噴霧特性最終就是由這兩個過程決定的?？梢园堰@個過程看作是在內外力作用共同影響下的液流破裂。一方面，液體的表面張力迫使它形成一個小球體因為這樣才具有最小表面能量；液體的粘性力則試圖保持液體原有的形狀。另一方面，作用在液體表面的空氣動力要促使它分裂。當空氣動力之和大于表面張力與粘性力之和時，會發生液體的破裂。由此可見，表面張力和粘度是影響噴霧的主要因素。另外，噴孔的尺寸和形狀噴射流體和噴射環境都對霧化狀況有一定影響。

2 噴霧場幾何結構和物理特性

液態燃油噴入燃燒室空間后，形成一個由液柱、油滴、油蒸汽和空氣組成的多相混合物的場，我們稱之為噴霧場。噴霧場在動力學和熱力學上都是瞬變而又不均勻的。為了研究方便，將整個噴霧場劃分為不同的區域。燃油噴霧是兩相混合物，從氣液兩相混合作用的角度出發，Bracoc和0‘Ruokre把燃油噴霧場按其離噴嘴的距離由遠到近依次劃分為極稀薄區、稀薄區、稠密區和翻騰流區四個區域。

圖1 不可壓縮射流和實心錐噴霧結構圖

（1）極稀薄區，這是噴霧場最外圍的部分，由于液滴在空間的分散，且在此過程中大部分品質被蒸發，因而油滴微小且分散，與氣體相比較可以忽略其品質和體積。對油滴而言，氣體就像一個無窮大的“匯”，盡管油滴與氣體之間有質量、動量和能量交換作用，但認為氣體不受此交換過程的影響。同時油滴之間的相互作用，如碰撞、變形、聚合、破碎和振動等均可忽略。唯一需要考慮的是如何描述油滴的湍流擴散。從數值模擬的角度來看，對該區只需求解氣相方程，可忽略顆粒相。

（2）稀薄區，該區中的油滴的數密度大于第一區，其總質量與氣體相比是可觀的，但所占體積仍然是微不足道的。這意味著油滴間距離遠遠大于其直徑，故可忽略油滴間直接的相互作用。但“油滴-氣體-油滴”之間的間接作用是不可忽略的。

（3）稠密區，在此區中，油滴在兩相混合物中占據了可觀的體積，但仍以離散態存在于連續的氣相場中。與稀薄區相比，油滴間的距離要小的多，故不能再忽略油滴間的相互作用。主要包括兩類效應：碰撞和準碰撞，準碰撞的頻率遠大于碰撞頻率，碰撞的直接后果是油滴的變形、聚合或破碎，從而對噴霧場的平均滴徑等參數有重要的影響。

（4）翻騰流區，在緊鄰液核的周圍地帶，液體己經開始分裂。但由于在兩相混合物中，液體所占體積分數與氣體相當甚至超過之，故燃油不能在氣體中彌散開形成油滴，而是以薄片、纖絲或網格的形式存在。翻騰流是霧化過程的第一步產物，研究其特性對揭示霧化機理有重要意義。

3 燃油噴射霧化的研究現狀

在柴油機中，一般應用燃油噴射的方法以生成細小的油滴群，目的是增加蒸發氣化面積，提高燃燒率。但燃油噴射是一個十分復雜的過程，其原因有四點:

（1）燃油噴射是一個動態過程。

（2）燃油噴霧不僅受到噴嘴結構形式、噴射壓力的影響，而且受到氣缸內壓力、溫度、氣流運動的影響，各自的霧化機理并不完全相同。

（3）燃油進入氣缸后油束的生成過程又十分復雜，其包括油束霧化，油滴破裂，油滴碰撞和聚合，油束碰壁以及燃油多種成分的蒸發等。

（4）油束的主要部分油滴十分密集，根據觀察，從噴嘴出口就形成一個液體核心，其長度根據不同噴射系統在10~30mm之間，液核的生成與破裂目前研究的還不夠。此外，密集的油滴使激光技術的應用十分困難，因此，描述油滴破裂、聚合等動態過程的試驗數據也很少。

隨著激光測量技術的發展，使得測量噴霧場的速度、溫度、密度和濃度也趨于精確，并且為計算模擬提供了較為精確的基礎。20世紀80年代中期首先提出高速攝影方法用于研究渦流式柴油機的燃燒過程，在同一個攝影過程中采用兩種不同的方法，在同一幅底片上拍攝到同一時刻噴霧過程和火焰擴展過程的兩幅圖像(圖2)，從而獲得包括空氣運動對噴霧及燃燒過程影響在內的場信息。

圖2 火焰像和激光像示意圖

其把噴霧過程與燃燒過程的研究更緊密地聯系在一起，為深入地研究柴油機燃油噴霧、混合和燃燒過程提供了有效的研究手段。數值模擬也不斷完善，對噴霧的機理和模型提出了各種理論，通過結合大型計算機開發多款CFD計算軟件，建立準確的模型和完善算法是CFD所要最求的方向。

4 燃油噴射霧化的研究方法

4.1 CFD計算法

在內燃機的噴霧過程研究中，多維數值技術得到迅速發展，其中最廣泛采用的是離散液滴模型(DDM)，即把燃油看成由若干離散的具有代表性的計算質點組成，在歐拉坐標下描述氣相運動，在拉格朗日坐標下描述油滴的運動。在噴霧混合過程中，油滴穿過氣場，與之進行品質、動平衡能的交換。由此可以計算出噴霧粒子在氣場中不同時刻的位置、速度以及運動軌跡，也可以繪出氣場中的燃油濃度分布。一些更加合理但較復雜的理論模型，如波動分裂霧化理論、多步燃燒反應模型及液柱與壁面碰撞模型，也逐漸進入了理論研究日程，并構成了內燃機噴射過程多維研究中的新進展。模擬缸內工作的多維反應流計算軟件主要有KIVA、STAR-CD及FLUENT等。這些方法的計算工作量大且較復雜，需要大型計算機才能完成。人們在進一步研究新的算法的同時也不斷地對已有的方法進行完善和補充。在KIVA-II的改進中，Reitz提出了液柱霧化的滴團（blob)算法。國內還開發出NMS-ICE計算機軟件包，它由KIVA軟件拓展和改進而成。針對柴油機軸針式噴油系統的瞬間燃油噴注貫穿和蒸發進行了深入的數值模擬。針對原KIV計算中蒸發量不足的問題，建立了燃油霧化參數(如油滴直徑及其分布，噴霧錐角)的具體算法，并考慮了液滴的二次霧化問題。其中，初始霧化模型的建立把多維模型中缸內工作過程與缸外供油過程密切聯系起來，有利于分析噴油系統對噴霧混合過程的影響。

4.2 粒子霧場測量法

柴油機燃油噴射是一個多相、瞬態的復雜過程，霧滴具有尺寸小，范圍大，數量多的特點，且隨時間和空間而變化，因此，定量地測定噴霧場的濃度和粒度分布都是十分難的。目前國內的研究工作都還沒有達到很高的水平，早期的研究大都是在模擬中進行的。近十幾年來，各種非接觸測量法迅速發展起來，使噴霧研究又向前邁進了一大步，能對實際噴霧場進行多維重現，精確測量粒徑、三維速度及噴介質的運動。為了獲得霧化品質評價的直接證據及驗證液滴尺寸分布函數，需要進行噴霧實驗及測量霧化液滴的直徑。測量方法主要分為三類：機械測量、電子測量和光學測量。

（1）機械測量法

對噴霧粒子的測量，機械測量方法主要有液滴固化法、沉降法、壓痕法等。它們在一定程度上獲得粒徑的結果，但主要用來模擬探索影響噴霧的因素(如噴射壓力，噴孔形狀等)及其相互關系，屬于定性的研究。因此這些方法在原理和結構上都存在較多缺陷，使測量結果不能完全反映被測噴霧場的情況。

（2）電子測量法

電子測量法是基于對液滴所產生電子脈沖的測量和分析，并將其轉化成液滴尺寸的分布圖譜。該方法屬于統計方法，包括電極法、導線法和熱線法。其主要優點是易于計數，節省測量時間。共同的問題是：如果電極、導線或熱線的安裝數目少，則不能代表整個噴霧場的情況；但若安裝太多，則會對噴霧場形成干擾。

（3）光學測量法

激光CT技術，通過Radon變換可以實現從多個角度的二維投影數據重建三維燃油噴霧圖像。按光衰減原理和相應的算法可以求出燃油噴霧的相對濃度。由于CT技術要求快速、準確地采集噴霧的透射光信號，并且要得到許多角度(連續變化)的投影數據，從而增加了驗量的工作量和難度。近來國內又有提出用ART(迭代重建法的一種)對噴霧進行重建的法，使重建精度有所提高，實現了柴油機噴霧內部構造的可視化和三維相對濃度分布測量。

PIV技術，PIV技術利用噴射液滴對入射光產生Mie氏散射的原理，并以此作為示蹤粒子，用照相機對噴霧場進行瞬時拍照。PIV照片經圖象處理可以得到噴霧液滴的速度分布，同時，對PIV照片微小區域的液滴圖像分析可得到液滴直徑的大小及分布等信息。其實驗裝置可分為成像系統和圖像處理系統，如圖3所示。雙脈沖激光器、透鏡和相機組成成像系統。圖像處理系統包括氮氖激光器、擴束器、空間濾波器及計算機圖像系統，用于完成從兩次曝光的粒子圖像中提取速度場。PW技術是燃油噴霧研究手段的一大進步，其優點是突破了空間單點測量的局限性，能在同一時刻記錄下整個流場的有關信息，并定量地描述流場。

圖3 用于瞬態噴霧場測試的PIV成像系統示意圖

激光光譜法，其原理是：激光束照射被測霧場，被測點的散射光強與該點的密度和溫度有關，接受該散射光并對它進行分析，就可以得到被測點的密度與溫度。激光光譜用于柴油機噴霧濃度分布的測量方法有拉曼光譜法、激光誘導熒光光譜法以及相干斯托克斯拉曼光譜法（CARS）。這些方法適用于噴霧液相和氣相分離的測量，但還沒研究出一種令人十分滿意的熒光劑。值得一提的是，CARS法具有良好的信號強度，能消除熒光干擾，背景光、雜散光的影響也很小，被認為是一種良好的測試手段，能進行完全定量測試。

5 結束語

發動機噴霧場的結構和霧化機理是一個既具有廣泛工程實踐意義又具有重要理論價值的研究課題。盡管研究的很有深度，但到問題的徹底解決看來還有相當的距離。為此，從分析可知燃油噴射霧化的發展方向：

（1）從理論、實驗和計算三條途徑同時人手，進行更深人的探索理論上，突破線性理論的范圍與霧化有關的一系列現象，應用流體力學的非線性穩定性理論和兩相流理論去得到霧化機理的完善解釋。

（2）對柴油機噴霧場這種極短暫而細微的過程（時空分別以ms和為mm量級），其發展時間和空間分辨率都需要更高的新測試技術。

（3）噴霧研究方法眾多，沒有一種研究方法是完全令人滿意的，每種測試技術在一定范圍都有它的優點和缺點，在噴霧研究過程中，我們應充分發揮這些技術各自的長處，根據不同的研究目的選擇適宜的研究方法。今后，噴霧測試技術的發展將由定性測量轉移到定量測量，由一維、二維測量轉移到多維測量。

[1]史紹熙.內燃機燃燒研究中的幾個前沿問題[J].內燃機學報，1990，(2)：95-103.

[2]蔣德明.高等內燃機原理[M].陜西：西安交通大學出版社，2002.

[3]金國棟.內燃機燃燒學[M].湖北：華中理工大學出版社,1995.

[4]賀 萍.對KIVA程序中粒子跟蹤數學模型的修正[J].內燃機學報，1997，(2):159-165.

[5]汪海青.直噴式柴油機燃油噴射霧化機理及三維模擬[D].湖北：華中理工大學，1996.

[6]徐 莉.超音速進氣道燃油噴射霧化及數值模擬[D].大連：大連理工大學，2007.