噴油時(shí)刻及壓力對(duì)燃油噴霧碰壁影響的試驗(yàn)研究

王站成，杜慧勇，吳 健，劉建新，徐 斌，劉 松

（河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛 陽(yáng) 471003）

緊湊型高速直噴式柴油機(jī)的發(fā)展使得燃油噴霧碰壁研究受到關(guān)注。油束碰壁、油滴飛濺和燃油與空氣之間相互作用是柴油機(jī)燃燒室內(nèi)油氣混合的基本因素［1］，這也是柴油機(jī)最重要的研究方向，因?yàn)槠錁O大地影響著燃燒過程及有害物排放［2］。由于現(xiàn)代柴油機(jī)噴油器和活塞頂部的距離較短，油束有可能在完全蒸發(fā)和與空氣混合前撞擊燃燒室的表面，因此，對(duì)油束噴霧碰壁進(jìn)行試驗(yàn)研究，可以進(jìn)一步改善柴油機(jī)的燃燒特性和減少有害排放物的生成。

現(xiàn)代柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)大多采用高壓共軌技術(shù)，燃油噴射具有較高的壓力，通過試驗(yàn)手段很難分析燃油噴霧碰壁現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外學(xué)者用閃光攝影法、激光誘導(dǎo)熒光法和高速攝影儀拍攝研究了噴油壓力、距離、夾角對(duì)噴霧體體積、壁面油膜厚度、燃油附著量等的影響［3－4］。本研究利用自制的仿形壁面，采用新型頻閃噴霧攝影法，在不同壓力下對(duì)油束撞擊壁面不同位置的霧化效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 碰壁壁面的制作及試驗(yàn)設(shè)備

本研究以4D20T增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室為原型制作燃燒室壁面。首先利用硅膠對(duì)燃燒室內(nèi)部進(jìn)行填充，待凝固后取出并進(jìn)行切割，照取截面圖片，后利用Catia軟件對(duì)其截面進(jìn)行三段弧掃邊，測(cè)量后得到燃燒室的形狀，最后利用鋁板板筋制作燃燒室壁面。制作過程見圖1。

由于在常溫常壓下進(jìn)行噴霧試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境密度與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境密度不同，噴霧形態(tài)會(huì)比實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中的大，需要對(duì)實(shí)際燃燒室尺寸進(jìn)行適當(dāng)放大。文獻(xiàn)［5］表明，雖然燃燒室內(nèi)壓力和溫度不同，但是只要環(huán)境密度相等，噴霧貫穿距離和錐角就基本相等，噴霧的總體積也相等。4D20T增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況噴油時(shí)刻的缸內(nèi)密度為常溫常壓下空氣密度的30倍左右，為了使壁面尺寸在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，以方便安裝和試驗(yàn)，因而減小了噴油量，以保證試驗(yàn)的貫穿率基本在1.05左右。最終選用了放大6倍后的燃燒室尺寸作為碰壁壁面的尺寸。

本次試驗(yàn)在油泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，環(huán)境溫度為18℃，空氣密度為1.213kg／m3，所用設(shè)備參數(shù)及試驗(yàn)條件見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)及試驗(yàn)條件

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 碰壁位置對(duì)油束形態(tài)的影響

在自行設(shè)計(jì)制作的仿形壁面上進(jìn)行不同噴油時(shí)刻碰壁位置的試驗(yàn)，選取4個(gè)不同的油束碰壁位置（見圖2），其中初始位置對(duì)應(yīng)活塞上止點(diǎn)的位置，a，b，c，d分別對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角為17°，24°，30°，36°的位置，活塞下移距離分別為15mm，30mm，40mm，45mm，共軌壓力為90MPa，噴油脈寬為640μs，拍攝照片時(shí)刻相對(duì)于噴油起始時(shí)刻為260ms。

由于不同的碰壁位置對(duì)油束的擴(kuò)散會(huì)有所影響，利用Matlab繪制碰壁油束的等高線填充圖，來間接反映其濃度的分布。圖3示出在相同壓力和噴油量下柴油在4種碰壁位置同一時(shí)刻的等高線填充圖。

從圖2中可看出，位置a的油束撞擊在凹坑下方，燃燒室上部大量空氣得不到很好地利用，不利于燃油與空氣的混合，霧化效果變差；位置b的壁面法線和油束軸線基本一致，因此撞壁后油束濃度比較均勻，但是這種近似于垂直的撞壁，造成了油束能量的大量損失，壁面油膜的涂布效果很差，不利于近壁處燃油的蒸發(fā)；位置d的撞擊點(diǎn)靠近燃燒室頂面，大量飛濺的燃油涌入余隙容積，此處空氣量較少，燃油無法得到充分混合，容易造成積炭；位置c不但能獲得較均勻的碰壁油束，而且能使油束在沿壁面方向獲得較大的運(yùn)動(dòng)速度，增強(qiáng)了油膜的壁面涂布能力，促進(jìn)近壁面燃油的蒸發(fā)［6－7］。

另外位置c的油束空間分布基本等分了燃燒室的有效空間，這樣能最大限度地利用燃燒室中的空氣［8］。圖4示出的油束經(jīng)過了Photoshop圖像處理軟件的邊緣化處理，從中可看出，位置c中燃燒室被油束分隔成的區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ基本相等。因此在不同噴油時(shí)刻撞壁位置中，油束撞擊位置c能得到最好的霧化效果。

2.2 不同噴油壓力時(shí)的碰壁特性

利用圖像處理軟件可以得到圖像中油束平面投影的像素面積，并利用油嘴作為標(biāo)尺，將得到的像素面積轉(zhuǎn)化為實(shí)際尺寸，最終計(jì)算出油束軸向分布面積（見圖5）。圖6示出柴油在4種不同噴油壓力同一噴油量條件下撞擊位置c時(shí)的油束軸向分布面積測(cè)量值。從圖6中可看出，噴油壓力主要影響油束前期的發(fā)展，噴油壓力越大，油束軸向分布面積越大。在噴霧后期，油束由于速度減弱，都會(huì)呈現(xiàn)一段時(shí)間的迅速揮發(fā)期，導(dǎo)致軸向分布面積迅速增大，隨后會(huì)逐漸減小趨于穩(wěn)定。另一方面，油滴有分裂也有聚合，油束最終擴(kuò)散面積就是由油滴的分裂和聚合共同影響的，在噴霧后期聚合作用基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這是油束最終的擴(kuò)散截面積會(huì)逐漸變平緩的原因。但噴油壓力越大，油束所具有的能量越大，撞壁時(shí)油束能獲得更高的沿壁面發(fā)展速度，有利于與空氣的卷吸混合和近壁油霧的蒸發(fā)。而且高的噴油壓力更有利于油束破碎，得到的液滴尺寸更小，滴徑分布更均勻［9］。

3 結(jié)論

不同的噴油時(shí)刻會(huì)影響燃油噴霧在燃燒室中的著壁位置，而著壁位置不同會(huì)對(duì)油束形狀、空間霧化情況有非常大的影響。本研究對(duì)不同噴油時(shí)刻和噴油壓力燃油撞擊壁面的效果利用新型頻閃系統(tǒng)進(jìn)行了拍攝，得到了如下結(jié)論：

a）油束碰壁后應(yīng)使其沿壁面有較大的發(fā)展速度，這樣能夠與燃燒室內(nèi)的空氣混合均勻，減少油束撞擊壁面的能量損失，利于近壁油束的蒸發(fā)，同時(shí)也增強(qiáng)了涂布效果；

b）油束空間分布應(yīng)能夠?qū)⑷紵覂?nèi)部有效容積等分，這樣能最大限度地利用燃燒室內(nèi)的空氣，得到較好的霧化效果；

c）在不同噴油壓力下，只要噴油量相等，油束軸向分布面積相差不大，但是濃度分布不同，噴油壓力大，油滴更易破碎，油束濃度更均勻。

［1］ Andreassi L，Ubertini S，Allocca L.Experimental and numerical analysis of high pressure diesel spray－wall interaction［J］.International Journal of Multiphase Flow，2007（33）：742－765.

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［8］ 劉勝吉，尹必峰，劉 俊.小型直噴式柴油機(jī)噴霧油線在燃燒室內(nèi)分布的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2003，21（1）：21－24.

［9］ 劉 松.高壓共軌條件下含氧混合柴油噴霧特性研究［D］.洛陽(yáng)：河南科技大學(xué)，2012：43－46.