柴油機噴霧特性對噴油和環境參數響應靈敏度分析

李向榮，趙偉華，高浩卜，劉福水

（1. 北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2. 高效低排放內燃機技術工業和信息化部重點試驗室，北京 100081；3. 中國航空發動機研究院，北京 101304）

0　引　言

內燃機是現代社會主要動力源，內燃機廣泛地應用于交通運輸、工程機械、農用機械、船舶、小型機械等領域[1-5]。面對能源以及環境的雙重壓力，高效、低污染燃燒成為內燃機燃燒技術的發展方向[6-8]。內燃機的燃燒過程決定了燃燒熱效率和排放水平，而燃燒過程是由燃料的霧化、混合過程決定的[9-12]。發動機實際工作過程中噴霧的霧化、混合過程是由噴油壓力、噴孔直徑等噴油參數以及環境溫度、環境密度等環境參數控制的[13-16]。因此，研究噴油參數和環境參數對燃油噴霧特性的影響規律，對于指導燃燒系統參數優化設計具有重要意義。

國內外學者利用不同的測試手段和試驗裝置，從不同的方面對柴油噴霧過程進行了研究。Kannaiyan等[17]利用PDA技術在0.3和0.9 MPa噴射壓力下研究了GTL燃料和Jet-A1燃料噴霧特性。Payri等[18]利用米氏散射技術和紋影技術捕捉噴霧的液相和氣相部分，研究了噴油壓力從50到210 MPa，背景溫度473到950 K，背景密度20到50 kg/m3范圍內，0.194和0.228 mm孔徑噴油器的氣液相噴霧特性。鄧鵬[19]在300到1 200 K環境溫度范圍內利用 MATLAB程序成功提取紋影圖像的噴霧邊界，研究了乙醇柴油的噴霧特性。孫柏剛等[20]應用 PIV測試系統對高壓燃油噴射過程進行了全程的觀測。通過對速度分布圖的分析指出，在噴霧軸線上，噴霧液滴速度不呈線性遞減趨勢，出現了明顯的加速區與減速區，從而形成有的地方液滴高度集中，有的地方液滴濃度相對較低。孫田等[21]利用激光誘導熒光技術，研究了BUMP燃燒室內噴油壓力對油氣混合的影響。鄂亞佳等[22]利用平面激光米氏散射技術研究了噴射壓力、環境壓力對乙醇噴霧特性的影響。董全等[23]利用相位多普勒粒子分析儀，對柴油機V形交叉孔油嘴和單孔油嘴的噴霧場粒子特性進行測量。

從上述燃油噴霧特性的試驗研究可以發現，先前的噴霧試驗主要研究了背景密度、背景溫度、噴油壓力、噴孔直徑等不同因素對油束的液相貫穿距離、霧注貫穿距離、噴霧錐角、索特平均直徑等噴霧特性的影響規律。這些影響因素對噴霧特性參數影響的大小是不同的，而對各因素影響大小比較方面的研究還少有報道。

北京理工大學的高浩卜等[24]研究了背景溫度和密度對柴油噴霧特性影響的靈敏度。試驗發現：在噴孔直徑0.22 mm，噴油壓力160 MPa，背景溫度304～770 K，背景密度13～26 kg/m3范圍內，背景溫度對氣相體積百分比的靈敏度遠大于密度對氣相體積百分比的靈敏度，在770 K、26 kg/m3時，大約是密度的10倍；而密度對霧注平均過量空氣系數的靈敏度略大于溫度對噴霧平均空燃比的靈敏度，在770 K、26 kg/m3時，大約是溫度的1.08倍。

本文在前期背景溫度和密度對柴油噴霧特性影響靈敏度研究的基礎上，研究了噴油壓力和噴孔直徑對噴霧油氣混合影響的靈敏度，并比較了噴油參數（噴射壓力、噴孔直徑）和環境參數（背景溫度、背景密度）對噴霧特性影響程度的大小。可以為特定工況下，改善發動機缸內噴霧油氣混合提供參考和依據，從而達到提高功率、降低油耗和排放的目的。

1　試驗系統及圖像方法

1.1　試驗系統

試驗測試系統布置原理如圖 1所示。試驗系統由高壓共軌噴油系統、定容噴霧裝置、高速攝影系統以及紋影光路等組成。

圖1　試驗測試系統原理圖Fig.1　Schematic diagram of experimental test system

高壓共軌噴油系統由北京理工大學設計開發。噴油器噴孔直徑0.22 mm，噴油壓力160 MPa，實際軌壓波動在156～162 MPa，實際噴油持續期1.79 ms，燃油溫度在 60～80 ℃之間。噴油量及噴油速率測試裝置采用EFS8246測量儀，測量范圍0～600 mm3，測量精度±0.1%。噴油速率數據保存及顯示使用 Kistler公司的Kibox燃燒分析儀。圖 2為所測噴油速率結果，噴油速率對時間積分與多次測量噴油量的平均值誤差不超過5%。

圖2　試驗噴油速率Fig.2　Experimental injection rate

定容噴霧裝置由北京理工大學開發。內部設計有加熱和加壓裝置，溫度可達到900 K，壓力可達到6 MPa，控制精度為背景溫度±3 K、背景壓力±0.03 MPa。定容噴霧裝置實物如圖3所示。

圖3　定容噴霧裝置實物圖Fig.3　Constant volume vessel

試驗選取高速攝影直拍捕捉噴霧液相部分，紋影捕捉噴霧氣液相整體。高速攝影直拍以鏑燈為光源，噴霧兩側打光，高速攝影機正面拍攝，這樣布置燈光使得從液相主體部分分離出的微小液滴會被光線“吞沒”，利用這種方法捕捉液相主體部分，拍攝的光學條件（攝影機曝光時間、光線強度等）對結果影響較小。紋影選擇Z字形光路布置，鹵燈光源，主反光鏡直徑200 mm，焦距1 m。

拍攝采用 Phantom V7.3高速攝影機，噴射周期250 ms、高速攝影直拍和紋影拍攝頻率20 000 Hz，直拍曝光時間 30 μs，光圈位置 F5.6，紋影拍攝曝光時間 48 μs，紋影拍攝光圈位置F3.5。

1.2　圖像處理方法

圖像處理采用自編MATLAB程序[25-27]。對直拍圖片，采用灰度化、二值化、取邊界的步驟。二值化閾值選取采用“雙峰法”確定，即灰度直方圖中背景和前景產生的 2個灰度峰值之間的低谷值作為二值化閾值。像素灰度值大于閥值認為是噴霧液相部分，若小于閥值認為是背景。直拍處理過程如圖 4所示，灰度直方圖中虛線為波峰波谷趨勢線。

圖4　直拍圖片處理原理Fig.4　Schematic diagram of coping with direct film pictures

對紋影圖片，灰度化后，采用相鄰兩張相減，來去掉雜亂背景，再將各個相減圖像疊加形成噴霧圖形。但由于背景總會有亮度上的微小變化，需再進行去雜點操作。去雜點原理為：若亮點在一定小范圍內可被一條封閉曲線包圍，則認為其是干擾孤點，予以去除。隨后將噴霧變化部分疊加并去孤島形成噴霧。孤島比孤點要大，在一定小范圍內無法去除，但其遠離噴霧，顯然不是噴霧部分，所以被去掉。最后加入相應時刻直拍處理的液相輪廓。紋影圖片處理過程如圖5所示。

圖5　紋影圖片處理原理Fig.5　Schematic diagram of coping with schlieren pictures

相同工況重復試驗共6次，其中3次利用直拍測取液相數據，另外 3次利用紋影測取噴霧數據。所得數據求取平均值，以消除隨機誤差。

霧注體積V，指紋影圖像得到的燃油分布空間按像素行分成若干層回轉圓柱體的體積總和，即：

式中h為單位像素高度，mm/像素；di為第i像素行噴霧小圓柱體直徑，mm；n為霧注分布總像素行數，如圖 6所示。

圖6　霧注體積計算說明Fig.6　Interpretation of volume calculation of spray

2　結果及分析

2.1　噴油壓力和孔徑對氣相體積百分比影響規律及靈敏度分析

氣相體積百分比，指某一時刻下氣相體積占霧注體積的百分比。其中氣相體積Vg定義為霧注體積V與液相體積Vl的差值，即Vg=V?Vl。氣相體積百分比越大，說明霧注內部燃油蒸汽量越大，反映了霧注內部的氣相和液相分布狀況，可以用于表征霧注的蒸發情況。圖7a為不同噴油壓力下氣相體積百分比變化規律。從圖7a中可以看出，隨著噴油壓力的增加，霧注氣相體積百分比略有增大。這是由于，增加噴油壓力，有利于噴霧的破碎，增加了燃油液滴與背景氣體的接觸面積，有利于燃油噴霧的蒸發；噴油壓力的增加，加快了燃油射流與背景氣體的相對速度，空氣卷吸量增加，增加了與燃油接觸的空氣量，有利于燃油蒸發；此外，油束與背景氣體相對速度的增加也增加了對流換熱量，有利于油束的蒸發。

圖7　孔徑和噴油壓力對氣相體積百分比影響規律及其靈敏度Fig.7　Influence of nozzle diameter and injection pressure on gas volume percentage and its responsive sensitivity

圖7b為不同孔徑下氣相體積百分比的變化規律。從圖7b中可以看出，隨著孔徑的減小，氣相體積百分比呈現增大的趨勢。在噴射初期（0.1 ms內），0.18 mm孔徑氣相體積百分比增長率最高，隨著噴射時間的增加，3個孔徑的氣相體積百分比的差異在逐漸減小。這是由于隨著噴孔直徑的減小，油滴直徑減小，油滴與環境氣體接觸面積增大，油滴蒸發速度加快。

顯然，減小噴孔直徑可以減小油滴直徑，增大油滴蒸發接觸面積，但是相應的油束貫穿距離也會縮短。所以小孔徑噴油器并不適合所有的燃燒系統，在燃燒系統匹配過程中要綜合考慮各種影響因素，選擇合適的噴孔直徑。

噴射開始后0.6 ms，噴霧貫穿距離大約是60 mm，已經達到柴油機常用燃燒室周邊區域，因此，選取0.6 ms時刻作為噴霧特性靈敏度分析的時間點。這里引入靈敏度的數學定義，即函數 F對其變量 x的靈敏度為=，靈敏度是一個無量綱參數，反映了函數值對自變量的相對變化率，可以用于各影響因素之間對噴霧特性影響大小程度的比較。

圖7c是開始噴射后0.6 ms時噴孔直徑和噴油壓力對氣相體積百分比靈敏度的變化。噴孔直徑的靈敏度為負值，表明噴孔直徑增大會引起氣相體積百分比的減小，其絕對值表示影響氣相體積百分比的靈敏度大小。從圖7c中可以看出，隨著噴孔直徑的增加，對氣相體積百分比的靈敏度絕對值越來越大，說明相比于小噴孔直徑，在大噴孔直徑時，改變噴孔直徑可以較明顯地改變霧注內部氣液相分布比例。這主要是大噴孔直徑下縮小孔徑，油滴尺寸減小，增加氣化燃油蒸汽的效果較為明顯，而在小孔徑時再縮小孔徑，油滴尺寸已經足夠小后，已不是制約蒸發過程的主要因素之一，因此改善蒸發的效果反而不會像大孔徑時大。對于噴油壓力，隨噴油壓力的增加，氣相體積百分比的靈敏度逐漸減小，從 120 MPa靈敏度為0.37，降到160 MPa靈敏度為0.08。原因與孔徑變化相似，噴油壓力升高到一定程度，油滴尺寸不再有較明顯的變化，流動阻力也隨噴射速度增加而以更快速度增加，從而使油滴速度在噴射過程下降較快，減緩了高溫背景氣體卷入霧注內部的增加程度，造成較高噴油壓力下，噴油壓力對氣相體積百分比的靈敏度下降。

2.2　噴油壓力和孔徑對霧注平均過量空氣系數影響規律及靈敏度分析

霧注平均過量空氣系數φ(t)，指霧注內實際平均空燃比與理論空燃比的比值。霧注平均過量空氣系數能直觀地反映實際混合空氣量與理論需要空氣量之間的關系。其定義為：

式中V(t)為t時刻的霧注體積，m3；ρα為背景氣體密度，kg/m3；14.3為柴油的理論空燃比。Mini(t)為0到t時刻內噴入的總噴油量，kg，計算式為：

式中ν(τ)為τ時刻的噴油體積流率，m3/ms；ρf為柴油密度，kg/m3。本文認為霧注內部空氣密度與定容噴霧裝置內背景氣體密度相同，燃油蒸汽分子運動與背景氣體分子運動互不干涉。實際這一假設有一定誤差，在試驗工況范圍內用背景氣體密度代替霧注內部平均空氣密度的相對誤差在10%以內[28]。

圖8a是不同噴油壓力下霧注平均過量空氣系數隨時間的變化規律。隨著噴油壓力的增加，霧注平均過量空氣系數呈現增大的趨勢。噴射開始后0.4 ms內，不同噴油壓力的過量空氣系數曲線較接近。0.4 ms之后，隨著噴射時間的延長，不同噴油壓力的霧注平均過量空氣系數曲線的差異越來越明顯。這主要是霧注體積和增加進入霧注內部單位體積的空氣卷吸量增大引起的。噴油壓力升高，有利于油滴破碎和燃油蒸發，形成氣相燃油擴散，增大了霧注體積。而另一方面，按照 Siebers[29]提出的卷吸率關系式，卷吸率與噴射速度成正比，噴油壓力增加，導致噴射速度增加，使得空氣卷吸率增加，又一定程度上增大了進入霧注內部的空氣量。

圖8　孔徑和噴油壓力對霧注平均過量空氣系數影響規律及其靈敏度Fig.8　Influence of nozzle diameter and injection pressure on average excess air coefficient and its sensitivity

圖8b是不同噴孔直徑下霧注平均過量空氣系數隨時間的變化規律。在相同的噴射壓力下，隨著噴孔直徑的減小，霧注平均過量空氣系數呈現增大的趨勢。這主要由于噴孔直徑的減小使得油滴尺寸減小，有利于油束蒸發，更多的燃油蒸汽，使得油束橫向擴展作用增強，霧注錐角增加，霧注體積增大，從而導致霧注平均過量空氣系數增加。這里需要說明的是，在實際發動機中，噴油器為多孔，孔徑減小孔數增多有可能會使得相鄰兩束噴霧干涉，或因貫穿距離減小而無法利用遠端空氣，因此，噴油器孔徑的選擇還需要結合燃燒室的結構進行匹配優化。

圖8c是開始噴射后0.6 ms時霧注平均過量空氣系數對噴孔直徑和噴油壓力響應靈敏度的變化。霧注平均過量空氣系數對孔徑響應靈敏度也為負值，表示孔徑增加，霧注平均過量空氣系數減小。隨著孔徑的增大，霧注平均過量空氣系數響應靈敏度逐漸增大。這是由于孔徑較大時，變化相同百分比的量，孔徑大的工況點，變化絕對量大，使得霧注平均過量空氣系數的變化百分比較大。對噴油壓力而言，隨噴油壓力的增加，霧注平均過量空氣系數靈敏度基本不變，噴油壓力高時略有下降，噴油壓力從120 MPa增加到160 MPa時，霧注平均過量空氣系數靈敏度從1.32降到1.22。

2.3　噴霧特性對噴油和環境參數響應靈敏度對比分析

圖9為背景溫度、背景密度、孔徑和噴油壓力4個因素對氣相體積百分比的靈敏度平均水平及所有試驗工況內的變動范圍。條形圖表示各影響因素的靈敏度平均值，而黑色上下偏差線表示影響因素的變動范圍。

圖9　氣相體積百分比對各因素響應靈敏度比較Fig.9　Comparison of responsive sensitivity of gas volume percentage to each factor

從圖 9中可以較為明顯地看出，背景溫度作為表征霧注氣液相分布狀況的氣相體積百分比參數變化的 “質變因素”，其靈敏度平均值也最高，達到3.3，變動范圍也最大，達到5.3。而孔徑和噴油壓力的靈敏度平均影響水平相當，分別為―0.29和 0.23，負號說明孔徑增大，氣相體積百分比反而減小。背景密度的靈敏度平均影響水平最低，為 0.12，說明在改善燃油蒸發、霧注內部氣液相分布狀況方面，首先考慮的應該是背景溫度因素的優化，其次可以考慮孔徑和噴油壓力的變化，最后才是考慮背景密度的改變。從另一方面也可看出，除去提高背景溫度外，有利于改善油滴破碎過程的 2個措施（減小孔徑和增加噴油壓力），也能夠帶來較好的氣化蒸發效果，由此可見破碎過程在燃油蒸發環節中也起著重要的作用。

圖10為背景溫度、背景密度、孔徑和噴油壓力4個因素對霧注平均過量空氣系數的影響靈敏度平均水平及所有試驗工況內的變動范圍。從圖10可以看出，孔徑的影響靈敏度平均值最大，達到?2.24，變動范圍也最大，達到 0.93。其次是噴油壓力，平均值為 1.29，最后背景溫度和背景密度平均值相當，分別為0.69和0.71。由此可以看出，在試驗工況范圍內，霧注平均過量空氣系數對噴油參數（孔徑和噴油壓力）響應靈敏度較高，而霧注平均過量空氣系數對環境參數（背景溫度和背景密度）響應靈敏度平均水平要略小。

圖10　霧注平均過量空氣系數對各因素響應靈敏度平均值及變動范圍比較Fig.10　Comparison of responsive sensitivity of average excess air coefficient to each factor

3　結　論

1）隨著孔徑的減小，氣相體積百分比呈增大的趨勢，霧注平均過量空氣系數也呈增大的趨勢。這主要是因為隨著孔徑減小，油滴尺寸減小，噴霧表面積增大，蒸發變快。

2）隨著噴油壓力的增加，氣相體積百分比有增加的趨勢，霧注平均過量空氣系數也有增加的趨勢。這主要是由于隨著噴油壓力的增加，油滴破碎過程加快，噴霧對空氣的卷吸量增加，噴霧與環境氣體相對速度增加，對流換熱增加，這些都有利于噴霧的蒸發。

3）氣相體積百分比對背景溫度響應靈敏度（3.3）最大，其次是可以對破碎過程產生影響的噴油參數：孔徑（―0.29）和噴油壓力（0.23），而氣相體積百分比對背景密度響應靈敏度（0.12）最小。

4）霧注平均過量空氣系數靈敏度分析發現，霧注平均過量空氣系數對孔徑（?2.24）和噴油壓力（1.29）響應靈敏度較高，而對背景溫度（0.69）和背景密度（0.71）響應靈敏度要略小。

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