氣體噴射及環境背壓對空氣輔助噴霧特性影響研究

劉昌文，李 強，劉豐年，華劍雄，周 磊，衛海橋

(天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津300072)

0 概述

活塞式發動機因具有較高的熱效率和功重比，逐漸成為了無人機的主流動力裝置。活塞式發動機目前以航空汽油為主要燃料，而航空汽油具有閃點低、揮發性高和易著火等特點，在運輸和使用過程中存在較大的安全風險[1]。航空煤油閃點高，不易揮發，其安全性能好,以航空煤油為燃料逐漸成為了點燃式航空發動機發展趨勢[2-3]。但航空煤油運動黏度大，采用化油器式進氣道噴射很難保證航空煤油霧化效果[4-5]，而燃油霧化狀態直接決定混合氣形成過程，霧化問題是制約航空煤油活塞發動機發展的關鍵。

國內外許多學者對航空煤油霧化進行了研究。文獻[6]中利用高壓共軌技術，基于定容燃燒彈試驗平臺，對比研究了汽油、航空煤油的噴霧形態，研究表明在相同噴射壓力、溫度和背壓下航空煤油的噴霧貫穿距更大且噴霧錐角更小，航空煤油的霧化更為困難；隨著噴射壓力的提高，航空煤油的霧化效果得到明顯提升。由于高壓共軌裝置危險性高，且需要額外的燃油泵提高燃油壓力，難以在強調功重比的無人機上應用，因此國內外學者更多采用空氣輔助噴射的方式提高航空煤油霧化水平。研究表明空氣輔助噴射是提高航空煤油霧化質量及實現更高效率和更清潔燃燒的有效途徑[7-8]。空氣輔助噴射利用壓縮空氣離開噴嘴時氣體的膨脹作用克服燃油表面張力來促進液滴破碎，在相對較低的噴射壓力下使索特平均直徑(Sauter mean diameter, SMD)小于10 μm[9]。文獻[10]中研究了空氣輔助直噴航空煤油與汽油噴霧特性對比，試驗表明航空煤油的噴霧形態比汽油更細，從而使其具有更大的貫穿距和更小錐角，航空煤油SMD比汽油大。文獻[11]中研究了空氣輔助噴射閃急沸騰特性，試驗表明，對于空氣輔助噴射系統，升高燃油溫度和降低環境壓力可以使噴霧達到閃急沸騰狀態，由環境壓力引導的閃急沸騰噴霧膨脹發生在靠近空氣噴嘴的近端，而由燃油溫度引導的噴霧膨脹發生在噴霧的遠端。文獻[12]中將數值模擬與試驗結合，研究結果表明空氣輔助噴射促進了噴霧的霧化，特別是在噴嘴附近區域。文獻[13]中采用正庚烷為燃料，研究了不同的噴油脈寬、油氣間隔對噴霧結構形成的影響，結果表明在適當的控制參數下可觀察到兩種不同的噴霧形狀，并分析了不同噴霧形態的演變過程及形成原因。

目前對不同條件下空氣輔助噴霧形態變化研究仍不多見，本文中利用定容燃燒彈試驗平臺，采用高速攝影技術對空氣輔助噴霧特性進行研究。在不同的噴氣脈寬、噴氣壓力及環境背壓試驗條件下進行研究，采用噴霧特性參數(貫穿距和噴霧投影面積)進行定量分析，研究不同條件下噴霧形態、噴霧區域的變化，為空氣輔助噴射在實際發動機上的應用及參數匹配提供一定的理論依據。

1 試驗裝置及研究方法

1.1 試驗裝置

定容燃燒彈空氣輔助噴霧特性試驗臺架見圖1，試驗臺架主要包括定容燃燒彈系統、空氣輔助噴油系統、進排氣系統、紋影成像系統、高速相機及圖像采集系統。

圖1 定容燃燒彈試驗臺架示意圖

試驗所用高速相機型號為Photron FASTCAM SA-Z，在896像素×368像素的分辨率下以6萬幀/s的拍攝速度進行拍攝，攝影性能達到100萬像素，其觸發方式為采用下降沿觸發，觸發電平為5 V。本系統中采用單片機產生同步的噴油與相機觸發信號，確保可拍攝到噴油的整個過程。進排氣系統分別安裝在燃燒室的兩端，用于調節定容燃燒彈燃燒室內的壓力，且進排氣的布置較遠，便于清掃定容彈內氣體。紋影系統使用光強度可調的鹵素連續光源，當彈體內部密度發生變化時，折射率的變化會使經紋影光路后的光線將這種密度變化反映到紋影鏡上，結合高速相機，實現燃燒室內噴霧傳播圖像的采集。

圖2為空氣輔助噴油器內部結構簡圖，圖3為空氣輔助噴射控制波形圖。如圖2所示，空氣由進氣口進入混合腔內，并充滿混合腔。如圖2和圖3所示，在接收到單片機發出的5 V下降沿觸發信號后，經過短暫噴油延時(約1 ms)，在噴油脈寬時間內燃油經進油口流入噴油器，然后經燃油噴嘴進入混合腔與壓縮空氣進行混合，完成初次破碎。經噴油延時(約1 ms)后，在空氣脈寬時間內燃油和空氣的混合氣經空氣噴嘴以高速噴入定容彈內，在空氣的膨脹作用下完成液滴破碎及燃油霧化。用燃油電磁閥和空氣電磁閥分別控制噴油脈寬和噴氣脈寬的數值。為了保證燃油可以噴入混合腔內，噴油壓力應高于噴氣壓力。

圖3 空氣輔助噴射控制波形圖

本研究中采用航空煤油為燃料，具體特性如表1所示，測試工況如表2所示。

表1 航空煤油主要物性參數

表2 測試工況

1.2 圖像處理及參數定義

為了進一步分析空氣輔助噴射的噴霧特性，采用宏觀特性參數(噴霧貫穿距、噴霧投影面積)進行定性分析。為了處理圖像，采用MATLAB圖像處理工具箱進行圖像處理。處理流程為：去除圖像背景，增強對比度，換為灰度圖，轉換為二值圖，去除噪聲點，進行邊緣檢測。二值圖設定閾值為0.03，邊緣檢測設定閾值為0.60。通過像素點與實際距離對應關系，最終得到噴霧貫穿距和噴霧投影面積，具體處理過程如圖4所示。根據SAE J2715標準[14]對噴霧參數進行定義，噴霧貫穿距定義為從噴嘴出口到噴霧發展至最遠端的距離，如圖4(c)所示；噴霧投影面積是指噴霧沿光傳播方向投影面積大小(圖4(b)白色區域)。

圖4 MATLAB圖像處理過程

2 試驗結果及分析

2.1 不同噴氣壓力對噴霧的影響

典型空氣輔助噴霧結構如圖5所示，將噴霧分為核心區域(藍色虛線包圍)、稀薄區域(紅色虛線包圍)。稀薄區域的形成主要是由于不斷有空氣氣泡破碎且存在高速運動的壓縮空氣隨燃油一起噴入定容彈內,核心區域的形成則是因為噴霧剛從空氣輔助噴油器中噴出，燃油比較集中。

圖5 典型空氣輔助噴霧結構

圖6為在噴氣脈寬3 ms、環境背壓0.10 MPa條件下不同噴氣壓力時的噴霧形態隨時間的變化情況。以空氣噴嘴剛打開為t=0 ms，在本文中由于t=3.0 ms 以后噴霧前端會超出光學拍攝窗口，所以只記錄3.0 ms以前的噴霧形態。如圖6所示，在噴霧發展初期(t=0.6 ms)時出現了較大的稀薄區域，并且可以觀察到在噴氣壓力為0.6 MPa和0.7 MPa時噴霧前端出現了“細枝狀”，而在噴氣壓力為 0.8 MPa 時則略微粗壯一些。在t=1.2 ms和 1.8 ms 時噴霧進一步發展，不同的噴氣壓力使噴霧發展進程存在差異。噴氣壓力0.8 MPa下發展更快，并且噴霧中含有大量空氣氣泡，氣泡膨脹作用促進噴霧與環境空氣相互作用，促使噴霧徑向發展。在 2.4 ms 和3.0 ms噴霧繼續向前發展，最終噴霧完全發展形成“梭狀”噴霧，在不同的噴氣壓力下噴霧形態大致相同。

圖6 0.6、0.7、0.8 MPa噴氣壓力下不同時刻的噴霧形態

圖7為噴氣脈寬3 ms、環境背壓0.10 MPa條件下不同噴氣壓力時的貫穿距及噴霧投影面積隨時間變化情況。可以看到在不同噴氣壓力下，噴霧發展過程基本一致，噴霧可以大體分為兩個不同階段：在第一階段噴霧速度較大，噴霧貫穿距增長速度快；在第二階段，噴霧速度明顯下降，噴霧發展逐漸變得緩慢。在對未采用空氣輔助噴霧發展研究中，也發現了噴霧兩階段發展。文獻[15]中指出第一階段的噴霧發展過程主要由燃料自身決定，而第二階段發展過程主要受環境背壓影響。噴氣壓力越大意味著進入定容彈內噴霧初始動能更大，在環境壓力相同的情況下其受到阻力相同，貫穿距也就越大。在噴氣壓力從0.6 MPa增加到0.7 MPa時，貫穿距緩慢增加；從0.7 MPa增加到0.8 MPa時，貫穿距增加更加明顯，在t=3.0 ms時噴霧已經超出光學拍攝窗口，無法繼續進行觀察。

圖7 不同噴氣壓力下的貫穿距及噴霧投影面積(噴氣脈寬3 ms、環境背壓0.10 MPa)

噴霧投影面積是衡量噴霧特性的一個重要參數，一般認為噴霧投影面積越大，噴霧與環境空氣接觸面積越大，燃油液滴更容易破碎，噴霧與環境空氣作用加強。由圖7可見，在不同的噴氣壓力下，噴霧投影面積隨著時間呈線性增加。噴霧投影面積主要受到沿噴霧軸向距離(即貫穿距)及沿徑向發展距離兩個因素的影響，噴霧投影面積隨時間呈線性增長趨勢。由于噴氣壓力越大，軸向距離越大，噴霧貫穿距也越大，沿徑向發展總體呈增長趨勢[10]，因此隨著噴氣壓力增加，噴霧投影面積也增加。從圖7可以看出空氣輔助噴射噴霧投影面積遠大于1 400 mm2(噴油壓力為140 MPa下的高壓共軌直噴航空煤油的最大噴霧投影面積[16])，這說明空氣輔助噴射使噴霧投影面積明顯增大，與環境空氣作用明顯，促進液滴破碎氣化，使得粒徑明顯減小。

2.2 不同噴氣脈寬對噴霧的影響

與傳統的單一液體噴射不同，空氣輔助噴射采用了空氣進行輔助噴射，若噴氣脈寬太低會使得燃油無法完全進入缸內，混合腔內會殘余燃油。圖8為噴氣壓力0.7 MPa、環境背壓0.10 MPa條件下不同噴氣脈寬的噴霧形態隨時間的變化情況。由圖8可知，t=0.6 ms時噴霧均出現稀薄區域，噴霧呈不規則的細枝狀，噴霧形態存在差異。在t=1.2 ms和1.8 ms時噴霧由開始的細枝狀逐漸變得粗壯，并且噴霧前端開始變得粗大，與空氣接觸面積增加。2.4 ms 和3.0 ms時處于噴霧發展末期，噴霧動能減小，速度降低，噴霧往徑向發展趨勢增加，且噴霧中存在大量氣體，既促進了液滴的破碎，同時也促進液滴向外擴散，使得噴霧前端與環境接觸面積增加。而噴霧末端初始動能較大仍繼續往前發展，呈現出噴霧前端粗大而末端細長的噴霧形態。噴氣脈寬為2 ms意味著噴霧發展到 2 ms 時噴嘴已經關閉，燃油未完全噴入定容彈內，噴霧為顏色較淺的梭狀噴霧。

圖8 2 ms、3 ms、4 ms噴氣脈寬下不同時刻的噴霧形態 (噴氣壓力0.7 MPa、環境背壓0.10 MPa)

圖9為噴氣壓力0.7 MPa、環境背壓0.10 MPa時不同噴氣脈寬下貫穿距及噴霧投影面積隨時間變化情況。可以看到噴霧發展仍然出現了與圖7類似的兩階段發展過程，不同的噴氣脈寬只是改變進入定容彈內空氣的多少，并沒有改變噴氣壓力與環境壓力之差，噴霧初始動能未發生改變，因此貫穿距在不同噴氣脈寬下基本一致。噴霧投影面積隨時間呈線性增長趨勢，不同的噴氣脈寬僅僅改變噴入定容彈內空氣量的多少，對貫穿距及徑向上的發展并未產生影響，因此不同噴氣脈寬噴霧投影面積也基本相同。

圖9 不同噴氣脈寬下的貫穿距及噴霧投影面積(噴氣 壓力0.7 MPa、環境背壓0.10 MPa)

2.3 不同環境背壓對噴霧的影響

圖10為噴氣壓力0.7 MPa、噴氣脈寬3 ms時，不同環境背壓下噴霧形態隨時間的變化情況。如圖10所示，環境背壓較低時(0.03 MPa和0.07 MPa)，噴霧主要往軸向發展，噴霧貫穿距迅速增加，噴霧形態主要為梭狀。隨著環境背壓增加0.10 MPa，噴霧受到環境阻力加大，貫穿距開始減小，且噴霧形態變得不規則。這主要由于環境背壓增加，使得環境氣體密度增加，空氣輔助噴霧中的大量氣泡受到環境氣體擾動作用加強，使噴霧形態變得不規則。當環境背壓繼續增加到0.30 MPa時，環境阻力作用十分明顯，噴霧發展嚴重受限，噴霧前端開始往回發展，形成了渦旋。這主要是由于噴霧前端受到環境空氣向上的氣流運動的影響，使得整個噴霧形態呈現錨鉤狀。而隨著環境背壓進一步增加到0.50 MPa,此時氣壓與環境壓力之差十分小，噴霧幾乎停滯，不繼續往軸線方向發展，整個噴霧形態呈錐形。

圖10 不同環境背壓下不同時刻的噴霧形態(噴氣 壓力0.7 MPa、噴氣脈寬3 ms)

圖11為噴氣壓力0.7 MP、噴氣脈寬3 ms時，不同環境背壓下貫穿距及噴霧投影面積隨時間變化情況。從圖11可知，貫穿距受環境背壓影響十分明顯，當環境背壓為0.03 MPa時，噴霧受到的環境阻礙特別小，噴霧快速發展，貫穿距急劇增加，并在t=1.8 ms時已經撞壁，貫穿距不再增加。隨著環境背壓增加到0.07 MPa和0.10 MPa，噴霧受到的阻力增加，使得噴氣壓力與環境背壓之差減小，貫穿距增加較為緩慢。當環境背壓進一步增加到0.30 MPa和0.50 MPa時，噴霧受到的阻礙十分明顯，貫穿距增加十分緩慢。噴霧投影面積受環境背壓的影響明顯，當環境背壓為0.03 MPa時噴霧受到阻力十分小，促進了噴霧在徑向和軸向的發展，噴霧投影面積最大。在環境背壓0.07 MPa和0.10 MPa時，噴霧受到的阻力增加，噴霧貫穿距減小，同時在徑向發展受限，噴霧投影面積明顯減小。當環境背壓增加到0.30 MPa和0.50 MPa時，此時噴氣壓力與環境壓力之差降低，噴霧發展嚴重受限，噴霧投影面積顯著降低。因此在實際發動機的工作過程中噴射時刻不能太晚，否則噴霧發展會受到限制，貫穿距及噴霧投影面積明顯降低，空氣輔助霧化效果減弱。

圖11 不同環境背壓下貫穿距及噴霧投影面積(噴氣 壓力0.7 MP、噴氣脈寬3 ms)

2.4 不同環境背壓下噴霧區域變化

為了更加清楚地分析噴霧發展過程中噴霧區域內的變化，利用MATLAB圖像處理工具，將灰度圖轉化為彩色圖，藍色表示液相燃油密度最低區域，紅色表示液相燃油密度最高區域[17],獲得不同環境背壓下噴霧的發展情況，如圖12所示。從圖12可以看出當環境背壓為0.03 MPa、t=0.6 ms時，噴霧可以十分明顯地分為稀薄區域(藍色及黃色區域)、核心區域(橘色及紅色區域)。這是因為背壓在0.03 MPa時環境壓力十分小，極大地促進了噴霧的擴散，噴霧液滴的破碎與蒸發使得噴霧稀薄區域擴大，并且在t=1.8 ms已經超出光學拍攝窗口。在環境背壓為0.07 MPa及0.10 MPa時，環境背壓升高，t=0.6 ms時仍然可以看到稀薄區域，但是稀薄區域較環境背壓0.03 MPa時已經逐漸減小，而隨著噴霧的進一步發展，稀薄區域開始縮小。當環境背壓繼續增加到0.30 MPa和 0.50 MPa 時，噴霧受到的阻力十分大，已無法觀察到稀薄區域的產生，整個噴霧主要為液相燃油密度較高的核心區域。綜上，隨著環境背壓的升高，噴霧稀薄區域開始逐漸減少，并在高背壓下逐漸消失，核心區域開始增加，噴霧主要集中在核心區域。

圖12 不同環境背壓下不同時刻的噴霧區域變化

3 結論

(1) 空氣輔助噴射貫穿距與傳統單一燃料噴射類似，噴霧貫穿距均呈兩階段發展趨勢，噴霧投影面積主要呈線性增長趨勢。增加噴氣壓力或減小環境背壓均有助于提高噴霧貫穿距和噴霧投影面積，而噴氣脈寬對貫穿距和噴霧投影面積并無影響。

(2) 采用空氣輔助噴射時，噴霧發展初期均出現了不規則的細枝狀，在不同的噴氣壓力下噴霧形態大致相同，主要呈梭狀形態；在不同的噴氣脈寬下，噴霧呈前端粗大而末端細長的噴霧形態，噴氣脈寬過低會使得燃油無法完全噴出，燃油變少；噴霧形態受環境背壓的影響大，在低背壓時為梭狀形態，在高背壓時則呈現錨鉤狀和錐形。

(3) 不同環境背壓下噴霧區域變化的研究表明隨著環境背壓的升高，噴霧稀薄區域開始逐漸縮小，并在高背壓情況下逐漸消失，整個噴霧主要為液相燃油密度較高的核心區域。