利用LSD技術(shù)對高壓共軌柴油機(jī)噴霧特性SMD的研究

何旭， 石永昊， 劉海， 李向榮， 田國弘， 劉福水

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081；3.英國薩里大學(xué) 機(jī)械工程科學(xué)系，薩里，吉爾福德 GU27XH)

利用LSD技術(shù)對高壓共軌柴油機(jī)噴霧特性SMD的研究

何旭1，2， 石永昊1，2， 劉海1，2， 李向榮1，2， 田國弘3， 劉福水1，2

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081；3.英國薩里大學(xué) 機(jī)械工程科學(xué)系，薩里，吉爾福德 GU27XH)

為更好地研究高壓共軌柴油機(jī)噴霧特性，搭建了柴油噴霧特性激光測試試驗(yàn)系統(tǒng)，基于激光測試手段，利用平面激光粒徑測試技術(shù)，對高壓共軌柴油機(jī)噴霧微觀特性—索特平均直徑進(jìn)行定量測量，分別考察不同噴孔直徑、不同噴油壓力下噴霧索特平均直徑隨時(shí)間的變化. 研究表明，隨著噴孔直徑的增加，在1 600 μs內(nèi)噴霧場中的平均索特平均直徑增大；隨著噴油壓力的增加，在1 400 μs內(nèi)噴霧場中的平均索特平均直徑相對較小，分布也較均勻；噴霧場中粒徑的分布趨于粒徑較小的方向集中，因此噴霧場中索特平均直徑的形態(tài)分布近似服從于概率分布中的非中心F分布，并根據(jù)其分布形態(tài)擬合出相應(yīng)的非中心F分布函數(shù).

噴霧特性；平面激光粒徑測試技術(shù)；索特平均直徑

在發(fā)動機(jī)工作過程中，燃油霧化的好壞直接影響油氣混合的質(zhì)量，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放水平. 其中霧化質(zhì)量的優(yōu)劣可以由索特平均直徑(Sauter mean diameter，SMD)來表示，此值越小表明燃油的霧化程度越好.

近年來研究者針對噴霧微觀特性SMD的測試開發(fā)了許多新的方法，如相位多普勒技術(shù)(phase Doppler anemometer，PDA)、平面激光粒徑測試技術(shù)(laser sheet drop size，LSD)[1]等. 其中，LSD又稱為激光誘導(dǎo)熒光(laser induced fluorescence，LIF)/米氏散射光(Mie-scattering，Mie)技術(shù)，是由Le Gal等[2]將其運(yùn)用到輕質(zhì)石油噴霧的粒徑測量中. 之后，Domann等[3]，應(yīng)用LSD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對某液態(tài)噴霧SMD分布的準(zhǔn)確測試. 張玉銀等[4]在LIF/MIE的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研究了汽油機(jī)噴霧的粒徑、結(jié)構(gòu)及汽化特性.

LSD技術(shù)具有非接觸性、準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)測試等特點(diǎn)，可獲取瞬態(tài)噴霧粒徑分布. 而目前利用LSD技術(shù)針對柴油噴霧微觀特性SMD的研究較少，作者利用LSD技術(shù)，對高壓共軌柴油機(jī)噴霧微觀特性SMD進(jìn)行定量測量，從微觀方面闡述不同噴孔直徑、不同噴油壓力下噴霧SMD隨時(shí)間的變化.

1 LSD試驗(yàn)測試原理及系統(tǒng)裝置

1.1 LSD激光測試原理

LSD是利用激光誘導(dǎo)熒光LIF信號強(qiáng)度除以Mie散射的信號強(qiáng)度，再通過試驗(yàn)標(biāo)定處理，得到噴霧場中的SMD二維分布的激光測試方法.

試驗(yàn)利用片狀激光照亮噴霧測試截面，截面上的液滴在激光的激發(fā)下，將發(fā)出特定波長的熒光信號，同時(shí)液滴會產(chǎn)生Mie散射，進(jìn)而同時(shí)得到LIF和Mie散射信號強(qiáng)度，通過相位多普勒粒子分析儀(phase doppler particle analyzer，PDPA)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，得到光學(xué)參數(shù)k，其計(jì)算公式為

(1)

式中：dSMD為噴霧場中SMD；SLIF為熒光信號強(qiáng)度；SMie為Mie散射的強(qiáng)度；Di為第i個液滴的直徑；D為液滴直徑；f(D)為液滴粒徑分布的概率密度函數(shù).

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用的LSD測試系統(tǒng)如圖1所示，主要由定容裝置、供油系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)4部分組成. 其中，試驗(yàn)在定容燃燒彈中進(jìn)行，噴油器固定在頂部端蓋上，在視場中由上向下噴射. 供油系統(tǒng)采用BOSCH高壓共軌系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)噴油壓力的任意調(diào)節(jié). 為了均衡LIF和Mie散射信號的強(qiáng)度，試驗(yàn)使用Nd: YAG激光器，可發(fā)出波長為266 nm的紫外激光，發(fā)射頻率為10 Hz，激光能量為12 mJ左右，激光通過反射鏡進(jìn)入片光器，通過調(diào)整片光的位置、厚度、高度、長度和均勻度，使片光恰好通過噴油器的正下方霧注的中心軸線，從而在油束的中心軸線上切出一個截面. 圖像采集系統(tǒng)采用德國LaVision慢速瞬態(tài)圖像信息采集系統(tǒng)，試驗(yàn)中相機(jī)的采集頻率為10 Hz，曝光時(shí)間為7 000 ns，可同時(shí)采集測試區(qū)域內(nèi)的LIF信號和Mie散射信號，試驗(yàn)過程中每個時(shí)刻的噴霧圖像采集4次，做平均處理，進(jìn)而減少誤差.

2 試驗(yàn)方法

2.1 PDPA試驗(yàn)標(biāo)定

利用LSD對噴霧SMD的二維分布進(jìn)行測試，初步獲取定性結(jié)果，然后使用PDPA對其進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，得到光學(xué)參數(shù)k，將在LSD法下測得的表征噴霧SMD相對大小的任意單位，轉(zhuǎn)化為長度單位μm.

選取背景壓力為0.1 MPa，噴油壓力為40，60，90 MPa，噴射脈寬為1 000 μs，測試位置定在霧注軸線上距離噴嘴下游70 mm處，試驗(yàn)對每一個工況點(diǎn)連續(xù)測試30 s后自動進(jìn)入下一個工況點(diǎn)進(jìn)行測試. 根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果，擬合得到兩者的相關(guān)性曲線，擬合優(yōu)度R2=0.999 9，其中光學(xué)參數(shù)k為直線斜率的倒數(shù)，k=1.4.

2.2 LSD試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中噴孔直徑分別為0.12，0.16 mm，噴油壓力分別為80，120，160 MPa選取背景壓力為3 MPa，因高溫環(huán)境下柴油蒸氣的產(chǎn)生會影響熒光信號的強(qiáng)度，所以文中主要針對常溫環(huán)境下的柴油噴霧微觀特性SMD進(jìn)行定量測試.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同噴孔直徑下噴霧SMD隨時(shí)間的變化

選取噴油壓力為120 MPa，噴油脈寬為1 000 μs，噴孔直徑分別為0.12 mm和0.16 mm兩種條件下啟噴后6個時(shí)刻的SMD分布圖，如圖2所示. 圖中噴孔直徑為0.12 mm時(shí)，從600～1 600 μs，噴霧場中SMD小于80 μm的液滴數(shù)量占總數(shù)的比例分別是81.04%，82.98%，85.42%，87.64%，88.90%，91.42%. 噴孔直徑為0.16 mm時(shí)，噴霧場中SMD小于80 μm的液滴數(shù)量占總數(shù)的比例分別是80.57%，83.12%，82.03%，75.21%，78.33%，78.28%. 從圖中可以看出，二者在噴霧早期SMD較大的液滴數(shù)量較多，隨著時(shí)間的增加，SMD的分布變得瘦長并偏向較小的一邊. 這說明隨著噴霧的進(jìn)行，粒徑較大的液滴逐漸破碎成粒徑較小的液滴，而且噴霧場中SMD的形態(tài)分布近似服從非中心F分布[5]，其概率密度函數(shù)為

(2)

式中：x為噴霧場中SMD的大??；k1、k2分別為非中心F分布的分子和分母自由度；λ為非中心度；參數(shù)為(k1，k2，λ)的非中心F分布，通常用F(k1，k2，λ)表示，k2增大時(shí)密度函數(shù)的極大值單調(diào)增加；k1和k2固定時(shí)，非中心F分布的分布函數(shù)是λ的單調(diào)下降函數(shù). 噴孔直徑為0.12，0.16 mm時(shí)，根據(jù)噴霧場中SMD的分布數(shù)據(jù)，分別擬合得到非中心F分布的函數(shù)為F(0.35，160，13)，F(xiàn)(0.35，62，18). 對比兩分布函數(shù)可知，F(xiàn)(0.35，62，18)的分母自由度較小，非心度較大，因此其密度函數(shù)的極大值較小，分布函數(shù)也較小，SMD較小的液滴也相對較少.

圖3是不同噴孔直徑下噴霧場中平均SMD隨時(shí)間的變化曲線. 噴孔直徑為0.12 mm時(shí)，從600～1 600 μs各時(shí)刻噴霧場中的平均SMD分別為：53.7，53.9，51.9，49.0，46.0，44.8 μm. 下降幅度達(dá)10 μm，說明隨著噴油的持續(xù)，雖然部分液滴發(fā)生了聚合，但噴霧場中液滴破碎的量遠(yuǎn)多于小液滴碰撞聚合的量. 噴孔直徑為0.16 mm時(shí)，從600～1 600 μs各時(shí)刻噴霧場中的平均SMD分別為58.1，59.9，59.4，63.2，60.9，59.9 μm. 其大小基本在60 μm左右浮動，可以看出，當(dāng)噴孔直徑較大時(shí)，噴霧最初霧化形成的液滴粒徑會增加，隨后大量粒徑較大的液滴破碎變小，但由于最初霧化形成的液滴粒徑較大，在相同的時(shí)間內(nèi)破碎產(chǎn)生的小液滴的粒徑相對較大，從而在1 600 μs內(nèi)的噴霧場中平均SMD的大小沒有明顯的增降規(guī)律. 通過對比可知，噴霧場中的SMD隨著噴孔直徑的增大而增大，噴孔直徑越小，射流會受到更大的節(jié)流作用，使得初始擾動加強(qiáng)，從而促進(jìn)霧化質(zhì)量，平均SMD的分布也更加均勻.

3.2 不同噴油壓力下噴霧SMD隨時(shí)間的變化

選取噴孔直徑為0.16 mm，噴油脈寬為1 000 μs時(shí)，噴油壓力為80 MPa和160 MPa兩種條件下啟噴后5個時(shí)刻的SMD分布圖，如圖4所示. 由于噴油壓力為160 MPa，啟噴后1 600 μs時(shí)的霧注末端已經(jīng)超出視野范圍，無法與前者對比，因此只取1 400 μs之前的各時(shí)刻進(jìn)行對比.

圖4是噴油壓力為80，160 MPa時(shí)啟噴后不同時(shí)刻噴霧場中SMD的分布. 噴油壓力為80 MPa時(shí)，從600～1 400 μs，噴霧場中SMD小于80 μm的液滴數(shù)量占總數(shù)的比例分別是77.84%、78.33%、82.75%、83.04%、85.39%. 噴油壓力為160 MPa時(shí)，從600μs到1400μs，噴霧場中SMD小于80μm的液滴數(shù)量占總數(shù)的比例分別是87.21%、87.59%、84.54%、84.48%、87.39%. 從圖中可以看出，噴油壓力為80，160 MPa時(shí)，噴霧場中SMD的形態(tài)分布近似服從于非中心F分布，根據(jù)噴霧場中SMD的分布數(shù)據(jù)，分別擬合得到非中心F分布的函數(shù)為F(0.4，51，20)、F(0.4，82，19). 對比兩分布函數(shù)可知，F(xiàn)(0.4，82，19)的分母自由度較大，非心度較小，因此其密度函數(shù)的極大值較大，分布函數(shù)也較大，SMD較小的液滴也相對較多. 噴油壓力為80 MPa時(shí)，分布圖中的峰值一直處在45 μm左右的位置. 而且在噴油初期，SMD大于200 μm的液滴數(shù)量相對較多，這主要是因?yàn)樵趪娪蛪毫^低時(shí)，霧注離開噴嘴時(shí)所具有的初始能量較低，液滴運(yùn)動的激烈程度會因此而相對減弱，因而初次霧化形成的液滴粒徑較大. 噴油壓力為160 MPa時(shí)，分布圖中的峰值由噴霧起始階段的40 μm逐漸向左移動到25 μm左右，之后又增大到40 μm左右，這主要是因?yàn)閲娪蛪毫ι撸瑖婌F場中液滴具有足夠的能量使自身破碎成粒徑較小的液滴，但是隨著噴霧的持續(xù)進(jìn)行，由于慣性噴霧場中有大量液滴運(yùn)動到噴嘴下游較遠(yuǎn)的地方，還沒來得及破碎，所以會出現(xiàn)大液滴數(shù)量有所增加的現(xiàn)象. 直到接近噴油末期的1 400 μs，噴油壓力為160 MPa時(shí)，噴霧場中有近80%的液滴粒徑都小于65 μm，而噴油壓力為80 MPa時(shí)，相同尺寸液滴的數(shù)量為73.6%，而且從兩者液滴粒徑尺寸的整體分布可發(fā)現(xiàn)，噴油壓力的升高，可以減小噴霧場中的SMD大小.

圖5為不同噴油壓力下噴霧場中平均SMD隨時(shí)間的變化曲線.

噴油壓力為80 MPa時(shí)，從600 μs到1 400 μs各時(shí)刻噴霧場中的平均SMD分別為60.9，62.0，60.6，56.9，56.2 μm. 噴油壓力為160 MPa時(shí)，從600 ～1 400 μs各時(shí)刻噴霧場中的SMD分別為50.4，51.7，55.2，52.6，51.5 μm. 可以看出，當(dāng)噴油壓力較大時(shí)，噴霧場中的平均SMD相對較小，這說明當(dāng)噴油壓力增加時(shí)，燃油噴射的速度相應(yīng)增加，使油束內(nèi)部的擾動性加強(qiáng)，燃油與空氣的摩擦效應(yīng)增加，導(dǎo)致燃油粒子變細(xì). 同時(shí)，與Pastor J V[6]的研究對比可知，噴油壓力較高時(shí)，產(chǎn)生的小液滴對散射光信號有影響，使得同一截面上的SMD分布出現(xiàn)左右不對稱的現(xiàn)象，進(jìn)而對SMD大小的測量有影響，因此在1 400 μs內(nèi)同一噴油壓力條件下不同時(shí)刻噴霧場中平均SMD的大小都沒有明顯的增減規(guī)律，但提高噴油壓力可以大幅降低噴霧場中的SMD大小，提高小液滴所占的比重.

4 結(jié) 論

① 隨著噴孔直徑的增大，在1 600 μs內(nèi)噴霧場中的平均SMD相對較大，噴孔直徑為0.16 mm時(shí)的平均SMD隨噴霧發(fā)展變化不大，噴孔直徑為0.12 mm時(shí)的平均SMD隨噴霧發(fā)展逐漸減小.

② 實(shí)驗(yàn)中，隨著噴油壓力的增加，在1 400 μs內(nèi)噴霧場中的平均SMD相對較小，小于80 μm的液滴數(shù)量明顯增多.

③ 噴霧場中SMD的分布規(guī)律表現(xiàn)為多數(shù)液滴都處在粒徑較小的范圍內(nèi)，因此噴霧場中SMD的分布形態(tài)近似服從于概率分布中的非中心F分布.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Spray Characteristics SMD of High-Pressure Common Rail Diesel Engine Based on LSD Technique

HE Xu1，2， SHI Yong-hao1，2， LIU Hai1，2， LI Xiang-rong1，2，TIAN Guo-hong3， LIU Fu-shui1，2

(1.School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China;2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing; 3.Department of Mechanical Engineering Sciences， University of Surrey， Guildford， Surrey GU27XH)

To investigate the spray characteristics of high pressure common-rail diesel engines, a test system was constructed. Based on laser sheet drop size(LSD) technique, the micro characteristics of diesel spray were quantitatively tested with the diesel spray laser test system to investigate the variation law of Sauter mean diameter(SMD) over time in different nozzle diameters and injection pressure. Experimental results show that with the increase of the nozzle diameter, the average SMD of the spray field increases in 1 600 μs. With the increase of the injection pressure, the average SMD of the spray field can be smaller in 1 400 μs and the distribution distributes uniformly.The droplet size distribution tends to be concentrated in the smaller diameter direction, therefore the distribution of droplet size in the spray field is similarly subjected to the noncentral F-distribution, and the noncentral F-distribution function is fitted according to the distribution pattern.

spray characteristics; laser sheet drop size(LSD); Sauter mean diameter(SMD)

2015-10-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476011)；北京理工大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(B12022)

何旭(1976—)，男，副研究員，博士，E-mail:hhexxu@bit.edu.cn.

李向榮(1967—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：lixr@bit.edu.cn.

TH 9

A

1001-0645(2016)12-1243-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.12.007