直噴條件下正戊烷閃急沸騰噴霧特性試驗

衛(wèi)海橋，裴自剛，高東志，陶 康，潘明章

（天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072）

直噴條件下正戊烷閃急沸騰噴霧特性試驗

衛(wèi)海橋，裴自剛，高東志，陶 康，潘明章

（天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072）

利用紋影法在定容彈中，在不同的試驗條件下，進行了正戊烷閃急沸騰噴霧特性試驗．通過對噴霧圖像的拍攝及處理，分析了燃油溫度、環(huán)境背壓、噴油壓力對閃急沸騰噴霧的影響．試驗結果表明，發(fā)生閃急沸騰時，離散液滴數(shù)量增多，液滴直徑減小，隨燃油溫度的提高或者隨環(huán)境背壓的減小，噴霧貫穿距先減小后增大，噴霧錐角和噴霧面積先增大后減??；隨噴油壓力的增大，噴霧貫穿距增大，錐角及噴霧面積均增大；在燃油溫度從293，K變化到363，K，環(huán)境背壓從30，kPa變化到100，kPa，以及噴油壓力從5，MPa變化到10，MPa的過程中，噴油壓力對噴霧貫穿距影響最大，環(huán)境背壓次之，燃油溫度最小；環(huán)境背壓對錐角的影響最大，燃油溫度次之，噴油壓力最??；噴油壓力對噴霧面積影響最大，環(huán)境背壓次之，燃油溫度最?。?/p>

紋影法；閃急沸騰噴霧；噴霧貫穿距；噴霧錐角；噴霧面積

在汽油機小型化的進程中，缸內直噴技術發(fā)展迅速，噴霧質量的優(yōu)劣直接決定了發(fā)動機工作情況，影響燃燒的穩(wěn)定性及排放特性等．為了提高霧化水平，現(xiàn)在發(fā)動機的噴霧通常依賴于噴射參數(shù)以及噴油器的設計等［1］．而在直噴汽油機的中低負荷工況下，燃油容易被噴油器和缸蓋加熱，從而發(fā)生閃急沸騰．研究表明，適當?shù)拈W急沸騰能夠改善噴霧錐角、噴霧貫穿距及噴霧液滴的索特平均直徑等［2］，對于冷啟動以及濕壁所造成的HC問題均有很大改善；但是過度的閃急沸騰反而會增加貫穿距，增加燃油濕壁，因此有必要對直噴條件下的閃急沸騰現(xiàn)象進行深入分析，充分挖掘閃急沸騰改善噴霧的潛力，指導噴霧策略的選取，對于推進汽油機小型化的研究具有重要意義．

為了改善發(fā)動機低負荷時的噴霧，國內外對于閃急沸騰噴霧的研究有所增加，但是由于存在復雜的氣液兩相流過程，國內外的研究仍處于探索階段. Aleiferis等［3］在研究汽油與E85閃急沸騰噴霧時，研究了燃油溫度和環(huán)境背壓的影響，發(fā)現(xiàn)閃急沸騰對噴霧有很大的改善作用，但是沒有討論噴射壓力的影響．上海交通大學的曾緯等［4-5］通過Mie散射和激光誘導熒光技術在定容彈內觀察了不同試驗條件下的噴霧形態(tài)，同時得到了貫穿距和錐角的關聯(lián)式，總結了閃急沸騰噴霧發(fā)生及轉變的判定標準［6］，但是沒有具體闡明試驗條件對閃急沸騰噴霧的影響程度．

目前對于閃急沸騰噴霧的觀察研究常采用激光法，而紋影法的應用并不常見．閃急沸騰噴霧存在復雜的氣液兩相流，激光法在獲得氣液兩相的信息時需要添加不同的添加劑，而紋影儀結合高速攝像機可以基于被測場內密度變化捕捉噴霧結構，同時獲取噴霧的氣相和液相信息．汽油由于含有多種不同沸點的組分，使閃急沸騰過程變得復雜，所以為了更容易地實現(xiàn)閃急沸騰現(xiàn)象，本文選用了沸點較低的正戊烷來進行試驗，通過改變燃油溫度、環(huán)境背壓和噴油壓力，對比分析了不同試驗條件下噴霧的宏觀形態(tài)，研究了不同試驗參數(shù)對閃急沸騰噴霧的影響程度．

1　試驗系統(tǒng)及研究方法

1.1試驗系統(tǒng)

本試驗在定容燃燒彈系統(tǒng)上進行，如圖1所示．系統(tǒng)主要包括定容燃燒彈、燃油噴射系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、紋影系統(tǒng)、高速攝像機和單片機控制模塊．其中定容燃燒彈體上安裝有加熱板，可以維持彈體內的溫度恒定．燃油噴射系統(tǒng)采用Bosch公司的HDEV 5型6孔噴油器［7］，噴射控制單元采用自行開發(fā)的單片機系統(tǒng)．進排氣系統(tǒng)由壓氣機和真空泵組成，可以實現(xiàn)對彈體內部的加壓和掃氣．紋影系統(tǒng)使用光強度可調的鹵素連續(xù)光源，當彈體內部密度發(fā)生變化時，折射率的變化會使經(jīng)紋影光路后的光線將這種密度變化反映到圖像上．攝像系統(tǒng)使用Photron公司的FASTCAM SA-X2高速攝像機，圖像分辨率512×512，拍攝幀頻為40，000幀/s，攝像機由噴油控制單元觸發(fā)，與噴油信號同步．使用溫度可控的加熱帶纏繞在噴油器周圍來實現(xiàn)對燃料溫度的控制，加熱過程中噴油器和加熱帶之間有充足的時間進行熱傳導，達到熱平衡時可認為噴油器尖端的溫度即為燃油的溫度．

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.2試驗方案

試驗中通過改變燃油溫度和環(huán)境背壓來實現(xiàn)閃急沸騰，觀察不同噴射條件下的噴霧形態(tài)．噴油脈寬設置為2，ms，彈體內環(huán)境溫度為289，K，油溫最低為293，K，最高363，K，彈體內的環(huán)境背壓最低為30，kPa，最高為100，kPa．在上述試驗條件下，進行了正戊烷的噴霧試驗，表1是噴霧試驗方案．為了研究不同試驗參數(shù)對噴霧的影響程度，同時進行了噴霧特性的正交試驗，如表2所示．

表1 正戊烷噴霧試驗方案Tab.1 Scheme of n-pentane spray experiment

表2 噴霧特性研究正交試驗表Tab.2Orthogonal experimental table of spray characteristics study

1.3圖像處理及噴霧參數(shù)定義

高速攝像機拍攝得到的是灰度圖像，但是圖像中包含有背景噪聲，而且噴霧邊界不清晰，無法直觀準確地獲得噴霧的宏觀結構．使用MATLAB對噴霧圖像進行處理，通過邊緣保持中值濾波、對比度增強、圖像去除背景等一系列操作，得到比較好的噴霧圖像，如圖2所示．

圖2 圖像處理過程Fig.2 Image processing procedure

紋影法拍攝的噴霧圖像是基于燃油噴射時觀察窗范圍內的密度變化，圖像包含了液體射流信息和油束蒸發(fā)信息．由于氣相和背景的灰度值相近，處理后的圖像氣相部分連同背景一起被除去，因此霧束邊緣有很多缺口以及離散的液滴，導致霧束形態(tài)不規(guī)則，內部有很多“黑斑”，氣泡的產(chǎn)生、生長以及“微爆”作用使燃油霧滴平均直徑更小，噴霧分布范圍更廣、更均勻，因此氣泡作用是閃急沸騰改善噴霧的主要原因［5］．

相關噴霧參數(shù)定義如圖3所示．噴霧輪廓、噴霧貫穿距、噴霧錐角和噴霧橫截面積是用來表征噴霧結構的宏觀參數(shù)．本研究中通過設定閾值定義噴霧的邊界，一次通過膨脹、填充和腐蝕獲得噴霧形狀．然后，定義原點在噴嘴的頂端以及窗口直徑的大小，將噴霧照片的像素值轉化為長度值．根據(jù)SAE J2715標準［8］對噴霧參數(shù)進行定義，距離噴嘴5，mm和15，mm兩條直線與油束外輪廓交點連成的線段AC和BD之間的夾角為噴霧錐角；定義噴嘴在豎直方向上與油束最遠端的距離為噴霧貫穿距．最后，定義強度大于300的像素點的面積為噴霧面積．

圖3 SAE J2715標準相關噴霧參數(shù)定義Fig.3 Spray parameters definition by SAE J2715 standard

2　噴霧試驗結果及討論分析

2.1噴霧形態(tài)

圖4為正戊烷在噴油開始后1，ms時的噴霧形態(tài)，燃油溫度為293，K、333，K、363，K，環(huán)境背壓為30，kPa、50，kPa、80，kPa、100，kPa．

圖4 閃急沸騰噴霧形態(tài)Fig.4 Flash boiling spray structure

隨著燃油溫度的升高和環(huán)境背壓的降低，噴霧形態(tài)均出現(xiàn)了不同程度的變化．當燃油溫度較低（293，K）時，隨著環(huán)境背壓的降低，噴霧貫穿距先減小后有增加的趨勢，噴霧分布范圍更廣，當達到50，kPa時，霧束逐漸向中間靠攏，霧束之間的界限逐漸模糊并消失，噴霧尖端消失；當達到30，kPa時，霧束基本聚攏成一束，形成實體錐形結構．同時隨著燃油溫度的升高，噴霧霧束寬度變大，噴霧覆蓋面積更廣，在霧束尖端兩側出現(xiàn)較大尺度的渦旋．

圖5為正戊烷未發(fā)生閃急沸騰和發(fā)生閃急沸騰時的噴霧局部放大圖，放大比例為4倍，采用高速攝像機捕捉了噴嘴附近燃油噴出時的形態(tài)及霧束邊緣液滴信息，拍攝幀頻為100，000，幀/s，曝光時間1/160，000，s，兩種工況分別為燃油溫度為293，K、環(huán)境背壓為100，kPa、噴油壓力為5，MPa和燃油溫度為363，K、環(huán)境背壓為100，kPa、噴油壓力為5，MPa．

圖5 兩種類型噴霧液滴對比Fig.5 Comparison of droplets under two kinds of spray

發(fā)生閃急沸騰時，霧束分布范圍更大，在霧束邊緣（F區(qū)域附近）有較多的離散液滴，而且液滴直徑（E區(qū)域）相對更小，大量細小液滴的存在提高了噴霧的霧化水平．結合圖4紋影圖像，發(fā)現(xiàn)在噴霧的邊緣呈現(xiàn)較多的缺口，導致噴霧輪廓不連續(xù)，而且在霧束內部出現(xiàn)明顯的“黑斑”，這是噴霧內部及邊界汽化生成的氣泡造成的，霧束呈氣液共存的狀態(tài)［9］，氣泡產(chǎn)生后經(jīng)過劇烈的壓降過程，氣泡體積不斷增大，最后破碎，這種“微爆”效應，使燃油迅速破碎成細小的液滴，由于這些液滴的體積、質量均比較小，容易隨周圍的氣流運動，導致霧束之間相互靠攏，界限變得模糊，同時“微爆”效應擾亂燃油原來的運動趨勢，減小了燃油的軸向貫穿速度，同時附加了徑向的動量，此外閃急沸騰使噴霧的迎風面積增大，增大了空氣阻力的作用，造成貫穿距相對減小，噴霧錐角相對增大．

2.2不同試驗條件對噴霧形態(tài)的影響

2.2.1燃油溫度對噴霧形態(tài)的影響

背壓恒定時，不同溫度的燃油噴出時會有不同的過熱度，進而經(jīng)歷不同程度的閃急沸騰，呈現(xiàn)不同的形態(tài)．

圖6是不同燃油溫度下噴霧貫穿距隨時間的變化，圖7是噴霧錐角隨燃油溫度的變化．在噴霧早期，噴出燃油較少，燃油溫度的作用并不突出．在主噴射期，大量燃油噴出，隨燃油溫度升高，燃油從未過熱狀態(tài)向過熱狀態(tài)轉變，在低過熱度時，燃油處于過度閃急沸騰狀態(tài)［4，10］，貫穿距逐漸減小，氣泡的生長及破碎打亂了噴霧分布，削弱了軸向動量，因而貫穿距隨燃油溫度的的升高而減??；同時“微爆”效應促進了燃油的破碎，導致粒徑更小，也給微小液滴附加了徑向作用，使噴霧錐角逐漸變大，分布范圍更廣.當溫度繼續(xù)升高時，噴出的燃油處于高過熱度狀態(tài)，燃油逐漸處于完全閃急沸騰狀態(tài)［4］，噴霧逐漸塌縮，多霧束中大量燃油蒸氣的產(chǎn)生導致霧束向中間靠攏，多霧束合成的動量促使燃油快速向前貫穿，導致隨燃油溫度升高，貫穿距反而逐漸增加，噴霧錐角逐漸減小，燃油分布范圍減小．

圖6噴霧貫穿距隨時間的變化（pback=80，kPa，pinj= 5，MPa）Fig.6Spray penetration distance development versus time（pback=80，kPa，pinj=5，MPa）

圖7噴霧錐角隨燃油溫度的變化（pback=80，kPa，pinj= 5，MPa）Fig.7Spray cone angle development versus fuel temperature（pback=80，kPa，pinj=5，MPa）

為進一步描述噴霧分布范圍的大小，測量了拍攝平面內噴霧面積隨時間的變化，如圖8所示．可以看到在中低過熱度下，隨燃油溫度升高，噴霧面積增大；在高過熱度下，隨燃油溫度升高，噴霧面積反而減小．

2.2.2環(huán)境背壓對噴霧結構的影響

在不同的環(huán)境背壓下，燃油也會經(jīng)歷過熱狀態(tài)，從而經(jīng)歷劇烈的相變過程．燃油溫度為333，K時，飽和蒸氣壓214.5，kPa，在不同的背壓下，經(jīng)歷不同程度的壓降過程，出現(xiàn)不同程度的閃急沸騰現(xiàn)象．

圖8 噴霧面積隨時間的變化（pback，=，80，kPa，pinj，=，5，MPa）Fig.8 Spray area development versus time（pback=，80，kPa，pinj，=，5，MPa）

圖9～圖11分別是不同背壓下噴霧貫穿距隨時間的變化、噴霧錐角隨環(huán)境背壓的變化以及不同背壓下噴霧面積隨時間的變化．隨環(huán)境背壓的減小，燃油從低過熱度向高過熱度轉變，在中低過熱度時，燃油處于過度閃急沸騰狀態(tài)，隨背壓的減小，貫穿距逐漸減小，噴霧錐角逐漸變大，噴霧面積逐漸增大；但是當燃油處于高過熱度時，經(jīng)歷完全閃急沸騰，隨背壓的減小，貫穿距反而逐漸增大，錐角變小，徑向分布距離縮短，噴霧面積也有所減?。a(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面是低背壓造成的閃急沸騰內在機理導致的宏觀結構的轉變，另一方面背壓大小影響了燃油與環(huán)境氣體之間的相互作用程度，隨背壓減小，空氣密度減小，噴霧貫穿受到的阻力減小，進而影響到噴霧宏觀特性參數(shù)．

圖9 噴霧貫穿距隨時間的變化（Tfuel=333，K，pinj= 5，MPa）Fig.9 Spray penetration distance development versus time（Tfuel=333，K，pinj=5，MPa）

圖10 噴霧錐角隨環(huán)境背壓的變化（Tfuel=333，K，pinj= 5，MPa）Fig.10 Spray cone angle development versus back pressure（Tfuel=333，K，pinj=5，MPa）

圖11噴霧面積隨時間的變化（Tfuel=333，K，pinj=5，MPa）Fig.11Spray area development versus time（Tfuel=333，K，pinj=5，MPa）

2.2.3噴油壓力對噴霧結構的影響

為了研究噴油壓力對噴霧結構的影響，研究了燃油溫度為333，K，環(huán)境背壓為100，kPa，噴油壓力為5，MPa、8，MPa、10，MPa時的典型閃急沸騰噴霧形態(tài)．

圖12～圖14分別是不同噴油壓力下噴霧貫穿距隨時間的變化、噴霧錐角隨噴油壓力的變化以及不同噴油壓力下噴霧面積隨時間的變化．噴油壓力和環(huán)境壓力之間的壓差是噴霧貫穿的能量來源，隨噴油壓力的增大，噴霧的貫穿動量增大，貫穿距增加．同時隨噴油壓力增大，噴霧錐角增加，但是增加幅度有限，原因是噴霧錐角主要受噴孔結構的影響．對于噴霧面積，增大噴油壓力時，噴霧分布范圍增加，霧滴尺寸更小，噴霧的覆蓋面積也逐漸變大［11］．

圖12噴霧貫穿距隨時間的變化（Tfuel=333，K，pback= 100，kPa）Fig.12Spray penetration distance development versus time（Tfuel=333，K，pback=100，kPa）

圖13噴霧錐角隨噴油壓力的變化（Tfuel=333，K，pback= 100，kPa）Fig.13Spray cone angle development versus injection pressure（Tfuel=333，K，pback=100，kPa）

圖14 噴霧面積隨時間的變化（Tfuel=333，K，pback= 100，kPa）Fig.14 Spray area development versus time（Tfuel=333，K，pback=100，kPa）

2.2.4不同試驗條件對噴霧結構的敏感性分析

綜上分析可知，燃油溫度、環(huán)境背壓以及噴油壓力對噴霧形態(tài)都有一定程度的影響，為了研究不同試驗條件對噴霧結構的敏感性，對正交試驗中噴霧開始后1.5，ms時的試驗結果進行了極差分析，從而得到不同試驗參數(shù)的影響程度，如表3～表5所示．

從表3～表5中可以看出，在燃油溫度從293，K變化到363，K，環(huán)境背壓從30，kPa變化到100，kPa，以及噴油壓力從5，MPa變化到10，MPa的過程中，噴霧特性發(fā)生了比較顯著的變化，其中在影響噴霧貫穿距的因素中，噴油壓力的極差最大，其次為環(huán)境背壓，燃油溫度的極差最小，說明噴油壓力對貫穿距的影響最大，而燃油溫度的影響最?。瑯拥?，環(huán)境背壓對噴霧錐角的影響最大，燃油溫度次之，噴油壓力最??；噴油壓力可以最大程度上增大噴霧面積，其次為環(huán)境背壓，而燃油溫度的作用最?。?/p>

表3 噴霧貫穿距極差分析Tab.3 Range analysis of spray penetration distance

表4 噴霧錐角極差分析Tab.4 Range analysis of spray cone angle

表5 噴霧面積極差分析Tab.5 Range analysis of spray area

3　結 論

（1） 提高燃油溫度和降低環(huán)境背壓時都會發(fā)生不同程度的閃急沸騰，霧束寬度增加，并逐漸向中間靠攏，霧束尖端兩側出現(xiàn)較大尺度的渦旋，離散液滴數(shù)量增多，液滴直徑減小，噴霧中的氣泡作用使噴霧分布范圍顯著增加，氣液共存的狀態(tài)使得燃油分布更加均勻．

（2） 隨燃油溫度升高，燃油達到過熱狀態(tài)．當處于中低過熱度狀態(tài)時，燃油經(jīng)歷過度閃急沸騰，貫穿距隨溫度升高而減小，噴霧錐角和噴霧面積逐漸增加；當處于高過熱度時，燃油經(jīng)歷完全閃急沸騰，霧束塌縮嚴重，貫穿距隨溫度升高而增加，錐角和噴霧面積反而有所減?。?/p>

（3） 隨著環(huán)境背壓的變化，燃油也會達到過熱狀態(tài)．當燃油處于中低過熱度時，隨背壓的減小，噴霧貫穿距逐漸減小，噴霧錐角和噴霧面積增加；當燃油處于高過熱度時，隨背壓減小，貫穿距逐漸增大，錐角和噴霧面積有所減小．

（4） 隨噴油壓力的增加，噴霧貫穿距、噴霧錐角以及噴霧面積均逐漸變大．

（5） 在燃油溫度從293，K變化到363，K，環(huán)境背壓從30，kPa變化到100，kPa以及噴油壓力從5，MPa變化到10，MPa的過程中，噴油壓力對噴霧貫穿距影響程度最大，環(huán)境背壓次之，而燃油溫度的作用最??；環(huán)境背壓對噴霧錐角的影響程度最大，燃油溫度次之，而噴油壓力的作用最??；噴油壓力對噴霧面積的影響程度最大，環(huán)境背壓次之，而燃油溫度的作用最小．

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（責任編輯：金順愛）

Experiment on Flash Boiling Spray Characteristics of n-Pentane Using DI Injector

Wei Haiqiao，Pei Zigang，Gao Dongzhi，Tao Kang，Pan Mingzhang
（State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The flash boiling spray of n-pentane was conducted under different conditions，using schlieren method in a constant volume bomb．By photographing and processing the spray images，the influences of fuel temperature，ambient back pressure and injection pressure on flash boiling spray were studied．The test results show that when flash boiling spray happens，the number of discrete droplets increases，and the size becomes smaller．At the same time，when increasing fuel temperature or decreasing ambient back pressure，spray penetration distance decreases first and then increases，but spray cone angle，together with spray area，increases first and then decreases．On the other hand，while increasing injection pressure，spray penetration distance，spray cone angle and spray area increase，too．When fuel temperature ranges from 293，K to 363，K，ambient back pressure ranges from 30，kPa to 100，kPa，and injection pressure ranges from 5，MPa to 10，MPa，the main factor influencing spray penetration distance is injection pressure，followed by ambient back pressure，and then fuel temperature，and at the same time，ambient back pressure makes the biggest difference in spray cone angle，then fuel temperature and injection pressure．Finally the main factor influencing spray area is injection pressure，followed by ambient back pressure and fuel temperature.

schlieren method；flash boiling spray；spray penetration distance；spray cone angle；spray area

TK411.7

A

0493-2137（2016）07-0742-07

10.11784/tdxbz201507090

2015-07-28；

2015-11-23.

國家自然科學基金資助項目（51476114）.

衛(wèi)海橋（1974— ），男，博士，教授，whq@tju.edu.cn.

潘明章，panmingzhang@sohu.com.

網(wǎng)絡出版時間：2015-11-30. 網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20151130.1355.002.html.