純柴油噴霧特性試驗(yàn)研究

武奎，李雯霖，張葉娟，董德磊，曹建明

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

純柴油噴霧特性試驗(yàn)研究

武奎，李雯霖，張葉娟，董德磊，曹建明

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

采用高分辨率單反數(shù)碼照相機(jī)和馬爾文激光粒度分析儀分別在20MPa、24MPa和28MPa噴油壓力下對(duì)純柴油的噴霧特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明隨著噴油壓力的逐漸增大，燃油噴霧錐角逐漸增大，索特平均直徑逐漸減小，說明增大噴油壓力可以提高燃油的霧化質(zhì)量。

噴霧特性；噴霧錐角；索特平均直徑；霧化質(zhì)量

引言

內(nèi)燃機(jī)的性能主要取決于燃燒室形狀、缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)和噴油壓力三者之間的配合[1]，燃料燃燒是否充分對(duì)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、排放性、經(jīng)濟(jì)性等都有著非常巨大的影響，然而內(nèi)燃機(jī)的燃燒特性直接受到燃料霧化質(zhì)量的影響，其中噴油壓力是燃料霧化質(zhì)量的重要影響因素，隨著環(huán)境污染的加劇，一系列節(jié)能環(huán)保的法案相續(xù)出臺(tái)，對(duì)影響燃料霧化質(zhì)量因素的研究顯得愈發(fā)重要。本試驗(yàn)在機(jī)械噴油泵噴霧質(zhì)量分析系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上，采用閃光攝影法和馬爾文法，分別從宏觀和微觀兩個(gè)角度對(duì)不同噴射壓力下柴油的噴霧特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，從而分析隨著噴油壓力的變化燃油霧化質(zhì)量的變化規(guī)律。

1 噴霧特性試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是為了分析不同噴射壓力下燃油的噴霧特性，噴霧特性又分為宏觀噴霧特性和微觀噴霧特性，對(duì)于宏觀噴霧特性主要是噴霧錐角和貫穿距離，由于本試驗(yàn)選用的噴油器與之配套的發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，噴霧油束總是直接噴射到氣缸壁面上，所以貫穿距離總是大于1的，因此本試驗(yàn)只對(duì)噴霧錐角進(jìn)行測(cè)量分析。對(duì)于微觀噴霧特性主要是霧化液滴尺寸分布，其中平均直徑是微觀噴霧特性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，霧化液滴的平均直徑表示方法很多，最常用的是索特平均直徑[2]，因此本試驗(yàn)主要對(duì)霧化油滴的索特平均直徑進(jìn)行測(cè)量并分析噴油壓力對(duì)柴油霧化質(zhì)量的影響。

1.1 宏觀噴霧特性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用閃光攝影法建立宏觀噴霧特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)柴油的噴霧形態(tài)進(jìn)行拍攝，試驗(yàn)系統(tǒng)布局如圖1所示。由圖可知本系統(tǒng)裝置主要由數(shù)碼相機(jī)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、油泵、噴油器和背景板組成。為了能夠精確的模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧情況，本試驗(yàn)選用噴油器為質(zhì)量較好的德國博世公司生產(chǎn)的道依茨BF6M1013柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器，6孔噴油嘴，噴孔直徑為0.280mm。噴油器中燃料的壓力通過機(jī)械噴油泵手柄進(jìn)行建立，通過增減噴油器調(diào)壓墊片實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油壓力的控制，燃油直接加注到機(jī)械噴油器的儲(chǔ)油筒里，油罐通過接頭連接到機(jī)械噴油泵，再通過高壓油管與噴油器相連。成像采用800萬像素、高分辨率CCD的佳能EOS30D單反數(shù)碼照相機(jī)，分別在20MPa、24MPa和28MPa噴油壓力下對(duì)純柴油的噴霧形態(tài)進(jìn)行拍攝。采用數(shù)碼相機(jī)拍攝便捷、可靠性高，易于對(duì)拍攝位置和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，圖像清晰，實(shí)驗(yàn)成本低，便于讀取和處理，該方法適用于拍攝整個(gè)霧化場(chǎng)[3]。試驗(yàn)采用黑色作為背景以增強(qiáng)背景與噴霧油束的區(qū)分度；由于拍照時(shí)光照不均而造成的亮度不均會(huì)影響圖像的二值化，從而使最終測(cè)量結(jié)果與實(shí)際存在偏差，因此需要針對(duì)亮度不均進(jìn)行校正，以便正確地分離出目標(biāo)液滴[4]，因?yàn)樵囼?yàn)為高速瞬態(tài)噴射，拍攝時(shí)相機(jī)選用常規(guī)模式照片成像效果較差，因此選用運(yùn)動(dòng)模式，因?yàn)槭褂眠\(yùn)動(dòng)模式相機(jī)本身有較高的感光度和快門速度，可以較好地捕捉高速運(yùn)動(dòng)的物體。試驗(yàn)時(shí)相機(jī)在連續(xù)拍攝模式下進(jìn)行拍攝，每個(gè)工況拍攝多張圖片從中選取效果較好的五張圖片進(jìn)行處理測(cè)量并求其平均值。由于試驗(yàn)的目的是對(duì)柴油的噴霧特性進(jìn)行試驗(yàn)研究, 并且噴嘴附近的油束緊密, 濃度太高,無法得到分散的燃料顆粒圖像，因此試驗(yàn)選用燃料噴射進(jìn)入大氣環(huán)境中的試驗(yàn)方案。

圖1 宏觀噴霧特性系統(tǒng)

1.2 微觀噴霧特性試驗(yàn)

微觀噴霧特性試驗(yàn)采用馬爾文法對(duì)噴霧油滴的尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，測(cè)試系統(tǒng)主要由馬爾文激光粒度分析儀和裝有馬爾文控制軟件的計(jì)算和噴射系統(tǒng)組成；馬爾文激光粒度分析儀由英國馬爾文儀器有限公司制造，采用激光衍射技術(shù)對(duì)噴入激光束中的粒子進(jìn)行采集并測(cè)量霧場(chǎng)中粒子的直徑，粒徑測(cè)量范圍為2~2000μm，最大可測(cè)量2500μm的粒子，采用750 mm透鏡，光源為632.8 nm、5 mW氦氖激光器，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的對(duì)噴霧粒子的微觀特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。噴射系統(tǒng)采用和前文宏觀噴霧特性試驗(yàn)同樣的噴射系統(tǒng)，對(duì)分別在20MPa、24MPa和28MPa噴油壓力下對(duì)純柴油的索特平均直徑進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)由噴射系統(tǒng)噴射柴油，馬爾文控制軟件控制馬爾文激光粒度分析儀發(fā)射激光束，接收噴入激光束中的粒子，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算獲得噴霧場(chǎng)中粒子的索特平均直徑D32。

圖2 微觀噴霧特性系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 噴霧錐角

數(shù)碼相機(jī)拍攝的噴射油束圖片如圖3所示，噴霧錐角邊緣不很清晰，不能準(zhǔn)確的測(cè)量噴霧錐角，為了獲得邊緣清晰的圖像，精確的測(cè)量油束錐角，需采用數(shù)字圖像處理技術(shù)利用相應(yīng)的圖像處理軟件進(jìn)行處理，然后進(jìn)行噴霧錐角的測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)采用Matlab 和Photoshop 兩種圖像處理軟件對(duì)所拍攝噴霧油束圖片進(jìn)行處理及測(cè)量噴霧錐角，首先使用Matlab圖像處理功能對(duì)所拍攝的圖片進(jìn)行灰度處理、對(duì)比度增強(qiáng)、濾波處理、邊緣檢測(cè)以及圖像二值化處理，經(jīng)上述方法處理后的圖片如圖4所示，噴霧油束與背景區(qū)分明確，油束邊界輪廓清晰，能較為完整而精確的顯示出油束輪廓，然后利用 Photoshop軟件中的標(biāo)尺工具精確測(cè)量油束的噴霧錐角。噴霧錐角測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表中結(jié)果可知，隨著噴油壓力的增大，噴霧錐角逐漸增大，這是因?yàn)殡S著噴射壓力的增大，噴油速度增大，油氣之間的相對(duì)速度增大，油氣之間的作用力也將增大，致使油滴更容易碎裂，因此燃油噴霧錐角增大。說明在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，通過提高噴油壓力能夠使燃油的霧化質(zhì)量得到改善。

圖3 由攝像機(jī)拍得圖片

圖4 經(jīng)軟件處理后的圖片

表1 噴霧錐角

2.2 霧化油滴的索特平均直徑

利用馬爾文激光粒度分析儀直接測(cè)得不同壓力下的霧化油滴微觀尺寸，并記錄索特平均直徑如表2所示。從表中可以看出，隨著噴油壓力的增大，霧化油滴的索特平均直徑逐漸減小，霧化油滴中小顆粒油滴增多大顆粒油滴減少，燃油霧化質(zhì)量變好， 說明在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)提高噴油壓力可提高燃油霧化質(zhì)量；這與宏觀噴霧特性試驗(yàn)所得結(jié)論是一致的。

表2 霧化油滴的索特平均直徑

3 結(jié)論

（1）隨著噴油壓力的逐漸增大，噴霧錐角逐漸增大，燃油霧化質(zhì)量變好。

（2）隨著噴油壓力的逐漸提高，霧化油滴的索特平均直徑逐漸減小，燃油霧化質(zhì)量提高。

（3）提高噴油壓力可有效改善燃油的霧化質(zhì)量。

[1] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2010.8.

[2] 曹建明.液體噴霧學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社.2013.7.

[3] 韓國棟.霧化效果檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工自動(dòng)化及儀表，2010，37（6):1~4.

[4] 簡林莎，張?zhí)镪?噴霧液滴圖像亮度不均的校正方法[J].計(jì)算機(jī)工程,2006,32（7）：180.

Experimental Study on Spray Characteristics of pure Diesel

Wu Kui, Li Wenlin, Zhang Yejuan, Dong Delei, Cao Jianming
( Automobile Faculty, Chang'an University, Shannxi Xi'an 710064）

The spray characteristics of pure diesel were tested at high pressure high resolution digital camera and Spraytec laser particle size analyzer at 20MPa, 24MPa and 28MPa injection pressure respectively. The results show that with the increase of the injection pressure, the taper angle of the fuel spray increases gradually, and the average diameter of the Sauter decreases gradually, which indicates that increasing the fuel injection pressure can improve the atomization quality of the fuel.

Spray characteristics; spray cone angle; Sauter average diameter; atomization quality

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-212-03

U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-212-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.069

武奎（1992-），男，長安大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及工程。