柴油碰壁噴霧特性試驗研究

蘇蒙，張欣，張紀寶

(北京交通大學機電學院，北京 100044)

進入21世紀以來，排放控制以及化石能源枯竭已經成為左右內燃機技術發(fā)展的重要因素。為了解決傳統(tǒng)柴油機NOx和顆粒物排放的問題，一大批柴油機新技術應運而生，比如均質充量壓燃技術、預混合壓燃技術、低溫燃燒技術等[1]。為了使柴油和空氣充分混合，噴油器在活塞壓縮到上止點之前提前噴射，可以延長混合的時間。然而，活塞在壓縮到上止點之前氣缸內壓力和溫度相對較低，在缸內直噴發(fā)動機中，尤其是在小缸徑發(fā)動機中，往往會出現燃油碰壁現象。柴油碰壁會使柴油附著在氣缸套和活塞頂部，在燃燒的過程中產生顆粒物、HC和CO等，導致比較嚴重的排放問題。J. Benajes[2]和Liu[3]先后通過試驗驗證了柴油機采用提前噴射策略會導致燃油大量附著，排放效果變差。為了研究燃油碰壁噴霧特性，國內外學者進行了大量試驗與模擬研究工作，主要研究以下幾個方面對碰壁噴霧特性的影響：環(huán)境氣體條件，包括環(huán)境壓力、環(huán)境溫度等；噴油特性，包括噴射壓力、噴油持續(xù)期、噴油速率等；噴孔特性，包括孔徑、長徑比、邊緣倒角等；燃油特性，包括燃油溫度、黏度、揮發(fā)度、沸點等；壁面特性，包括壁面溫度、干濕壁面等[4-13]。但是大部分的研究工作并沒有對各個方面不同條件的影響程度進行比較。條件的改變會導致燃油速度、動量、黏度以及環(huán)境密度等的改變，都會對碰壁噴霧特性造成影響，哪個因素占主導作用也需要進行更深入研究。本研究對部分噴射和環(huán)境參數進行了比較分析。

在研究柴油碰壁噴霧特性過程中，可視化試驗是目前最主流的研究方法。其中，定容彈能夠方便地對溫度、壓力邊界等條件進行有效控制，已成為國內外學者最為常用的試驗裝置。本研究利用自行設計的定容彈，研究了不同噴射和環(huán)境條件對柴油碰壁噴霧特性的影響。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

定容彈可視化試驗平臺示意見圖1，包括高壓共軌燃油系統(tǒng)、定容彈、高速攝影系統(tǒng)、同步觸發(fā)模塊和氣路系統(tǒng)等。高壓共軌燃油系統(tǒng)控制燃油噴射壓力、噴油脈寬、噴油量等，可以實現燃油的單次噴射。高速攝影系統(tǒng)采用CMOS高速攝影儀，拍攝頻率8 000 幀/s，圖像大小736×736像素。試驗采用背光法拍攝，光源選用LED燈。

1—三相交流電機； 2—高壓油泵； 3—燃油計量閥； 4—控制單元； 5—高壓油軌； 6—光源； 7—噴油器； 8—定容彈； 9—氣瓶； 10—鏡頭； 11—高速攝影機； 12—圖像采集計算機； 13—油箱； 14—粗濾器； 15—細濾器。 圖1 噴霧碰壁可視化試驗平臺示意

碰壁平臺如圖2所示，包括碰壁平板、加熱盤、調節(jié)螺桿和底座。在壁溫試驗中，為了加熱碰壁平板，設計了碰壁平板的加熱裝置。碰壁平板加熱通過加熱盤實現，溫度通過溫控儀進行控制。為了不影響油束發(fā)展，選取碰壁表面邊緣點為壁溫控制點，同時對碰壁表面中心點溫度進行了標定。中心點溫度在300～700 K，邊緣點與中心點溫差小于中心點溫度的4%。另外，為了研究表面粗糙度的影響，還設計了兩種不同表面粗糙度的碰壁平板。

圖2 碰壁平臺結構

1.2 特征參數提取

柴油撞壁后，在平板表面向四周鋪展。破碎的小油滴飛濺出去，與周圍空體相互作用并形成一定的高度。柴油沿平板鋪展的半徑(RW)和油霧騰起的高度即卷吸高度(HW)是評價柴油碰壁特性的兩個重要參數[14-15](見圖3)。照片采用Matlab圖像處理工具箱進行處理，首先對圖像去背景和灰度化處理，然后通過灰度梯度最大值對圖像進行邊緣檢測、分割來提取圖像邊緣[16]。RW和HW的數據通過多次重復試驗取平均值獲得。

圖3 噴霧碰壁特征參數

1.3 試驗方案

試驗選用單孔噴油器，孔徑0.2 mm，噴射壓力范圍60～140 MPa，各噴射壓力下噴油量見表1。

表1 噴油量隨噴射壓力的變化

柴油機工作到壓縮上止點時，缸內壓力一般為3～6 MPa，試驗的環(huán)境壓力根據該范圍取值?；钊敳勘砻鏈囟仍诓裼蜋C的一個工作循環(huán)中變化范圍較小，一般在300～400 ℃之間，試驗中壁溫范圍包含300～400 ℃溫度區(qū)間。噴油器噴孔到活塞頂部或氣缸壁的距離因發(fā)動機不同而不同，大部分在12～40 mm之間，碰壁距離以此為依據來進行設置。柴油碰壁試驗參數設置見表2，其中噴射壓力140 MPa，背壓2 MPa，碰壁距離36 mm，壁溫300 K，表面粗糙度Ra3.2 μm作為參考工況和其他工況條件下試驗得到的數據進行對比，環(huán)境溫度為室溫。Case1～3研究噴射壓力的影響，Case3～5研究環(huán)境壓力的影響，Case3，6～8研究碰壁距離的影響，Case9～14研究壁溫的影響，Case3，15研究壁面粗糙度的影響。

表2 柴油碰壁試驗參數設置

2 試驗結果分析

在碰壁噴霧發(fā)展過程中，油束動量相當大的部分在碰撞過程中損失掉了，剩下的部分主要有三個去向：柴油沿平板鋪展的動量，油滴破碎損失的動量和鋪展、飛濺過程中損失的動量[17]。在不同噴射和環(huán)境條件下，由于碰壁后動量的去向不同，RW和HW的變化也不相同。

2.1 碰壁速度分析

柴油碰壁時動量越大，碰壁后可以轉化成沿平板鋪展和飛濺的動量也越大。當碰壁柴油質量相同時，油束碰壁動量可以通過碰壁速度來表征。本研究通過單孔自由噴霧試驗數據擬合出油束前沿速度與位置的關系曲線，然后根據碰壁距離進行插值得到對應位置速度，該速度即為碰壁速度。不同噴射和環(huán)境條件下的碰壁速度見表3。從表3中可以看出：適當提高噴射壓力能提高碰壁速度；環(huán)境壓力的提高導致環(huán)境密度增加，油束運動的阻力因而增大，碰壁速度減小；碰壁距離的增加使油束運動的路程增加，碰壁速度減小。另外，碰壁平板的壁溫、表面粗糙度不會影響油束碰壁速度。

表3 不同條件下碰壁速度

2.2 噴射和環(huán)境條件對碰壁噴霧特性影響分析

2.2.1噴射壓力對碰壁噴霧特性參數的影響

不同噴射壓力下噴霧圖像見圖4。對比Case1～3試驗結果可知，在60～140 MPa范圍內，噴射壓力的提高對RW和HW的增大都有明顯的促進作用(見圖5)。

圖4 不同噴射壓力下燃油碰壁噴霧圖像

圖5 噴射壓力對燃油碰壁噴霧特性參數的影響

提高噴射壓力會增加油束從噴油器噴出的速度和質量，在一定范圍內可以提高碰壁速度和動量，促進燃油碰壁后鋪展和飛濺作用。但是，噴射壓力的提高對RW和HW增大的促進作用存在逐漸減小的趨勢。

2.2.2環(huán)境壓力對碰壁噴霧特性參數的影響

對比Case3～5試驗結果可知，在2～6 MPa范圍內，隨著環(huán)境壓力的提高，碰壁后RW和HW都減小(見圖6)。環(huán)境壓力變大，增加了定容彈內環(huán)境氣體密度，油束在自由噴霧和碰壁噴霧階段受到的貫穿阻力增大，因而RW和HW都減小，空間分布上呈現出密集緊湊的形態(tài)。同時，油滴碰壁后的飛濺阻力也變大，進一步減小了HW。另外，環(huán)境氣體密度增大會減弱空氣的卷吸作用，不利于燃油與空氣混合。

圖6 環(huán)境壓力對燃油碰壁噴霧特性參數的影響

2.2.3碰壁距離對碰壁噴霧特性參數的影響

對比Case3，Case6～8試驗結果可知，隨著碰壁距離增大，柴油碰壁后RW一直減小，到碰壁后期時，不同碰壁距離條件下RW在數值上非常接近；HW在碰壁前期隨碰壁距離增大而減小，在碰壁后期，尤其是碰壁距離范圍為22～36 mm時，HW反而隨碰壁距離增大而增大(見圖7)。碰壁距離越大，柴油碰壁前的時間越長，油束損失的能量增加，碰壁速度減小，RW隨碰壁距離增大而減小。雖然碰壁距離增大會導致碰壁動量減小，但是碰壁動量減小降低了柴油碰壁的劇烈程度，使碰撞損失的能量減少，油滴破碎作用減弱，導致在碰壁后期短碰壁距離條件下的RW越來越靠近長碰壁距離條件下的RW，長碰壁距離條件下的HW反而超過短碰壁距離條件下的HW。

圖7 碰壁距離對燃油碰壁噴霧特性參數的影響

2.2.4壁溫對碰壁噴霧特性參數的影響

對比Case9～14試驗結果可見，RW受壁溫變化的影響較小，在500 K時達到最大值。HW在壁溫小于550 K之前隨壁溫的增大而逐漸增大，大于550 K之后則逐漸減小，在550 K處到達最大值。當壁溫達到650 K或更高時，卷吸高度出現了陡降的現象(見圖8)。壁溫升高會輻射熱量給油滴，使油滴表面張力減小，更容易破碎，促進RW和HW相對增大。同時，油膜蒸發(fā)產生的氣體會阻礙油滴與壁面接觸，減小壁面阻力和粘附力。但是，當壁溫過高甚至超過柴油沸點時，會導致附壁油膜大量蒸發(fā)，液態(tài)油滴大量減少，使RW和HW相對減小。

圖8 壁溫對燃油碰壁噴霧特性參數的影響

2.2.5表面粗糙度對碰壁噴霧特性參數的影響

對比Case3，15試驗結果(見圖9)，可見表面粗糙度對碰壁后RW和HW的影響較小，兩種表面粗糙度條件下RW和HW基本相同。

圖9 表面粗糙度對燃油碰壁噴霧特性參數的影響

2.3 噴射與環(huán)境條件影響比較分析

為了研究不同噴射和環(huán)境條件對柴油碰壁噴霧特性參數影響的程度，定義了量綱1影響因素I[17]：

Ipinj=pinji/pinj0,

(1)

Ipe=pei/pe0,

(2)

IL=Li/L0。

(3)

式中：pinj0，pe0和L0分別為參考工況下噴射壓力、環(huán)境壓力和碰壁距離；pinji，pei和Li分別為單變量工況下的噴射壓力、環(huán)境壓力和碰壁距離。另外，壁溫的影響比較復雜，且在噴油結束前能夠提取的有效數據相對較少，本研究未對其影響進行比較。壁面粗糙度的影響很小，幾乎可以忽略，也不再進行比較。

定義噴油結束前拍攝到最后一張圖片的時刻為T，T=1.875 ms。通過T時刻的RW或HW來比較影響因素I的作用效果。各量綱1影響因素對碰壁噴霧特性的影響見圖10。對量綱1影響因素和噴霧特性參數進行相關性分析，得到不同量綱1影響因素和噴霧特性參數相關系數r以及擬合直線的斜率k(見表4)。從表4中可以發(fā)現，相關系數r的絕對值都比較接近1，說明不同影響因素和噴霧特性參數都具有較強的相關性。比較擬合直線斜率則可以發(fā)現：噴射壓力對RW的影響最明顯，其次是環(huán)境壓力，碰壁距離的影響最??；對HW影響最明顯的因素仍然是噴射壓力，其次是碰壁距離，環(huán)境壓力的影響最小。

圖10 各量綱1影響因素影響比較

影響因素量綱1噴射壓力RWHW 量綱1環(huán)境壓力RWHW 量綱1碰壁距離RWHWr1.000.99 -0.98-1.00 -0.930.93k17.086.80 -4.26-1.22 -3.383.73

3 結論

a) 提高噴射壓力，在一定范圍內對RW和HW的增大有明顯的促進作用，但是隨著噴射壓力增大，促進作用會逐漸減?。?/p>

b) 隨著環(huán)境壓力的提高，RW和HW都減??；

c) 增大碰壁距離，RW一直減小，到碰壁后期時，不同碰壁距離條件下RW在數值上非常接近，而HW隨碰壁距離增大而增大；

d)RW受壁溫變化的影響較小，在500 K時達到最大值，HW受壁溫變化的影響較大，尤其當壁溫達到650 K或更高時，HW出現了陡降現象，HW在550 K處到達最大值；

e) 表面粗糙度對碰壁后RW和HW影響都很小，幾乎可以忽略；

f) 噴射壓力對RW的影響最明顯，其次是環(huán)境壓力，碰壁距離的影響最??；對HW影響最明顯的因素仍然是噴射壓力，其次是碰壁距離，環(huán)境壓力的影響最小。

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