柴油機(jī)燃油噴射霧化試驗(yàn)方法及噴霧性能影響因素研究

戎志祥，許輝強(qiáng)，周裁民

(1. 上海滬東造船油嘴油泵有限公司，上海 201913；2. 中船海洋動(dòng)力部件有限公司，上海 201306)

0 引 言

柴油機(jī)的輸出功率和效率，與缸內(nèi)的燃油霧化性能有很大關(guān)系，如何在燃燒室中形成最適合燃燒的混合氣是燃油噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一。

燃油噴射的效果由燃料顆粒直徑、分布、貫穿距離等空間因素決定。通過優(yōu)化后霧化性能來確定所需的噴油壓力、噴孔錐角、噴孔直徑等參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

燃油噴射霧化的效果測(cè)試需要專門的試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、方法及噴霧影響因素等進(jìn)行研究為船用燃油系統(tǒng)噴霧試驗(yàn)設(shè)備搭建和噴霧性能研究提供一定指導(dǎo)和參考。

1 缸內(nèi)噴霧試驗(yàn)方法

噴油油束分為液相和氣相，一般通過試驗(yàn)的方法分別測(cè)試。目前主要的試驗(yàn)方法有紋影法、Mie散射法、激光誘導(dǎo)熒光法和納米火花成影法。

1.1 紋影法

紋影技術(shù)是利用被測(cè)場(chǎng)密度變化相對(duì)于光線折射率變化的一階導(dǎo)數(shù)的原理進(jìn)行被測(cè)場(chǎng)的測(cè)量，是柴油機(jī)噴霧場(chǎng)測(cè)量的常用方法。紋影法不能區(qū)分噴霧場(chǎng)中燃油液滴和燃油蒸氣，只能用于噴霧場(chǎng)的氣相貫穿的測(cè)量。

紋影法試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示[1]，采用532 nm或308 nm的激光作為光源。燃燒室容積為1.2 L，為了觀察燃燒室中的噴油和燃燒狀況，燃燒室設(shè)有6個(gè)105 mm直徑的觀察孔，其中有3個(gè)孔裝有藍(lán)寶石玻璃。同時(shí)燃燒室設(shè)有8個(gè)直徑為19 mm的小孔，其中1個(gè)安裝熱電偶用于測(cè)量試驗(yàn)前燃?xì)鉁囟龋?個(gè)安裝壓電傳感器用于測(cè)量混合氣壓力，2個(gè)用于進(jìn)氣，1個(gè)用于排氣。氣缸壁用電加熱的方式來模擬缸壁溫度，并防止水蒸氣在玻璃上凝結(jié)。

圖1 紋影法測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Schlieren measurement system composition diagram

圖2 為紋影法成像結(jié)果，噴霧影像中黑色區(qū)域?yàn)榧y影法的測(cè)量結(jié)果，白色區(qū)域?yàn)榀B加Mie散射的測(cè)量結(jié)果。

1.2 Mie 散射法

Mie散射原理指具有良好方向性、單色的平行激光束照射到物體表面時(shí)，激光從物面向外散射，其散射光強(qiáng)是粒子直徑、入射光波長(zhǎng)和散射角的函數(shù)，通過測(cè)量散射光強(qiáng)分布，就可以得到被測(cè)粒子的尺寸和分布。利用Mie散射原理可以獲得噴霧場(chǎng)中液相區(qū)的液滴分布特性。散射法是測(cè)量噴霧場(chǎng)液相貫穿的最常用方法之一。

圖3為燃燒室截面圖[2]，燃燒室直徑為45 mm，高度為53 mm。燃燒室上部為噴油器安裝接口，中間部分有4個(gè)垂直的通道，分別用于安裝壓力傳感器和觀察窗（石英玻璃，長(zhǎng)49 mm，寬33 mm，厚20 mm，并使用2 mm的石棉墊圈）。噴射系統(tǒng)采用博世共軌系統(tǒng)，軌壓控制在 300～1 300 bar。噴孔直徑為 115～200 μm。

圖2 紋影法測(cè)量圖像Fig.2 Schlieren method for measuring images

圖3 Mie 散射試驗(yàn)燃燒室截面Fig.3 Mie scattering test combustor section

試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成如圖4所示，包括氙氣頻閃光源，散光片及彩色CCD攝像機(jī)（型號(hào)：Pulnix TMC9700，像素768x484，快門速度1/16 000），攝像機(jī)使用AVL Video-system 513D系統(tǒng)。

圖4 Mie 散射試驗(yàn)設(shè)備Fig.4 Mie scattering test equipment

光源照射到噴霧場(chǎng)，遇到霧化液滴發(fā)生散射，噴霧場(chǎng)的出射光消弱，通過CCD攝像機(jī)拍攝就可分析液相噴霧區(qū)的邊緣輪廓，如圖5所示。

圖5 CCD 攝像機(jī)成像圖Fig.5 CCD camera imaging

1.3 激光誘導(dǎo)熒光法

當(dāng)激光波長(zhǎng)調(diào)諧到分子的某2個(gè)特定能級(jí)時(shí)，分子發(fā)生共振吸收光子能量并激發(fā)到高能態(tài)、處于高能態(tài)的分子不穩(wěn)定，它通過輻射或非輻射方式釋放出能量而返回到基態(tài)。分子從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)所發(fā)射出的光稱為熒光。LIF法用來測(cè)量噴霧場(chǎng)的氣相貫穿，結(jié)合Mie散射法，測(cè)量整個(gè)噴射場(chǎng)的狀態(tài)。

1.4 納米火花成影法

納米火花成影法是利用納米火花發(fā)出的高強(qiáng)度光做為光源照射噴霧區(qū)，測(cè)量燃油液相和氣相噴射，同時(shí)還能測(cè)量噴射液滴。

試驗(yàn)裝置構(gòu)成如圖6所示[3]，其主要組成部分為噴油腔（燃燒室）、快速壓縮機(jī)、高壓共軌噴射系統(tǒng)和納米火花成影系統(tǒng)。

圖6 納米火花成影試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成Fig.6 Composition of nanoscale spark formation test equipment

圖7 為噴油腔的剖面圖，直徑為60 mm，厚度為20 mm，開口處裝有2塊石英玻璃。一邊設(shè)置納米火花裝置，另一邊設(shè)置照相機(jī)（Ikegami FCD-10）。噴油腔上部為噴油器安裝接口。

納米火花發(fā)出的光線強(qiáng)弱由提供的電壓和電極間隙決定。文中試驗(yàn)采用3 mm電極間隙，12 kV供應(yīng)電壓，點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間30 ns，光源貫穿速度超過200 m/s。（外圍油滴的最大速度約為25 m/s）。

圖8為實(shí)際成影圖像。影像分析系統(tǒng)采用Asanuma ASA2000。

圖7 噴油腔剖面圖Fig.7 Injection chamber profile

圖8 納米火花成影圖像Fig.8 Nanoscale spark imaging

2 缸內(nèi)噴霧形成的影響因素

2.1 噴霧過程概述

燃油缸內(nèi)噴霧過程為：高壓燃油從噴孔噴出，保持一段未受擾的液核后才發(fā)生霧化，經(jīng)過一段分裂過程，油液處于完全霧化區(qū)。分裂過程的終點(diǎn)到噴孔的距離稱之為分裂長(zhǎng)度。

由于缸內(nèi)空氣處于高溫高壓狀態(tài)，燃油從噴孔噴出后卷吸高溫氣體，噴霧區(qū)的燃油液滴不斷被卷吸的高溫氣體蒸發(fā)。油束前端部分的液滴進(jìn)入缸內(nèi)時(shí)間早，蒸發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)貫穿距達(dá)到一定距離時(shí)，噴霧前端的液滴被完全蒸發(fā)，完全蒸發(fā)的燃油蒸氣以氣相形式繼續(xù)向前貫穿。此時(shí)，液相區(qū)的燃油液滴蒸發(fā)速率和燃油液滴補(bǔ)給速率達(dá)到平衡，最大液相貫穿距圍繞一個(gè)平均值波動(dòng)直至燃油噴油結(jié)束。因此，噴霧貫穿中存在液相貫穿和氣相貫穿2種形式，如圖9所示，白色部分為液相貫穿，黑色部分為氣相貫穿[4]。

圖9 油束影像Fig.9 Oil beam image

2.2 噴射壓力的影響

噴射壓力對(duì)最大液相貫穿距沒有明顯的影響，壓力增加主要影響貫穿距達(dá)到最大貫穿的時(shí)刻。噴射壓力增加后，噴油孔出口處燃油速度增加，燃油噴射的距離也更遠(yuǎn)，同時(shí)燃油速度增加會(huì)增加空氣卷吸量，在高溫空氣環(huán)境下，卷吸進(jìn)入噴霧場(chǎng)的高溫空氣會(huì)加速燃油液滴蒸發(fā)，使液相貫穿減小，2種情況的綜合作用表現(xiàn)為噴射壓力對(duì)最大液相貫穿距的影響不大。另外，由于噴射壓力增加，噴孔出口處燃油速度增加，燃油液滴貫穿速率顯著增加，所以達(dá)到最大液相貫穿的時(shí)刻會(huì)提前。如圖10所示[3]。

圖10 噴油壓力對(duì)液相貫穿距的影響Fig.10 Effect of injection pressure on the penetration of liquid phase

在研究噴射壓力對(duì)噴霧貫穿影響時(shí)，將氣相貫穿和液相貫穿2種形式結(jié)合起來，得到氣液兩相貫穿的演變過程。從圖11結(jié)果[4]可以看出，貫穿開始初期，氣液兩相同時(shí)向前貫穿，經(jīng)一段時(shí)間后液相貫穿達(dá)到最大值，氣液兩相貫穿開始分離，氣相繼續(xù)貫穿，液相貫穿距則是圍繞一個(gè)平均最大液相貫穿距波動(dòng)。在保持噴油量不變的情況下，噴射壓力越大，液相貫穿結(jié)束的時(shí)刻越早。

2.3 缸內(nèi)溫度的影響

缸內(nèi)溫度對(duì)噴霧區(qū)燃油液滴蒸發(fā)起著至關(guān)重要的作用。缸內(nèi)氣體溫度越高，貫穿過程中卷吸進(jìn)入噴霧場(chǎng)內(nèi)的氣體所含熱能就越多，對(duì)燃油液滴的加熱效果更強(qiáng)，能有效促進(jìn)燃油液滴的蒸發(fā)。隨著缸內(nèi)氣體溫度增加噴霧區(qū)邊緣被完全氣化的液滴數(shù)會(huì)增加，從而導(dǎo)致液相貫穿距和噴霧錐角都會(huì)減小，噴霧變的更細(xì)，如圖 12 所示[6 - 7]。

圖11 噴射壓力對(duì)液相和氣相貫穿距離的影響Fig.11 Effect of injection pressure on liquid and gas penetration distance

圖12 缸內(nèi)溫度的影響Fig.12 The influence of the temperature in the cylinder

此處只是簡(jiǎn)單分析噴霧的影響因素。實(shí)際上，缸內(nèi)溫度和密度的影響極其復(fù)雜，需要更詳細(xì)分析燃料的熱動(dòng)力學(xué)性能等。

2.4 缸內(nèi)壓力/密度的影響

缸內(nèi)氣體壓力或密度增加，一方面使燃油噴霧進(jìn)入缸內(nèi)后貫穿的阻力增加，造成貫穿距減小；另一方面使噴霧卷吸的氣體量增加，對(duì)于缸內(nèi)為高溫氣體情況，卷吸進(jìn)噴霧場(chǎng)的氣體熱能增加，從而使噴霧場(chǎng)中燃油液滴的蒸發(fā)量增加，造成最大液相貫穿距減小。所以恒定缸內(nèi)氣體溫度情況下，缸內(nèi)氣體壓力或密度增加會(huì)導(dǎo)致最大液相貫穿距減小。

根據(jù) Dennis L. Siebers 論文[7]中的噴霧貫穿理論模型，最大液相貫穿距與缸內(nèi)氣體密度或壓力的關(guān)系式為，從圖 13 可知[6 - 7]，液相貫穿距隨缸內(nèi)密度增加而降低，且為非線性關(guān)系。當(dāng)缸內(nèi)氣體的密度較低時(shí)，液相貫穿距對(duì)缸內(nèi)氣體密度的變化敏感，隨密度上升，敏感度降低。缸內(nèi)密度的增加，會(huì)使噴射阻力和蒸發(fā)速度增加，使液相貫穿距離降低，而蒸發(fā)速度的影響并不是線性的。

圖13 缸內(nèi)密度對(duì)液相貫穿距離的影響Fig.13 The influence of the inner cylinder density on the penetration distance of the liquid phase

將瞬態(tài)噴霧情況下液相和氣相2種油束的研究結(jié)合起來，詳細(xì)分析缸內(nèi)氣體壓力對(duì)2種形式的貫穿的影響[4]。

圖14（a）為缸內(nèi)溫度一定時(shí)，缸內(nèi)壓力變化對(duì)貫穿的影響，從圖中可以看到缸內(nèi)壓力改變對(duì)氣相貫穿的影響非常明顯。缸內(nèi)壓力增加，氣相貫穿距和貫穿速率均有明顯降低，相比之下，對(duì)液相貫穿的影響較小，只對(duì)最大液相貫穿距產(chǎn)生影響，缸內(nèi)壓力增加，最大液相貫穿距減小。其原因是：缸內(nèi)溫度一定，氣體壓力或密度增加會(huì)導(dǎo)致噴霧貫穿阻力增加，氣相貫穿的貫穿距和貫穿速率都會(huì)減小，而液相貫穿也會(huì)跟隨這種變化，最大液相貫穿距有一定程度的減小，貫穿速率也會(huì)一定程度變緩。

圖14 缸內(nèi)壓力對(duì)氣相和液相貫穿距離的影響Fig.14 Influence of cylinder pressure on gas and liquid penetration distance

圖14 （b）為缸內(nèi)密度一定時(shí)，缸內(nèi)壓力變化對(duì)貫穿的影響?？梢悦黠@看出，氣相貫穿幾乎不受缸內(nèi)壓力變化的影響，而液相貫穿則表現(xiàn)為隨缸內(nèi)壓力增加，最大液相貫穿距減小的變化趨勢(shì)。其原因是：保持缸內(nèi)氣體密度一定，缸內(nèi)壓力上升引起缸內(nèi)溫度上升，液滴蒸發(fā)速率上升，液相貫穿達(dá)到最大貫穿距的時(shí)刻提前，最大貫穿距降低，更多的液滴以氣相形式貫穿。對(duì)于氣相貫穿，由于缸內(nèi)密度一定，貫穿阻力并沒有變化，氣相貫穿的速率和貫穿距幾乎沒有變化，唯一改變的是氣相貫穿和液相貫穿的分配比例。

2.5 噴孔直徑的影響

實(shí)際上噴孔和蓄壓腔的設(shè)計(jì)在很大程度上能夠影響燃油的流動(dòng)狀態(tài)，如噴孔圓錐形設(shè)計(jì)，噴孔入口圓倒角等結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)，會(huì)改變流場(chǎng)，從而對(duì)噴油的霧化和貫穿距離都有較大影響。大部分SAE論文只對(duì)噴孔直徑有研究，并不涉及流場(chǎng)變化。

噴孔直徑對(duì)噴霧貫穿的影響主要體現(xiàn)在：噴孔直徑減小會(huì)增加燃油的霧化程度，噴霧中液滴直徑會(huì)減小，更容易被高溫氣體氣化，液相貫穿速度和距離都會(huì)減小。

圖15為噴孔直徑對(duì)氣相和液相貫穿距離的影響。噴孔直徑對(duì)氣相貫穿和液相貫穿都有較大影響，尤其氣相貫穿更為明顯。定噴油量情況下，減小噴孔直徑，氣相貫穿距和貫穿速率明顯減小，液相貫穿距和貫穿速率只有小幅減小[4]。

根據(jù) Dennis L. Siebers 論文[7]中的噴霧貫穿理論模型，最大液相貫穿距與噴孔直徑的關(guān)系式為，兩者為線性關(guān)系，從圖16可以看出，噴孔直徑在0.1～0.5 mm范圍內(nèi)，液相貫穿距隨噴孔直徑增加而增加，且兩者之間為線性關(guān)系，而改變缸內(nèi)溫度，缸內(nèi)密度，噴油孔壓降以及燃油型號(hào)，僅僅影響液相貫穿距與噴孔直徑之間線性關(guān)系的斜率，且交匯于原點(diǎn)（噴孔直徑為0，液相貫穿距為0）。這對(duì)于小缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)顯得更為重要，因?yàn)樾⌒腿紵倚枰紤]油束撞擊壁面的問題。

圖15 噴孔直徑對(duì)氣相和液相貫穿距離的影響Fig.15 Influence of nozzle diameter on gas and liquid penetration distance

圖16 噴孔直徑對(duì)最大液相貫穿距離的影響Fig.16 The influence of the diameter of the nozzle on the maximum liquid penetration distance

2.6 噴油量的影響

在極短的噴油持續(xù)期下，液相噴霧貫穿距還未達(dá)到最大值時(shí)就開始衰減，如果增加噴油量（噴油持續(xù)期增加），液相貫穿會(huì)繼續(xù)增加，直至液相貫穿達(dá)到最大液相貫穿距為止，液相貫穿距不再隨噴油量增加而增加。

在給定噴油系統(tǒng)和噴射環(huán)境的情況下，通過改變噴油持續(xù)期來改變噴油量，噴油量對(duì)氣相貫穿和液相貫穿都沒有影響，如圖17所示。

圖17 噴油量對(duì)液相貫穿距離的影響Fig.17 Effect of fuel injection on the penetration distance of liquid phase

3 結(jié) 語(yǔ)

由以上分析知，影響燃油系統(tǒng)噴射效果的設(shè)計(jì)參數(shù)和邊界條件主要為噴射壓力、噴孔直徑、缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度、噴油量。前三者主要影響燃油噴射液相貫穿距離；缸內(nèi)溫度影響液相貫穿距和噴霧錐角；噴油量在未到最大貫穿距離時(shí)影響液相貫穿距。在進(jìn)行噴霧試驗(yàn)設(shè)備研制中應(yīng)結(jié)合燃油系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)和霧化影響因素，合理設(shè)計(jì)霧化試驗(yàn)設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù)。同時(shí)，也應(yīng)注意到霧化試驗(yàn)多為單孔噴射試驗(yàn)，不需考慮噴射油束的空間分布，而實(shí)際應(yīng)用中需考慮噴射油束的空間分布，這在設(shè)計(jì)噴孔空間結(jié)構(gòu)和噴油器安裝角度和方向時(shí)需重點(diǎn)考慮。