超高壓噴射條件下非常態(tài)燃油缸內(nèi)噴霧特性

劉琦，劉云生，陳新傳，霍柏琦，歐陽光耀

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超高壓噴射條件下非常態(tài)燃油缸內(nèi)噴霧特性

劉琦1，劉云生1，陳新傳1，霍柏琦1，歐陽光耀2

(1. 92942部隊(duì)，北京，100161； 2. 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢，430033)

為了研究超高壓噴射條件下缸內(nèi)非常態(tài)燃油的霧化特性，分析非常態(tài)燃油各個(gè)物性參數(shù)與壓力之間的關(guān)系；搭建可視化噴霧閃光攝影試驗(yàn)臺(tái)架，在AVL FIRE平臺(tái)上對(duì)噴霧過程進(jìn)行三維數(shù)值仿真；利用噴霧發(fā)展的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，并研究噴射背壓、噴孔直徑對(duì)燃油霧化特性的影響。研究結(jié)果表明：在超高壓噴射條件下，燃油密度、音速和彈性模量的增大有利于油滴在噴嘴出口處獲得較大的湍動(dòng)能，進(jìn)一步提高燃油的霧化質(zhì)量；噴射背壓增大時(shí)油束與缸內(nèi)空氣之間的能量交換加劇，射流擾動(dòng)增強(qiáng)，加劇了油滴的二次破碎；隨著噴孔直徑增大，油束的初始湍動(dòng)能增加，有助于氣態(tài)燃油向燃燒室四周和底部擴(kuò)散發(fā)展。

柴油機(jī)；超高壓；噴霧特性；閃光攝影；物性參數(shù)

隨著全球能源利用標(biāo)準(zhǔn)和排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，各國政府對(duì)柴油機(jī)尾氣排放提出了更高要求[1?2]。柴油機(jī)缸內(nèi)燃油與空氣混合擴(kuò)散是否充分直接決定了燃燒過程是否可以順利進(jìn)行，進(jìn)而影響整機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。高壓共軌系統(tǒng)由于具有靈活可控的噴油策略和較高的噴油壓力，在改善燃燒排放性能方面具有極大的優(yōu)越性。隨著共軌技術(shù)不斷發(fā)展，柴油機(jī)燃油噴射已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)了超高壓(壓力≥180 MPa)噴射[3]，此時(shí)柴油的物性參數(shù)發(fā)生了很大的變化，故在此條件下研究缸內(nèi)燃油的霧化特性具有重要意義。高壓共軌系統(tǒng)通過泄油閥將共軌腔與高壓油泵相連，使燃油的流動(dòng)形成循環(huán)閉合且溫度基本恒定的回路。當(dāng)燃油噴射壓力較高時(shí)，燃油自油箱經(jīng)高壓油泵增壓后流入共軌腔，再經(jīng)噴油器噴入缸內(nèi)，其瞬時(shí)壓力急劇升高，導(dǎo)致燃油的物性參數(shù)發(fā)生了很大的變化。王鈞效等[4?5]的研究表明：當(dāng)燃油溫度高于50 ℃時(shí)，除了運(yùn)動(dòng)黏度受到壓力變化的影響比較小以外，燃油密度、音速和彈性模量隨著壓力增大呈現(xiàn)出了不同程度的遞增趨勢(shì)，增強(qiáng)了噴孔內(nèi)部的空化效應(yīng)，從而改善了燃油在噴孔出口處的初始射流狀態(tài)。本文作者建立柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧仿真模型，模擬燃油與空氣混合擴(kuò)散的整個(gè)過程，利用高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)噴霧發(fā)展過程進(jìn)行圖像采集，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)而研究噴油系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)噴霧特性的影響。

1 燃油物性參數(shù)的變化

1.1 燃油密度

燃油密度的計(jì)算公式[4]如下：

式中：0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下的燃油密度；為燃油壓力。

把溫度對(duì)密度的影響作為修正因素，則修正后的燃油密度M的表達(dá)式為

式中：為高壓共軌系統(tǒng)中柴油溫度；0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下柴油溫度；T為熱膨脹系數(shù)。

不同壓力和溫度下的燃油密度如圖1所示。由圖1可見：當(dāng)燃油溫度升高時(shí)，燃油密度減??；當(dāng)燃油壓力增大時(shí)，燃油密度增大。

1.2 燃油音速

燃油音速的計(jì)算公式[5]如下：

式中：為燃油音速；為黏壓系數(shù)；為黏溫系數(shù)。

不同壓力和溫度下的燃油音速如圖2所示。由圖2可知：當(dāng)燃油溫度升高時(shí)，燃油音速減小；當(dāng)燃油壓力增大時(shí)，燃油音速增大。

溫度/℃：1—40；2—60；3—80。

1.3 燃油彈性模量

燃油彈性模量計(jì)算公式如下：

不同壓力和溫度下的燃油彈性模量如圖3所示。由圖3可知：燃油彈性模量隨著溫度升高而減小，隨著壓力增大而增大，并且增速越來越大。

溫度/℃：1—40；2—60；3—80。

2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

燃油噴射系統(tǒng)采用自主設(shè)計(jì)的超高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，噴油壓力可達(dá)180 MPa。圖像采集裝置為邊長400 mm的正方體高壓定容器，四周與底部均有石英玻璃設(shè)置的觀察口?？刂葡到y(tǒng)包括Freescale微控制器，驅(qū)動(dòng)電路和壓力變送器，圖像采集系統(tǒng)為CY?28ZL低壓觸發(fā)閃光燈和NIKON單反相機(jī)。試驗(yàn)前利用壓氣機(jī)對(duì)高壓定容器內(nèi)部注入空氣，以實(shí)現(xiàn)不同的噴射背壓。試驗(yàn)中主要參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

整個(gè)測(cè)試過程在黑暗條件下進(jìn)行。拍照時(shí)利用單反相機(jī)的BulB門模式采集圖像，保持快門開啟。利用微控制器和驅(qū)動(dòng)電路首先向噴油器發(fā)出1個(gè)控制脈沖，過了一定時(shí)間后向閃光燈發(fā)出1個(gè)閃光脈沖，閃光之后關(guān)閉快門即完成1次噴油過程的圖像采 集[6?7]。

利用Matlab軟件對(duì)燃油噴霧圖像進(jìn)行后處理[8]，結(jié)果如圖4所示。首先利用軟件中的imhist命令繪制直方圖。油束顏色較淺的部分像素灰度較小，油束顏色較深的部分像素灰度較大。油束邊界的劃分主要取決于閥值時(shí)選取，閥值選取越合理，油束邊界的精度越高。本文油束與背景相區(qū)分的閥值在直方圖的2個(gè)波峰之間的波谷處選取。然后，根據(jù)圖像中油束區(qū)與非油束區(qū)像素的不同將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像(亮度小于給定閥值處為0，其余為1)，再提取出二值圖像中像素發(fā)生突變處的像素點(diǎn)，將像素點(diǎn)按照原來的位置回歸到圖像上，就可以得到噴霧貫穿距和噴霧錐角的輪廓(見圖4)。

圖4 噴霧圖像后處理

3 仿真模型

仿真模型采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格劃分工具，在噴霧發(fā)展過程中對(duì)燃燒室的整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行網(wǎng)格劃分[9?10]。將前期已完成的噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)形態(tài)的nozzle文件作為邊界條件導(dǎo)入計(jì)算模型中，有助于將超高壓噴射條件下噴孔內(nèi)部的空化效應(yīng)與燃油噴霧過程耦合起來，三維計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示。燃油噴射過程中的液滴破碎模型選用KH-RT二次破碎模型，碰壁模型選用Amsden O'Rourke模型，可以較好地模擬油滴與壁膜之間的質(zhì)量交換。蒸發(fā)模型選用Dukomicz模型。仿真中其余初始條件與試驗(yàn)條件相同。

圖5 三維計(jì)算網(wǎng)格

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖6和圖7所示分別為噴霧發(fā)展過程的試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果。從圖6和圖7可以看出：由于受到噴孔內(nèi)部空化效應(yīng)的作用，燃油在噴孔出口處獲得了較好的破碎狀態(tài)。同時(shí)根據(jù)本文1.2和1.3節(jié)可知：在超高壓噴射條件下，非常態(tài)燃油音速和彈性模量都隨著壓力增大而大幅度提高。一方面，更高的音速導(dǎo)致噴孔中的壓降較大，產(chǎn)生的氣泡數(shù)量勢(shì)必增加；另一方面，更大的彈性模量減少了燃油分子間的彈性變形，增強(qiáng)了流體湍動(dòng)能的傳遞效果，所以非常態(tài)燃油的空化效應(yīng)變得更加顯著，在噴口出口處獲得了非常高的初始射流速度。在0.5 ms時(shí)，油束向四周的破碎發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)明顯，并且具有較大的破碎面積；隨著噴油過程的進(jìn)行，油束的前部體積不斷擴(kuò)大，在向前噴射的過程中與空氣之間的相互運(yùn)動(dòng)變得更加劇烈，部分燃油發(fā)生汽化后與空氣充分混合；1.5 ms之后，燃油的噴霧貫穿距達(dá)到最大值，油束主體不再沿軸線方向運(yùn)動(dòng)，而是向四周擴(kuò)展，只有少量的燃油發(fā)生碰壁現(xiàn) 象[11?12]。

時(shí)間/ms：(a) 0.5；(b) 1.0；(c) 1.5；(d) 2.0

時(shí)間/ms：(a) 0.5；(b) 1.0；(c) 1.5；(d) 2.0

圖8和圖9所示分別為噴霧貫穿距和噴霧錐角仿真值與試驗(yàn)值比較。從圖8和圖9可以看出：在超高壓噴射條件下，噴油開始時(shí)燃油的噴霧貫穿距和噴霧錐角就迅速增大，油束以較大的噴射速度沿軸線方向向前運(yùn)動(dòng)；隨著噴油過程的進(jìn)行，油束前端與空氣分子不斷發(fā)生碰撞和能量交換，噴霧貫穿速度逐漸減小，但噴霧錐角繼續(xù)增大[13]；1.5 ms后，油束的噴霧貫穿距基本不再發(fā)生變化，只有少部分未得到霧化的燃油發(fā)生碰壁現(xiàn)象。而噴霧錐角進(jìn)一步增大，大部分燃油開始發(fā)生2次破碎，與空氣混合后均勻地分布于燃燒室空間內(nèi)。由圖8和圖9還可以看出：噴霧貫穿距和噴霧錐角的仿真值與試驗(yàn)值基本一致，由此可見噴霧過程仿真計(jì)算的模型以及參數(shù)設(shè)置較為合理，能夠較好地模擬實(shí)際情況[14]。

1—仿真結(jié)果；2—試驗(yàn)結(jié)果。

1—仿真結(jié)果；2—試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 噴射背壓對(duì)噴霧特性的影響

圖10和圖11所示分別為噴射背壓對(duì)噴霧貫穿距和噴霧錐角的影響。由圖10和圖11可以看出：當(dāng)噴射背壓增大時(shí)，噴霧錐角相應(yīng)增大，而噴霧貫穿距離小幅度減小。這是因?yàn)楫?dāng)背壓較大時(shí)，噴孔內(nèi)部的空化流動(dòng)受到阻礙[15]，燃油在噴孔出口處獲得的湍動(dòng)能強(qiáng)度減??；且缸內(nèi)空氣的密度較大，油束在向前運(yùn)動(dòng)的過程中與空氣分子發(fā)生碰撞時(shí)能量損失較大，噴霧貫穿的距離勢(shì)必減小。另一方面，在阻礙油束運(yùn)動(dòng)的過程中較大的背壓加速了油滴從大體積形態(tài)向小體積形態(tài)的轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)了2次破碎的效果，對(duì)油束向四周和底部的霧化發(fā)展起到了促進(jìn)作用，因此噴霧錐角變大。

噴射背壓/MPa：1—0.5；2—1.0；3—1.5。

噴射背壓/MPa：1—0.5；2—1.0；3—1.5。

4.3 噴孔直徑對(duì)噴霧特性的影響

圖12和圖13所示分別為噴孔直徑對(duì)噴霧貫穿距和噴霧錐角的影響。由圖12和圖13可以看出：噴霧貫穿距和噴霧錐角隨噴孔直徑增大而增大。這是因?yàn)楫?dāng)噴孔直徑增大時(shí)，噴油速率變大，燃油自噴孔噴出后的湍動(dòng)能較大，需要更遠(yuǎn)的距離與缸內(nèi)空氣進(jìn)行能量交換，故貫穿距變大。另一方面，增大孔徑對(duì)噴孔內(nèi)部的空化效應(yīng)具有增強(qiáng)的作用，空化氣泡在噴孔出口處潰滅，對(duì)油滴產(chǎn)生一定的沖擊和擾動(dòng)，加劇了其自身的破碎；體積越小的燃油越容易向四周擴(kuò)散并與空氣混合，所以，噴霧錐角相應(yīng)地增大[16?17]。

噴孔直徑/mm：1—0.13；2—0.15；3—0.17。

噴孔直徑/mm：1—0.13；2—0.15；3—0.17。

5 結(jié)論

1) 建立了柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧三維仿真模型，通過可視化高壓共軌噴霧試驗(yàn)測(cè)定，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn) 確性。

2) 在超高壓噴射條件下，燃油的密度、音速和彈性模量的增大使得噴孔內(nèi)部的空化效應(yīng)增強(qiáng)，燃油在噴孔出口處獲得了良好的初始破碎狀態(tài)，促進(jìn)了燃油的射流發(fā)展和霧化擴(kuò)散。

3) 噴射背壓增大時(shí)缸內(nèi)空氣密度變大，導(dǎo)致燃油油束在向前運(yùn)動(dòng)的過程中油滴的破碎和擴(kuò)散效果增強(qiáng)，噴霧錐角增大而噴霧貫穿距減小，故增大噴射背壓有利于改善燃油的霧化特性。

4) 隨著噴孔直徑增大，燃油在噴孔出口處獲得了較大的初始動(dòng)能和較好的破碎效果，噴霧貫穿距和噴霧錐角也相應(yīng)地增大。

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Spray characteristics of non-normal fuel in-cylinder under condition of super-high pressure injection

LIU Qi1, LIU Yunsheng1, CHEN Xinzhuan1, HUO Baiqi1, OUYANG Guangyao2

(1. No.92942 Unit of the Chinese People’s Liberation Army, Beijing 100161, China; 2. College of Power Engineering, Navy University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to study the atomization characteristics of non-normal fuel in-cylinder under the condition of super-high pressure injection, the relationship between physical properties of non-normal fuel and pressure was analyzed. Visual spray flash photography test bench was set up. Three-dimensional numerical simulation of spraying process was completed on AVL FIRE software platform. The accuracy of the simulation model was verified by the experimental results of spray development. The influences of injection back pressures and nozzle diameters on atomization characteristics were studied. The results show that under the condition of super-high pressure injection, the increase of fuel density, sound velocity and elasticity modulus is good for the oil beams to obtain a better jet state at the outlet of nozzle, which further improves the quality of atomization. With the increase of injection back pressure, energy exchange between the oil beams and air becomes more intense, which enhances the jets disturbance and catalyzes the secondary broken of oil droplet. With the increase of nozzle diameter, initial turbulent kinetic energy of oil beams increases, which is helpful for the diffusion development of gaseous fuel to the surrounding and the bottom of combustion chamber.

diesel engine; super-high pressure; spray characteristics; flash photography; physical parameter

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.030

TK421

A

1672?7207(2019)02?0480?07

2018?03?08；

2018?05?09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379212)(Project(51379212) supported by the National Natural Science Foundation of China)

劉琦，博士，工程師，從事動(dòng)力機(jī)械及熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化研究；E-mail：339096073@qq.com

(編輯 伍錦花)