強(qiáng)渦流場(chǎng)中柴油噴霧擴(kuò)散特性研究

魏衍舉 章旭東 鄧勝才 張 潔 劉圣華 張美娟

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 西安 710049； 2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院， 無錫 214121)

0 引言

目前，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是以汽油和柴油為主的液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。液體燃料從噴射到燃燒完畢，經(jīng)歷了非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程。雖然均質(zhì)混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)包括火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)[1-5]和HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)[6]，名義上為均質(zhì)混合氣燃燒，但是從大量的核模態(tài)顆粒物排放上可以看出，無論對(duì)于柴油機(jī)或汽油機(jī)，其燃燒本質(zhì)都是氣液兩相燃燒，只是汽油液滴的尺度比柴油小一些。而非均相燃燒是顆粒物產(chǎn)生的充分條件。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)主要依靠高壓噴射、稀燃等缸內(nèi)凈化和機(jī)外DPF捕集技術(shù)減少顆粒物的產(chǎn)生。缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的組織對(duì)空氣燃料的分布產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，對(duì)于燃油與空氣混合過程的研究也引起廣泛關(guān)注。燃料-空氣分配過程由多種因素決定，如燃料性質(zhì)、噴射壓力、氣流條件等。通過計(jì)算模擬[7-12]和實(shí)驗(yàn)[13-18]對(duì)柴油的噴霧特性已進(jìn)行了廣泛的研究。KIM等[19]在單缸可視化柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了渦流的特征以及渦流對(duì)燃燒和火焰特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，渦流有助于燃料在燃燒室中分布更均勻，從而減少點(diǎn)火延遲并提高燃燒效率，但沒有對(duì)燃料的混合過程進(jìn)行深入研究。本文在不同強(qiáng)度渦流場(chǎng)中對(duì)柴油噴射油束的擴(kuò)散特性進(jìn)行研究，以期為柴油機(jī)燃燒室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)組織設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 RCM系統(tǒng)

RCM系統(tǒng)包括：供氣子系統(tǒng)、可視化燃燒室模塊、壓縮段、鎖定組件、直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)組件、燃油供應(yīng)系統(tǒng)、高速攝像機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和可視化燃燒室控制系統(tǒng)。圖1為RCM系統(tǒng)的3D模型?？梢暬紵抑睆?0 mm，厚度20 mm，壓縮由鋼塊碰撞到活塞模塊驅(qū)動(dòng)?？焖賶嚎s機(jī)工作時(shí)，直線導(dǎo)軌上的鋼塊負(fù)載首先通過直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在1.5 m的距離內(nèi)從靜態(tài)加速到10 m/s，然后鋼塊撞擊并推動(dòng)活塞模塊向前移動(dòng)以壓縮缸(直徑50 mm，長(zhǎng)600 mm)內(nèi)氣體，平均壓縮速度為7.55 m/s，壓縮比為14，壓縮終了缸內(nèi)壓力為1.5 MPa。

圖1 RCM系統(tǒng)3D模型Fig.1 3D model of rapid compression machine (RCM) system

1.2 燃燒室與渦流塊

該快速壓縮機(jī)燃燒室與氣缸為分離式結(jié)構(gòu)。燃燒室為直徑50 mm、厚度20 mm的扁圓柱形，其軸線與氣缸軸線垂直，其兩端面為石英玻璃觀察窗。采用Phantom Miro eX4型高速攝像機(jī)利用背光法拍攝缸內(nèi)柴油油束的混合過程，拍攝速率為4 000 f/s，圖像分辨率為800像素×600像素。

燃燒室與氣缸間有導(dǎo)氣孔連接，導(dǎo)氣孔直徑為6 mm。根據(jù)導(dǎo)氣孔開口方向不同，形成切向、斜向及直通氣流，如圖2所示，從而形成切向渦流場(chǎng)(出口流向與氣缸夾角為45°)、斜向渦流場(chǎng)(出口流向與氣缸軸線夾角為25°)和直通渦流場(chǎng)。柴油由噴油器孔內(nèi)的高壓共軌噴油系統(tǒng)噴入燃燒室。

圖2 燃燒室、氣缸和渦流塊安裝圖Fig.2 Mounting diagrams of combustion chamber, cylinder and swirl blocks to create tangential, oblique and straight flow1.壓力傳感器 2.噴油器孔 3.燃燒室 4.進(jìn)氣/排氣口 5.渦流塊 6.氣缸蓋 7.氣缸

1.3 工況設(shè)定

采用單噴孔、直徑為0.2 mm的Bosch高壓共軌噴油器，針對(duì)不同渦流場(chǎng)，搭配40、60 MPa 2種噴油壓力?；钊竭_(dá)上止點(diǎn)時(shí)被鎖定，同時(shí)噴油閥打開，噴油器開始噴油，所有工況噴油器噴油脈寬均為5.0 ms。

2 結(jié)果與分析

2.1 等效渦流比

燃燒室渦流比是影響柴油機(jī)混合與燃燒過程的重要參數(shù)。在本研究中,通過比較示蹤粒子相對(duì)于燃燒室圓心的移動(dòng)角計(jì)算渦流瞬時(shí)轉(zhuǎn)速nswirl(r/min)。其中示蹤粒子為直徑0.5 mm、密度0.01 g/m3的聚苯乙烯顆粒，在可視的前提下能夠保證氣流與粒子之間的同步性。如圖3所示，通過計(jì)算相鄰兩幀圖像示蹤粒子旋轉(zhuǎn)角來計(jì)算渦流的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

圖3 利用相鄰兩幀圖像進(jìn)行瞬時(shí)渦流旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算示意圖Fig.3 Instant swirl ratio calculation sketch of two neighbor images

為了便于將本研究中的渦流與柴油機(jī)燃燒室內(nèi)渦流進(jìn)行對(duì)比，通過等效渦流比來評(píng)估RCM燃燒室中渦流強(qiáng)度。將RCM視為柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其等效轉(zhuǎn)速為

nRCM=30vc/S

式中vc——活塞平均運(yùn)動(dòng)速度

S——活塞行程

則RCM燃燒室內(nèi)渦流的等效渦流比為Ω=nswirl/nRCM。

圖4 3種渦流場(chǎng)中瞬時(shí)等效渦流比隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Developing trend of instant equivalent swirl ratio versus time of tangential, oblique and straight flow

圖4給出了切向、斜向和直通3種渦流場(chǎng)中瞬時(shí)等效渦流比的變化曲線。3種渦流場(chǎng)中，切向渦流場(chǎng)具有最大的渦流比，壓縮結(jié)束時(shí)峰值為5.8，與柴油機(jī)相當(dāng)。渦流在初始的5～10 ms內(nèi)由于與燃燒室壁面的摩擦而迅速衰減，然后再在150 ms內(nèi)近似線性衰減。斜向和直通渦流場(chǎng)的渦流比與切向渦流場(chǎng)的有相似的趨勢(shì)。當(dāng)柴油機(jī)以1 000～3 000 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行，沖程時(shí)間從10～30 ms不等，則RCM產(chǎn)生的3種典型渦流場(chǎng)可以代表柴油機(jī)的強(qiáng)、中、弱渦流狀態(tài)。

2.2 切向渦流場(chǎng)的柴油噴霧擴(kuò)散特性

在切向流場(chǎng)中，氣缸內(nèi)的壓縮氣體經(jīng)導(dǎo)氣孔沿燃燒室壁面進(jìn)入燃燒室，氣流的直線運(yùn)動(dòng)在燃燒室圓柱形側(cè)壁面的導(dǎo)流作用下轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，越靠近壁面氣流速度越高，從而形成剛體渦流。

圖5為噴射壓力60 MPa下的柴油噴霧在切向渦流場(chǎng)中的擴(kuò)散過程。0～5 ms為柴油的噴射過程。在此過程中，噴射油束在氣流的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，油束隨氣流在沿圓周方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還向壁面擴(kuò)散。由于此時(shí)壁面處氣流運(yùn)動(dòng)速度最快，壓力最低，噴射結(jié)束后，油霧在壓力梯度的作用下快速向壁面擴(kuò)散，在燃燒室大部分區(qū)域形成貧油區(qū)(7.37 ms)。

圖5 60 MPa下切向渦流場(chǎng)內(nèi)柴油噴霧擴(kuò)散歷程Fig.5 History of diesel spray diffusion process in tangential swirl flow field under injection pressure of 60 MPa

隨著渦流的旋轉(zhuǎn)，壁面處氣流在摩擦力作用下速度逐漸降低，邊界層厚度增加，最高速度帶沿徑向向內(nèi)移動(dòng)至約1/2半徑處，從而形成一個(gè)從壁面到最高壓力帶的壓力梯度。上一階段趨壁的柴油在這種壓力梯度下向內(nèi)擴(kuò)散，形成一個(gè)臺(tái)風(fēng)云狀結(jié)構(gòu)。此時(shí)，柴油噴霧面積急劇增大。接近100%時(shí)，由于氣流運(yùn)動(dòng)動(dòng)量傳遞給油霧，其運(yùn)動(dòng)速度整體下降，壓力梯度減小，擴(kuò)散減緩，直至“臺(tái)風(fēng)眼”衰減消失后油束在渦流場(chǎng)中完全混合(25.3 ms)。

40 MPa噴油壓力下的噴霧面積占比隨時(shí)間的變化規(guī)律與60 MPa相似，如圖6所示，但混合時(shí)間大幅延長(zhǎng)，擴(kuò)散至100%占比耗時(shí)36.8 ms。

圖6 40 MPa下切向渦流場(chǎng)內(nèi)柴油噴霧擴(kuò)散歷程Fig.6 History of diesel spray diffusion process in tangential swirl flow field under injection pressure of 40 MPa

柴油噴霧的燃料-空氣混合過程實(shí)際上經(jīng)歷了4個(gè)階段：①燃料噴射階段，燃料短期內(nèi)被噴入燃燒室腔內(nèi)。②趨壁階段，燃油霧在約2 ms時(shí)間內(nèi)被快速吹向室壁，均勻地涂覆在側(cè)壁上。③快速擴(kuò)散階段，側(cè)壁上的燃油快速向低壓環(huán)帶區(qū)擴(kuò)散，形成臺(tái)風(fēng)云狀結(jié)構(gòu)。④最終擴(kuò)散階段，油霧逐漸布滿整個(gè)視窗。

圖7為柴油噴霧擴(kuò)散面積占比(柴油噴霧面積/燃燒室總面積)隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，噴霧擴(kuò)散過程的4個(gè)階段：燃料噴射階段(OA段)、趨壁階段(AB段)、快速擴(kuò)散階段(BC段)、最終擴(kuò)散階段(CD段)。此外，60 MPa噴油壓力工況相較于40 MPa，柴油噴霧面積占比的峰值和谷值更高，而且噴霧在流場(chǎng)中完全混合更快，所用時(shí)間比40 MPa工況短11.5 ms。這主要是由于在相同渦流場(chǎng)，相同噴油脈寬的情況下，噴油壓力越高，噴油量越多，且燃油霧化效果越好，混合相對(duì)更快。

圖7 切向渦流場(chǎng)中柴油噴霧擴(kuò)散面積占比Fig.7 Development of diesel spray diffusion area in tangential swirl flow field

現(xiàn)代柴油機(jī)噴霧一般由燃燒室中心頂部向活塞頂部凹坑內(nèi)噴射，其擴(kuò)散過程與本研究相比，缺少一個(gè)由壁面向燃燒室中心噴射的過程。由此可知，柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒階段噴射的柴油會(huì)有很大比例涂覆在燃燒室壁面上，對(duì)燃燒及排放造成不利影響。

2.3 斜向渦流場(chǎng)的柴油噴霧擴(kuò)散特性

柴油噴霧在斜向渦流場(chǎng)中的擴(kuò)散特性與切向渦流場(chǎng)中的擴(kuò)散特性相似，如圖8所示，其擴(kuò)散過程也可以分為上述4個(gè)階段。在噴射過程中，噴霧也被渦流彎曲；然而，與切向流場(chǎng)里的噴霧擴(kuò)散相比，斜向流場(chǎng)的噴霧擴(kuò)散具有較短的穿透距離和較小的擴(kuò)散面積。噴霧僅擴(kuò)散一半的圓周，并且在噴霧邊緣和側(cè)壁之間留下大量的空白區(qū)域，而且斜向渦流的“臺(tái)風(fēng)眼”也小得多。這是因?yàn)樾毕驕u流場(chǎng)產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度較小，僅為切向渦流場(chǎng)的1/3左右。

圖8 60 MPa下斜向渦流場(chǎng)內(nèi)柴油噴霧擴(kuò)散過程Fig.8 History of diesel spray diffusion process in oblique swirl flow field under injection pressure of 60 MPa

如圖9所示，斜向流以與氣缸軸線夾角為25°向下吹入腔室，理論上周向速度vT只有約入射速度(vin)的sin25°=0.423倍，總動(dòng)能僅有17.9%轉(zhuǎn)換為周向流，大部分速度和能量轉(zhuǎn)換為湍流，這導(dǎo)致較小的“臺(tái)風(fēng)眼”和更弱的向心燃料輸送速度。

圖9 柴油噴霧的擴(kuò)散路徑和空間分布(p=60 MPa, t=13.2 ms)Fig.9 Diffusion path and spatial distribution of diesel spray, image taken at p=60 MPa, t=13.2 ms

圖10 斜向渦流場(chǎng)中柴油噴霧擴(kuò)散面積占比Fig.10 Development of diesel spray diffusion area in oblique swirl flow field

圖10為在斜向流引起的渦流場(chǎng)中柴油噴霧的擴(kuò)散面積變化規(guī)律。在2種噴射壓力下，初始擴(kuò)散面積呈線性增加，接著油霧在注射結(jié)束后5 ms內(nèi)被驅(qū)動(dòng)到側(cè)壁上。60、40 MPa的趨壁階段分別保持6.38、7.95 ms。進(jìn)入快速擴(kuò)散階段，在60 MPa的噴射壓力下燃料蒸汽通過螺旋臂以10%/ms左右的速度向腔室中心擴(kuò)散。由于斜向氣流很大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為湍流動(dòng)能，渦動(dòng)能僅占17.9%，該擴(kuò)散過程與切向氣流相比較慢。在最終擴(kuò)散階段，與切向流相比，由于較低的旋轉(zhuǎn)速度和離心力產(chǎn)生的渦流中心較小，燃料很快擴(kuò)散充滿渦流中心。噴射壓力為60、40 MPa的總擴(kuò)散持續(xù)時(shí)間為22.5、29.5 ms。

2.4 直通渦流場(chǎng)的柴油噴霧擴(kuò)散特性

切向和斜向渦流場(chǎng)中，柴油噴霧是通過“旋臂”進(jìn)入“臺(tái)風(fēng)”中心的，而在直通渦流場(chǎng)中，當(dāng)空氣從右流到燃燒室中心點(diǎn)的直流渦流塊時(shí)，它垂直地沖向左側(cè)壁，由于入射氣流速度沒有周向分量，入射的氣流很快衰減形成湍流，因此柴油噴霧沒有被氣流彎曲，直接沖向左側(cè)壁面上；此時(shí)雖然渦流強(qiáng)度較弱，但燃料成功地從左側(cè)壁面擴(kuò)散至整個(gè)圓周，并通過湍流向燃燒室中心擴(kuò)散。柴油在湍流中擴(kuò)散時(shí)不能看到明顯的擴(kuò)散路徑，在燃燒室的分布具有隨機(jī)性。如圖11所示，因此在直通流場(chǎng)中沒有看到典型的“臺(tái)風(fēng)”狀分布。

圖11 60 MPa下直通渦流場(chǎng)內(nèi)柴油噴霧擴(kuò)散歷程Fig.11 History of diesel spray diffusion process in straight swirl flow field under injection pressure of 60 MPa

圖12給出了直通渦流場(chǎng)中柴油噴霧擴(kuò)散面積的發(fā)展。該過程也可以分為4個(gè)階段，然而由于低渦旋比和強(qiáng)烈的湍流，趨壁和快速擴(kuò)散之間的邊界更為模糊。擴(kuò)散時(shí)間也比渦流內(nèi)噴霧的擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)，擴(kuò)散速率較低，在60、40 MPa的噴射壓力下，總擴(kuò)散時(shí)間分別為54、70 ms。

圖12 直通渦流場(chǎng)中柴油噴霧擴(kuò)散面積占比Fig.12 Development of diesel spray diffusion area in straight swirl flow field

2.5 3種渦流場(chǎng)柴油噴霧擴(kuò)散特性對(duì)比

雖然不同渦流場(chǎng)的擴(kuò)散速度有很大差異，總體上都可以分為噴射、趨壁、快速擴(kuò)散和最終擴(kuò)散等4個(gè)階段。而且，渦流強(qiáng)度越高、噴射壓力越大，擴(kuò)散越快。如圖13所示，在燃料噴射階段，噴射終了時(shí)，于60、40 MPa的噴射壓力下在切向渦流場(chǎng)中的擴(kuò)散面積分別可達(dá)0.62和0.375，遠(yuǎn)高于在另外兩個(gè)渦流場(chǎng)中的擴(kuò)散面積。在快速擴(kuò)散階段，切向渦流場(chǎng)的擴(kuò)散速度顯著高于斜向渦流場(chǎng)，斜向渦流場(chǎng)同樣高于直通渦流場(chǎng)。

圖13 不同壓力下3種渦流場(chǎng)中柴油噴霧擴(kuò)散面積占比Fig.13 Comparison of spray diffusion area in three flow fields under various injection pressures

圖14 不同壓力下3種渦流場(chǎng)中快速擴(kuò)散階段的柴油噴霧擴(kuò)散面積占比(橫坐標(biāo)已修正)Fig.14 Comparison of spray diffusion area in three flow fields under various injection pressures in rapid diffusion stage (the abscissa was corrected)

油束在切向渦流場(chǎng)中主要依靠渦流徑向壓力梯度，在直通渦流場(chǎng)主要依靠湍流擴(kuò)散，在斜向渦流場(chǎng)中則二者兼而有之，而且渦流的燃油輸送效果明顯高于湍流。另一方面，噴射壓力越大，燃油入射速度越高、霧化也越好，這有利于向氣流中擴(kuò)散。如取v*=vT/vin和p*=pinj/40分別表示入射氣流周向速度轉(zhuǎn)化率和燃油噴射壓力比，截取圖13中所有曲線的快速擴(kuò)散階段，并將圖中橫坐標(biāo)時(shí)間t修正為v*p*t，則所有曲線即可重疊在一起(擴(kuò)散速度相等)，如圖14所示。其中直通渦流場(chǎng)的擴(kuò)散效果相當(dāng)于入射角約為80°的斜向渦流，擴(kuò)散速度為切向渦流的20%。表明渦流強(qiáng)度和燃油噴射速度是影響燃料擴(kuò)散的兩個(gè)最重要參數(shù)，而且擴(kuò)散時(shí)間與渦流切向速度、燃油噴射壓力成反比。

3 結(jié)論

(1)3種渦流場(chǎng)中柴油噴霧混合過程均可分為4個(gè)階段：燃料噴射、壁面趨近、快速擴(kuò)散和最終擴(kuò)散階段。

(2)在相同渦流場(chǎng)中，相同噴油脈寬下，不同噴油壓力工況柴油噴霧面積發(fā)展趨勢(shì)基本一致，60 MPa噴油壓力工況柴油噴霧面積占比的峰值和谷值均高于40 MPa，且其完全混合時(shí)間更短。

(3)在相同噴油壓力及噴油脈寬下，切向渦流場(chǎng)中柴油噴霧面積與視窗面積比的峰值和谷值均最高，直通渦流場(chǎng)中最低。

(4)斜向渦流場(chǎng)從噴油開始到噴霧完全混合整個(gè)過程用時(shí)最短，直通渦流場(chǎng)用時(shí)最長(zhǎng)，在40 MPa和60 MPa噴油壓力下，兩者均相差2倍多。

(5)噴霧面積占比從谷值增長(zhǎng)到1的過程中，3種渦流場(chǎng)中其增長(zhǎng)趨勢(shì)不同：切向渦流場(chǎng)中增長(zhǎng)速度先快后慢，直通渦流場(chǎng)中柴油噴霧面積占比一直緩慢增長(zhǎng)，而斜向渦流場(chǎng)中增長(zhǎng)趨勢(shì)先慢后快。

(6)噴霧油束擴(kuò)散時(shí)間與渦流切向速度、燃油噴射壓力成反比。