外開(kāi)式直噴氫氣噴嘴射流特性研究

張策，孫柏剛，汪熙，包凌志，柴華

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

在能源危機(jī)和環(huán)境污染的嚴(yán)峻形勢(shì)下，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)面臨著極大的挑戰(zhàn)[1-2]。隨著“歐六”、“國(guó)六”等非常嚴(yán)格的最新排放法規(guī)陸續(xù)出臺(tái)，加之“巴黎協(xié)定”對(duì)溫室氣體排放提出的限制，尋找高效、清潔、可持續(xù)的替代燃料已成為汽車(chē)行業(yè)的重要任務(wù)。氫氣是無(wú)碳能源，作為車(chē)用燃料可以消除排放污染，而且是可持續(xù)的能源。近年來(lái)，隨著氫能制取、儲(chǔ)存和利用技術(shù)的日趨成熟，以氫氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)也備受關(guān)注。

氫內(nèi)燃機(jī)從氫氣噴射方式上主要分為進(jìn)氣道噴射(Port Fuel Injection,PFI)和缸內(nèi)直噴(Direct Injection,DI)。對(duì)于PFI氫內(nèi)燃機(jī)，氫氣占據(jù)一部分氣缸工作容積會(huì)導(dǎo)致輸出功率較低[3-4]，同時(shí)有可能誘發(fā)爆震、回火等異常燃燒[5-6]。DI氫內(nèi)燃機(jī)避免了氫氣占據(jù)氣缸工作容積的問(wèn)題，而且可以抑制回火、早燃的發(fā)生[7]。但是，DI氫內(nèi)燃機(jī)的熱效率和NOx排放與氫氣、空氣的缸內(nèi)混合質(zhì)量有很大關(guān)系[8]。而DI內(nèi)燃機(jī)的混合氣形成過(guò)程受?chē)娚涮匦?、氣流運(yùn)動(dòng)特性及燃燒室的綜合影響，其中氣體射流特性居于主導(dǎo)地位，氣體射流引起的湍流會(huì)進(jìn)一步影響燃燒和排放[9]。噴射時(shí)刻、噴射壓力、噴射方向、噴孔數(shù)量等噴射參數(shù)被廣泛研究。S.Kaiser等[10]研究了側(cè)置噴嘴的噴氫時(shí)刻對(duì)混合氣形成的影響，研究表明早噴時(shí)氫氣射流增加了缸內(nèi)流場(chǎng)的速度，而中噴和晚噴對(duì)缸內(nèi)流場(chǎng)影響不大。Salazar Victor M等[11]研究了噴嘴數(shù)量對(duì)混合氣形成的影響，研究發(fā)現(xiàn)單孔噴嘴的氫氣射流不受缸內(nèi)滾流的影響；對(duì)于5孔和6孔噴嘴，早噴時(shí)可觀察到射流快速貫穿氣缸，混合過(guò)程中射流撞壁。T.Wallner等[12]研究了噴嘴數(shù)量和噴嘴位置對(duì)DI氫內(nèi)燃機(jī)的影響，側(cè)置噴嘴的氫氣射流朝向火花塞，中置噴嘴的氫氣射流朝向活塞，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)側(cè)置噴嘴的燃燒持續(xù)期較中置噴嘴降低50%。R.Scarcelli等[13]通過(guò)試驗(yàn)和CFD仿真(RANS)研究了單孔噴嘴噴射壓力對(duì)混合氣形成的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于中置式單孔噴嘴，低壓噴射(2.5 MPa)較高壓噴射(10 MPa)在點(diǎn)火時(shí)刻形成了更為理想的混合氣。

綜上所述，氫氣射流的相關(guān)研究多圍繞單孔或多孔噴嘴。直噴噴嘴還可以采用壓電晶體外開(kāi)軸針式噴嘴，它具有環(huán)形外斜置噴孔，而且響應(yīng)時(shí)間快、噴霧形態(tài)穩(wěn)定性高、徑向貫穿距離大、噴霧錐角大，更適用于氣體燃料的噴射。而關(guān)于此類(lèi)型噴嘴的氫氣射流研究很少，本研究針對(duì)該類(lèi)型噴嘴展開(kāi)氫氣射流特性研究，明確噴射參數(shù)對(duì)射流特性的影響規(guī)律，為直噴氫內(nèi)燃機(jī)噴射策略的制定提供依據(jù)。

1 氫氣射流特性試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

針對(duì)一款壓電晶體外開(kāi)軸針式氫氣噴嘴，設(shè)計(jì)搭建了噴嘴可視化試驗(yàn)平臺(tái)(見(jiàn)圖1)，采用紋影法對(duì)氫氣射流形態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

1—計(jì)算機(jī)；2—時(shí)序控制裝置；3—數(shù)據(jù)采集；4—高速相機(jī)；5—電流卡鉗；6—瞬態(tài)壓力傳感器；7—瞬態(tài)壓力傳感器；8—溫度傳感器；9—穩(wěn)壓腔；10—減壓閥；11—?dú)錃猓?2—?dú)錃鈬娮欤?3—刀口；14—球面鏡；15—定容裝置；16—球面鏡；17—鹵素?zé)簦?8—壓力表；19—放氣閥；20—截止閥；21—氮?dú)狻?/p>

噴嘴可視化測(cè)試平臺(tái)主要包括定容噴霧模擬裝置、氫氣和氮?dú)獬渑艢庀到y(tǒng)、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)。定容噴霧裝置為容積1.6 L的立方體，觀察窗由石英玻璃制成，尺寸為127 mm×107 mm，厚度為20 mm。試驗(yàn)中采用Phantom V7.3高速攝像機(jī)，它的最大分辨率為512×384，最高拍攝速度為15 037幀/s，曝光時(shí)間為20 μs，并且支持外部觸發(fā)拍攝，因此能夠保證在氫氣噴射的同時(shí)，完整記錄噴射過(guò)程中定容裝置內(nèi)部流場(chǎng)的變化。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用軸針錐角90°的噴嘴，針閥最大升程為30 μm，噴嘴結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

驅(qū)動(dòng)信號(hào)為方波TTL信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電壓幅值為146 V，最大電流為8 A，脈寬范圍從0.5 ms到5 ms。噴嘴垂直安裝在定容彈頂部。為避免射流受康達(dá)效應(yīng)的影響，即流體如果與壁面過(guò)近時(shí)可能在偏離原本的流動(dòng)方向的同時(shí)產(chǎn)生隨壁面方向流動(dòng)的傾向，噴嘴安裝在定容彈內(nèi)部，噴嘴頂端距離定容彈內(nèi)表面6 mm。

直噴氫內(nèi)燃機(jī)在整個(gè)壓縮行程都可進(jìn)行氫氣噴射，壓縮行程中缸內(nèi)壓力變化大，將對(duì)氫氣射流的貫穿距離和噴射錐角產(chǎn)生影響。所以需要在不同噴射壓力、不同噴射背壓條件下研究氫氣射流貫穿距離、錐角、卷吸率等主要參數(shù)的變化規(guī)律，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，每次噴射間隔2 min，以確保定容彈內(nèi)的氣體處于靜止?fàn)顟B(tài)。

表1 氫氣射流試驗(yàn)參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中高速攝影拍照得到的圖像進(jìn)行處理，利用Matlab將射流圖像處理成灰度圖，通過(guò)減弱背景深度以突出顯示射流主體圖。鄧俊等[14]在研究單孔電磁閥式噴嘴的氫氣射流貫穿距離時(shí)主要關(guān)注了軸向貫穿距離，而外開(kāi)軸針式噴嘴的射流具有更強(qiáng)的徑向擴(kuò)散性。Sankesh等[15]在外開(kāi)軸針式噴嘴的天然氣射流特性的研究中定義了軸向貫穿距離、徑向貫穿距離和射流錐角，本研究也采用此方法測(cè)量貫穿距離、錐角等重要射流參數(shù)(見(jiàn)圖3)。

圖3 射流貫穿距離和錐角示意

將射流圖像沿軸向分為左右兩半，分別測(cè)量軸向最長(zhǎng)距離y1、y2和徑向最長(zhǎng)距離x1、x2，進(jìn)而利用式(1)和式(2)計(jì)算軸向貫穿距離和徑向貫穿距離。

(1)

x=x1+x2。

(2)

卷吸率是指射流主體區(qū)域中混入背景氣體的比例，它可以反映氣體射流混合情況，如式(3)所示。其中VH2表示射流圖像中氫氣射流主體所占體積，Vinj表示實(shí)際氫氣的噴射量。其中，對(duì)于射流體積VH2的計(jì)算，由于噴嘴結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱(chēng)性，可以先對(duì)圖像中射流主體進(jìn)行微分并計(jì)算每段微元的體積(見(jiàn)式(4))，取r(x)為每個(gè)dV微元下的平均半徑，然后進(jìn)行積分求出總射流體積。

(3)

dVH2=πr2(x)dx。

(4)

為了獲取實(shí)際的氫氣噴射量Vinj，利用定容彈對(duì)噴嘴展開(kāi)氫氣射流流量試驗(yàn)。測(cè)量方法是在某一噴氫脈寬下將氫氣重復(fù)噴射，然后利用氣體狀態(tài)方程根據(jù)定容彈的壓力增加值來(lái)計(jì)算每次噴射的平均質(zhì)量流量。由于不同噴射壓力和不同背景壓力下氫氣射流過(guò)程都遠(yuǎn)大于臨界壓力比，因此，根據(jù)噴射理論[16]，氫氣射流的質(zhì)量流量只和定容彈的壓力、溫度、密度等有關(guān)。Vinj可根據(jù)噴射時(shí)間由氫氣射流的體積流量求出，氫氣射流流量見(jiàn)表2。

表2 氫氣射流的流量

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氫氣噴射歷程

如圖4所示，在噴射壓力為8 MPa和14 MPa、背景壓力0.1 MPa和0.5 MPa的4種工況下，對(duì)氫氣噴射過(guò)程中取5個(gè)時(shí)間點(diǎn)，圖像為處理后的灰度圖，并觀察射流發(fā)展特征。對(duì)比不同噴射壓力下的氫氣射流特征可以發(fā)現(xiàn)，噴射壓力增加會(huì)促進(jìn)氫氣射流的軸向貫穿距離的增加，同時(shí)會(huì)增強(qiáng)射流向徑向空間的擴(kuò)張，進(jìn)而增大徑向貫穿距離。對(duì)比不同背景壓力下的氫氣射流特征可以看出，環(huán)境壓力的增大不僅會(huì)明顯減小氫氣射流的貫穿距離，同時(shí)還會(huì)抑制徑向貫穿距離的增加。另外圖像顏色越深代表該區(qū)域氫氣濃度越高，可以明顯看出背景壓力增大使氫氣射流更加集中，濃度更高。

圖4 不同噴射壓力、背景壓力下的氫氣噴射發(fā)展過(guò)程

通過(guò)觀察射流的發(fā)展過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，氫氣從外開(kāi)式噴嘴噴出后，形成了沿軸針錐角方向的射流軌跡線，這些射流軌跡線呈錐面形狀發(fā)展，組成從噴嘴射出的初步發(fā)展形態(tài)。董全等[17]研究發(fā)現(xiàn)汽油的油線會(huì)延伸到噴霧的前鋒面，且油線狀態(tài)十分穩(wěn)定，同時(shí)在最前端出現(xiàn)霧化和大尺度渦流。對(duì)比不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的圖像發(fā)現(xiàn)，氫氣射流發(fā)展過(guò)程中，氫氣線非常短小，然后會(huì)迅速膨脹并向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)展，與空氣產(chǎn)生較深程度的摻混現(xiàn)象。

從噴射后0.3 ms開(kāi)始，可以發(fā)現(xiàn)在圓錐形射流的遠(yuǎn)場(chǎng)處產(chǎn)生了一個(gè)很大的氣體渦流，如圖4中的曲線圈所示。該渦流處的徑向貫穿距離明顯大于射流近場(chǎng)的徑向貫穿距離，同時(shí)隨著噴射脈寬的發(fā)展，渦流半徑隨之增大。背景壓力的增大抑制了渦流的產(chǎn)生，使射流更集中于噴嘴軸線附近，進(jìn)而抑制了射流體積擴(kuò)大。而噴射壓力的增大促進(jìn)了渦流的產(chǎn)生，渦流半徑更大，氫氣射流更容易朝徑向發(fā)展。從圖中顏色深度可以發(fā)現(xiàn)，大尺度渦流大大降低氫氣局部濃度，促進(jìn)稀燃，同時(shí)與噴嘴附近較高濃度的氫氣線加強(qiáng)了分層燃燒，有助于加快燃燒、降低局部燃燒溫度。

2.2 射流貫穿距離及錐角

圖5示出了背景壓力分別為0.1 MPa和0.5 MPa時(shí)氫氣射流的軸向貫穿距離隨噴射壓力的變化。

圖5 軸向貫穿距離變化

在噴射脈寬較小時(shí)，噴射壓力對(duì)射流軸向貫穿距離的影響較小，這是由于噴射初期氫氣噴射流量并不穩(wěn)定。軸向貫穿距離隨著噴射壓力的增加而增加，隨背景壓力的增大而減小。這是由于氫氣射流擁有更大的質(zhì)量流量或更小的環(huán)境阻力，進(jìn)而增加了射流的擴(kuò)散范圍。

圖6示出背景壓力分別為0.1 MPa和0.5 MPa時(shí)氫氣射流的徑向貫穿距離隨噴射壓力的變化。通過(guò)對(duì)比不同噴射脈寬可以發(fā)現(xiàn)，射流在脈寬較小時(shí)徑向擴(kuò)散更快，然后隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸變慢。同時(shí)，噴射壓力的增大會(huì)促進(jìn)徑向貫穿距離的增大，背景壓力的增大會(huì)抑制徑向貫穿距離的增大。通過(guò)對(duì)比圖4和圖6發(fā)現(xiàn)，噴射壓力增大可以促進(jìn)大尺度渦流的形成，這種渦流不僅可以促進(jìn)混合氣形成，還可以推動(dòng)環(huán)境氣體形成大尺度滾流，進(jìn)而加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高稀燃能力?/p>

圖6 徑向貫穿距離變化

射流錐角是評(píng)價(jià)射流質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一。圖7示出射流錐角隨噴射壓力和背景壓力的變化。由圖中可以看出射流錐角曲線基本重合為一條曲線，這表明射流錐角受?chē)娚鋲毫捅尘皦毫Φ挠绊戄^小。在噴射初期，射流錐角達(dá)到最大，為80°左右，然后隨著噴射脈寬的發(fā)展而逐漸減小，最后穩(wěn)定在22°左右。這說(shuō)明在直噴氫內(nèi)燃機(jī)噴氫過(guò)程中，盡管活塞上行會(huì)改變缸內(nèi)壓力，或隨著噴射策略改變噴射壓力時(shí)，氫氣射流錐角的發(fā)展都不受影響。因此可以采用多次噴射的方式以獲得更大的射流錐角，有利于混合氣的形成。

圖7 噴射壓力及背景壓力對(duì)射流錐角的影響

2.3 射流體積及卷吸率

圖8示出了射流體積隨噴射壓力和背景壓力的變化。噴射壓力的增大可以使射流體積更大，而背景壓力的增大會(huì)抑制射流體積的增大，但隨著背景壓力的增大，抑制作用逐漸減弱。

圖8 噴射壓力及背景壓力對(duì)射流體積的影響

圖9a和圖9b分別示出噴射壓力和環(huán)境壓力對(duì)氫氣射流卷吸率的影響?？梢钥闯觯淞骶砦孰S噴射壓力的增加而減小，但隨著噴射壓力的增加，抑制效果逐漸減弱。另外，射流卷吸率隨背景壓力的增加而增加。射流質(zhì)量隨著噴射時(shí)間的發(fā)展持續(xù)增加，這導(dǎo)致卷吸率的增長(zhǎng)逐漸放緩。卷吸率φ由實(shí)際氫氣的噴射量Vinj和射流體積VH2決定，雖然噴射壓力增大促進(jìn)射流體積VH2，但是實(shí)際氫氣的噴射量Vinj會(huì)增大更多，因此卷吸率φ反而會(huì)更小，而背景壓力增大的效果正好相反。氫氣與空氣在化學(xué)計(jì)量比下的體積比是2.38，則在理論空燃比下氫氣射流的卷吸率為1.38。而從圖中可以看出，盡管大噴射壓力或小背景壓力下的氫氣射流卷吸率很小，但都高于理論空燃比下的卷吸率，這有助于直噴氫內(nèi)燃機(jī)的稀薄燃燒和分層燃燒。

圖9 噴射壓力及背景壓力對(duì)卷吸率的影響

2.4 貫穿距離歸一化

在不同噴射壓力、背景壓力下，軸向和徑向貫穿距離的絕對(duì)數(shù)值很難進(jìn)行橫向的比較分析，而且過(guò)小的貫穿距離絕對(duì)數(shù)值容易被忽視，因此對(duì)軸向和徑向貫穿距離作歸一化處理可以更準(zhǔn)確地研究相對(duì)關(guān)系。在研究單孔噴嘴的貫穿距離特性時(shí)經(jīng)常用到自相似參數(shù)x/y，本研究也利用此方法研究外開(kāi)軸針式噴嘴的氫氣射流貫穿距離特性。不同噴射壓力、背景壓力下自相似參數(shù)的變化見(jiàn)圖10。

圖10 自相似參數(shù)曲線

在不同噴射壓力、背景壓力下，自相似參數(shù)x/y在噴射脈寬為0.25 ms以后逐漸趨近于一條曲線上，并逐漸穩(wěn)定在0.59左右。自相似參數(shù)x/y越大，表明了相對(duì)于軸向貫穿距離來(lái)說(shuō)徑向貫穿距離越大，這說(shuō)明射流更易于朝徑向空間發(fā)展。Rogers T等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，單孔噴嘴氫氣射流的自相似參數(shù)為0.25，這說(shuō)明外開(kāi)式噴嘴的氫氣射流與單孔噴嘴的氫氣射流在同等噴射工況下相比，徑向貫穿距離更大，擁有更優(yōu)異的徑向擴(kuò)散性，更利于氫氣與空氣混合。

3 結(jié)論

a)與孔式噴嘴不同，外開(kāi)式噴嘴的氫氣射流近場(chǎng)呈現(xiàn)錐形結(jié)構(gòu)，且形成了沿軸針錐角方向的軌跡線,而射流遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)展成大尺度球形渦流結(jié)構(gòu);

b)噴射壓力增大，軸向和徑向貫穿距離增大而卷吸率減??；背景壓力增大，軸向和徑向貫穿距離減小而卷吸率增大；射流錐角的變化與噴射壓力或背景壓力的關(guān)系不大，但隨噴射脈寬的增大從80°逐漸變小并趨近于22°;在使用外開(kāi)式直噴氫氣噴嘴時(shí)，采用合適的噴射壓力和背景壓力、采取多次噴射方式有利于混合氣形成;

c)在不同的噴射壓力和背景壓力下，氫氣射流在噴射脈寬0.25 ms后都具有較好的自相似性，并且自相似參數(shù)(x/y)逐漸趨近于0.59左右，徑向擴(kuò)散性?xún)?yōu)于單孔噴嘴氫氣射流。