基于LSD技術的柴油噴霧特征直徑研究

顏杰， 董全， 任曉光， 蔡志勇， 倪佐

(1.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

隨著能源危機和環(huán)境污染的情況日益加劇，國內外開始提倡節(jié)能減排的環(huán)保理念[1]，其中優(yōu)化傳統(tǒng)內燃機的燃燒效率和熱效率，提高燃油利用率，降低有害氣體特別是溫室氣體的排放仍將是控制溫室效應和大氣污染的主要措施及手段。

在發(fā)動機中，評價燃油霧化質量的其中一個參數(shù)就是噴霧粒徑，發(fā)動機工作時，液滴一邊蒸發(fā)一邊燃燒，若油滴直徑過大，蒸發(fā)效率低，蒸發(fā)未完全的液滴碳化，排放惡化，油滴直徑過小蒸發(fā)效率高，燃燒速度快，從而導致缸內溫度和壓力驟升，發(fā)動機爆震、敲缸現(xiàn)象易發(fā)生，損害發(fā)動機[2]。因此，缸內燃油噴霧粒徑分布特性是優(yōu)化缸內混合氣分布和燃燒結構的重點之一。

目前應用最廣泛的柴油噴霧粒徑測試技術是相位多普勒粒子技術(phase droppler partice analyzer，PDPA)。Rakesh等[3]利用PDPA研究異辛烷、乙醇和正丁醇3種燃料在六孔螺線管噴油器上的噴霧粒徑分布，結果表明乙醇噴霧具有較高的表面張力、粘度和蒸發(fā)潛熱，它的噴霧液滴直徑較大；董全等[4]采用PDPA技術對V形交叉孔噴油嘴的噴霧場粒子進行測量，結果表明，無論是粒子算術平均直徑(arithmetic mean diameter,AMD)還是索特平均直徑(sallter mean diameter,SMD)，交叉孔噴油嘴都比單孔噴油嘴更小。PDPA技術雖然測試精度較高，但是因為單點測量，測試速度慢，且無法獲取瞬態(tài)噴霧粒徑分布及噴霧粒徑分布在時空尺度上的波動特性。

因此國內外學者開發(fā)了新的測試方法，平面激光測徑技術(laser sheet drop-sizing，LSD)。LSD技術是面測量，它能夠獲取一次噴射過程中一個噴霧二維平面的粒徑分布，具有可獲取瞬態(tài)噴霧粒徑分布及噴霧粒徑分布在時空尺度上波動特性的優(yōu)點。Jermy等[5]對比LSD技術和PDPA技術發(fā)現(xiàn)，LSD在噴霧核心處實驗精度更加可靠，且具有更快的數(shù)據(jù)采集速度。曾緯等[6]在LSD的基礎上進行改進，與雙相激光誘導熒光法結合，進一步降低汽化對試驗的影響，研究正己烷的噴霧粒徑，其SMD結果與PDPA測試結果最大偏差約為14%。Dongyuan等[7]使用LSD技術研究了高壓環(huán)境下替代航空燃料的噴霧特性。

但目前研究噴霧粒徑只研究索特平均直徑，沒有進一步對噴霧特征直徑進行研究。噴霧特征直徑對于探究液滴尺寸分布具有重要意義，尤其是后續(xù)燃燒問題上。當?shù)玫教卣髦睆胶螅梢赃M一步評價液滴尺寸發(fā)散程度。LSD是面測量，十分有利于特征直徑的數(shù)值獲取。

基于以上背景，本研究采用平面激光測徑技術搭建了一套用于研究柴油噴霧粒徑分布的試驗平臺，通過對圖像信號強度和噴霧粒徑之間的高精度標定，獲取不同工況條件下的可視化圖像，深入了解缸內柴油噴霧粒徑分布特性，尤其是特征直徑，這對優(yōu)化發(fā)動機燃燒結構具有重要意義。

1 LSD技術原理與試驗系統(tǒng)

1.1 LSD平面激光測徑法原理

平面激光測徑技術，結合了激光誘導熒光法與米氏散射法，是目前測試噴霧兩維粒徑分布最為有效的方法[8]。主要是利用激光照射添加熒光劑的噴霧，噴霧液滴受到激光激發(fā)后電子能級發(fā)生躍遷，當電子從高能級回落至低能級時將發(fā)出熒光，同時噴霧液滴中還伴隨著散射光發(fā)出。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熒光強度If正比于液滴的體積(D3)，散射光強度Is正比于液滴的表面積(D2)，因此D32(索特平均直徑)可由式(1)計算：

(1)

式中：SMD(x,y)為在位置(x,y)處的索特平均直徑；K為標定系數(shù)。

1.2 試驗系統(tǒng)簡介

LSD技術測試噴霧粒徑特性的系統(tǒng)布置圖如圖1所示，該試驗系統(tǒng)主要由5部分組成：激發(fā)光源系統(tǒng)、定容彈系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、圖像采集單元和時序控制系統(tǒng)。首先Nd：YAG脈沖激光器經(jīng)過片光器產(chǎn)生片狀激光射向定容彈里的噴霧，燃油噴射系統(tǒng)噴射出的油霧受激光激發(fā)后產(chǎn)生的熒光和散射光被CCD相機分別采集到，CCD相機前連接裝有266 nm的LIF和MIE濾波片的雙像器，時序控制系統(tǒng)控制各個系統(tǒng)之間工作時序。

圖1 試驗系統(tǒng)總成圖

1.3 試驗工況設置

試驗主要參數(shù)如表1。因高溫環(huán)境下會加劇柴油的汽化速度，熒光信號發(fā)生波動，測試精度受到影響[9]，故本文基于常溫環(huán)境下開展研究。同時，當柴油與氧氣分子接觸時柴油的熒光將會熄滅[10]，尤其當柴油氣相時熄滅幾率增大，故本試驗的背景氣體為氮氣。柴油本身受激發(fā)后具有熒光性，故對柴油本身進行測試也是可行的，不需要添加熒光劑。選取的拍攝時刻分別為開始噴油后(after start-of-injection，ASOI)400、765、1 000和1 365 μs，每個工況點拍攝10次再平均處理，以消除噴射隨機誤差。

表1 試驗主要參數(shù)

1.4 噴霧粒徑參數(shù)定義

一般以液滴的平均直徑評價噴霧的霧化質量，平均直徑[11]是一個假想尺寸，是以一個理想化的均勻液滴噴霧場來替代實際液滴尺寸不一致的噴霧場。但只研究平均直徑不能完全反應噴霧霧化質量的優(yōu)劣，還需加入特征直徑做補充說明。特征直徑是指在噴霧場液滴直徑分布曲線中小于該直徑液滴的體積占噴霧場液滴總體積的百分比[12]。由于將試驗場里的液滴假想成標準球形粒子，故本文以PDFN(數(shù)目積分分布)來代替液滴體積分布，指對應SMD的數(shù)目與液滴總數(shù)目的百分比，主要采用以下5種噴霧粒徑評價霧化質量：

1)D32：表面積動量平均徑，即索特平均直徑(SMD)，指將實際液滴換算成同等表面積的標準球形粒子的直徑，應用最廣泛，SMD越小代表燃油的霧化程度越好。

2)D0.1、D0.5、D0.9：分別指在該直徑之前的液滴數(shù)目占噴霧場液滴總數(shù)目的10%、50%、90%，D0.5也稱中值直徑，D0.9反應噴霧里的超大液滴。

3)DP：峰值直徑，指該直徑的液滴數(shù)目占所有液滴總數(shù)目的百分比最高。

1.5 圖像處理流程與誤差分析

圖像處理主要流程如圖2。在經(jīng)過多次重復試驗后去除大范圍射流破碎圖像，改善了射流隨機誤差；將同步測得的LIF及MIE圖像相除，去除因噴霧的汽化過程影響液相熒光強度造成的背景誤差，基于激光能量衰減矯正及標定計算柴油噴霧粒徑，使其轉化成噴霧SMD分布圖像。為了保證圖像的高信噪比，采用了3×3像素均值模糊算法進行閾值分割，但與此同時，試驗遠場和射流邊緣粒徑最小的區(qū)域就會被除去一小部分，除去的無效像素值占圖像總像素值的比例不足5%，可以忽略不計。

圖2 圖像處理流程

激光穿過噴霧時，會被柴油吸收部分能量，噴霧濃度越大能量衰減越嚴重[13]。通常以不對稱度來衡量激光能量衰減程度，用迎光面的熒光強度除以背光面的熒光強度，本試驗從左側射入激光，故噴霧軸線左側是迎光面，右側是背光面。基于Lambert-Beer定律對所有噴霧熒光圖像進行了激光能量矯正。為了方便運算，每個像素的激光能量衰減矯正離散化處理：

(2)

式中：snew為矯正后的某個像素熒光強度；sold為未矯正的熒光光強；K′為光學常數(shù)；i,j為像素點所在的行和列?；谝陨显肀疚耐ㄟ^Matlab編寫能量衰減矯正的迭代程序，當對稱度為1時矯正完成。

同時為了降低多重散射和熒光自吸收現(xiàn)象對試驗結果的影響[14]，LSD技術主要測量距離噴油器噴嘴出口10 mm之后的噴霧場。

2 柴油噴霧SMD標定試驗

2.1 標定試驗

由式(1)可知得到柴油噴霧SMD分布需對系數(shù)K進行標定，研究中一般認為K是常數(shù)。標定原理為：在已知液滴直徑的前提下，測得熒光和散射光的光強比值，進而反推標定系數(shù)K值。本文引用文獻[4]使用PDPA技術測得的噴霧粒徑數(shù)值，同時拍攝相同試驗條件下的LSD圖像，獲得噴霧某一固定位置處的粒徑數(shù)值和圖像強度，反推K值。

由表PDPA技術獲得的粒徑測試結果如表2。試驗工況為油壓120 MPa，背壓0.1 MPa，孔徑0.14 mm。其中噴霧中的位置(x，y)中x表示軸向距離，y表示徑向距離(單位：mm)?；谙嗤囼灄l件下獲得的LSD圖像如圖3。

圖3 LSD標定圖像

表2 由PDPA技術獲得的粒徑測試結果

2.2 標定誤差分析

由于LSD技術和PDPA技術是2種不同的測徑方法，LSD是某一時刻噴霧場粒徑的空間分布，而PDPA是一個噴霧點粒徑變化的時間分布，兩者存在一定的差異?；谏鲜鲈?，因此在標定試驗中，兩者都測量噴霧中同一固定位置的噴霧粒徑，測試區(qū)域一致，且LSD拍攝的時段步長與PDPA的拍攝間隔一一對應，同時為了減小誤差標定試驗多次拍攝取平均值。由表3可知，與基于幾何光學近似理論[15-16]計算得到的K值對比，標定試驗得到的系數(shù)K值具有較高的準確性，誤差在5%以下，其中x表示標定區(qū)域距噴嘴的距離。

表3 標定系數(shù)K試驗值與理論值的差值百分比

3 試驗結果及分析

3.1 不同噴油壓力下噴霧粒徑隨時間變化的影響

圖4為不同噴油壓力下噴霧SMD分布圖像，選取背壓1 MPa，噴孔孔徑0.14 mm，拍攝時刻TASOI400 μs，噴油壓力60～120 MPa試驗條件。

由圖4可知，噴霧邊緣部分SMD較小，軸線中心處較大，其分布情況與噴霧濃度場結構[17]吻合，靠近噴嘴的液核區(qū)噴霧SMD最大，此處液態(tài)燃油居多，尚未破碎便與背景氣體混合；沿著噴霧軸線SMD在逐漸變小，此時已進入濃混區(qū)，濃混區(qū)燃油部分霧化成氣相，燃油噴霧氣液兩相共存，SMD較大且不均勻；噴霧外圍部分是稀混區(qū)，此處燃油以氣相為主，兼含有部分油滴飛濺，SMD最小，但會有極小區(qū)域出現(xiàn)SMD反常變大的現(xiàn)象。

圖4 不同噴油壓力下噴霧SMD分布

對比噴油壓力發(fā)現(xiàn)，噴霧液核區(qū)的SMD最大值由65 μm降低到了45 μm，且噴射壓力越大，整個噴霧場粒徑分布越均勻，燃油射流速度增加，噴孔內部空化現(xiàn)象加劇，燃油的有效流通截面積減小，實際流速增加，湍流現(xiàn)象加劇，導致射流極其不穩(wěn)定，射出噴孔就迅速霧化，噴孔出口處SMD減小。并且根據(jù)壓力振蕩說[18]可知，噴油壓力增大，燃油供給系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力振蕩更劇烈，霧化效果更好，噴嘴出口SMD分布越小。

提高噴射壓力對后續(xù)燃油也有持續(xù)影響。燃油射流出噴孔后仍保持較高的速度，噴油壓力越高，噴射動能越大，卷吸的背景氣體多，氣動力作用下二次霧化發(fā)生的頻率增多，SMD越小。由波破碎理論[19]可知，液滴在噴射時會形成表面波，由于表面波不穩(wěn)定導致液滴破碎，液滴自身表面張力與直徑成反比，直徑越大越容易破碎，液滴直徑隨著破碎霧化的進行不斷變小，直到液滴自身表面張力與氣動作用力相當時破碎停止，液體射流在背景氣體摩擦阻力下做減速運動，因此噴霧前端的液滴較為圓潤。

對比TASOI400 μs和1 000 μs 2個時刻，SMD分布規(guī)律相同，但隨著噴霧的不斷發(fā)展燃油SMD變小。這是因為在運動過程中噴霧場內大液滴表面張力維持不了自身的形狀發(fā)生破碎，液滴變小。同時隨著噴霧的進行，噴霧卷吸的空氣增多，其反作用影響越來越大，油滴粒子的空間密度也隨之降低，油滴間相互碰撞融合的幾率減小，使得噴霧場SMD的值隨噴射時刻的增加而減小。

由圖6可知，400 μs時噴油壓力由60 MPa升到120 MPa，Dp由30 μm下降到18 μm，D0.1降幅為40%，中值直徑D0.5降幅為40%，D0.9降幅為34%。在1 000 μs時，Dp由20 μm下降到11 μm，D0.1降幅為57%，中值直徑D0.5降幅為50%，D0.9降幅為39%。根據(jù)以上分析可知，提高噴油壓力對于柴油的破碎霧化具有積極的促進作用，SMD更小，其中D0.1的降幅最大，表明噴霧前鋒面粒徑受噴油壓力的影響最大。隨著開始噴油后時刻的增加，提高噴油壓力，特征直徑DP、D0.1、D0.5和D0.9的下降幅度都在增加，D0.1降幅仍最大。

圖5 不同噴油壓力下粒徑尺寸數(shù)目分布

圖6 不同噴油壓力下特征直徑

根據(jù)燃油噴霧氣液兩相連續(xù)方程：

(3)

式中：ρg為氣相總密度；u為火焰沿x方向的傳播速度；ρl為液滴平均密度；δ為液滴直徑；KV為液滴蒸發(fā)常數(shù)；Nl為液滴總數(shù)。

因此更小的D0.1有利于縮短燃燒開始著火時刻，外圍著火點多，燃燒速度快，有助于完全燃燒，降低了局部高溫的風險。

3.2 不同背景壓力下噴霧粒徑隨時間變化的影響

圖7為不同背景壓力下噴霧SMD分布圖像，選取油壓120 MPa，噴孔孔徑0.14 mm，拍攝時刻TASOI765 μs，背景壓力1～3 MPa試驗條件。

圖7 不同背景壓力下噴霧SMD分布

空穴發(fā)生的強度隨背壓的增大而降低[20]，液體射流表面湍動減緩，噴孔出口處液體難破碎，最終使得噴孔出口處SMD變大。

背壓增大導致環(huán)境密度增大，背景氣加劇體射流擾動，有利于射流破碎和霧化。但環(huán)境密度的增大會導致噴霧體積減小，單位體積內留存更多的燃油液滴，更易致使其相互碰撞融合，噴霧液滴聚集作用增強，容易發(fā)展成大直徑的油滴，具體表現(xiàn)為造成噴霧軸線與邊緣燃油SMD差異大。因此，在高背壓條件下，缸內湍流的作用更加重要，需要盡快把已經(jīng)形成的小油滴盡快帶走，不要聚集從而導致二次聚合。

噴霧前鋒面受的阻力隨背壓的增大而增大，其動量在與背景氣體的碰撞中減小，軸向速度降低，徑向擴散能力增強，噴霧前鋒面和兩側邊緣液滴的SMD變化不明顯。

由圖8可知背壓增大，對應的峰值SMD所占的數(shù)目比例在下降，大粒徑的比例卻在上升。對比TASOI765 μs和1 365 μs 2個時刻，粒徑尺寸分布曲線幾乎相同，但是1 365 μs不同背壓對應的SMD峰值比例比765 μs的高，表示隨著噴霧的發(fā)展燃油液滴尺寸越來越均勻。

圖8 不同背景壓力下粒徑尺寸數(shù)目分布

由圖9可知，765 μs時背景壓力由1 MPa升到3 MPa，Dp由16 μm上升到24 μm，上升了50%，D0.1的漲幅為60%，中值直徑D0.5漲幅為77.8%，D0.9漲幅為137.5%。1365μs時Dp上升了25%，D0.1漲幅為30%，中值直徑D0.5漲幅為50%，D0.9漲幅為86.7%。其中D0.9的漲幅最大，表明增大背景壓力會使噴霧粒徑尺寸差別增大。隨著開始噴油后時刻的增加，增大背景壓力，特征直徑DP、D0.1、D0.5和D0.9的上漲幅度都在下降，D0.9漲幅仍最大。

圖9 不同背景壓力下特征直徑

根據(jù)液滴蒸發(fā)燃燒理論，D0.9的增大說明噴霧場內液滴間尺寸差別大，霧化顆粒的均勻度差，缸內只要存在些許大油滴就會影響其燃燒特性，有害排放顯著提高，后續(xù)不完全燃燒造成的碳煙濃度增大。

3.3 不同噴孔直徑下噴霧粒徑隨時間變化的影響

圖10為不同噴孔直徑下噴霧SMD分布圖像，選取油壓100 MPa，背景壓力1 MPa，拍攝時刻TASOI400 μs，噴孔孔徑0.14 mm和0.18 mm試驗條件。

由圖10可知噴孔直徑增大SMD在增大。由邊界條件突變說[21]可知，液體射流流經(jīng)噴孔出口時，噴孔直徑越小噴孔有效流通截面積也越小，噴孔出口處節(jié)流現(xiàn)象更嚴重，一次霧化程度也更高。射流在噴口處失去壁面限制，其動能重新分布，增大孔徑其軸向上的動能增大，霧化效果降低，SMD分布也不均勻。

圖10 不同噴孔直徑下噴霧SMD分布

由圖11可知，噴孔直徑對SMD分布的影響是顯著的，噴孔直徑越小，峰值SMD數(shù)值變小，所占數(shù)目積分高，霧化效果好。這是因為對于相同噴射壓力和背景壓力時，直徑小的噴孔其內部流速大，增加燃油離開噴嘴的射流速度，油滴的初次霧化和卷吸空氣的能力加強，所以小噴孔燃油霧化效果好，而大噴孔未霧化完全的油滴多。對比TASOI400 μs和1 000 μs 2個時刻，隨著開始噴油后時刻的增加，不同孔徑下對應的峰值SMD逐漸減小，數(shù)目積分進一步增大。

圖11 不同噴孔直徑下粒徑尺寸數(shù)目分布

由圖12可知，在400 μs時，孔徑由0.14 mm增大至0.18 mm，Dp由26 μm上升到38 μm，上升了46.2%，D0.1漲幅為57.1%，D0.5漲幅為88.5%，D0.9由50 μm上升到114 μm，漲幅為128%。到1 000 μs時，Dp由17 μm上升到30 μm，上升了76.5%，D0.1漲幅為150%，D0.5漲幅為135.3%，D0.9漲幅為143.2%。根據(jù)以上分析可知，增大噴孔直徑對于柴油的破碎霧化具有阻礙作用，SMD更大，霧化效果差，其中D0.9的漲幅最大，未完全霧化的大油滴較多。隨著開始噴油后時刻的增加，增大噴孔直徑，特征直徑DP、D0.1、D0.5和D0.9的上漲幅度都在增加，D0.9漲幅仍最大。

圖12 不同噴孔直徑下特征直徑

根據(jù)液滴蒸發(fā)燃燒理論，孔徑增加導致D0.9增大，霧化效果低，油滴大難燒盡，易出現(xiàn)噴嘴出口處積碳，結焦現(xiàn)象，燃油射流受阻，進一步惡化霧化效果。

4 結論

1)噴霧粒徑分布與噴霧濃度場結構分布吻合，靠近噴嘴的液核區(qū)噴霧SMD最大，沿著噴霧軸線SMD逐漸減小，濃混區(qū)燃油噴霧氣液兩相共存，SMD較大且不均勻；稀混區(qū)SMD最小。

2)提高噴油壓力對于柴油的破碎霧化具有積極的促進作用，峰值SMD由30 μm下降到18 μm，噴霧分布更均勻。提高噴油壓力對D0.1的影響最大，表明噴霧前鋒面粒徑受噴油壓力的影響最大。

3)噴霧的SMD隨著背壓的增大而增大，峰值SMD由16 μm上升到24 μm，噴霧軸線與邊緣燃油SMD分布差異較大。增大背景壓力時D0.9的漲幅最大，表明增大背景壓力會使噴霧粒徑尺寸差別增大。

4)噴孔直徑增大，峰值SMD數(shù)值由26 μm上升到38 μm，霧化效果差。增大噴孔直徑時D0.9的漲幅最大，表明增大噴孔直徑會導致未完全霧化的大油滴增多。