舷外機(jī)空氣輔助噴射噴霧特性試驗(yàn)研究

張俊杰，繆雪龍，鄭金保，楊慧明，莫韜

（1. 201600 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 ；2.321000 浙江省 金華市 浙江派尼爾科技股份有限公司；3.545000 廣西壯族自治區(qū) 柳州市 柳州源創(chuàng)電噴技術(shù)有限公司）

0 引言

隨著日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染，各國出臺(tái)的排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，人們在提升內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性的同時(shí)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的排放性和經(jīng)濟(jì)性提出更高的要求[1]。二沖程火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)若采用缸內(nèi)直噴技術(shù)則具有靈活的控制性，采用分層稀薄燃燒技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高壓縮比，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率、功率和轉(zhuǎn)矩，降低CO2和碳?xì)浠衔锏呐欧牛笶GR的使用范圍增大[2]。缸內(nèi)直噴技術(shù)能夠在提高內(nèi)燃機(jī)的性能同時(shí)降低排放[3]。根據(jù)燃油噴射壓力的不同，缸內(nèi)直噴技術(shù)可分為高壓直噴系統(tǒng)和低壓直噴系統(tǒng)[4]。高壓直噴系統(tǒng)依靠較高的壓力來提升燃油的噴射能量，但更高的壓力就意味著需要更高的能量消耗以及更高的制造工藝和成本[5]。低壓直噴系統(tǒng)很好地解決這些問題，并且更加容易控制，對(duì)燃油的種類不敏感，具有更長的使用壽命。

低壓直噴系統(tǒng)主要采用空氣輔助噴射方式[6-7]提高燃油霧化質(zhì)量，學(xué)者對(duì)空氣輔助噴射系統(tǒng)進(jìn)行了一系列研究[7-10]?？諝廨o助噴射技術(shù)是提高霧化質(zhì)量、提高熱效率和清潔燃燒的有效途徑[11-12]?？諝廨o助噴射系統(tǒng)壓力較低，通常燃油壓力在7.5×105Pa、空氣壓力在6.5×105Pa 左右，這樣的系統(tǒng)成本低并且安全性好[8,13-15]。

1 空氣輔助噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

空氣輔助噴射系統(tǒng)由燃油計(jì)量噴嘴、混合氣噴嘴、油軌、氣軌和混合腔組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，噴射控制時(shí)序如圖2 所示。燃油計(jì)量噴嘴和混合氣噴嘴分別通過噴油器的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開啟關(guān)閉，從而精確控制燃油和空氣的流量以及噴射時(shí)刻。燃油首先從燃油計(jì)量噴嘴噴出，進(jìn)入混合腔中與壓縮空氣進(jìn)行初次混合；經(jīng)過一定時(shí)間后，混合氣噴嘴開啟，高壓空氣與燃油液滴一起噴向燃燒室，高壓空氣在膨脹過程中撕裂液滴，從而提高燃油霧化質(zhì)量。

圖1 空氣輔助噴射原理圖[21]Fig.1 Schematic diagram of air-assisted injection

圖2 燃油噴嘴與混合氣噴嘴噴射時(shí)序示意圖Fig.2 Injection timing diagram of fuel nozzle and mixture nozzle

2 實(shí)驗(yàn)裝置和圖像處理

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

空氣輔助噴射系統(tǒng)噴霧特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖3所示。該臺(tái)架主要包括空氣輔助噴射系統(tǒng)、高速攝像機(jī)和背景光源組成的圖像采集系統(tǒng)、電子控制單元（ECU）。本文柴油噴霧的高速攝影相機(jī)型號(hào)為PhtronSA5，選取相機(jī)幀數(shù)為8 000 幀/s，分辨率為512×256。電子控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)噴霧實(shí)驗(yàn)中噴霧的單次噴射、多次噴射和控制相機(jī)的同步拍攝，同時(shí)能夠靈活控制噴油脈寬、噴氣脈寬和油氣間隔。

圖3 空氣輔助噴射系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of air-assisted injection system

2.2 噴霧參數(shù)及其定義

本次實(shí)驗(yàn)只對(duì)噴霧的宏觀特性即噴霧錐角和貫穿距離進(jìn)行試驗(yàn)研究，用陰影法研究不同噴射參數(shù)對(duì)噴霧形態(tài)的影響。采用MATLAB 程序?qū)婌F圖像進(jìn)行處理。圖像處理的過程為：減除背景圖像→去掉噪聲點(diǎn)→增強(qiáng)對(duì)比度→灰度增強(qiáng)→二值化處理→進(jìn)行邊緣檢測，得到輪廓圖像。通過實(shí)際距離與像素點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終得到噴霧貫穿距離和噴霧錐角，圖像處理的具體過程如圖4 所示。噴霧錐角是指噴霧外表面切點(diǎn)與噴嘴頂點(diǎn)位置的夾角，本文選擇穿透一半的位置來選擇切點(diǎn)，如圖4（c）所示。噴霧貫穿距離是指從噴嘴軸線中最遠(yuǎn)端到噴嘴出口的距離如圖4（d）所示。

圖4 MATLAB 圖像處理Fig.4 MATLAB image processing

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

本文測試條件如表1 所示。本實(shí)驗(yàn)中采用柴油作為燃油，其燃油特性如表2 所示。

表1 測試條件Tab.1 Test conditions

表2 柴油屬性Tab.2 Diesel properties

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 噴油脈寬對(duì)噴霧宏觀特性的影響

在噴油壓力7.5×105Pa、噴氣壓力6.5×105Pa、噴氣脈寬4 ms、油氣間隔2 ms 固定不變下，噴油脈寬從2 ms 增大到5 ms 時(shí)，圖5 顯示了噴霧發(fā)展形態(tài)隨時(shí)間的變化，圖6、圖7 顯示了不同噴油脈寬對(duì)應(yīng)噴霧宏觀特性（貫穿距離、噴霧錐角）的影響。

圖5 不同噴油脈寬下噴霧的發(fā)展形態(tài)Fig.5 Spray development under different fuel pulse width

由圖5 可以直觀地看出，噴油脈寬越大，噴霧橫向?qū)挾仍綄挘灤┚嚯x越小。如圖6 所示，噴霧貫穿距離隨著噴油脈寬的增加在噴霧發(fā)展1.0 ms時(shí)間前幾乎沒有改變，但隨著噴霧發(fā)展時(shí)間向后延續(xù)到1.5 ms 后，貫穿距離隨噴油脈寬增加而減小。如圖7 所示，噴霧錐角隨著噴油脈寬的增加而增加，這是因?yàn)樵谙嗤瑖姎饷}寬下，隨著噴油脈寬增加，高壓壓縮空氣攜帶的燃油量增加，總體氣動(dòng)力削弱，油束的動(dòng)能減小，導(dǎo)致油束沿噴孔方向貫穿的能力減弱，噴霧液滴的縱向動(dòng)量減小，橫向動(dòng)量增加，從而使噴霧寬度增加，噴霧貫穿距離減小，噴霧錐角增加。

圖6 噴油脈寬對(duì)噴霧貫穿距離的影響Fig.6 Influence of fuel pulse width on spray penetration distance

圖7 噴油脈寬對(duì)噴霧錐角的影響Fig.7 Effect of fuel pulse width on spray cone angle

3.2 噴氣脈寬對(duì)噴霧宏觀特性的影響

在噴油壓力7.5×105Pa、噴氣壓力6.5×105Pa、噴油脈寬4 ms、油氣間隔2 ms 固定不變下，噴氣脈寬從2 ms 增大到6 ms 時(shí)，圖8 顯示了噴霧發(fā)展的形態(tài)隨時(shí)間的變化，圖9、圖10 顯示了不同噴氣脈寬對(duì)應(yīng)噴霧宏觀特性的影響。

圖8 不同噴氣脈寬下噴霧的發(fā)展形態(tài)Fig.8 Development of spray under different air pulse width

由圖9、圖10 可知，隨著噴氣脈寬增加，噴霧錐角變小，而噴霧貫穿距離基本不變，試驗(yàn)過程中的燃油噴射參數(shù)沒有改變，而且噴氣壓力也固定，其與外界環(huán)境的壓差均相同，這將使燃油的出口速度基本相同，因此貫穿距離基本沒有差異。較大粒徑的燃油由于慣性較大更易保持最初的運(yùn)動(dòng)方向，而較小粒徑的燃油容易受到外界的干擾而使其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏移，因此在噴霧場的邊緣區(qū)域以小粒徑的油滴為主，它們直接影響著噴霧錐角的大小。噴氣脈寬的增加會(huì)使空氣噴射量增加，燃油的噴霧粒徑隨之減小，噴霧場外圍區(qū)域內(nèi)的液態(tài)燃料更易揮發(fā)成氣態(tài)，進(jìn)而使噴霧錐角變小。而且，不同噴氣脈寬下的噴霧錐角均隨著時(shí)間的發(fā)展呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，也是源于小粒徑燃油的汽化揮發(fā)效果。

圖9 噴氣脈寬對(duì)噴霧貫穿距離的影響Fig.9 Effect of air pulse width on spray penetration distance

圖10 噴氣脈寬對(duì)噴霧錐角的影響Fig.10 Effect of air pulse width on spray cone angle

3.3 油氣間隔對(duì)噴霧宏觀特性的影響

在噴油壓力7.5×105Pa、噴氣壓力6.5×105Pa、噴油脈寬4 ms、噴氣脈寬4 ms 固定不變下，油氣間隔從0 ms 增大到4 ms 時(shí)，圖11 顯示了噴霧發(fā)展的形態(tài)隨時(shí)間的變化，圖12、圖13 顯示了不同油氣間隔對(duì)噴霧宏觀特性的影響。

圖11 不同油氣間隔下噴霧的發(fā)展形態(tài)Fig.11 Spray development under different fuel-air interval

圖12 油氣間隔對(duì)噴霧貫穿距離的影響Fig.12 Effect of fuel-air interval on spray penetration distance

圖13 油氣間隔對(duì)噴霧錐角的影響Fig.13 Effect of fuel-air interval on spray cone angle

從圖12、圖13 可知，油氣沒有間隔（0 ms）與有間隔對(duì)噴霧錐角和貫穿距離有明顯的差異，而一旦有油氣噴射間隔后，在其它噴射參數(shù)不變的條件下對(duì)噴霧錐角和貫穿距離影響不大。這是因?yàn)椋偃缬蜌忾g隔為0 ms 時(shí)，也就是噴油結(jié)束后馬上開啟氣嘴，那么就存在油氣初次混合不充分的可能，燃油沿軸向噴射的慣性增加，導(dǎo)致了貫穿距離稍大、噴霧錐角稍小。

4 結(jié)論

本文以一款二沖程火花點(diǎn)燃缸內(nèi)直噴柴油舷外機(jī)的空氣輔助噴射系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用高速攝影研究不同噴油脈寬、噴氣脈寬、油氣間隔等參數(shù)對(duì)噴霧宏觀特性的影響規(guī)律。得到以下主要結(jié)論：

（1）噴氣脈寬與噴油脈寬相比對(duì)噴霧特性影響更大，適當(dāng)提高噴氣脈寬有利于噴霧質(zhì)量提高；

（2）油氣噴射需要有間隔，有間隔有利于燃油與壓縮空氣的初次混合，但不需要太大；

（3）噴霧貫穿距離方面：隨著噴油脈寬的增加，噴霧貫穿距離減??；而噴氣脈寬和油氣間隔對(duì)噴霧貫穿距離影響較小；

（4）噴霧錐角方面：隨著噴油脈寬增加，噴霧錐角增大；隨著噴氣脈寬增加，噴霧錐角減?。挥蜌忾g隔對(duì)噴霧錐角影響不大。