低溫起動熱力學(xué)條件下柴油機(jī)噴霧著火特性

馬玉坡，馮 宇，廖桐舟，劉浩業(yè)

(1. 中國北方車輛研究所 輪式系統(tǒng)技術(shù)部，北京 100072；2. 天津大學(xué) 先進(jìn)內(nèi)燃動力全國重點實驗室，天津 300350)

柴油機(jī)的排放和效率一直關(guān)系著全球能源消耗和溫室效應(yīng)等關(guān)鍵問題[1-3]，而且由于柴油的霧化性能差使得柴油機(jī)的低溫起動問題一直是制約其廣泛應(yīng)用的一個重要因素，至今也沒有得到很好的解決[4-6]．柴油機(jī)低溫起動性能的好壞已經(jīng)成為評價整機(jī)性能的一個重要方面，不僅影響了整機(jī)的工作效率和使用壽命，而且在一定程度上影響了排放和燃油消耗率．日本洋馬公司甚至聲稱，他們把柴油機(jī)低溫起動性能的開發(fā)放在第一位[7-8]．另外，如今為了改善NOx的排放問題，柴油機(jī)需要減小壓縮比，從而降低缸內(nèi)燃燒溫度[9]，這在一定的程度上又增加了柴油機(jī)低溫起動的難度[10-11]．因此，深入研究柴油機(jī)低溫起動過程的控制方法，對車用柴油機(jī)的廣泛使用具有重要的意義．柴油噴霧燃燒過程是影響柴油低溫起動性能的關(guān)鍵過程，深入理解該過程可以為柴油機(jī)低溫起動過程的控制方法開發(fā)提供重要理論基礎(chǔ)．

Dec[12]提出了柴油噴霧燃燒概念模型，對柴油噴霧燃燒的基本過程進(jìn)行了描述：液態(tài)燃油噴入缸內(nèi)后，與熱空氣發(fā)生混合，并在下游溫度和當(dāng)量比合適的區(qū)域發(fā)生著火燃燒，形成擴(kuò)散火焰．隨后，以可視化定容燃燒彈為測試平臺，結(jié)合高速攝影等光學(xué)診斷技術(shù)，研究人員開展了大量柴油噴霧燃燒的基礎(chǔ)研究工作．Payri 等[13]發(fā)現(xiàn)噴霧燃燒過程中密度和環(huán)境溫度對滯燃期的影響較大，而氧體積分?jǐn)?shù)和噴射壓力的影響較小．Vogel 等[14]研究發(fā)現(xiàn)影響滯燃期的關(guān)鍵參數(shù)是環(huán)境溫度和噴射壓力，因為這兩個參數(shù)影響液滴的尺寸和分布情況．環(huán)境壓力影響著火位置，噴油量對滯燃期影響不大．Benajes 等[15]研究發(fā)現(xiàn)氧氣體積分?jǐn)?shù)越高、噴射壓力越高，滯燃期越短；而火焰浮起長度與氧氣體積分?jǐn)?shù)和噴射壓力呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系．Cung 等[16]發(fā)現(xiàn)兩次噴射時改變噴射間隔對燃料濃度場和著火過程有非常顯著的影響．何旭等[17]研究了摻混生物柴油對柴油噴霧燃燒特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨摻混比例增加，噴霧錐角減小，貫穿距增加，著火滯燃期縮短．劉波[18]研究了汽/柴油混合燃料的著火及燃燒特性，發(fā)現(xiàn)汽油摻混比越高，滯燃期越長，著火位置距離噴嘴越遠(yuǎn)．米永剛等[19]發(fā)現(xiàn)滯燃期隨環(huán)境溫度升高和噴油壓力的增加而縮短，火焰浮起長度隨環(huán)境溫度升高和噴油壓力減小而縮短；摻混加氫催化生物柴油后滯燃期和火焰浮起長度都降低．可見，現(xiàn)有研究雖然研究了熱力學(xué)參數(shù)和燃料特性等對噴霧燃燒的影響規(guī)律，但缺少針對低溫冷起動工況下系統(tǒng)且定量的研究．

筆者針對某柴油機(jī)，首先分析了低溫起動過程中的壓縮壓力和壓縮溫度的變化規(guī)律；然后針對低溫起動工況的壓力和溫度，在定容噴霧燃燒試驗裝置中，通過改變相應(yīng)的背景條件，模擬研究了柴油機(jī)低溫起動過程中的噴霧燃燒的著火規(guī)律，對提高低溫起動穩(wěn)定性，改善燃油消耗率和排放具有重要的指導(dǎo)意義．

1 試驗裝置與方法

1.1 柴油發(fā)動機(jī)試驗臺架

發(fā)動機(jī)試驗臺架是一臺V 型八缸增壓柴油機(jī)，主要參數(shù)如表1 所示．

表1 發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications

發(fā)動機(jī)試驗臺架上安裝了大量的傳感器，如通過K 型熱電偶溫度傳感器監(jiān)測冷卻液和機(jī)油的進(jìn)/出口溫度和進(jìn)/排氣溫度等．利用同源瞬時油耗儀進(jìn)行燃油消耗率測試．利用Kistler 壓力傳感器測量缸內(nèi)燃燒壓力、燃燒噴射壓力和進(jìn)/排氣壓力等．噴油器內(nèi)置針閥傳感器，結(jié)合電控單體泵燃燒噴射控制系統(tǒng)對噴油量和噴油提前角等噴油參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制．其中噴油器針閥升程傳感器由固定在頂桿內(nèi)的磁鐵和進(jìn)行檢測的霍爾元件構(gòu)成，其非常緊湊地安裝在噴油器體內(nèi)．霍爾元件裝在彈簧座的上方，彈簧座上固定著一塊永久磁鐵．霍爾元件通電后，彈簧座隨針閥運動時，因永久磁鐵運動而使通過霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化，造成近似與針閥升程呈正比的輸出信號電壓變化．通過DEWETRON 燃燒分析儀由信號電壓的變化來得知噴油始點和針閥升程曲線，并計算缸內(nèi)瞬時放熱率，曲軸轉(zhuǎn)角分辨率為0.1°CA，同步采樣率為1.0×107次/s，傳感器精度為0.1°CA．所有測試設(shè)備均經(jīng)過了檢測和標(biāo)定，誤差都在5%以內(nèi)，可以用于試驗測試．

1.2 柴油定容噴霧燃燒試驗系統(tǒng)

該柴油定容噴霧燃燒試驗系統(tǒng)主要包括定容試驗裝置、燃油供給系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，能夠靈活地調(diào)整背景條件，包括背景介質(zhì)的種類及其壓力和溫度；噴射條件包括噴射壓力、噴射脈寬、噴射次數(shù)和燃油溫度；碰壁條件包括壁面溫度、沖擊高度和沖擊角度．圖1 為柴油定容噴霧燃燒試驗系統(tǒng)示意，圖2 為該裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)．

圖1 柴油定容噴霧燃燒試驗系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the diesel constant volume spray and combustion test system

圖2 柴油定容噴霧燃燒試驗裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of the diesel constant volume spray and combustion test system

試驗中，使用的高速攝像機(jī)是美國TRI 公司的PHANTOM v7.3 CMOS 相機(jī)，光圈為1.2，拍攝速度為20 000 幅/s，曝光時間為0.02 ms．溫度控制系統(tǒng)由加熱瓦、調(diào)壓器和溫度傳感器組成，對容彈內(nèi)部進(jìn)行溫度控制，控制精度為0.1 ℃．加熱瓦為空心圓柱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部嵌入兩根并聯(lián)的加熱絲，通過電極與調(diào)壓器相連，加熱絲的總電阻為4.5 Ω，最大加熱功率為11 kW．另外，容彈采用了內(nèi)部隔熱保溫措施，常壓下約經(jīng)過0.5 h 容彈內(nèi)部溫度可以達(dá)到700 ℃．調(diào)壓器可以調(diào)節(jié)加熱絲兩端的電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)加熱功率，與傳感器配合來調(diào)節(jié)和控制容彈內(nèi)部的溫度．

圖3 為燃油溫度控制系統(tǒng)，為了更好地研究柴油機(jī)低溫起動過程，燃油溫度冷卻系統(tǒng)使用冷水機(jī)和環(huán)繞銅管同時對油箱、高壓油軌和噴油器進(jìn)行冷卻，達(dá)到降低燃油溫度的目的．柴油溫度設(shè)定為-20 ℃，以貼近柴油機(jī)低溫起動的工況．

圖3 燃油溫度控制系統(tǒng)Fig.3 Control system of fuel temperature

通過紋影法對氣相霧柱進(jìn)行采集和分析，光路原理如圖4 所示．

圖4 紋影光路原理Fig.4 Schematic of schlieren method

1.3 柴油機(jī)低溫起動工況熱力學(xué)條件分析

在柴油機(jī)的起動過程中，缸內(nèi)的壓縮溫度與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，這是因為在起動過程中，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和壁面溫度較低，活塞壓縮過程中的活塞環(huán)漏氣和壁面?zhèn)鳠嶙饔貌荒芎雎?，而?dāng)壓縮比等其他參數(shù)一定時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越低，壓縮過程所需的時間越長，漏氣量和熱損失量越大，因而缸內(nèi)的壓縮溫度越低．假設(shè)缸內(nèi)的壓力和溫度分布均勻，根據(jù)理想氣體的絕熱壓縮方程可知：

實際的壓縮過程中，有

式中：T 為溫度；下標(biāo)dc、rc 和a 分別表示絕熱壓縮過程、實際壓縮過程和環(huán)境；ε為壓縮比；k 為多變指數(shù)，取值為1.38；f 為壓縮過程中的能量損失率，主要包括漏氣損失和傳熱損失兩部分．

又因為在理想氣體的絕熱壓縮過程中，有

對于實際發(fā)動機(jī)，可以測量起動過程中的壓縮壓力prc，求出能量損失率f，進(jìn)而求出缸內(nèi)的最高壓縮溫度．當(dāng)環(huán)境溫度為10 ℃時，其不同轉(zhuǎn)速下壓縮過程缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系如圖5 所示．柴油機(jī)低溫起動時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對缸內(nèi)壓縮壓力影響比較明顯．轉(zhuǎn)速越低，最高壓縮壓力隨之降低，說明相對能量損失越大．

圖5 不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的壓縮壓力Fig.5 Compression pressure at different engine speeds

為了進(jìn)一步研究實際壓縮壓力變化規(guī)律，增加試驗的統(tǒng)計數(shù)量，再通過擬合獲得該發(fā)動機(jī)起動過程中實際壓縮壓力與理論絕熱壓縮壓力的比值和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n 的關(guān)系為

該發(fā)動機(jī)的實際壓縮壓力隨轉(zhuǎn)速、壓縮比和環(huán)境壓力的關(guān)系為

式中：pa為環(huán)境壓力，起動時不考慮增壓器的作用，認(rèn)為其是進(jìn)氣壓力．

圖6 給出了缸內(nèi)壓縮壓力計算值與試驗結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)誤差均在5%之內(nèi)，可以滿足工程所需的計算精度．另外隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，缸內(nèi)的最高壓縮壓力增加的程度逐漸降低，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 000 r/min 時，最高壓縮壓力基本不再增加．

圖6 柴油機(jī)壓縮壓力計算值與試驗值的對比Fig.6 Comparison between the calculated value of compression pressure and the test result

該發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓縮溫度的變化關(guān)系為

通過缸內(nèi)壓縮溫度式(9)可以得到200 r/min 條件下不同壓縮比和不同進(jìn)氣溫度的變化曲線，如圖7所示．缸內(nèi)壓縮溫度隨發(fā)動機(jī)壓縮比和進(jìn)氣溫度降低而減小，在柴油機(jī)常用的壓縮比為15～17 內(nèi)，缸內(nèi)的最低壓縮溫度為400 ℃．

圖7 壓縮溫度與進(jìn)氣溫度/壓縮比的變化關(guān)系Fig.7 Relationship between compression temperature and intake temperature/compression ratio

通過以上分析，得出了柴油機(jī)低溫起動過程中缸內(nèi)溫度和壓力等參數(shù)的變化范圍，為柴油定容噴霧著火特性研究的背景條件提供了設(shè)置依據(jù)．

2 柴油自由噴霧著火特性變化規(guī)律

2.1 自由射流著火特性參數(shù)分析方法

圖8 為自由射流著火特性示意．在試驗中，滯燃期定義為在噴射過程由高速相機(jī)直拍圖像上從發(fā)現(xiàn)液相霧柱到燃油發(fā)生著火所經(jīng)過的時間．在拍攝燃油噴射和著火過程時，液相霧柱可以獲得清晰的圖像，從而方便記錄噴射開始的時刻，但最初發(fā)生著火時，火焰呈現(xiàn)淡藍(lán)色，亮度較低，不易被清晰地捕捉到．因此，需要采用Matlab 對著火過程圖像進(jìn)行數(shù)字處理，首先對試驗圖像通過圖片相減的方法去除背景干擾，然后通過設(shè)置像素點的灰度閾值對著火進(jìn)行判斷，通過反復(fù)的比對和分析，發(fā)現(xiàn)將灰度閾值設(shè)置為5 時，可以較好地確定著火時刻，并反映試驗過程中的噴霧著火特性．另外，對于著火位置的分析，以噴嘴為原點，借助網(wǎng)格參考線建立二維平面坐標(biāo)系，用坐標(biāo)形式來表示著火的空間位置(Xig，Yig)；并且通過紋影法獲得氣相霧柱的圖像，為著火特性的分析提供支撐和依據(jù)．

圖8 自由射流著火特性示意Fig.8 Schematic diagram of free spray ignition characteristics

2.2 背景溫度對自由射流著火特性的影響規(guī)律

為了貼近發(fā)動機(jī)低溫起動過程的發(fā)動機(jī)條件，噴油壓力和背景密度保持不變，分別為 60 MPa 和13.5 kg/m3；背景溫度從最高554 ℃降低至434 ℃，間隔約為20 ℃，共計8 個不同的背景溫度．

圖9 為不同背景溫度條件下著火圖像的對比情況．首先參照著火時刻的噴霧圖像可以看出，初期的火焰一般出現(xiàn)在氣相霧柱的內(nèi)部靠前的位置，這說明霧柱蒸發(fā)產(chǎn)生的氣相成分與背景空氣由于卷吸作用進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，在噴霧的前鋒處形成了濃度和溫度均適宜著火的混合氣，因而發(fā)生了最初的著火．另外，自由射流火焰一般最先出現(xiàn)在噴霧的軸向附近，這也說明噴霧柱頭部的混合氣更早地完成了著火所需要的物理和化學(xué)準(zhǔn)備過程．隨著背景溫度的降低，卷吸作用形成的混合氣的溫度降低，降低了低溫多階段著火過程的反應(yīng)速率，使活性基的積累速率下降，滯燃期τ延長，同時較長的滯燃期使可燃混合氣運動到在距離噴孔更遠(yuǎn)的位置，因而著火位置距離噴孔也越遠(yuǎn)．當(dāng)背景溫度降溫至472 ℃時著火發(fā)生在噴射過程結(jié)束之后，而當(dāng)背景溫度降溫至434 ℃時，在試驗設(shè)備的視窗中無法觀察到燃燒過程．因此，認(rèn)為該條件下出現(xiàn)“視窗內(nèi)未觀察到火焰”的現(xiàn)象，一方面這可能是因為背景溫度過低，混合氣無法獲得著火所必須的能量而不能進(jìn)行燃燒；另一方面也可能是因為在距離噴油器更遠(yuǎn)的位置產(chǎn)生了較弱的火焰，但是火焰超出了視窗的觀察范圍而不能被觀察到．

圖9 不同背景溫度條件下的著火圖像對比Fig.9 Comparison of ignition images at different background temperatures

圖10 為背景溫度對自由射流著火滯燃期的影響規(guī)律的量化曲線．隨著背景溫度的降低，柴油著火滯燃期逐漸增加，當(dāng)背景溫度為434 ℃時出現(xiàn)了“視窗內(nèi)未觀察到火焰”的現(xiàn)象，此時的滯燃期認(rèn)為是無限大．另外，著火滯燃期隨背景溫度變化的敏感性在不同溫度區(qū)間有著明顯的區(qū)別，當(dāng)背景溫度低于500 ℃時，增加背景溫度，滯燃期下降明顯，但是當(dāng)背景溫度高于500 ℃后，繼續(xù)增加背景溫度，滯燃期的下降趨勢明顯放緩．

圖10 背景溫度對自由射流著火滯燃期的影響規(guī)律Fig.10 Effects of background temperature on the free spray ignition delay

圖11 為背景溫度對自由射流著火位置的影響規(guī)律．著火位置的橫坐標(biāo)或正或負(fù)，但絕對值均很小，這說明著火位置均處于噴霧軸線附近(小于5 mm)．著火位置的縱坐標(biāo)有較明顯的變化規(guī)律，隨著背景溫度的降低，初期火焰縱坐標(biāo)逐漸增加，即與噴孔之間的距離逐漸增加．直到產(chǎn)生“視窗內(nèi)未觀察到火焰”現(xiàn)象，即在視窗的范圍內(nèi)看不到明顯的火焰．這主要因為隨著背景溫度的降低，著火滯燃期逐漸增加，濃度和溫度均滿足著火條件的混合氣在噴射速度的推動下更加遠(yuǎn)離噴孔．對7 個發(fā)生著火工況下的著火位置進(jìn)行統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)，背景溫度從554 ℃降低到452 ℃的過程中，著火位置的縱坐標(biāo)相應(yīng)地從68 mm增加至98 mm，平均背景溫度每降低10 ℃，著火位置在軸向上大約會遠(yuǎn)離噴孔3 mm．

圖11 背景溫度對自由射流著火位置的影響規(guī)律Fig.11 Effects of background temperature on the free spray ignition location

2.3 背景密度對自由射流著火特性的影響規(guī)律

討論背景密度對自由射流著火特性的影響規(guī)律，其中噴油壓力和背景溫度保持不變，分別為60 MPa和520 ℃．對4 個不同的背景密度為22.6、17.8、13.4和9.1 kg/m3進(jìn)行了測試．

圖12 為不同背景密度條件下的著火圖像對比．隨著背景密度的降低，著火滯燃期逐漸增加，著火位置也逐漸遠(yuǎn)離噴孔，而當(dāng)背景密度為9.1 kg/m3時再次出現(xiàn)了“視窗內(nèi)未觀察到火焰”現(xiàn)象，同樣是沒有發(fā)生著火或者火焰位置超出了視窗的貫穿范圍．這主要是因為背景密度對霧柱的擴(kuò)散和傳熱過程也有著直接的影響作用，背景密度越高，霧柱可以更快地進(jìn)行霧化，同時也可以加速液相燃油的吸熱過程，更快地進(jìn)行蒸發(fā)形成混合氣．較高的背景溫度還可以增加燃料與氧氣直接的化學(xué)反應(yīng)速率，縮短混合氣的著火準(zhǔn)備過程，從而縮短滯燃期．背景密度越低，著火位置也越遠(yuǎn)離噴油器，一方面是因為前面分析的滯燃期增加造成的可燃混合氣的向前運動；另一方面背景密度降低本身也會促進(jìn)噴霧射流的向前發(fā)展．

圖12 不同背景密度條件下的著火圖像對比Fig.12 Comparison of ignition images at different background densities

圖13 和14 分別通過折線和柱形的形式給出了背景密度對著火滯燃期和著火位置的影響規(guī)律．可以看出，在研究中的幾個著火工況條件下，背景密度每增加1 kg/m3，著火滯燃期和著火位置縱坐標(biāo)約分別減小0.1 ms 和3.5 mm．

圖13 背景密度對自由射流著火滯燃期的影響規(guī)律Fig.13 Effects of background density on the free spray ignition delay

圖14 背景密度對自由射流著火位置的影響規(guī)律Fig.14 Effects of background density on the free spray ignition location

2.4 著火穩(wěn)定性及溫度梯度分析

為了研究著火穩(wěn)定性，以上改變背景溫度和背景密度的研究均進(jìn)行了3 次試驗，如圖15 所示．隨著背景溫度的降低，柴油自由噴霧著火滯燃期逐漸增加，同時3 次試驗的滯燃期散度逐漸增加，說明著火穩(wěn)定性逐漸降低．并且當(dāng)背景溫度約為470 ℃時，3次著火試驗中出現(xiàn)了一次無法觀察到火焰的現(xiàn)象，說明著火成功率開始下降．隨著背景溫度的進(jìn)一步降低，在約為450 ℃時，出現(xiàn)了兩次無法觀察到火焰的現(xiàn)象；在約為430 ℃時，3 次試驗都沒有產(chǎn)生明亮的火焰，說明在當(dāng)前的背景密度下出現(xiàn)了最低的著火溫度．參考發(fā)動機(jī)低溫起動過程中的背景條件，改變不同的背景密度，重復(fù)分析背景溫度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)背景密度越高，最低著火越低，但會逐漸收斂，約為430 ℃，如圖16 所示．即低于這個最低著火溫度時，柴油射流的著火成功率非常低，很難著火．

圖15 不同背景溫度下自由射流著火穩(wěn)定性Fig.15 Free spray ignition stability at different background temperatures

圖16 不同背景密度條件下的最低著火溫度Fig.16 Minimum ignition temperature at different background densities

進(jìn)一步對定容裝置內(nèi)部的溫度梯度進(jìn)行了分析，如圖17 所示．由于加熱瓦布置在容彈內(nèi)測試區(qū)域的下方，熱量由下向上傳遞．因此，在測試區(qū)域的軸向會存在一定的溫度梯度，在噴油器下方的不同高度的位置處布置了3 個溫度測點(溫度1 在噴油嘴的位置，溫度2 在噴嘴下方50 mm 處，溫度3 在噴油嘴下方100 mm 處)，來測試軸向的溫度梯度，可以看出噴嘴下方軸向方向100 mm 的范圍內(nèi)溫度比較一致，波動在±5 ℃以內(nèi)．

圖17 定容試驗裝置內(nèi)部溫度場Fig.17 Temperature field in the constant-volume device

3 結(jié) 論

針對所研究的某柴油機(jī)獲得了低溫起動條件下壓縮壓力和壓縮溫度范圍，以此為依據(jù)研究了低溫起動熱力學(xué)條件下柴油的噴霧著火特性，分析了背景溫度和背景密度的變化過程中噴霧射流滯燃期和著火位置的變化規(guī)律．主要結(jié)論如下：

(1) 柴油機(jī)的起動過程中，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，最高壓縮壓力增加，但是增加的程度逐漸降低，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 000 r/min 時，最高壓縮壓力基本不再增加．

(2) 隨著背景溫度和背景密度的降低，柴油自由噴霧著火滯燃期逐漸增加，著火位置逐漸遠(yuǎn)離噴油器；平均背景溫度每降低10 ℃，著火位置在軸向上大約會遠(yuǎn)離噴孔3 mm．

(3) 背景密度越高，最低著火越低，但會逐漸收斂，約為430 ℃．低于這個最低著火溫度時，柴油射流的著火成功率非常低，很難著火．