高溫高壓條件下柴油的霧化蒸發(fā)特性

李向榮， 薛繼業(yè)， 萬(wàn)遠(yuǎn)亮， 蘇立旺， 何旭， 劉福水

(1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 2. 東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心， 湖北 武漢 430056)

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高溫高壓條件下柴油的霧化蒸發(fā)特性

李向榮1， 薛繼業(yè)1， 萬(wàn)遠(yuǎn)亮2， 蘇立旺1， 何旭1， 劉福水1

(1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 2. 東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心， 湖北 武漢 430056)

利用高速攝影和紋影法，在可變溫度和壓力的定容燃燒彈中，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況，進(jìn)行了不同噴油壓力和背景壓力條件下柴油的霧化蒸發(fā)特性試驗(yàn)研究，得出一系列熱態(tài)噴霧圖像。研究表明：噴油壓力越高，霧注總的貫穿距離、錐角和投影面積越大，但液核的最大貫穿距離、錐角和投影面積變化不大，顯著蒸發(fā)時(shí)刻不斷提前，氣相部分投影面積增大，混合均勻性改善；隨著背景壓力的升高，氣、液相貫穿距離均下降，霧注總的噴霧錐角增大，霧注面積、液核面積減小。

柴油； 噴霧； 蒸發(fā)特性； 噴油壓力； 背景壓力

柴油是目前內(nèi)燃機(jī)的主要燃料之一，其霧化蒸發(fā)特性對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒和排放有重要的影響[1-2]。柴油通常在活塞接近壓縮上止點(diǎn)時(shí)噴入燃燒室，與高溫的壓縮空氣混合后自燃，從燃油的噴入到混合氣的燃燒，時(shí)間僅為1 ms左右，能否在該時(shí)間段內(nèi)使柴油迅速霧化蒸發(fā)并與空氣混合，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能[3-4]。

Hiroyasu H.和Arai M.曾經(jīng)在2 MPa的環(huán)境壓力下得出常溫低壓下噴霧貫穿距離公式[5]；Dent J.在定容彈中研究了非蒸發(fā)噴霧和蒸發(fā)噴霧的貫穿距離，得出貫穿距離的公式[6]；Kamimoto J.等人使用紋影法在高速壓縮機(jī)中研究了柴油噴霧特性，發(fā)現(xiàn)在其試驗(yàn)條件下，液相噴霧的最大貫穿距離不大于25 mm，并且不受噴油壓力影響[7]。郭紅松等人曾利用PLIEF技術(shù)對(duì)高溫高壓條件下噴霧結(jié)構(gòu)和濃度場(chǎng)進(jìn)行了研究，但其對(duì)柴油蒸發(fā)特性分析較少[8]；徐陽(yáng)杰等人研究了柴油霧化特性隨噴孔直徑的變化規(guī)律，但研究工況為常溫常壓[9]。國(guó)內(nèi)近幾年針對(duì)噴霧的研究則主要集中于柴油與生物柴油的對(duì)比[10-14]。這些研究中，雖然使用了不同的燃料，但研究方法同樣是采用高速攝影與紋影技術(shù)，而且研究工況是以常溫為主，未對(duì)蒸發(fā)態(tài)噴霧中已蒸發(fā)部分(氣相燃油)和未蒸發(fā)部分(液核)分別進(jìn)行分析。因此，有必要對(duì)高溫高壓以及高噴油壓力條件下柴油的噴霧蒸發(fā)特性進(jìn)行更深入的研究。

本研究總結(jié)前人的方法和經(jīng)驗(yàn)，利用高速攝影技術(shù)，在定容燃燒彈周圍搭建了一套反射式紋影系統(tǒng)，可以清晰地觀測(cè)到高溫高壓下柴油噴入定容彈后的一系列變化。在此基礎(chǔ)上，研究噴油壓力、背景壓力等條件改變對(duì)柴油霧化蒸發(fā)特性的影響，并得出規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置及基本原理

試驗(yàn)采用紋影測(cè)試技術(shù)，圖1示出了試驗(yàn)中采用的紋影光路示意。紋影技術(shù)的基本原理是用刀口切割光源像，把光線受流場(chǎng)的擾動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛涗浧矫嫔系墓鈴?qiáng)的分布。本試驗(yàn)的紋影系統(tǒng)采用的是凹面鏡。

圖1 紋影法光路圖

圖2為試驗(yàn)裝置示意。該裝置主要由定容燃燒彈系統(tǒng)、紋影光路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)(ECU)、燃油供給系統(tǒng)、高速攝像機(jī)等組成。

圖2 試驗(yàn)裝置示意

定容燃燒彈內(nèi)部設(shè)計(jì)有加熱裝置，溫度可以升至900 K，壓力可以充至6 MPa，可模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮到上止點(diǎn)時(shí)的工作環(huán)境，溫度和壓力在外部通過(guò)單片機(jī)加以控制。由于加熱裝置布置在定容燃燒彈內(nèi)測(cè)試區(qū)域的下方，加熱過(guò)程中熱量從下往上傳遞，因而在測(cè)試區(qū)域的軸向與徑向存在一定的溫度梯度。在試驗(yàn)前對(duì)定容燃燒彈內(nèi)的溫度進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)試結(jié)果表明，在噴嘴下方軸向100 mm內(nèi)，溫差在10 K以內(nèi)，軸向溫度梯度較小；徑向溫度梯度較大，軸線位置處的溫度比壁面位置的溫度約高 20 K。在試驗(yàn)中，設(shè)置參數(shù)時(shí)考慮了溫差的存在，保證噴霧區(qū)域?qū)嶋H溫度與試驗(yàn)方案溫度溫差最小。定容燃燒彈周圍有4個(gè)直徑為100 mm的視窗，用來(lái)觀測(cè)燃料的噴霧、燃燒狀況。為拆卸方便，本試驗(yàn)使用左右兩個(gè)視窗作為紋影光路，另外兩個(gè)視窗用金屬板密封。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及圖像處理方法

試驗(yàn)選用0號(hào)柴油，其十六烷值為50，20 ℃時(shí)密度為838 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度為3.9 mm2/s，凝點(diǎn)為-3 ℃。試驗(yàn)在800 K的背景溫度下進(jìn)行，噴孔直徑為0.28 mm，噴油脈寬為1.0 ms，選取N2為背景氣，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

為了減小視窗受熱膨脹造成測(cè)量誤差，每次試驗(yàn)結(jié)束后，都拍攝一個(gè)固定尺寸的參照物，便于提高測(cè)量計(jì)算精度。圖像處理過(guò)程中利用Matlab進(jìn)行去背景處理，并結(jié)合原始噴霧圖像用圖像處理軟件中的套索工具套取霧注圖像，再得出霧化蒸發(fā)特性的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 試驗(yàn)工況參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究分別對(duì)霧注已蒸發(fā)部分(氣相燃油)和未蒸發(fā)部分(液核)進(jìn)行了研究。圖3示出了各個(gè)試驗(yàn)

圖3 柴油自由 射流示意

參量的定義及關(guān)系，包括貫穿距離、噴霧錐角、霧注投影面積等。其中，黑色未透光部分為液核區(qū)域，明亮的透光部分為蒸發(fā)區(qū)域。

圖3中：L為貫穿距離；Ly為液核貫穿距離；Lq為氣相部分長(zhǎng)度；φ為總的噴霧錐角；β為液核錐角，A為液核面積；B為霧注總的投影面積。

各組鎖骨下動(dòng)脈狹窄患者盜血程度的比較見(jiàn)表2。合并椎動(dòng)脈狹窄性病變組各亞組間（同側(cè)椎動(dòng)脈狹窄性病變組、對(duì)側(cè)椎動(dòng)脈狹窄性病變組、雙側(cè)椎動(dòng)脈狹窄性病變組）盜血程度的兩兩比較均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。而合并椎動(dòng)脈狹窄性病變組及各亞組分別與對(duì)照組比較，Ⅱ期與Ⅲ期盜血所占比例均明顯低于對(duì)照組（P＜0.05）。

霧注總的面積和液核部分的面積可以通過(guò)以下兩種方法得出：

a) 測(cè)量法：霧注的噴霧面積和液核面積根據(jù)每幅圖片中每個(gè)像素點(diǎn)所占的面積編寫(xiě)Matlab程序計(jì)算得到。每組圖片選取5張進(jìn)行處理計(jì)算，得出噴霧面積、液核面積的變化曲線。測(cè)量法只是用于同計(jì)算法作對(duì)比，因此，只選取5張圖片進(jìn)行測(cè)量。

b) 計(jì)算法：霧注的噴霧面積和液核面積可由下式得出[15]。

計(jì)算霧注總的面積時(shí)，l=L，θ=φ；計(jì)算液核部分的面積時(shí)，l=Ly，θ=β。

2.1 噴油壓力對(duì)柴油霧化蒸發(fā)的影響

圖4示出了不同噴油壓力下柴油油束的發(fā)展過(guò)程。圖右側(cè)的比例尺每格代表25 mm。從圖中可以看出隨著噴油壓力的升高，噴霧加速向前發(fā)展，貫穿距離明顯變大，蒸發(fā)速度加快。

圖5示出了背景壓力6 MPa時(shí)，不同噴油壓力下霧注和液核的貫穿距離隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，噴油壓力越高，霧注的貫穿距離越長(zhǎng)。這是因?yàn)閲娪蛪毫Ω撸瑖娍趦?nèi)外壓力差增加，動(dòng)能較大，射速高，燃油可以到達(dá)較遠(yuǎn)的地方。而噴油壓力越大，液核速度越快，到達(dá)最大長(zhǎng)度的時(shí)間越短。但是不同噴油壓力下，液核的最大貫穿距離變化不大，約為25 mm，因此噴油壓力對(duì)液核的最大貫穿距離基本沒(méi)有影響。

試驗(yàn)分析得出，在匹配發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)過(guò)程中，可以根據(jù)液核貫穿距離不隨噴油壓力變化的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)燃燒室徑向尺寸，這樣可以減少液相柴油與壁面接觸，避免“濕壁”現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 不同噴油壓力下柴油噴霧發(fā)展過(guò)程

圖5 不同噴油壓力下貫穿距離的變化

圖6示出了不同噴油壓力下氣相長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化。從圖中可以看到，噴油壓力對(duì)氣相長(zhǎng)度的影響較大。噴油初期，霧注貫穿距離與液核貫穿距離基本一致，這是因?yàn)椋@段時(shí)間內(nèi)燃油未發(fā)生顯著蒸發(fā)，蒸發(fā)量小于噴油量，液相油束在縱向的發(fā)展與霧注一致。隨著噴油時(shí)間的增加，蒸發(fā)量逐漸增加，霧注貫穿距離與液相貫穿距離分離，氣相長(zhǎng)度產(chǎn)生。相同的噴油時(shí)刻下，隨著噴油壓力的增加，氣相長(zhǎng)度增加，說(shuō)明提高噴油壓力，燃油蒸發(fā)量增加。同時(shí)，隨著噴油壓力的不斷提升，氣相長(zhǎng)度出現(xiàn)的時(shí)刻提前，這說(shuō)明噴油壓力越高，燃油蒸發(fā)速度越快。可以推斷，高的噴油壓力下，破碎霧化形成的燃油液滴粒徑更小。

圖6 不同噴油壓力下氣相長(zhǎng)度的變化

圖7示出了不同噴油壓力下噴霧錐角、液核錐角隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，總的噴霧錐角會(huì)隨著噴油壓力的提高不斷增大。而對(duì)于液核錐角，噴油壓力的影響并不明顯。這是由于氣相部分比液核更易受背景氣體阻力和卷吸作用的影響。

圖7 不同噴油壓力下噴霧錐角的變化

圖8示出了不同噴油壓力下總的霧注面積、液核面積隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖8 不同噴油壓力下霧注面積的變化

從圖中可以看出，兩種方法得到的面積曲線規(guī)律基本一致，噴油壓力越高霧注貫穿距離越大、投影面積越大，而液核投影面積基本保持不變，因此氣相部分面積越大。說(shuō)明提高噴油壓力既可以增大柴油的氣相部分的面積、改善混合均勻性，又能減小著火后火焰區(qū)域內(nèi)液相燃油比例，這對(duì)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低炭煙排放有著重要意義。

2.2 背景壓力對(duì)柴油霧化蒸發(fā)的影響

圖9示出了噴油壓力140 MPa時(shí)，不同背景壓力下柴油噴霧發(fā)展過(guò)程。背景壓力減小，燃油能夠發(fā)展到較遠(yuǎn)的區(qū)域；燃油在背景壓力較低時(shí)，噴霧形態(tài)細(xì)且長(zhǎng)，背景壓力較高時(shí)，霧注粗且短，這是因?yàn)楸尘皦毫υ礁撸加涂v向發(fā)展阻力越大，更多的燃油在橫向擴(kuò)張，呈現(xiàn)出圖像中發(fā)展形態(tài)。

圖9 不同背景壓力下柴油噴霧發(fā)展過(guò)程

圖10示出了不同背景壓力下總的霧注貫穿距離、液核貫穿距離隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，隨著背景壓力的升高，氣、液相貫穿距離均下降。在0.3 ms以內(nèi)，氣、液相貫穿距離基本一致，都隨時(shí)間呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，這段時(shí)間蒸發(fā)較少。隨著燃油的不斷蒸發(fā)，在0.5 ms左右，油束的蒸發(fā)速率與噴油速率達(dá)到平衡，液核停止向前發(fā)展，液核貫穿距離基本保持不變。但氣相長(zhǎng)度會(huì)隨著蒸發(fā)的進(jìn)行而繼續(xù)向前發(fā)展，氣相長(zhǎng)度表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

試驗(yàn)表明，背景壓力對(duì)于霧注和液核的貫穿距離都有較大的影響。隨著背景壓力升高、氣體的密度增大，霧注和液核貫穿距離減小。柴油機(jī)要實(shí)現(xiàn)高效低排放的燃燒就必須保證油、氣、室的良好配合，因此增壓壓力提高后，燃燒室的設(shè)計(jì)需考慮噴霧貫穿距離的減小。

圖10 不同背景壓力下貫穿距離的變化

圖11示出了不同背景壓力下霧注和液核錐角隨時(shí)間的變化曲線。在噴霧發(fā)展初期，霧注和液核的錐角相差不大，隨著噴霧的不斷向前發(fā)展，液核錐角逐漸減小并基本穩(wěn)定在7°左右，噴霧發(fā)展的中后期液核錐角基本沒(méi)有變化。背景壓力越高，霧注總的噴霧錐角越大，背景壓力對(duì)噴霧錐角影響明顯。這是因?yàn)楸尘皦毫μ岣撸h(huán)境密度增大，阻礙油束貫穿的作用加大，油束徑向發(fā)展明顯，因而噴霧錐角明顯增加。

圖11 不同背景壓力下噴霧錐角的變化

圖12和圖13分別示出了霧注總的面積和液核面積隨時(shí)間的變化曲線，并將計(jì)算法與測(cè)量法的結(jié)果作對(duì)比。

圖12 不同背景壓力下霧注總的面積變化

圖13 不同背景壓力下液核面積變化

通過(guò)對(duì)比可知，計(jì)算法與測(cè)量法在數(shù)值上存在較小差距，規(guī)律上是一致的，因此兩種方法可以通用。另外，從兩圖中也可以看到，液核面積在噴霧初期呈線性增長(zhǎng)，在0.5 ms之后噴油速率與蒸發(fā)速率達(dá)到平衡，液核的面積基本保持不變；而霧注面積、液核面積都隨著背景壓力的升高而減小。這是因?yàn)楸尘皦毫Ω攮h(huán)境密度加大，氣體阻力作用加強(qiáng)，貫穿距離下降，從而造成面積變小。試驗(yàn)表明增大背景壓力，不利于柴油在空間中的分布，油氣混合也會(huì)受到影響。

3 結(jié)論

a) 噴油壓力越高，霧注總的貫穿距離、錐角和投影面積越大，但液核的最大貫穿距離、錐角和投影面積變化不大;

b) 隨著噴油壓力增加，顯著蒸發(fā)時(shí)刻不斷提前，氣相部分投影面積增大，混合均勻性改善，而且著火后火焰區(qū)域內(nèi)液相燃油比例減小，這對(duì)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低炭煙排放有著重要意義；

c) 隨著背景壓力的升高，氣、液相貫穿距離均下降，霧注總的噴霧錐角增大，霧注面積、液核面積減小；噴霧發(fā)展的中后期，液核貫穿距離、錐角和投影面積基本保持不變。

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[編輯： 姜曉博]

Atomization and Evaporation Charactertistics of Diesel Fuel under High Temperature and Pressure

LI Xiangrong1, XUE Jiye1, WAN Yuanliang2, SU Liwang1, HE Xu1, LIU Fushui1

(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. Technical Center of DongFeng Commercial Vehicle Co.， Ltd.， Wuhan 430056, China)

An experimental study of diesel atomization and evaporation characteristics under different injection and ambient pressures was carried out in a variable temperature and pressure constant volume vessel to simulate the actual operating conditions of an engine by using high-speed photography and schlieren method. A series of high-temperature spray images were acquired. The results showed that the penetration, cone angle and projection area of diesel spray column increased with the increase of injection pressure, but those of fuel liquid core hardly changed. In addition, the significant evaporation timing advanced, the gaseous projection area increased and the air-fuel mixing uniformity improved. With the increase of ambient pressure, the penetration and projection area of spray column and liquid core decreased, but the spray cone angle increased.

diesel； spray； evaporation characteristic； injection pressure； ambient pressure

2015-08-13；

2015-12-24

李向榮(1967—)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程；lixr@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.005

TK421.43

B

1001-2222(2016)02-0023-05