背景溫度和密度對柴油噴霧特性影響靈敏度分析

高浩卜, 李向榮, 薛繼業(yè), 白洪林, 何旭, 劉福水

(1.北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

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背景溫度和密度對柴油噴霧特性影響靈敏度分析

高浩卜1, 李向榮1, 薛繼業(yè)1, 白洪林2, 何旭1, 劉福水1

(1.北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

為優(yōu)化發(fā)動機缸內(nèi)噴油時刻背景溫度和密度，以改善噴霧特性、提高功率，通過高速攝影直拍和紋影技術(shù)，利用自編圖像處理程序進行數(shù)據(jù)處理，引入靈敏度概念，研究了背景溫度和密度對柴油噴霧特性影響靈敏性。試驗發(fā)現(xiàn)：在背景溫度304～770 K，密度13～26 kg/m3范圍內(nèi)，背景溫度對氣相體積百分比的靈敏度遠大于密度對氣相體積百分比的靈敏度，在770 K、26 kg/m3時，大約是密度的10倍；而密度對噴霧平均空燃比的靈敏度略大于溫度對噴霧平均空燃比的靈敏度，在770 K、26 kg/m3時，大約是溫度的1.18倍。將此規(guī)律應(yīng)用于發(fā)動機某工況仿真計算，微調(diào)噴油初始時刻背景溫度和密度(3.5%以內(nèi)變動)，功率可提高2.8%。

柴油噴霧特性；背景溫度；背景密度；紋影；定容裝置；靈敏度分析

改善燃油經(jīng)濟性和降低排放污染是內(nèi)燃機燃燒技術(shù)必須面臨的兩大挑戰(zhàn)[1-3]。而燃料的霧化過程及結(jié)果直接影響到燃料的燃燒及排放等特性[4]。高溫高壓背景環(huán)境中的噴霧特性研究包含油束破碎、混合和蒸發(fā)等方面，更貼合發(fā)動機實際工況，具有重要的研究價值。

高速攝影紋影技術(shù)設(shè)備簡單、方法可靠、成本低，廣泛應(yīng)用于柴油機噴霧研究[5]。但紋影對背景密度梯度變化較為敏感，尤其是在高溫和高壓下，會造成背景與噴霧很難區(qū)分[6]，因此國內(nèi)少有噴霧高溫高壓背景環(huán)境應(yīng)用紋影測試的相關(guān)報導(dǎo)。孫田等[7-8]用激光誘導(dǎo)熒光測試手段測取柴油氣液相分布和氣相濃度。這種方法雖可以定量測量燃油氣相濃度，但成本較高、試驗標定工作量大。國際上仍較多使用紋影法來確定氣相邊界，而用激光誘導(dǎo)熒光測試方法測取特定成分濃度[9]。本文利用自編MATLAB圖像處理程序，實現(xiàn)了噴霧外輪廓的測取。為避免紋影較難區(qū)分噴霧液相和氣相邊界，試驗選擇高速攝影直拍來捕捉噴霧的液相部分。

國際學(xué)者利用紋影拍攝對高溫高壓環(huán)境噴霧特性進行過研究[10-13]，研究發(fā)現(xiàn)背景溫度和密度對噴霧貫穿距離有很大影響，但并未對二者影響程度進行量化比較。國內(nèi)對高壓共軌噴射、高溫高壓背景環(huán)境下帶蒸發(fā)過程的柴油噴霧特性已做過一些研究，但同樣在對各因素的影響靈敏性進行量化和對比方面還有不足。

噴油參數(shù)一定的情況下，通過優(yōu)化進氣參數(shù)從而改善噴油時刻背景溫度和密度,可以有效提高功率，降低燃油消耗率。因此，有必要深入研究背景溫度和背景密度對油束霧化效果影響的靈敏度，從而優(yōu)化背景溫度和密度改善霧化。提高進氣溫度和增加進氣量是改善噴霧油氣混合效果的兩種重要手段。但在相同曲軸轉(zhuǎn)角下，背景壓力一定時，背景溫度和密度是此消彼長的關(guān)系。本文挑選接近某發(fā)動機工況缸內(nèi)噴油時刻的背景溫度和密度點(770 K、26 kg/m3)附近范圍研究。引入兩個特征參數(shù)：氣相體積百分比，作為噴霧內(nèi)部特性參數(shù)，體現(xiàn)噴霧內(nèi)部氣液相分布狀況；噴霧平均空燃比，作為噴霧整體特性參數(shù)，評價油氣混合比例好壞?？偨Y(jié)和比較背景溫度和密度對噴霧氣液相發(fā)展的影響靈敏度規(guī)律，揭示了背景溫度和密度影響噴霧效果的物理機理。并以此進行仿真計算，對某發(fā)動機工況進行進氣參數(shù)微調(diào)，提高功率、降低燃油消耗率效果明顯。

1 試驗裝置

高壓共軌噴油系統(tǒng)由北京理工大學(xué)設(shè)計開發(fā)。噴油器噴孔直徑0.22 mm，噴油壓力160 MPa，實際軌壓波動在156～162 MPa，實際噴油持續(xù)期1.79 ms，燃油溫度在60～80 ℃。噴油量及噴油速率測試裝置采用EFS8246測量儀，測量范圍0～600 mm3，測量精度±0.1%。噴油速率數(shù)據(jù)保存及顯示使用Kistler公司的Kibox燃燒分析儀。圖1為所測噴油速率結(jié)果，噴油速率對時間積分與多次測量噴油量的平均值誤差不超過5%。

定容噴霧裝置由北京理工大學(xué)開發(fā)。內(nèi)部設(shè)計有加熱和加壓裝置，溫度可達到900 K，壓力可達到6 MPa，控制精度為背景溫度±3 K、背景壓力±0.03 MPa。定容噴霧裝置實物如圖2所示。

試驗選取高速攝影直拍捕捉噴霧液相部分，紋影捕捉噴霧氣液相整體。高速攝影直拍以鏑燈為光源噴霧兩側(cè)打光，高速攝影機正面拍攝，這樣布置燈光使得從液相主體部分分離出的微小液滴會被光線“吞沒”，利用這種方法捕捉液相主體部分，拍攝的光學(xué)條件(攝影機曝光時間、光線強度等)對結(jié)果影響較小。紋影選擇Z字形光路布置，鹵燈光源，主反光鏡直徑200 mm，焦距1 m。紋影測試系統(tǒng)布置原理如圖3所示。

拍攝采用Phantom V7.3高速攝影機，噴射周期250 ms、高速攝影直拍和紋影拍攝頻率20 000 Hz、直拍曝光時間30 μs、光圈位置F5.6、紋影拍攝曝光時間48 μs、紋影拍攝光圈位置F3.5。

圖1 試驗噴油速率Fig.1 Experimental injection rate

圖2 定容噴霧裝置實物圖Fig.2 The constant volume vessel

2 圖像處理技術(shù)

圖像處理采用自編MATLAB程序。對直拍圖片，采用灰度化、二值化、取邊界的步驟。二值化閾值選取采用“雙峰法”確定，即灰度直方圖中背景和前景產(chǎn)生的兩個灰度峰值之間的低谷值作為二值化閾值。像素灰度值大于閥值認為是噴霧液相部分，若小于閥值認為是背景。直拍處理過程如圖4所示,灰度直方圖中虛線為波峰波谷趨勢線。

圖3 定容噴霧裝置測量方法原理圖Fig.3 Schematic diagram of measure method for the spraying of the constant volume vessel

圖4 直拍圖片處理原理Fig.4 Schematic diagram of coping with direct film pictures

對紋影圖片，灰度化后，采用相鄰兩張相減，來去掉雜亂背景，再將各個相減圖像疊加形成噴霧圖形。但由于背景總會有亮度上的微小變化，需再進行去雜點操作。去雜點原理為：若亮點在一定小范圍內(nèi)可被一條封閉曲線包圍，則認為其是干擾孤點，予以去除。隨后將噴霧變化部分疊加并去孤島形成噴霧。孤島比孤點要大，在一定小范圍內(nèi)無法去除，但其遠離噴霧，顯然不是噴霧部分，所以被去掉。最后加入相應(yīng)時刻直拍處理的液相輪廓。紋影圖片處理過程如圖5所示。

相同工況重復(fù)試驗共6次，其中3次利用直拍測取液相數(shù)據(jù)，另外3次利用紋影測取噴霧數(shù)據(jù)。所得數(shù)據(jù)求取平均值，以消除隨機誤差。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 噴霧特性參數(shù)說明

為論述方便，做如下定義：

1)噴霧，為高速攝影紋影圖像得到油束分布范圍內(nèi)的燃油。噴霧包含燃油液相部分和燃油蒸汽部分。

2)噴霧液相部分，定義為高速攝影直拍圖像得到的液相燃油。

3)噴霧貫穿距離S指燃油以噴孔位置為起點沿噴射方向到達的最遠距離。

4)噴霧錐角θ指噴霧貫穿距離70%以內(nèi)噴霧兩側(cè)邊緣擬合直線所成夾角。

5)噴霧分布體積V(簡稱噴霧體積)，指紋影圖像得到的燃油分布空間按像素行分成若干層回轉(zhuǎn)圓柱體的體積總和，即

式中：h為單位像素高度，di為第i像素行噴霧小圓柱體直徑，n為噴霧分布總像素行數(shù)，如圖6(b)所示。

6)液相錐角指液相貫穿距離30%以內(nèi)液相兩側(cè)邊緣擬合直線所成夾角。

液相分布體積Vl(簡稱液相體積)由直拍圖像得到，定義與噴霧體積類似，不再贅述。圖6為噴霧特性參數(shù)及體積計算說明。

圖6 噴霧特性參數(shù)及體積計算說明Fig.6 Interpretation of spray parameters and volume calculation

3.2 背溫與背壓對噴霧氣液相分布影響靈敏性比較

氣相體積百分比指同一時刻下，氣相體積占噴霧體積的百分比。其中氣相體積Vg定義為噴霧體積與液相體積的差值，即Vg=V-Vl。氣相體積百分比越大，說明噴霧內(nèi)部燃油蒸汽覆蓋面積越大，反映了噴霧內(nèi)部的氣相和液相分布狀況。

圖7為不同溫度氣相體積百分比變化規(guī)律。相同時刻，隨背景溫度的增加，氣相體積百分比逐漸增大。0.6 ms之后，背景溫度358 K，氣相體積百分比基本保持在10%。背景溫度564 K基本保持在50%，背景溫度770 K基本保持在96%。背景溫度升高，產(chǎn)生液相與背景氣體間溫差，從而發(fā)生傳熱蒸發(fā)的“質(zhì)變”過程，因此背景溫度是影響噴霧內(nèi)部氣相和液相分布的“質(zhì)變因素”。

圖7 不同背景溫度下氣相體積百分比變化(背景密度為26±2 kg/m3)Fig.7 The variation of vapor volume ratio in different background temperature (background density is 26±2 kg/m3)

圖8為不同背景密度氣相體積百分比變化規(guī)律。隨著背景密度增加，氣相體積百分比增加，但與圖7相比，在13 ～26 kg/m3范圍內(nèi)不同密度線間差別沒有在304～770 K范圍內(nèi)不同溫度線間差別明顯。

圖8 不同背景密度下氣相體積百分比變化(背景溫度為770 K)Fig.8 The variation of vapor volume ratio with different background density (background temperature is 770 K)

背景密度增加使得氣相體積百分比變大，是由于噴射中后期在液相燃油與背景溫度間存在溫差的前提下，增加了進入噴霧內(nèi)部背景氣體量，也就是增加了熱源數(shù)量，促進蒸發(fā)，因而引起噴霧內(nèi)部氣相分布體積所占比例增大，所以背景密度是噴霧內(nèi)部氣液相分布的“量變因素”。

噴射開始后0.6 ms，噴霧貫穿距離大約60 mm，已到達燃燒室周邊區(qū)域。因此，選取0.6 ms時刻作為背景溫度和密度對噴霧特性靈敏性分析的時間點。

在噴射開始后0.6 ms，氣相體積百分比隨背景溫度和密度的靈敏度變化規(guī)律如圖9。可以看出，隨溫度升高，氣相體積百分比變化靈敏度下降。隨密度增加，氣相體積百分比變化靈敏度緩慢上升。但在304～770 K，13～26 kg/m3范圍內(nèi)，溫度靈敏度遠大于密度靈敏度，在770 K，26 kg/m3時，溫度靈敏度大約是密度的10倍。說明背景溫度在促進燃油蒸發(fā)，增加燃油蒸汽分布比例方面比背景密度作用明顯。

圖9 氣相體積百分比對背景溫度和密度的靈敏度Fig.9 The sensitivity of vapor volume ratio to background temperature and density

3.3 背溫與背壓對噴霧油氣混合比例靈敏性比較

(1)

式中：ρa和ρf分別為背景氣體密度和液相柴油密度，d為噴孔直徑，Uf為噴射速度，β為所求卷吸量錐形區(qū)域的錐角。

設(shè)式(1)中正比例系數(shù)為Ka，將噴霧貫穿距離S(i)代替x，則可得到某一時刻i時的整個噴霧內(nèi)空氣卷吸率，式(1)可改寫為

(2)

Uf= v(i)/(πd2/4)

(3)

式中：Ka為與背景密度和溫度無關(guān)的常數(shù)。噴霧平均空燃比越大，說明背景氣體進入噴霧分布空間內(nèi)的質(zhì)量相對于噴入油量越多，油氣混合比例的總體效果越好。

圖10為不同背景溫度下噴霧平均空燃比隨時間的變化規(guī)律。噴霧平均空燃比大致隨溫度的升高而增大，說明溫度越高，汽化越多，噴霧向周圍擴散，越有利于和周圍背景氣體混合。背景溫度304 K和358 K曲線較為接近，主要因為背景溫度還沒有達到柴油初餾點471 K，蒸發(fā)作用使噴霧向周圍擴散的效應(yīng)不明顯。

圖10 不同背景溫度下噴霧平均空燃比(×103Ka)變化(背景密度為26±2 kg/m3)Fig.10 The variation of spray average air-fuel ratio (×103Ka) in different background temperature (background density is 26±2 kg/m3)

圖11給出了不同背景密度下噴霧平均空燃比隨時間的變化規(guī)律?？傮w上看，背景密度越大，噴霧平均空燃比越大。說明背景密度的增加雖然減小了噴霧體積，但背景氣體卷吸進入噴霧內(nèi)部的質(zhì)量增加，從而使得油氣混合比例得到改善。

圖12為在噴射開始后0.6 ms，噴霧平均空燃比隨背景溫度和密度的靈敏度變化規(guī)律。在304 K到770 K，13 kg/m3到26 kg/m3范圍內(nèi)，背景密度靈敏度略大于溫度靈敏度，在770 K，26 kg/m3時，背景密度靈敏度大約是溫度的1.18倍。說明此時背景密度在降低油氣混合比例方面的作用略好于背景溫度。

圖11 不同背景密度下噴霧平均空燃比(×103Ka)變化(背景溫度為770 K)Fig.11 The variation of spray average air-fuel ratio (×103Ka) in different background density (background temperature is 770 K)

圖12 噴霧平均空燃比對背景溫度和密度的靈敏度Fig.12 The sensitivity of spray average air-fuel ratio to background temperature and density

4 仿真優(yōu)化計算

根據(jù)背景溫度和密度對噴霧特性參數(shù)的靈敏度規(guī)律，利用FIRE軟件對噴油初始時刻背景溫度770 K，背景密度26 kg/m3的發(fā)動機工況點(與噴霧特性靈敏度研究工況一致)，在進氣壓力不變的情況下，以微調(diào)(變動在3.5%內(nèi))進氣溫度和密度為手段，影響噴油起始時刻溫度和密度，來改善噴霧效果，提高功率，作為該工況附近噴霧特性靈敏度分析在發(fā)動機上的一個應(yīng)用。

標定工況為4 100 r/min外特性點。湍流模型為k-ε模型，破碎模型為WAVE模型，蒸發(fā)模型為Dukowicz模型，燃燒模型為EBU模型。仿真計算用網(wǎng)格和標定缸壓曲線如圖13。圖13(b)中缸壓曲線縱坐標為缸壓占最高燃燒壓力的百分比。

由于發(fā)動機燃燒室內(nèi)容積有限，背景氣體卷吸量式(3)在噴霧接近燃燒室壁面時應(yīng)用誤差較大，因此被優(yōu)化工況噴油持續(xù)期不宜過長，為15°CA，以減小有限容積對背景氣體卷吸量公式的影響。發(fā)動機被優(yōu)化工況主要參數(shù)為：轉(zhuǎn)速4 100 r/min、缸徑110 mm、沖程108 mm、壓縮比14、噴油器孔徑0.22 mm、孔數(shù)10孔、油束夾角157°、軌壓160 MPa、噴油提前角上止點前15°CA、噴油持續(xù)期15°CA、循環(huán)進氣量2 679 mg、過量空氣系數(shù)2.1。

圖13 仿真計算網(wǎng)格及缸壓標定結(jié)果Fig.13 The mesh of simulating calculations and the result of cylinder pressure calibration

根據(jù)背景溫度和密度在770 K，26 kg/m3點的靈敏度值，氣相體積百分比靈敏度，溫度是密度的10倍左右，而噴霧平均空燃比靈敏度，密度是溫度的1.18倍左右，說明雖然背景溫度在降低噴霧整體油氣混合比例方面略差于密度，但在影響燃油蒸發(fā)方面遠大于背景密度。綜合兩方面，認為在770 K，26 kg/m3點附近，溫度提高對可燃混合氣形成影響更靈敏。所以，對于該工況，在噴油開始時刻，背景壓力不變的情況下，增加背景溫度比增加背景密度更能有效改善霧化，提高功率。表1給出了對背景溫度和密度進行微調(diào)形成的優(yōu)化方案和對比方案仿真結(jié)果。

表1 仿真計算方案對比

注：背景溫度和密度數(shù)據(jù)為噴油開始時刻數(shù)據(jù)

仿真計算，由于采用微調(diào)噴油時刻背景溫度和密度(3.5%范圍內(nèi))的手段，參數(shù)變動較小，可以粗略地認為缸內(nèi)氣流運動等其他影響功率的因素基本沒有變化。如表1所示，保證噴油起始時刻背景壓力不變的情況下，優(yōu)化方案中微調(diào)溫度增加3.4%，密度減小3.3%，功率可以增加2.8%。而對比方案中溫度減小3.3%，密度增加3.4%，功率下降14.7%，功率下降較大與溫度較低時氣相體積百分比靈敏度較大有關(guān)，如圖9所示。優(yōu)化方案中，背景溫度增加比例與密度減小比例相當(dāng)，但功率仍可以增加的現(xiàn)象，與在該工況點附近背景溫度和密度對噴霧特性靈敏度大小關(guān)系的規(guī)律相符。

5 結(jié)論

利用定容噴霧裝置模擬某發(fā)動機噴油初始時刻的缸內(nèi)環(huán)境。噴孔直徑0.22 mm，噴油壓力160 MPa。在溫度770 K，密度26 kg/m3的背景環(huán)境工況點附近，提取噴射開始后0.6 ms數(shù)據(jù)，研究背景溫度和背景密度變化對噴霧特性影響的靈敏度。在試驗條件范圍內(nèi)有如下結(jié)論：1)背景溫度在促進燃油蒸發(fā)，增加燃油蒸汽分布比例方面比背景密度作用明顯。背景溫度對氣相體積百分比的靈敏度普遍遠大于背景密度。在770 K，26 kg/m3時，溫度靈敏度大約是密度的10倍。2)背景密度在降低油氣混合比例方面的作用略好于背景溫度。背景密度對噴霧平均空燃比的靈敏度略大于背景溫度。在770 K，26 kg/m3時，背景密度靈敏度大約是溫度的1.18倍。3)將背景溫度和密度對噴霧特性靈敏度的規(guī)律用于指導(dǎo)發(fā)動機相近工況條件下的仿真優(yōu)化，功率獲得提升。保持噴油初始時刻缸內(nèi)壓力不變，背景溫度提高3.4%，同時造成背景密度減小3.3%，功率可以增加2.8%。若能對背景溫度和密度的微調(diào)范圍做進一步優(yōu)化，功率可能有更大提高。

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Sensitivity analysis on the effect of background temperatures and densities on the diesel spray characteristics

GAO Haobu1, LI Xiangrong1, XUE Jiye1, BAI Honglin2, HE Xu1, LIU Fushui1

(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. China North Engine Research Institute (Tianjin), Tianjin 300400, China)

In this paper, a direct imaging and schlieren technique of high-speed photography is applied to optimize the background temperature and density at the time of diesel spray inside an engine cylinder and consequently improve the spray characteristic and increase power. Accordingly, an in-house image processing program is used to process the data. The concept of sensitivity is then introduced. Furthermore, a sensitivity analysis is performed on the effect of the background temperatures and densities on the diesel spray characteristics. The background temperature sensitivity against the volume percentage of the gas phase is far more than the density sensitivity (i.e., approximately 10 times that of the density at 770 K and 26 kg/m3) when the density and the temperature varied from 13 to 26 kg/m3and 304 to 770 K, respectively. Moreover, the density sensitivity against the average air-fuel ratio of the spray is slightly higher than the temperature sensitivity (i.e., approximately 1.18 times that of the temperature at 770 K and 26 kg/m3) under the same condition. The power can be increased by 2.8% by applying the sensitivity law to an engine-simulating calculation at some behaviors when the background temperature and the density at the initial diesel spray moment are slightly adjusted, with a variation scope within 3.5%.

diesel spray characteristics; background temperature; background density; schlieren; constant volume vessel; sensitivity analysis

2015-10-08.

日期：2016-05-27.

裝備預(yù)研項目(104010204).

高浩卜(1988-), 男, 博士研究生； 李向榮(1967-), 男, 教授,博士生導(dǎo)師，博士.

李向榮，E-mail:prof.lixr@yahoo.com.

10.11990/jheu.201510007

TK421.1

A

1006-7043(2016) 11-1553-07

高浩卜, 李向榮, 薛繼業(yè), 等. 背景溫度和密度對柴油噴霧特性影響靈敏度分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2016, 37(11): 1553-1559. GAO Haobu, LI Xiangrong, XUE Jiye, et al. Sensitivity analysis on the effect of background temperatures and densities on the diesel spray characteristics[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(11): 1553-1559

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