轉子發動機噴霧特性試驗研究

劉洪俊，潘劍鋒，范寶偉，陳偉

(江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013)

轉子發動機噴霧特性試驗研究

劉洪俊，潘劍鋒，范寶偉，陳偉

(江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013)

利用定容彈、紋影儀以及高速相機等裝置，就柴油轉子發動機工況下的噴霧過程進行了試驗研究，重點分析了噴霧環境背壓和噴射壓力對噴霧特性的影響。結果表明：在轉子發動機噴霧過程中，噴霧擴散速度先快速增大后逐漸減?。粐婌F錐角在初次霧化階段內急劇減小，然后在二次霧化作用下保持相對穩定。噴霧環境背壓的增大，有效減小了噴霧貫穿距離，增大了噴霧錐角，說明噴霧環境背壓的增大對噴霧貫穿距離和錐角都有顯著的影響，從而為轉子發動機噴油正時的優化提供了試驗數據支持；隨著噴射壓力提高，噴霧貫穿距離和噴霧錐角都增大，并且增大噴射壓力加強了燃油的初次霧化和二次霧化，有利于提高轉子發動機噴霧質量，為優化柴油轉子發動機油氣混合狀態創造了條件。

轉子發動機；噴射壓力；噴霧特性

轉子發動機(Rotary engine)由德國人菲加士汪克爾(Wankel)博士發明。與傳統往復活塞式發動機相比，轉子發動機具有結構簡單、單位質量功率高、生產維修成本低等優點，越來越受到國內外學者的重視，尤其是近年來隨著混合動力汽車的發展，轉子發動機作為增程器動力源使用更是讓其成為研究熱點[1]。

目前，柴油、航空煤油等燃料已成功應用于轉子發動機，但是油耗較高、排放超標等問題還沒有根本解決[2]。為優化轉子發動機性能，國內外學者進行了一系列的研究。高宏亮、陳秋亮等實現了針對柴油轉子發動機及天然氣-柴油雙燃料轉子發動機的二維數值模擬[3-4]，并對燃燒過程進行了數值模擬研究；吳進軍[5]針對高壓共軌柴油轉子發動機ECU以及試驗匹配進行了研究，實現了高壓共軌燃油噴射和電子控制的有效結合；J. Abraham等[6]早期對預混式天然氣轉子發動機進行了數值模擬計算；J. K. Yeom等[7]基于Fluent軟件，以噴霧貫穿距離和索特平均直徑為評估指標，針對柴油噴霧中不同的油滴破碎模型及噴霧特性進行了比較分析；M. DeFilippis等[8]使用激光多普勒測速儀，測得了轉子發動機內部流場的變化；潘劍鋒、范寶偉等基于 Fluent建立了轉子發動機三維動態模型，針對點火位置對汽油轉子發動機燃燒過程的影響進行了數值模擬研究[9]，并通過搭建轉子發動機PIV流場測試試驗臺，揭示了轉子發動機缸內渦流的變化規律以及上止點附近單向流為主的流場分布規律[10]。

目前的研究內容主要集中在流場分布規律的優化和燃燒特性的分析兩方面，并且主要采用數值模擬的方法，關于轉子發動機噴霧特性研究的試驗數據較少。鑒于轉子發動機結構緊湊、轉速高的特點以及獨特的缸內環境，對油束的蒸發以及霧化速度要求更高，并且轉子發動機缸內空間狹長，所以，針對噴霧油束中油膜蒸發與空間霧化比例[11]的優化與往復式內燃機不同，進而對噴霧參數要求也就不同。因此，本研究針對柴油轉子發動機噴霧特性開展試驗研究，不僅為轉子發動機噴霧參數的優化提供數據參考，還為改善油氣混合狀態、降低柴油轉子發動機排放創造條件。

1 試驗設備及方法

1.1 轉子發動機噴霧試驗裝置

圖1示出噴霧特性試驗系統示意。該試驗系統主要包括定容燃燒彈、高壓共軌燃油噴射試驗臺、高速相機以及紋影儀裝置、ECU控制電路等。其中高壓共軌燃油噴射試驗臺中的高壓油泵為 P2型泵，燃油從油箱經柴油濾清器、高壓油泵等進入高壓共軌管中存儲， 共軌壓力最高可達100 MPa。高速相機拍攝速度最高可達21萬幀/s，最高像素為1 024 像素×1 024 像素(對應的最高拍攝速度為20 000 幀/s)，單個像素實際大小為20 μ m×20 μ m，曝光時間最短可達243 ns。紋影儀中光路的布置方式見圖1。

1—光源；2—小反光鏡；3—主反光鏡；4—定容彈；5—主反光鏡；6—小反光鏡；7—刀口裝置；8—高速相機；9—油箱；10—柴油濾清器；11—電機；12—連軸器；13—高壓油泵；14—共軌壓力表；15—共軌管；16—高壓油管；17—噴油器；18—回油管；19—氮氣瓶；20—減壓閥；21—定容彈壓力表；22—ECU；23—計算機。圖1 轉子發動機噴霧特性試驗系統示意

在本試驗中，結合轉子發動機特點，選取型號為0445110321的博世高壓共軌噴油器進行試驗，噴孔直徑0.18 mm。將高壓油泵的轉速設定為恒定值500 r/min，試驗過程中，將高速相機的拍攝速度設置為10 000 幀/s，噴霧圖像大小為1 024 像素×1 024 像素。在處理試驗數據時，將捕捉到第一幅有燃油噴霧圖像的時刻記為0.1 ms時刻。

圖2 噴霧幾何參數定義

對于噴霧試驗結果，利用Matlab軟件編寫程序進行圖像處理。對柴油噴霧圖像依次進行背景剪除、精度類型轉化、二值化處理、形態學重構等操作，最終得到匹配效果較好的噴霧輪廓圖(見圖2)。以噴孔出口作為噴霧始點，從噴孔出口垂直向下做軸，與噴霧圖像相交的縱向最遠點與噴孔出口的軸向距離定義為噴霧前鋒貫穿距離S[12-13]，噴孔到噴霧1/2貫穿距離處與所繪的兩條切線之間的夾角定義為噴霧錐角(θ)[14]。

1.2 轉子發動機噴霧試驗工況的確定

在研究轉子發動機工況下的噴霧特性時，首先需要明確轉子發動機噴霧試驗工況的范圍。根據文獻[5]中倒拖條件下轉子發動機缸壓曲線(見圖3)，選取的其中一缸在0°～360°偏心軸轉角范圍內，缸內純壓縮壓力最大值在1.1～1.2 MPa之間。隨著壓縮階段的進行，轉子發動機缸內空間變得更加狹長，復雜的氣流運動逐漸破碎為單向流[10]。為了更好地將破碎前的缸內氣流運動與燃油噴霧相結合來進一步優化油氣混合狀態，兼顧缸內燃油早噴和晚噴等情況，本研究選定轉子發動機噴霧特性試驗對應的偏心軸轉角范圍為35°～135°，相對應的背壓值pamb范圍為0.2～0.8 MPa，具體見表1。結合轉子發動機壓縮比較低，排量較小以及缸內空間相對狹長的特點，選取燃油噴射壓力pinj范圍為50～70 MPa。

圖3 倒拖條件下轉子發動機單缸壓力

偏心軸轉角/(°)pamb/MPa偏心軸轉角/(°)pamb/MPa350.21150.6950.41350.8

2 試驗結果與討論

2.1 轉子發動機的基本噴霧特征

圖4示出噴射壓力70 MPa、環境背壓0.8 MPa時的噴霧過程圖像，所記錄噴霧過程時間段為0～3.6 ms，相鄰兩張圖像時間間隔為0.2 ms。

如圖4所示，0～0.2 ms為噴霧孕育過程。由于環境介質的最初狀態是靜止的，伴隨著燃油的噴出，油束的初動能要克服噴孔的黏滯阻力和環境介質的阻力，油束動能消耗較多，所以表現為噴霧貫穿距離增大較為緩慢；但由于處在初次霧化階段[15]，徑向動量較大，因此噴霧錐角變化較大。0.4～1.8 ms為噴霧快速擴散過程。隨著燃油噴射的持續進行，在噴孔附近逐漸形成有規則的氣流運動，噴霧擴散速度顯著增大，噴霧霧錐逐漸形成，錐角趨于穩定。隨著燃油的破碎、蒸發與霧化，空氣卷吸現象開始出現并越來越明顯，二次霧化作用顯著。2～3.2 ms為噴霧趨于穩定時的噴霧形態特征。在環境介質阻力的持續作用下，噴霧擴散能力降低，橫向和縱向擴散速度相對減小，噴口附近形成了規則的流場，空氣卷吸作用加強，噴霧外圍液滴氣化相變[16]更加劇烈，噴霧錐角基本穩定。3.4 ms及以后，噴霧逐漸進入穩定階段，噴霧貫穿距離接近最大值。

圖4 轉子發動機基本噴霧特征

2.2 環境背壓對噴霧特性的影響

圖5示出噴射壓力70 MPa、環境背壓0.4 MPa和0.8 MPa條件下的噴霧形態。由圖5可見，油束在環境背壓較低時，環境介質阻力較小，噴霧形態相對細長，隨著環境背壓的增大，橫向和縱向擴散受到環境介質阻力的作用，噴霧整體形態變得相對粗短[17]。所以在轉子發動機內，選取不同的燃油噴射時刻，造成噴霧背壓不同，對轉子發動機噴霧特性的影響較為顯著。

圖5 不同環境背壓條件下的噴霧形態

圖6示出噴射壓力70 MPa，不同環境背壓下的噴霧前鋒貫穿距離。由圖6可見，若噴射壓力保持不變，噴霧前鋒貫穿距離隨時間不斷增加，但存在曲線斜率先急劇增加后逐漸減小的現象。這是噴霧油束在擴散的過程中，同時進行蒸發與霧化造成的。具體來說，在噴霧初期，噴霧貫穿距離包括液相貫穿距離和氣相貫穿距離，隨著油束的持續擴散，液相貫穿距離先持續增大然后穩定在最大值附近[17]。在液相貫穿距離相對穩定后，噴霧貫穿距離的持續增大主要是氣相貫穿距離的增大所致。

圖6 不同環境背壓下的噴霧貫穿距離

噴霧貫穿距離隨著環境背壓的增大而減小。一方面是由于背壓值增大，噴霧擴散所受環境介質阻力增大，具體來說在噴霧初期，背壓增大使液相貫穿距離減小，且最大液相貫穿距離出現的時刻提前[17]；隨著噴霧持續擴散與霧化，氣相部分比例逐漸增大，液相部分長度提前達到最大值且基本保持不變，環境介質對氣相部分的阻力作用更加顯著，進而抑制了噴霧擴散；另一方面是背壓增大，減小了噴孔內外壓差，也減小了油束獲得的初動能，降低了噴霧擴散能力，從而減小了噴霧貫穿距離。

圖7示出噴射壓力為70 MPa、不同環境背壓下噴霧錐角的變化。圖8示出70 MPa噴射壓力條件下，趨于穩定后的噴霧錐角平均值柱形圖。由圖7可見，在燃油噴射的初始階段，不同環境背壓下的噴霧錐角變化曲線并沒有顯著地差別，隨著油束的持續擴散，錐角變化曲線因環境背壓值不同而相互分離。這是由于噴霧錐角不僅和噴嘴內部流動狀態有關，還受噴嘴外部空氣擾動力的影響[18]。

圖7 不同環境背壓下的噴霧錐角

圖8 不同環境背壓下噴霧錐角趨于穩定后的平均值

具體來說在燃油噴射的初期，油束噴射速度較低，空氣擾動力的影響作用相對較小，加上噴射初期噴霧油束中液相所占比例較大，環境背壓值的增大對液相油束的影響較弱，對氣相的影響相對明顯[17]，所以在噴射初期不同環境壓力下的錐角主要與噴嘴內部流動狀態有關，因此，在噴射初期，不同環境背壓下的噴霧錐角差別不大。而在噴霧錐角趨于穩定后，當環境背壓從0.2 MPa增大到0.8 MPa時，錐角由9.76°增大到15.21°，增加了5.45°(見圖8)；這是由于隨著噴射的持續進行，油束噴射速度保持在較大值，增強射流破碎效果，加速液滴從大體積形態向小體積形態轉化，噴霧會不斷地將周圍的環境介質卷吸進來，而環境背壓越大，空氣擾動力的影響越強，噴霧的卷吸作用越發明顯[12,15]，進而導致了錐角增大。

綜上，隨著噴油時刻的推遲，缸內環境背壓增大，導致噴霧貫穿距離減小，噴霧錐角增大；通過與噴射方向、燃燒室形狀以及流場分布規律等相結合，可有效優化油束中油膜蒸發和空間霧化的比例，從而為進一步改善轉子發動機油氣混合狀態創造條件。

2.3 噴射壓力對噴霧特性的影響

圖9示出環境背壓0.8 MPa、噴射壓力50 MPa下的噴霧形態。將圖9與圖5b進行對比，發現隨著噴射壓力的增大，油束在橫向和縱向的擴散進一步加強，貫穿距離和錐角都有一定程度的增大，說明噴射壓力對噴霧特性有較為顯著的影響。

圖10示出環境背壓值為0.8 MPa，不同噴射壓力下的噴霧前鋒貫穿距離。由圖10可知，噴射壓力增大，噴霧貫穿距離增大，具體來說噴射壓力從50 MPa增大到70 MPa，貫穿距離增大了11 mm左右。這是由于燃油噴射壓力增大，噴油器噴口內外壓力差增大，進而噴霧初始射流速度增大，促進了噴霧不斷向前發展[19]，噴霧貫穿距離增大。

圖9 50 MPa噴射壓力下的噴霧形態

圖10 不同噴射壓力下噴霧前鋒貫穿距離

圖11示出環境背壓0.8 MPa、不同噴射壓力下的噴霧錐角。圖12示出噴霧錐角趨于穩定后的平均值柱形圖。從噴霧發展過程來看，在噴霧初始階段，噴霧錐角初始值較大，0～0.3 ms時間段內，錐角快速減小，之后隨著燃油噴射的持續，錐角相對穩定但略有增大，這是由于噴射初期屬于燃油初次霧化階段，燃油具有較大的軸向速度和徑向動量，噴霧擴散能力較強，擴散速度較快[15]。之后隨著燃油噴射的持續，噴霧霧錐逐步形成，噴霧卷吸作用越發明顯，二次霧化起主要作用[15,17]，使得噴霧錐角相對穩定。

圖11 不同噴射壓力下的噴霧錐角

圖12 不同噴射壓力下趨于穩定后的噴霧錐角平均值

由圖11可知，噴射壓力越大，噴霧錐角初始值越大。這是由于增大噴射壓力，噴孔更易產生空穴流動，湍流強度也增強[13,18]，噴霧射流速度增大，初次霧化進一步加強，并且油束與環境氣體的相互作用增強，從而促進了燃油霧化，增大了噴霧錐角。如圖12所示，錐角相對穩定后，當噴射壓力從50 MPa增大到70 MPa時，噴霧錐角增加了1.64°。這是因為噴射壓力增大，增大了射流速度，促進了燃油的二次霧化[14-15]，油束中氣相部分比例增大，噴霧擴散和卷吸作用進一步加強，從而增大了噴霧錐角。

綜上，噴射壓力增大，噴霧貫穿距離和噴霧錐角都有一定程度增大，并且噴射壓力增大有效加強了燃油的初次霧化和二次霧化，有利于提高柴油轉子發動機噴霧質量。

3 結論

a) 在轉子發動機噴霧擴散過程中，噴霧擴散速度先快速增加后逐漸減?。粐婌F錐角在初次霧化階段內急劇減小，然后在二次霧化的作用下保持相對穩定；

b) 在一定范圍內，隨著噴油時刻的推遲(對應偏心軸轉角變化范圍35°～135°)，環境背壓從0.2 MPa增加到0.8 MPa，噴霧貫穿距離減小36 mm左右，噴霧錐角增幅為5.45°，說明噴油時刻推遲，噴霧環境背壓值增大對轉子發動機的噴霧形態影響顯著；

c) 噴射壓力從50 MPa增大到70 MPa，貫穿距離增大11 mm左右，噴霧錐角值增幅為1.64°；試驗結果表明：增大噴射壓力，噴霧貫穿距離和錐角都增大；并且噴射壓力增大，有效加強了燃油的初次霧化和二次霧化，有利于提高轉子發動機噴霧質量，為改善柴油轉子發動機油氣混合狀態創造了條件。

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ExperimentalStudyonSprayCharacteristicsofRotaryEngine

LIU Hongjun,PAN Jianfeng,FAN Baowei,CHEN Wei

(School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The spray process of diesel rotary engine was studied by means of constant volume bomb, schlieren device and high speed camera. The influences of back pressure and spray pressure on spray characteristics were emphatically analyzed. The results show that the spray diffusion rate increases rapidly and then decreases step by step during the spray process. The spray cone angle decreases sharply in the initial atomization stage and remains relatively stable in the stage of secondary atomization. The increase of spray environment pressure effectively shortens the spray penetration distance and increases the spray cone angle, which provides the test data for the optimization of fuel injection timing. With the increase of injection pressure, the spray penetration distance and spray cone angle increase and the initial fuel atomization and secondary atomization hence improve, which is beneficial to improve the spray quality of rotary engine. Accordingly, the mixing state of fuel and gas for rotary engine can be improved.

rotary engine;injection pressure;spray characteristic

袁曉燕]

2017-07-18；

2017-10-10

國家自然科學基金(51576093,51606089)；中國博士后科學基金(2016M601735)

劉洪俊(1990—)，男，碩士，主要研究方向為轉子發動機噴霧及燃燒過程；l_hongjun@163.com。

潘劍鋒(1986—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為動力機械燃燒過程和燃燒系統；mike@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.008

TK421.2

B

1001-2222(2017)06-0043-05