純柴油噴霧特性試驗研究

武奎，李雯霖，張葉娟，董德磊，曹建明

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

純柴油噴霧特性試驗研究

武奎，李雯霖，張葉娟，董德磊，曹建明

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

采用高分辨率單反數碼照相機和馬爾文激光粒度分析儀分別在20MPa、24MPa和28MPa噴油壓力下對純柴油的噴霧特性進行了試驗研究。結果表明隨著噴油壓力的逐漸增大，燃油噴霧錐角逐漸增大，索特平均直徑逐漸減小，說明增大噴油壓力可以提高燃油的霧化質量。

噴霧特性；噴霧錐角；索特平均直徑；霧化質量

引言

內燃機的性能主要取決于燃燒室形狀、缸內空氣運動和噴油壓力三者之間的配合[1]，燃料燃燒是否充分對內燃機的動力性、排放性、經濟性等都有著非常巨大的影響，然而內燃機的燃燒特性直接受到燃料霧化質量的影響，其中噴油壓力是燃料霧化質量的重要影響因素，隨著環境污染的加劇，一系列節能環保的法案相續出臺，對影響燃料霧化質量因素的研究顯得愈發重要。本試驗在機械噴油泵噴霧質量分析系統試驗臺上，采用閃光攝影法和馬爾文法，分別從宏觀和微觀兩個角度對不同噴射壓力下柴油的噴霧特性進行了試驗研究，從而分析隨著噴油壓力的變化燃油霧化質量的變化規律。

1 噴霧特性試驗

本試驗的目的是為了分析不同噴射壓力下燃油的噴霧特性，噴霧特性又分為宏觀噴霧特性和微觀噴霧特性，對于宏觀噴霧特性主要是噴霧錐角和貫穿距離，由于本試驗選用的噴油器與之配套的發動機正常工作時，噴霧油束總是直接噴射到氣缸壁面上，所以貫穿距離總是大于1的，因此本試驗只對噴霧錐角進行測量分析。對于微觀噴霧特性主要是霧化液滴尺寸分布，其中平均直徑是微觀噴霧特性的重要評價指標，霧化液滴的平均直徑表示方法很多，最常用的是索特平均直徑[2]，因此本試驗主要對霧化油滴的索特平均直徑進行測量并分析噴油壓力對柴油霧化質量的影響。

1.1 宏觀噴霧特性試驗

試驗采用閃光攝影法建立宏觀噴霧特性實驗系統對柴油的噴霧形態進行拍攝，試驗系統布局如圖1所示。由圖可知本系統裝置主要由數碼相機、實驗臺、油泵、噴油器和背景板組成。為了能夠精確的模擬實際發動機的噴霧情況，本試驗選用噴油器為質量較好的德國博世公司生產的道依茨BF6M1013柴油發動機噴油器，6孔噴油嘴，噴孔直徑為0.280mm。噴油器中燃料的壓力通過機械噴油泵手柄進行建立，通過增減噴油器調壓墊片實現對噴油壓力的控制，燃油直接加注到機械噴油器的儲油筒里，油罐通過接頭連接到機械噴油泵，再通過高壓油管與噴油器相連。成像采用800萬像素、高分辨率CCD的佳能EOS30D單反數碼照相機，分別在20MPa、24MPa和28MPa噴油壓力下對純柴油的噴霧形態進行拍攝。采用數碼相機拍攝便捷、可靠性高，易于對拍攝位置和參數進行調整，圖像清晰，實驗成本低，便于讀取和處理，該方法適用于拍攝整個霧化場[3]。試驗采用黑色作為背景以增強背景與噴霧油束的區分度；由于拍照時光照不均而造成的亮度不均會影響圖像的二值化，從而使最終測量結果與實際存在偏差，因此需要針對亮度不均進行校正，以便正確地分離出目標液滴[4]，因為試驗為高速瞬態噴射，拍攝時相機選用常規模式照片成像效果較差，因此選用運動模式，因為使用運動模式相機本身有較高的感光度和快門速度，可以較好地捕捉高速運動的物體。試驗時相機在連續拍攝模式下進行拍攝，每個工況拍攝多張圖片從中選取效果較好的五張圖片進行處理測量并求其平均值。由于試驗的目的是對柴油的噴霧特性進行試驗研究, 并且噴嘴附近的油束緊密, 濃度太高,無法得到分散的燃料顆粒圖像，因此試驗選用燃料噴射進入大氣環境中的試驗方案。

圖1 宏觀噴霧特性系統

1.2 微觀噴霧特性試驗

微觀噴霧特性試驗采用馬爾文法對噴霧油滴的尺寸進行測量，測量系統如圖2所示，測試系統主要由馬爾文激光粒度分析儀和裝有馬爾文控制軟件的計算和噴射系統組成；馬爾文激光粒度分析儀由英國馬爾文儀器有限公司制造，采用激光衍射技術對噴入激光束中的粒子進行采集并測量霧場中粒子的直徑，粒徑測量范圍為2~2000μm，最大可測量2500μm的粒子，采用750 mm透鏡，光源為632.8 nm、5 mW氦氖激光器，能夠實時、準確的對噴霧粒子的微觀特性參數進行測量。噴射系統采用和前文宏觀噴霧特性試驗同樣的噴射系統，對分別在20MPa、24MPa和28MPa噴油壓力下對純柴油的索特平均直徑進行測量。試驗由噴射系統噴射柴油，馬爾文控制軟件控制馬爾文激光粒度分析儀發射激光束，接收噴入激光束中的粒子，經計算機進行分析計算獲得噴霧場中粒子的索特平均直徑D32。

圖2 微觀噴霧特性系統

2 實驗結果與分析

2.1 噴霧錐角

數碼相機拍攝的噴射油束圖片如圖3所示，噴霧錐角邊緣不很清晰，不能準確的測量噴霧錐角，為了獲得邊緣清晰的圖像，精確的測量油束錐角，需采用數字圖像處理技術利用相應的圖像處理軟件進行處理，然后進行噴霧錐角的測量。本實驗采用Matlab 和Photoshop 兩種圖像處理軟件對所拍攝噴霧油束圖片進行處理及測量噴霧錐角，首先使用Matlab圖像處理功能對所拍攝的圖片進行灰度處理、對比度增強、濾波處理、邊緣檢測以及圖像二值化處理，經上述方法處理后的圖片如圖4所示，噴霧油束與背景區分明確，油束邊界輪廓清晰，能較為完整而精確的顯示出油束輪廓，然后利用 Photoshop軟件中的標尺工具精確測量油束的噴霧錐角。噴霧錐角測量結果如表1所示。由表中結果可知，隨著噴油壓力的增大，噴霧錐角逐漸增大，這是因為隨著噴射壓力的增大，噴油速度增大，油氣之間的相對速度增大，油氣之間的作用力也將增大，致使油滴更容易碎裂，因此燃油噴霧錐角增大。說明在實驗壓力范圍內，通過提高噴油壓力能夠使燃油的霧化質量得到改善。

圖3 由攝像機拍得圖片

圖4 經軟件處理后的圖片

表1 噴霧錐角

2.2 霧化油滴的索特平均直徑

利用馬爾文激光粒度分析儀直接測得不同壓力下的霧化油滴微觀尺寸，并記錄索特平均直徑如表2所示。從表中可以看出，隨著噴油壓力的增大，霧化油滴的索特平均直徑逐漸減小，霧化油滴中小顆粒油滴增多大顆粒油滴減少，燃油霧化質量變好， 說明在實驗壓力范圍內提高噴油壓力可提高燃油霧化質量；這與宏觀噴霧特性試驗所得結論是一致的。

表2 霧化油滴的索特平均直徑

3 結論

（1）隨著噴油壓力的逐漸增大，噴霧錐角逐漸增大，燃油霧化質量變好。

（2）隨著噴油壓力的逐漸提高，霧化油滴的索特平均直徑逐漸減小，燃油霧化質量提高。

（3）提高噴油壓力可有效改善燃油的霧化質量。

[1] 周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社.2010.8.

[2] 曹建明.液體噴霧學[M].北京：北京大學出版社.2013.7.

[3] 韓國棟.霧化效果檢測技術研究進展[J].化工自動化及儀表，2010，37（6):1~4.

[4] 簡林莎，張田昊.噴霧液滴圖像亮度不均的校正方法[J].計算機工程,2006,32（7）：180.

Experimental Study on Spray Characteristics of pure Diesel

Wu Kui, Li Wenlin, Zhang Yejuan, Dong Delei, Cao Jianming
( Automobile Faculty, Chang'an University, Shannxi Xi'an 710064）

The spray characteristics of pure diesel were tested at high pressure high resolution digital camera and Spraytec laser particle size analyzer at 20MPa, 24MPa and 28MPa injection pressure respectively. The results show that with the increase of the injection pressure, the taper angle of the fuel spray increases gradually, and the average diameter of the Sauter decreases gradually, which indicates that increasing the fuel injection pressure can improve the atomization quality of the fuel.

Spray characteristics; spray cone angle; Sauter average diameter; atomization quality

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-212-03

U467 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-212-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.069

武奎（1992-），男，長安大學碩士研究生，主要研究方向為流體機械及工程。