柴油機燃油噴射霧化試驗方法及噴霧性能影響因素研究

戎志祥，許輝強，周裁民

(1. 上海滬東造船油嘴油泵有限公司，上海 201913；2. 中船海洋動力部件有限公司，上海 201306)

0 引 言

柴油機的輸出功率和效率，與缸內的燃油霧化性能有很大關系，如何在燃燒室中形成最適合燃燒的混合氣是燃油噴射系統設計的主要任務之一。

燃油噴射的效果由燃料顆粒直徑、分布、貫穿距離等空間因素決定。通過優化后霧化性能來確定所需的噴油壓力、噴孔錐角、噴孔直徑等參數，進而指導燃油系統設計。

燃油噴射霧化的效果測試需要專門的試驗設備，對試驗設備、方法及噴霧影響因素等進行研究為船用燃油系統噴霧試驗設備搭建和噴霧性能研究提供一定指導和參考。

1 缸內噴霧試驗方法

噴油油束分為液相和氣相，一般通過試驗的方法分別測試。目前主要的試驗方法有紋影法、Mie散射法、激光誘導熒光法和納米火花成影法。

1.1 紋影法

紋影技術是利用被測場密度變化相對于光線折射率變化的一階導數的原理進行被測場的測量，是柴油機噴霧場測量的常用方法。紋影法不能區分噴霧場中燃油液滴和燃油蒸氣，只能用于噴霧場的氣相貫穿的測量。

紋影法試驗設備系統構成如圖1所示[1]，采用532 nm或308 nm的激光作為光源。燃燒室容積為1.2 L，為了觀察燃燒室中的噴油和燃燒狀況，燃燒室設有6個105 mm直徑的觀察孔，其中有3個孔裝有藍寶石玻璃。同時燃燒室設有8個直徑為19 mm的小孔，其中1個安裝熱電偶用于測量試驗前燃氣溫度，1個安裝壓電傳感器用于測量混合氣壓力，2個用于進氣，1個用于排氣。氣缸壁用電加熱的方式來模擬缸壁溫度，并防止水蒸氣在玻璃上凝結。

圖1 紋影法測量設備系統構成圖Fig.1 Schlieren measurement system composition diagram

圖2 為紋影法成像結果，噴霧影像中黑色區域為紋影法的測量結果，白色區域為疊加Mie散射的測量結果。

1.2 Mie 散射法

Mie散射原理指具有良好方向性、單色的平行激光束照射到物體表面時，激光從物面向外散射，其散射光強是粒子直徑、入射光波長和散射角的函數，通過測量散射光強分布，就可以得到被測粒子的尺寸和分布。利用Mie散射原理可以獲得噴霧場中液相區的液滴分布特性。散射法是測量噴霧場液相貫穿的最常用方法之一。

圖3為燃燒室截面圖[2]，燃燒室直徑為45 mm，高度為53 mm。燃燒室上部為噴油器安裝接口，中間部分有4個垂直的通道，分別用于安裝壓力傳感器和觀察窗（石英玻璃，長49 mm，寬33 mm，厚20 mm，并使用2 mm的石棉墊圈）。噴射系統采用博世共軌系統，軌壓控制在 300～1 300 bar。噴孔直徑為 115～200 μm。

圖2 紋影法測量圖像Fig.2 Schlieren method for measuring images

圖3 Mie 散射試驗燃燒室截面Fig.3 Mie scattering test combustor section

試驗設備構成如圖4所示，包括氙氣頻閃光源，散光片及彩色CCD攝像機（型號：Pulnix TMC9700，像素768x484，快門速度1/16 000），攝像機使用AVL Video-system 513D系統。

圖4 Mie 散射試驗設備Fig.4 Mie scattering test equipment

光源照射到噴霧場，遇到霧化液滴發生散射，噴霧場的出射光消弱，通過CCD攝像機拍攝就可分析液相噴霧區的邊緣輪廓，如圖5所示。

圖5 CCD 攝像機成像圖Fig.5 CCD camera imaging

1.3 激光誘導熒光法

當激光波長調諧到分子的某2個特定能級時，分子發生共振吸收光子能量并激發到高能態、處于高能態的分子不穩定，它通過輻射或非輻射方式釋放出能量而返回到基態。分子從激發態躍遷至基態所發射出的光稱為熒光。LIF法用來測量噴霧場的氣相貫穿，結合Mie散射法，測量整個噴射場的狀態。

1.4 納米火花成影法

納米火花成影法是利用納米火花發出的高強度光做為光源照射噴霧區，測量燃油液相和氣相噴射，同時還能測量噴射液滴。

試驗裝置構成如圖6所示[3]，其主要組成部分為噴油腔（燃燒室）、快速壓縮機、高壓共軌噴射系統和納米火花成影系統。

圖6 納米火花成影試驗設備構成Fig.6 Composition of nanoscale spark formation test equipment

圖7 為噴油腔的剖面圖，直徑為60 mm，厚度為20 mm，開口處裝有2塊石英玻璃。一邊設置納米火花裝置，另一邊設置照相機（Ikegami FCD-10）。噴油腔上部為噴油器安裝接口。

納米火花發出的光線強弱由提供的電壓和電極間隙決定。文中試驗采用3 mm電極間隙，12 kV供應電壓，點火持續時間30 ns，光源貫穿速度超過200 m/s。（外圍油滴的最大速度約為25 m/s）。

圖8為實際成影圖像。影像分析系統采用Asanuma ASA2000。

圖7 噴油腔剖面圖Fig.7 Injection chamber profile

圖8 納米火花成影圖像Fig.8 Nanoscale spark imaging

2 缸內噴霧形成的影響因素

2.1 噴霧過程概述

燃油缸內噴霧過程為：高壓燃油從噴孔噴出，保持一段未受擾的液核后才發生霧化，經過一段分裂過程，油液處于完全霧化區。分裂過程的終點到噴孔的距離稱之為分裂長度。

由于缸內空氣處于高溫高壓狀態，燃油從噴孔噴出后卷吸高溫氣體，噴霧區的燃油液滴不斷被卷吸的高溫氣體蒸發。油束前端部分的液滴進入缸內時間早，蒸發時間長，當貫穿距達到一定距離時，噴霧前端的液滴被完全蒸發，完全蒸發的燃油蒸氣以氣相形式繼續向前貫穿。此時，液相區的燃油液滴蒸發速率和燃油液滴補給速率達到平衡，最大液相貫穿距圍繞一個平均值波動直至燃油噴油結束。因此，噴霧貫穿中存在液相貫穿和氣相貫穿2種形式，如圖9所示，白色部分為液相貫穿，黑色部分為氣相貫穿[4]。

圖9 油束影像Fig.9 Oil beam image

2.2 噴射壓力的影響

噴射壓力對最大液相貫穿距沒有明顯的影響，壓力增加主要影響貫穿距達到最大貫穿的時刻。噴射壓力增加后，噴油孔出口處燃油速度增加，燃油噴射的距離也更遠，同時燃油速度增加會增加空氣卷吸量，在高溫空氣環境下，卷吸進入噴霧場的高溫空氣會加速燃油液滴蒸發，使液相貫穿減小，2種情況的綜合作用表現為噴射壓力對最大液相貫穿距的影響不大。另外，由于噴射壓力增加，噴孔出口處燃油速度增加，燃油液滴貫穿速率顯著增加，所以達到最大液相貫穿的時刻會提前。如圖10所示[3]。

圖10 噴油壓力對液相貫穿距的影響Fig.10 Effect of injection pressure on the penetration of liquid phase

在研究噴射壓力對噴霧貫穿影響時，將氣相貫穿和液相貫穿2種形式結合起來，得到氣液兩相貫穿的演變過程。從圖11結果[4]可以看出，貫穿開始初期，氣液兩相同時向前貫穿，經一段時間后液相貫穿達到最大值，氣液兩相貫穿開始分離，氣相繼續貫穿，液相貫穿距則是圍繞一個平均最大液相貫穿距波動。在保持噴油量不變的情況下，噴射壓力越大，液相貫穿結束的時刻越早。

2.3 缸內溫度的影響

缸內溫度對噴霧區燃油液滴蒸發起著至關重要的作用。缸內氣體溫度越高，貫穿過程中卷吸進入噴霧場內的氣體所含熱能就越多，對燃油液滴的加熱效果更強，能有效促進燃油液滴的蒸發。隨著缸內氣體溫度增加噴霧區邊緣被完全氣化的液滴數會增加，從而導致液相貫穿距和噴霧錐角都會減小，噴霧變的更細，如圖 12 所示[6 - 7]。

圖11 噴射壓力對液相和氣相貫穿距離的影響Fig.11 Effect of injection pressure on liquid and gas penetration distance

圖12 缸內溫度的影響Fig.12 The influence of the temperature in the cylinder

此處只是簡單分析噴霧的影響因素。實際上，缸內溫度和密度的影響極其復雜，需要更詳細分析燃料的熱動力學性能等。

2.4 缸內壓力/密度的影響

缸內氣體壓力或密度增加，一方面使燃油噴霧進入缸內后貫穿的阻力增加，造成貫穿距減小；另一方面使噴霧卷吸的氣體量增加，對于缸內為高溫氣體情況，卷吸進噴霧場的氣體熱能增加，從而使噴霧場中燃油液滴的蒸發量增加，造成最大液相貫穿距減小。所以恒定缸內氣體溫度情況下，缸內氣體壓力或密度增加會導致最大液相貫穿距減小。

根據 Dennis L. Siebers 論文[7]中的噴霧貫穿理論模型，最大液相貫穿距與缸內氣體密度或壓力的關系式為，從圖 13 可知[6 - 7]，液相貫穿距隨缸內密度增加而降低，且為非線性關系。當缸內氣體的密度較低時，液相貫穿距對缸內氣體密度的變化敏感，隨密度上升，敏感度降低。缸內密度的增加，會使噴射阻力和蒸發速度增加，使液相貫穿距離降低，而蒸發速度的影響并不是線性的。

圖13 缸內密度對液相貫穿距離的影響Fig.13 The influence of the inner cylinder density on the penetration distance of the liquid phase

將瞬態噴霧情況下液相和氣相2種油束的研究結合起來，詳細分析缸內氣體壓力對2種形式的貫穿的影響[4]。

圖14（a）為缸內溫度一定時，缸內壓力變化對貫穿的影響，從圖中可以看到缸內壓力改變對氣相貫穿的影響非常明顯。缸內壓力增加，氣相貫穿距和貫穿速率均有明顯降低，相比之下，對液相貫穿的影響較小，只對最大液相貫穿距產生影響，缸內壓力增加，最大液相貫穿距減小。其原因是：缸內溫度一定，氣體壓力或密度增加會導致噴霧貫穿阻力增加，氣相貫穿的貫穿距和貫穿速率都會減小，而液相貫穿也會跟隨這種變化，最大液相貫穿距有一定程度的減小，貫穿速率也會一定程度變緩。

圖14 缸內壓力對氣相和液相貫穿距離的影響Fig.14 Influence of cylinder pressure on gas and liquid penetration distance

圖14 （b）為缸內密度一定時，缸內壓力變化對貫穿的影響。可以明顯看出，氣相貫穿幾乎不受缸內壓力變化的影響，而液相貫穿則表現為隨缸內壓力增加，最大液相貫穿距減小的變化趨勢。其原因是：保持缸內氣體密度一定，缸內壓力上升引起缸內溫度上升，液滴蒸發速率上升，液相貫穿達到最大貫穿距的時刻提前，最大貫穿距降低，更多的液滴以氣相形式貫穿。對于氣相貫穿，由于缸內密度一定，貫穿阻力并沒有變化，氣相貫穿的速率和貫穿距幾乎沒有變化，唯一改變的是氣相貫穿和液相貫穿的分配比例。

2.5 噴孔直徑的影響

實際上噴孔和蓄壓腔的設計在很大程度上能夠影響燃油的流動狀態，如噴孔圓錐形設計，噴孔入口圓倒角等結構方面的改進，會改變流場，從而對噴油的霧化和貫穿距離都有較大影響。大部分SAE論文只對噴孔直徑有研究，并不涉及流場變化。

噴孔直徑對噴霧貫穿的影響主要體現在：噴孔直徑減小會增加燃油的霧化程度，噴霧中液滴直徑會減小，更容易被高溫氣體氣化，液相貫穿速度和距離都會減小。

圖15為噴孔直徑對氣相和液相貫穿距離的影響。噴孔直徑對氣相貫穿和液相貫穿都有較大影響，尤其氣相貫穿更為明顯。定噴油量情況下，減小噴孔直徑，氣相貫穿距和貫穿速率明顯減小，液相貫穿距和貫穿速率只有小幅減小[4]。

根據 Dennis L. Siebers 論文[7]中的噴霧貫穿理論模型，最大液相貫穿距與噴孔直徑的關系式為，兩者為線性關系，從圖16可以看出，噴孔直徑在0.1～0.5 mm范圍內，液相貫穿距隨噴孔直徑增加而增加，且兩者之間為線性關系，而改變缸內溫度，缸內密度，噴油孔壓降以及燃油型號，僅僅影響液相貫穿距與噴孔直徑之間線性關系的斜率，且交匯于原點（噴孔直徑為0，液相貫穿距為0）。這對于小缸徑發動機顯得更為重要，因為小型燃燒室需要考慮油束撞擊壁面的問題。

圖15 噴孔直徑對氣相和液相貫穿距離的影響Fig.15 Influence of nozzle diameter on gas and liquid penetration distance

圖16 噴孔直徑對最大液相貫穿距離的影響Fig.16 The influence of the diameter of the nozzle on the maximum liquid penetration distance

2.6 噴油量的影響

在極短的噴油持續期下，液相噴霧貫穿距還未達到最大值時就開始衰減，如果增加噴油量（噴油持續期增加），液相貫穿會繼續增加，直至液相貫穿達到最大液相貫穿距為止，液相貫穿距不再隨噴油量增加而增加。

在給定噴油系統和噴射環境的情況下，通過改變噴油持續期來改變噴油量，噴油量對氣相貫穿和液相貫穿都沒有影響，如圖17所示。

圖17 噴油量對液相貫穿距離的影響Fig.17 Effect of fuel injection on the penetration distance of liquid phase

3 結 語

由以上分析知，影響燃油系統噴射效果的設計參數和邊界條件主要為噴射壓力、噴孔直徑、缸內壓力、缸內溫度、噴油量。前三者主要影響燃油噴射液相貫穿距離；缸內溫度影響液相貫穿距和噴霧錐角；噴油量在未到最大貫穿距離時影響液相貫穿距。在進行噴霧試驗設備研制中應結合燃油系統的系統參數和霧化影響因素，合理設計霧化試驗設備的系統參數。同時，也應注意到霧化試驗多為單孔噴射試驗，不需考慮噴射油束的空間分布，而實際應用中需考慮噴射油束的空間分布，這在設計噴孔空間結構和噴油器安裝角度和方向時需重點考慮。