超高壓噴射條件下非常態燃油缸內噴霧特性

劉琦，劉云生，陳新傳，霍柏琦，歐陽光耀

?

超高壓噴射條件下非常態燃油缸內噴霧特性

劉琦1，劉云生1，陳新傳1，霍柏琦1，歐陽光耀2

(1. 92942部隊，北京，100161； 2. 海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢，430033)

為了研究超高壓噴射條件下缸內非常態燃油的霧化特性，分析非常態燃油各個物性參數與壓力之間的關系；搭建可視化噴霧閃光攝影試驗臺架，在AVL FIRE平臺上對噴霧過程進行三維數值仿真；利用噴霧發展的試驗結果驗證仿真模型的準確性，并研究噴射背壓、噴孔直徑對燃油霧化特性的影響。研究結果表明：在超高壓噴射條件下，燃油密度、音速和彈性模量的增大有利于油滴在噴嘴出口處獲得較大的湍動能，進一步提高燃油的霧化質量；噴射背壓增大時油束與缸內空氣之間的能量交換加劇，射流擾動增強，加劇了油滴的二次破碎；隨著噴孔直徑增大，油束的初始湍動能增加，有助于氣態燃油向燃燒室四周和底部擴散發展。

柴油機；超高壓；噴霧特性；閃光攝影；物性參數

隨著全球能源利用標準和排放法規日趨嚴格，各國政府對柴油機尾氣排放提出了更高要求[1?2]。柴油機缸內燃油與空氣混合擴散是否充分直接決定了燃燒過程是否可以順利進行，進而影響整機的動力性能和經濟性能。高壓共軌系統由于具有靈活可控的噴油策略和較高的噴油壓力，在改善燃燒排放性能方面具有極大的優越性。隨著共軌技術不斷發展，柴油機燃油噴射已經逐漸實現了超高壓(壓力≥180 MPa)噴射[3]，此時柴油的物性參數發生了很大的變化，故在此條件下研究缸內燃油的霧化特性具有重要意義。高壓共軌系統通過泄油閥將共軌腔與高壓油泵相連，使燃油的流動形成循環閉合且溫度基本恒定的回路。當燃油噴射壓力較高時，燃油自油箱經高壓油泵增壓后流入共軌腔，再經噴油器噴入缸內，其瞬時壓力急劇升高，導致燃油的物性參數發生了很大的變化。王鈞效等[4?5]的研究表明：當燃油溫度高于50 ℃時，除了運動黏度受到壓力變化的影響比較小以外，燃油密度、音速和彈性模量隨著壓力增大呈現出了不同程度的遞增趨勢，增強了噴孔內部的空化效應，從而改善了燃油在噴孔出口處的初始射流狀態。本文作者建立柴油機缸內噴霧仿真模型，模擬燃油與空氣混合擴散的整個過程，利用高壓共軌試驗臺架對噴霧發展過程進行圖像采集，驗證仿真模型的準確性，進而研究噴油系統各參數對噴霧特性的影響。

1 燃油物性參數的變化

1.1 燃油密度

燃油密度的計算公式[4]如下：

式中：0為標準大氣壓條件下的燃油密度；為燃油壓力。

把溫度對密度的影響作為修正因素，則修正后的燃油密度M的表達式為

式中：為高壓共軌系統中柴油溫度；0為標準大氣壓條件下柴油溫度；T為熱膨脹系數。

不同壓力和溫度下的燃油密度如圖1所示。由圖1可見：當燃油溫度升高時，燃油密度減小；當燃油壓力增大時，燃油密度增大。

1.2 燃油音速

燃油音速的計算公式[5]如下：

式中：為燃油音速；為黏壓系數；為黏溫系數。

不同壓力和溫度下的燃油音速如圖2所示。由圖2可知：當燃油溫度升高時，燃油音速減??；當燃油壓力增大時，燃油音速增大。

溫度/℃：1—40；2—60；3—80。

1.3 燃油彈性模量

燃油彈性模量計算公式如下：

不同壓力和溫度下的燃油彈性模量如圖3所示。由圖3可知：燃油彈性模量隨著溫度升高而減小，隨著壓力增大而增大，并且增速越來越大。

溫度/℃：1—40；2—60；3—80。

2 試驗設備與試驗方法

2.1 試驗設備

燃油噴射系統采用自主設計的超高壓共軌燃油噴射系統，噴油壓力可達180 MPa。圖像采集裝置為邊長400 mm的正方體高壓定容器，四周與底部均有石英玻璃設置的觀察口?？刂葡到y包括Freescale微控制器，驅動電路和壓力變送器，圖像采集系統為CY?28ZL低壓觸發閃光燈和NIKON單反相機。試驗前利用壓氣機對高壓定容器內部注入空氣，以實現不同的噴射背壓。試驗中主要參數設置見表1。

表1 試驗參數

2.2 試驗方法

整個測試過程在黑暗條件下進行。拍照時利用單反相機的BulB門模式采集圖像，保持快門開啟。利用微控制器和驅動電路首先向噴油器發出1個控制脈沖，過了一定時間后向閃光燈發出1個閃光脈沖，閃光之后關閉快門即完成1次噴油過程的圖像采 集[6?7]。

利用Matlab軟件對燃油噴霧圖像進行后處理[8]，結果如圖4所示。首先利用軟件中的imhist命令繪制直方圖。油束顏色較淺的部分像素灰度較小，油束顏色較深的部分像素灰度較大。油束邊界的劃分主要取決于閥值時選取，閥值選取越合理，油束邊界的精度越高。本文油束與背景相區分的閥值在直方圖的2個波峰之間的波谷處選取。然后，根據圖像中油束區與非油束區像素的不同將灰度圖像轉化為二值圖像(亮度小于給定閥值處為0，其余為1)，再提取出二值圖像中像素發生突變處的像素點，將像素點按照原來的位置回歸到圖像上，就可以得到噴霧貫穿距和噴霧錐角的輪廓(見圖4)。

圖4 噴霧圖像后處理

3 仿真模型

仿真模型采用動態網格劃分工具，在噴霧發展過程中對燃燒室的整個運動軌跡進行網格劃分[9?10]。將前期已完成的噴嘴內部流場形態的nozzle文件作為邊界條件導入計算模型中，有助于將超高壓噴射條件下噴孔內部的空化效應與燃油噴霧過程耦合起來，三維計算網格如圖5所示。燃油噴射過程中的液滴破碎模型選用KH-RT二次破碎模型，碰壁模型選用Amsden O'Rourke模型，可以較好地模擬油滴與壁膜之間的質量交換。蒸發模型選用Dukomicz模型。仿真中其余初始條件與試驗條件相同。

圖5 三維計算網格

4 計算結果

4.1 仿真與試驗結果對比分析

圖6和圖7所示分別為噴霧發展過程的試驗結果和仿真結果。從圖6和圖7可以看出：由于受到噴孔內部空化效應的作用，燃油在噴孔出口處獲得了較好的破碎狀態。同時根據本文1.2和1.3節可知：在超高壓噴射條件下，非常態燃油音速和彈性模量都隨著壓力增大而大幅度提高。一方面，更高的音速導致噴孔中的壓降較大，產生的氣泡數量勢必增加；另一方面，更大的彈性模量減少了燃油分子間的彈性變形，增強了流體湍動能的傳遞效果，所以非常態燃油的空化效應變得更加顯著，在噴口出口處獲得了非常高的初始射流速度。在0.5 ms時，油束向四周的破碎發展已經相當明顯，并且具有較大的破碎面積；隨著噴油過程的進行，油束的前部體積不斷擴大，在向前噴射的過程中與空氣之間的相互運動變得更加劇烈，部分燃油發生汽化后與空氣充分混合；1.5 ms之后，燃油的噴霧貫穿距達到最大值，油束主體不再沿軸線方向運動，而是向四周擴展，只有少量的燃油發生碰壁現 象[11?12]。

時間/ms：(a) 0.5；(b) 1.0；(c) 1.5；(d) 2.0

時間/ms：(a) 0.5；(b) 1.0；(c) 1.5；(d) 2.0

圖8和圖9所示分別為噴霧貫穿距和噴霧錐角仿真值與試驗值比較。從圖8和圖9可以看出：在超高壓噴射條件下，噴油開始時燃油的噴霧貫穿距和噴霧錐角就迅速增大，油束以較大的噴射速度沿軸線方向向前運動；隨著噴油過程的進行，油束前端與空氣分子不斷發生碰撞和能量交換，噴霧貫穿速度逐漸減小，但噴霧錐角繼續增大[13]；1.5 ms后，油束的噴霧貫穿距基本不再發生變化，只有少部分未得到霧化的燃油發生碰壁現象。而噴霧錐角進一步增大，大部分燃油開始發生2次破碎，與空氣混合后均勻地分布于燃燒室空間內。由圖8和圖9還可以看出：噴霧貫穿距和噴霧錐角的仿真值與試驗值基本一致，由此可見噴霧過程仿真計算的模型以及參數設置較為合理，能夠較好地模擬實際情況[14]。

1—仿真結果；2—試驗結果。

1—仿真結果；2—試驗結果。

4.2 噴射背壓對噴霧特性的影響

圖10和圖11所示分別為噴射背壓對噴霧貫穿距和噴霧錐角的影響。由圖10和圖11可以看出：當噴射背壓增大時，噴霧錐角相應增大，而噴霧貫穿距離小幅度減小。這是因為當背壓較大時，噴孔內部的空化流動受到阻礙[15]，燃油在噴孔出口處獲得的湍動能強度減小；且缸內空氣的密度較大，油束在向前運動的過程中與空氣分子發生碰撞時能量損失較大，噴霧貫穿的距離勢必減小。另一方面，在阻礙油束運動的過程中較大的背壓加速了油滴從大體積形態向小體積形態的轉化，增強了2次破碎的效果，對油束向四周和底部的霧化發展起到了促進作用，因此噴霧錐角變大。

噴射背壓/MPa：1—0.5；2—1.0；3—1.5。

噴射背壓/MPa：1—0.5；2—1.0；3—1.5。

4.3 噴孔直徑對噴霧特性的影響

圖12和圖13所示分別為噴孔直徑對噴霧貫穿距和噴霧錐角的影響。由圖12和圖13可以看出：噴霧貫穿距和噴霧錐角隨噴孔直徑增大而增大。這是因為當噴孔直徑增大時，噴油速率變大，燃油自噴孔噴出后的湍動能較大，需要更遠的距離與缸內空氣進行能量交換，故貫穿距變大。另一方面，增大孔徑對噴孔內部的空化效應具有增強的作用，空化氣泡在噴孔出口處潰滅，對油滴產生一定的沖擊和擾動，加劇了其自身的破碎；體積越小的燃油越容易向四周擴散并與空氣混合，所以，噴霧錐角相應地增大[16?17]。

噴孔直徑/mm：1—0.13；2—0.15；3—0.17。

噴孔直徑/mm：1—0.13；2—0.15；3—0.17。

5 結論

1) 建立了柴油機缸內噴霧三維仿真模型，通過可視化高壓共軌噴霧試驗測定，驗證了仿真模型的準 確性。

2) 在超高壓噴射條件下，燃油的密度、音速和彈性模量的增大使得噴孔內部的空化效應增強，燃油在噴孔出口處獲得了良好的初始破碎狀態，促進了燃油的射流發展和霧化擴散。

3) 噴射背壓增大時缸內空氣密度變大，導致燃油油束在向前運動的過程中油滴的破碎和擴散效果增強，噴霧錐角增大而噴霧貫穿距減小，故增大噴射背壓有利于改善燃油的霧化特性。

4) 隨著噴孔直徑增大，燃油在噴孔出口處獲得了較大的初始動能和較好的破碎效果，噴霧貫穿距和噴霧錐角也相應地增大。

[1] 林學東, 李德剛, 田維. 高壓噴射的高速直噴柴油機混合氣形成及燃燒過程[J]. 吉林大學學報(工學版), 2009, 11(5): 1446?1451.

LIN Xuedong, LI Degang, TIAN Wei. Air-fuel mixture formation and combustion process of a high-speed direct-injection diesel engine with high pressure injection[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2009, 11(5): 1446?1451.

[2] PAYRI F，GARCIA J M，SALVADOR F J, et al. Using spray monentum flux measurements to understand the influence of diesel nozzle geometry on spray characteristics[J]. Fuel, 2005, 84(2): 551?561.

[3] 王艷華, 楊世春, 高峰, 等. 汽油缸內多孔直噴噴霧破碎模型建立于試驗[J]. 農業機械學報, 2013, 44(3): 12?16. WANG Yanhua, YANG Shichun, GAO Feng, et al. Spray break-up model establishment and experiment of multi-hole injector on gasoline direct injection engine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(3): 12?16.

[4] 王鈞效, 陸家祥, 王桂華, 等. 柴油機燃油物性參數的研究[J]. 內燃機學報, 2001, 19(6): 507?510. WANG Junxiao, LU Jiaxiang, WANG Guihua, et al. Study on physical characters parameters of fuel used in diesel engines[J]. Transactions of CSICE, 2001, 19(6): 507?510.

[5] BOBAN D N, BREDA K, SASA D M, et al. Determining the speed of sound, density, and bulk modulus of rapeseed oil, biodiesel, and diesel fuel[J]. Thermal Science, 2012, 16(9): 505?514.

[6] 邵利民. 高壓共軌燃油噴霧特性的試驗研究模型驗證[J]. 車用發動機, 2005, 171(5): 44?51. SHAO Limin. Experimental study and model modification on high pressure common rail fuel spray characteristics[J]. Vehicle Engine, 2005, 171(5): 44?51.

[7] 孫柏剛, 張大鵬, 馮旺聰. 高壓共軌燃油噴霧PIV測試方法及結果分析[J]. 北京理工大學學報, 2006, 26(7): 574?576.SUN Baigang, ZHANG Dapeng, FENG Wangcong. Particle image velocimetry test methods for high pressure common rail spray and results of analysis[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2006, 26(7): 574?576.

[8] MACIAN V, PAYRI R, RUIZ S, et al. Experimental study of the relationship between injection rate shape and Diesel ignition using a novel piezo-actuated direct acting injector[J]. Applied Energy, 2014, 118(1): 100?113.

[9] LUCKHCHOURA V, PETERS N, DIWAKAR R. Computational analysis of injection-rate shapes in a small-bore direct-injection diesel engine[J]. International Journal of Engine Research, 2011, 12(2): 145?168.

[10] 周乃君, 楊曉力, 邢志海, 等. 高壓共軌燃油噴射霧化特性的數值預報[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2012, 43(10): 4063?4067. ZHOU Naijun, YANG Xiaoli, XING Zhihai, et al. Numerical simulation on spray characteristics of high pressure common rail system[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 43(10): 4063?4067.

[11] 劉琦, 歐陽光耀, 楊昆, 等. 高壓噴射條件下非常態燃油噴嘴內部空化流動特性[J]. 農業機械學報, 2016, 47(5): 333?339.LIU Qi, OUYANG Guangyao, YANG Kun, et al. Nozzle inner cavitation flow characteristics of non-normal fuel based on high pressure injection condition[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(6): 333?339.

[12] 黃康, 歐陽光耀, 安士杰, 等. 雙層交錯布置多孔噴嘴燃燒排放性能試驗研究[J]. 內燃機工程, 2015, 45(4): 2617?2623. HUANG Kang, OUYANG Guangyao, AN Shijie, et al. Experimental research of combustion and emission of double-staggered arranged porous nozzle.[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2015, 45(4): 2617?2623

[13] 周磊, 解茂昭, 賈明, 等. 發動機早噴過程中燃油噴射混合的大渦模擬[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2012, 43(9): 3678?3686. ZHOU Lei, XIE Maozhao, JIA Ming, et al. Large eddy simulation for fuel injection and mixing of early-injection in diesel engine[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 43(9): 3678?3686.

[14] BENAJES J, PAYRI R, MOLINA S, et al. Investigation of the influence of injection rate shaping on the spray characteristics in a diesel common rail system equipped with a piston amplifier[J]. Journal of Fluids Engineering, 2005, 127(6): 1102?1110.

[15] LEONHARD R, WARGA J. 2000 bar Diesel Common Rail by Bosch for passenger cars[J]. MTZ Worldwide, 2008, 69(10): 26?31.

[16] 汪洋, 謝輝, 蘇萬華, 等. 共軌式電控噴射系統控制參數對柴油機燃燒過程及排放的影響[J]. 燃燒科學與技術, 2002, 8(3): 258?261.WANG Yang, XIE Hui, SU Wanhua, et al. Investigation on the effects of controllable parameters of the common-rail injection system on the combustion process and emission in a diesel engine[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2002, 8(3): 258?261.

[17] 袁文華, 鄂加強, 龔金科, 等. 氣缸壓力監測下車用多缸發動機燃燒狀況分析系統[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2006, 37(4): 763?768.YUAN Wenhua, E Jiaqiang, GONG Jinke, et al. Combustion condition analysis system of vehicle engine with multi-cylinder under cylinder pressure monitoring[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2006, 37(4): 763?768.

Spray characteristics of non-normal fuel in-cylinder under condition of super-high pressure injection

LIU Qi1, LIU Yunsheng1, CHEN Xinzhuan1, HUO Baiqi1, OUYANG Guangyao2

(1. No.92942 Unit of the Chinese People’s Liberation Army, Beijing 100161, China; 2. College of Power Engineering, Navy University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to study the atomization characteristics of non-normal fuel in-cylinder under the condition of super-high pressure injection, the relationship between physical properties of non-normal fuel and pressure was analyzed. Visual spray flash photography test bench was set up. Three-dimensional numerical simulation of spraying process was completed on AVL FIRE software platform. The accuracy of the simulation model was verified by the experimental results of spray development. The influences of injection back pressures and nozzle diameters on atomization characteristics were studied. The results show that under the condition of super-high pressure injection, the increase of fuel density, sound velocity and elasticity modulus is good for the oil beams to obtain a better jet state at the outlet of nozzle, which further improves the quality of atomization. With the increase of injection back pressure, energy exchange between the oil beams and air becomes more intense, which enhances the jets disturbance and catalyzes the secondary broken of oil droplet. With the increase of nozzle diameter, initial turbulent kinetic energy of oil beams increases, which is helpful for the diffusion development of gaseous fuel to the surrounding and the bottom of combustion chamber.

diesel engine; super-high pressure; spray characteristics; flash photography; physical parameter

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.030

TK421

A

1672?7207(2019)02?0480?07

2018?03?08；

2018?05?09

國家自然科學基金資助項目(51379212)(Project(51379212) supported by the National Natural Science Foundation of China)

劉琦，博士，工程師，從事動力機械及熱力系統設計、仿真與優化研究；E-mail：339096073@qq.com

(編輯 伍錦花)