強渦流場中柴油噴霧擴散特性研究

魏衍舉 章旭東 鄧勝才 張 潔 劉圣華 張美娟

(1.西安交通大學能源與動力工程學院， 西安 710049； 2.無錫職業技術學院汽車與交通學院， 無錫 214121)

0 引言

目前，汽車發動機仍然是以汽油和柴油為主的液體燃料發動機。液體燃料從噴射到燃燒完畢，經歷了非常復雜的物理化學過程。雖然均質混合氣發動機包括火花點火發動機[1-5]和HCCI發動機[6]，名義上為均質混合氣燃燒，但是從大量的核模態顆粒物排放上可以看出，無論對于柴油機或汽油機，其燃燒本質都是氣液兩相燃燒，只是汽油液滴的尺度比柴油小一些。而非均相燃燒是顆粒物產生的充分條件。

目前，發動機主要依靠高壓噴射、稀燃等缸內凈化和機外DPF捕集技術減少顆粒物的產生。缸內空氣運動的組織對空氣燃料的分布產生至關重要的影響，對于燃油與空氣混合過程的研究也引起廣泛關注。燃料-空氣分配過程由多種因素決定，如燃料性質、噴射壓力、氣流條件等。通過計算模擬[7-12]和實驗[13-18]對柴油的噴霧特性已進行了廣泛的研究。KIM等[19]在單缸可視化柴油發動機上研究了渦流的特征以及渦流對燃燒和火焰特性的影響，研究發現，渦流有助于燃料在燃燒室中分布更均勻，從而減少點火延遲并提高燃燒效率，但沒有對燃料的混合過程進行深入研究。本文在不同強度渦流場中對柴油噴射油束的擴散特性進行研究，以期為柴油機燃燒室內空氣運動組織設計提供參考。

1 實驗設置

1.1 RCM系統

RCM系統包括：供氣子系統、可視化燃燒室模塊、壓縮段、鎖定組件、直線運動系統、驅動組件、燃油供應系統、高速攝像機數據采集系統和可視化燃燒室控制系統。圖1為RCM系統的3D模型?？梢暬紵抑睆?0 mm，厚度20 mm，壓縮由鋼塊碰撞到活塞模塊驅動。快速壓縮機工作時，直線導軌上的鋼塊負載首先通過直線運動系統在1.5 m的距離內從靜態加速到10 m/s，然后鋼塊撞擊并推動活塞模塊向前移動以壓縮缸(直徑50 mm，長600 mm)內氣體，平均壓縮速度為7.55 m/s，壓縮比為14，壓縮終了缸內壓力為1.5 MPa。

圖1 RCM系統3D模型Fig.1 3D model of rapid compression machine (RCM) system

1.2 燃燒室與渦流塊

該快速壓縮機燃燒室與氣缸為分離式結構。燃燒室為直徑50 mm、厚度20 mm的扁圓柱形，其軸線與氣缸軸線垂直，其兩端面為石英玻璃觀察窗。采用Phantom Miro eX4型高速攝像機利用背光法拍攝缸內柴油油束的混合過程，拍攝速率為4 000 f/s，圖像分辨率為800像素×600像素。

燃燒室與氣缸間有導氣孔連接，導氣孔直徑為6 mm。根據導氣孔開口方向不同，形成切向、斜向及直通氣流，如圖2所示，從而形成切向渦流場(出口流向與氣缸夾角為45°)、斜向渦流場(出口流向與氣缸軸線夾角為25°)和直通渦流場。柴油由噴油器孔內的高壓共軌噴油系統噴入燃燒室。

圖2 燃燒室、氣缸和渦流塊安裝圖Fig.2 Mounting diagrams of combustion chamber, cylinder and swirl blocks to create tangential, oblique and straight flow1.壓力傳感器 2.噴油器孔 3.燃燒室 4.進氣/排氣口 5.渦流塊 6.氣缸蓋 7.氣缸

1.3 工況設定

采用單噴孔、直徑為0.2 mm的Bosch高壓共軌噴油器，針對不同渦流場，搭配40、60 MPa 2種噴油壓力?；钊竭_上止點時被鎖定，同時噴油閥打開，噴油器開始噴油，所有工況噴油器噴油脈寬均為5.0 ms。

2 結果與分析

2.1 等效渦流比

燃燒室渦流比是影響柴油機混合與燃燒過程的重要參數。在本研究中,通過比較示蹤粒子相對于燃燒室圓心的移動角計算渦流瞬時轉速nswirl(r/min)。其中示蹤粒子為直徑0.5 mm、密度0.01 g/m3的聚苯乙烯顆粒，在可視的前提下能夠保證氣流與粒子之間的同步性。如圖3所示，通過計算相鄰兩幀圖像示蹤粒子旋轉角來計算渦流的瞬時轉速。

圖3 利用相鄰兩幀圖像進行瞬時渦流旋轉速度計算示意圖Fig.3 Instant swirl ratio calculation sketch of two neighbor images

為了便于將本研究中的渦流與柴油機燃燒室內渦流進行對比，通過等效渦流比來評估RCM燃燒室中渦流強度。將RCM視為柴油機運轉時，其等效轉速為

nRCM=30vc/S

式中vc——活塞平均運動速度

S——活塞行程

則RCM燃燒室內渦流的等效渦流比為Ω=nswirl/nRCM。

圖4 3種渦流場中瞬時等效渦流比隨時間的變化曲線Fig.4 Developing trend of instant equivalent swirl ratio versus time of tangential, oblique and straight flow

圖4給出了切向、斜向和直通3種渦流場中瞬時等效渦流比的變化曲線。3種渦流場中，切向渦流場具有最大的渦流比，壓縮結束時峰值為5.8，與柴油機相當。渦流在初始的5～10 ms內由于與燃燒室壁面的摩擦而迅速衰減，然后再在150 ms內近似線性衰減。斜向和直通渦流場的渦流比與切向渦流場的有相似的趨勢。當柴油機以1 000～3 000 r/min轉速運行，沖程時間從10～30 ms不等，則RCM產生的3種典型渦流場可以代表柴油機的強、中、弱渦流狀態。

2.2 切向渦流場的柴油噴霧擴散特性

在切向流場中，氣缸內的壓縮氣體經導氣孔沿燃燒室壁面進入燃燒室，氣流的直線運動在燃燒室圓柱形側壁面的導流作用下轉換為旋轉運動，越靠近壁面氣流速度越高，從而形成剛體渦流。

圖5為噴射壓力60 MPa下的柴油噴霧在切向渦流場中的擴散過程。0～5 ms為柴油的噴射過程。在此過程中，噴射油束在氣流的作用下發生偏轉，油束隨氣流在沿圓周方向運動的同時還向壁面擴散。由于此時壁面處氣流運動速度最快，壓力最低，噴射結束后，油霧在壓力梯度的作用下快速向壁面擴散，在燃燒室大部分區域形成貧油區(7.37 ms)。

圖5 60 MPa下切向渦流場內柴油噴霧擴散歷程Fig.5 History of diesel spray diffusion process in tangential swirl flow field under injection pressure of 60 MPa

隨著渦流的旋轉，壁面處氣流在摩擦力作用下速度逐漸降低，邊界層厚度增加，最高速度帶沿徑向向內移動至約1/2半徑處，從而形成一個從壁面到最高壓力帶的壓力梯度。上一階段趨壁的柴油在這種壓力梯度下向內擴散，形成一個臺風云狀結構。此時，柴油噴霧面積急劇增大。接近100%時，由于氣流運動動量傳遞給油霧，其運動速度整體下降，壓力梯度減小，擴散減緩，直至“臺風眼”衰減消失后油束在渦流場中完全混合(25.3 ms)。

40 MPa噴油壓力下的噴霧面積占比隨時間的變化規律與60 MPa相似，如圖6所示，但混合時間大幅延長，擴散至100%占比耗時36.8 ms。

圖6 40 MPa下切向渦流場內柴油噴霧擴散歷程Fig.6 History of diesel spray diffusion process in tangential swirl flow field under injection pressure of 40 MPa

柴油噴霧的燃料-空氣混合過程實際上經歷了4個階段：①燃料噴射階段，燃料短期內被噴入燃燒室腔內。②趨壁階段，燃油霧在約2 ms時間內被快速吹向室壁，均勻地涂覆在側壁上。③快速擴散階段，側壁上的燃油快速向低壓環帶區擴散，形成臺風云狀結構。④最終擴散階段，油霧逐漸布滿整個視窗。

圖7為柴油噴霧擴散面積占比(柴油噴霧面積/燃燒室總面積)隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，噴霧擴散過程的4個階段：燃料噴射階段(OA段)、趨壁階段(AB段)、快速擴散階段(BC段)、最終擴散階段(CD段)。此外，60 MPa噴油壓力工況相較于40 MPa，柴油噴霧面積占比的峰值和谷值更高，而且噴霧在流場中完全混合更快，所用時間比40 MPa工況短11.5 ms。這主要是由于在相同渦流場，相同噴油脈寬的情況下，噴油壓力越高，噴油量越多，且燃油霧化效果越好，混合相對更快。

圖7 切向渦流場中柴油噴霧擴散面積占比Fig.7 Development of diesel spray diffusion area in tangential swirl flow field

現代柴油機噴霧一般由燃燒室中心頂部向活塞頂部凹坑內噴射，其擴散過程與本研究相比，缺少一個由壁面向燃燒室中心噴射的過程。由此可知，柴油機擴散燃燒階段噴射的柴油會有很大比例涂覆在燃燒室壁面上，對燃燒及排放造成不利影響。

2.3 斜向渦流場的柴油噴霧擴散特性

柴油噴霧在斜向渦流場中的擴散特性與切向渦流場中的擴散特性相似，如圖8所示，其擴散過程也可以分為上述4個階段。在噴射過程中，噴霧也被渦流彎曲；然而，與切向流場里的噴霧擴散相比，斜向流場的噴霧擴散具有較短的穿透距離和較小的擴散面積。噴霧僅擴散一半的圓周，并且在噴霧邊緣和側壁之間留下大量的空白區域，而且斜向渦流的“臺風眼”也小得多。這是因為斜向渦流場產生的渦流強度較小，僅為切向渦流場的1/3左右。

圖8 60 MPa下斜向渦流場內柴油噴霧擴散過程Fig.8 History of diesel spray diffusion process in oblique swirl flow field under injection pressure of 60 MPa

如圖9所示，斜向流以與氣缸軸線夾角為25°向下吹入腔室，理論上周向速度vT只有約入射速度(vin)的sin25°=0.423倍，總動能僅有17.9%轉換為周向流，大部分速度和能量轉換為湍流，這導致較小的“臺風眼”和更弱的向心燃料輸送速度。

圖9 柴油噴霧的擴散路徑和空間分布(p=60 MPa, t=13.2 ms)Fig.9 Diffusion path and spatial distribution of diesel spray, image taken at p=60 MPa, t=13.2 ms

圖10 斜向渦流場中柴油噴霧擴散面積占比Fig.10 Development of diesel spray diffusion area in oblique swirl flow field

圖10為在斜向流引起的渦流場中柴油噴霧的擴散面積變化規律。在2種噴射壓力下，初始擴散面積呈線性增加，接著油霧在注射結束后5 ms內被驅動到側壁上。60、40 MPa的趨壁階段分別保持6.38、7.95 ms。進入快速擴散階段，在60 MPa的噴射壓力下燃料蒸汽通過螺旋臂以10%/ms左右的速度向腔室中心擴散。由于斜向氣流很大部分動能轉換為湍流動能，渦動能僅占17.9%，該擴散過程與切向氣流相比較慢。在最終擴散階段，與切向流相比，由于較低的旋轉速度和離心力產生的渦流中心較小，燃料很快擴散充滿渦流中心。噴射壓力為60、40 MPa的總擴散持續時間為22.5、29.5 ms。

2.4 直通渦流場的柴油噴霧擴散特性

切向和斜向渦流場中，柴油噴霧是通過“旋臂”進入“臺風”中心的，而在直通渦流場中，當空氣從右流到燃燒室中心點的直流渦流塊時，它垂直地沖向左側壁，由于入射氣流速度沒有周向分量，入射的氣流很快衰減形成湍流，因此柴油噴霧沒有被氣流彎曲，直接沖向左側壁面上；此時雖然渦流強度較弱，但燃料成功地從左側壁面擴散至整個圓周，并通過湍流向燃燒室中心擴散。柴油在湍流中擴散時不能看到明顯的擴散路徑，在燃燒室的分布具有隨機性。如圖11所示，因此在直通流場中沒有看到典型的“臺風”狀分布。

圖11 60 MPa下直通渦流場內柴油噴霧擴散歷程Fig.11 History of diesel spray diffusion process in straight swirl flow field under injection pressure of 60 MPa

圖12給出了直通渦流場中柴油噴霧擴散面積的發展。該過程也可以分為4個階段，然而由于低渦旋比和強烈的湍流，趨壁和快速擴散之間的邊界更為模糊。擴散時間也比渦流內噴霧的擴散時間長，擴散速率較低，在60、40 MPa的噴射壓力下，總擴散時間分別為54、70 ms。

圖12 直通渦流場中柴油噴霧擴散面積占比Fig.12 Development of diesel spray diffusion area in straight swirl flow field

2.5 3種渦流場柴油噴霧擴散特性對比

雖然不同渦流場的擴散速度有很大差異，總體上都可以分為噴射、趨壁、快速擴散和最終擴散等4個階段。而且，渦流強度越高、噴射壓力越大，擴散越快。如圖13所示，在燃料噴射階段，噴射終了時，于60、40 MPa的噴射壓力下在切向渦流場中的擴散面積分別可達0.62和0.375，遠高于在另外兩個渦流場中的擴散面積。在快速擴散階段，切向渦流場的擴散速度顯著高于斜向渦流場，斜向渦流場同樣高于直通渦流場。

圖13 不同壓力下3種渦流場中柴油噴霧擴散面積占比Fig.13 Comparison of spray diffusion area in three flow fields under various injection pressures

圖14 不同壓力下3種渦流場中快速擴散階段的柴油噴霧擴散面積占比(橫坐標已修正)Fig.14 Comparison of spray diffusion area in three flow fields under various injection pressures in rapid diffusion stage (the abscissa was corrected)

油束在切向渦流場中主要依靠渦流徑向壓力梯度，在直通渦流場主要依靠湍流擴散，在斜向渦流場中則二者兼而有之，而且渦流的燃油輸送效果明顯高于湍流。另一方面，噴射壓力越大，燃油入射速度越高、霧化也越好，這有利于向氣流中擴散。如取v*=vT/vin和p*=pinj/40分別表示入射氣流周向速度轉化率和燃油噴射壓力比，截取圖13中所有曲線的快速擴散階段，并將圖中橫坐標時間t修正為v*p*t，則所有曲線即可重疊在一起(擴散速度相等)，如圖14所示。其中直通渦流場的擴散效果相當于入射角約為80°的斜向渦流，擴散速度為切向渦流的20%。表明渦流強度和燃油噴射速度是影響燃料擴散的兩個最重要參數，而且擴散時間與渦流切向速度、燃油噴射壓力成反比。

3 結論

(1)3種渦流場中柴油噴霧混合過程均可分為4個階段：燃料噴射、壁面趨近、快速擴散和最終擴散階段。

(2)在相同渦流場中，相同噴油脈寬下，不同噴油壓力工況柴油噴霧面積發展趨勢基本一致，60 MPa噴油壓力工況柴油噴霧面積占比的峰值和谷值均高于40 MPa，且其完全混合時間更短。

(3)在相同噴油壓力及噴油脈寬下，切向渦流場中柴油噴霧面積與視窗面積比的峰值和谷值均最高，直通渦流場中最低。

(4)斜向渦流場從噴油開始到噴霧完全混合整個過程用時最短，直通渦流場用時最長，在40 MPa和60 MPa噴油壓力下，兩者均相差2倍多。

(5)噴霧面積占比從谷值增長到1的過程中，3種渦流場中其增長趨勢不同：切向渦流場中增長速度先快后慢，直通渦流場中柴油噴霧面積占比一直緩慢增長，而斜向渦流場中增長趨勢先慢后快。

(6)噴霧油束擴散時間與渦流切向速度、燃油噴射壓力成反比。