基于兩段噴射策略的柴油噴霧燃燒特性研究

張士錢(qián)，畢慶

(1.龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建 龍巖 364000；2.山東中科先進(jìn)技術(shù)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

不同的燃油噴射策略對(duì)柴油機(jī)排放和燃油經(jīng)濟(jì)性有較大的影響，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了廣泛的研究[1]。高壓共軌系統(tǒng)的應(yīng)用，使得對(duì)燃油噴射時(shí)刻及噴油量進(jìn)行精準(zhǔn)控制更為方便。現(xiàn)在主流的燃油噴射策略，一方面采用預(yù)噴使主噴燃燒更柔和，以更好地控制缸內(nèi)溫度和壓力的上升速度，進(jìn)而降低NOx排放并改善噪聲[2]，另一方面在主噴后增加后噴，以減少未燃烴(Unburned Hydrocarbon，UHC)和炭煙的形成。隨著噴霧軸向動(dòng)能降低及環(huán)境氣體卷吸量增加，在噴油結(jié)束后(End of Injection，EOI)，噴油器附近的燃油-空氣混合物會(huì)迅速?gòu)母挥蛥^(qū)過(guò)渡到貧油區(qū)，卷吸作用使氣流減速并停滯在噴油器附近，導(dǎo)致不完全燃燒并產(chǎn)生UHC[3]。后噴將主噴燃燒殘余的稀薄混合氣從噴嘴附近推向下游，較高的當(dāng)量比和有利的熱環(huán)境可實(shí)現(xiàn)高效的二次燃燒。研究表明，當(dāng)后噴時(shí)刻及后噴量合理時(shí)，后噴技術(shù)可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)炭煙生成[4]。

相關(guān)學(xué)者大多通過(guò)兩段噴射來(lái)研究多次噴射策略之間相互作用機(jī)理的復(fù)雜性。針對(duì)非燃燒狀態(tài)下兩段噴射，Bruneaux[5]和Skeen[6]的研究表明，第二次燃油噴射的氣相進(jìn)入“滑流”狀態(tài)后，貫穿速度比初次噴射會(huì)變得更快。Bruneaux通過(guò)測(cè)量噴射速度發(fā)現(xiàn)，兩次噴射之間的相互作用隨噴油間隔期縮短而增強(qiáng)，使得第二次噴射頭部的油氣混合速率增加。對(duì)于燃燒噴霧，在以正十二烷為燃料的預(yù)燃室內(nèi)，Skeen對(duì)不同環(huán)境溫度下的兩段噴射點(diǎn)火過(guò)程的研究結(jié)果表明，相比于初次噴射，第二次噴射的著火延遲期(Ignition Delay，ID)減少了至少2/3，這是由于燃燒室內(nèi)殘留了初次噴射的燃燒產(chǎn)物和自由基[7]。Cung等[8]研究了燃油兩段噴射間隔時(shí)間對(duì)著火延遲期的影響。Noud等[9]使用高速OH*化學(xué)發(fā)光法測(cè)量了兩段噴射中火焰浮起長(zhǎng)度(LOL)的變化，在第二次噴射著火后，LOL緩慢地進(jìn)一步向下游發(fā)展，直到噴射結(jié)束后才發(fā)生燃燒衰退。

如上所述，相關(guān)學(xué)者對(duì)柴油多次噴射的噴霧特性已經(jīng)做了大量研究，但關(guān)于初次噴射是如何影響第二次噴射燃油與空氣混合及燃燒過(guò)程仍有許多尚未解決的問(wèn)題。本研究主要利用光學(xué)測(cè)量技術(shù)詳細(xì)分析燃燒條件下燃油噴射間隔、初次噴油量等對(duì)第二次噴油特性的影響。通過(guò)高速紋影成像獲得兩段噴射的火焰浮起長(zhǎng)度(LOL)。此外，通過(guò)氣缸壓力導(dǎo)出的放熱率(Apparent Heat Release Rate,AHRR)也可以計(jì)算出著火延遲期和燃燒效率，即也可以研究燃燒條件下不同燃油噴射策略如何對(duì)著火延遲期、燃燒結(jié)構(gòu)及燃燒效率造成影響。

1 試驗(yàn)工具

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在一臺(tái)單缸二沖程光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，該光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了直徑為45 mm的圓柱形燃燒室，上部有用來(lái)觀測(cè)噴油器狀態(tài)的視窗，四周有4個(gè)水平相互垂直的窗口，其中一個(gè)是用來(lái)安裝壓力傳感器，其他3個(gè)為光學(xué)視窗。氣缸蓋橫截面見(jiàn)圖1，光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)見(jiàn)表1。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，缸體溫度由外部加熱/冷卻系統(tǒng)控制，進(jìn)氣溫度和壓力分別由電加熱器和空氣壓縮機(jī)調(diào)節(jié)。為保證缸內(nèi)沒(méi)有上一次燃燒的氣體殘留，缸內(nèi)環(huán)境條件在連續(xù)試驗(yàn)循環(huán)中保持一致，活塞每上下運(yùn)動(dòng)30個(gè)循環(huán)進(jìn)行一次燃油噴射。此外，為更直觀地觀察兩段噴射對(duì)噴霧特性的影響，試驗(yàn)采用了噴孔直徑為0.082 mm的單孔噴油器。

圖1 氣缸蓋剖面圖

表1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 光學(xué)測(cè)試技術(shù)

在燃燒反應(yīng)條件下，紋影技術(shù)可用于觀測(cè)瞬態(tài)噴霧形狀變化和定量測(cè)量LOL。紋影法光路布置見(jiàn)圖2。用一個(gè)拋物面鏡(f=610 mm)使得點(diǎn)光源氙燈形成的發(fā)散光變?yōu)槠叫泄庖源怪蓖ㄟ^(guò)燃燒室。然后，通過(guò)放置在燃燒室另一側(cè)的凸透鏡(f=450 mm)，使光線(xiàn)聚焦在一個(gè)傅里葉平面。同時(shí)還用了6 mm的隔膜作為紋影光闌，以方便高速CMOS相機(jī)(Vision Research Phatron SA-5)來(lái)采集光線(xiàn)，相機(jī)采集頻率為30 000 fps，分辨率為6.8 pixel/mm，快門(mén)時(shí)間為0.37 μs。在進(jìn)行燃燒噴霧的測(cè)量時(shí)，為消除炭煙輻射光的影響，在相機(jī)前設(shè)置了帶通濾波器(310～440 nm)。與典型紋影裝置相比，本試驗(yàn)只使用了一個(gè)拋物面鏡，通過(guò)大焦距反射鏡提高圖像質(zhì)量。

圖2 紋影法光路示意

紋影法基于光束從一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)時(shí)不同的折射率而導(dǎo)致偏差，如果考慮連續(xù)的非均勻介質(zhì)，則折射率的變化由梯度表示。被測(cè)流場(chǎng)中的折射率梯度正比于流場(chǎng)的氣流密度，利用這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流邊界層的捕捉。燃油氣相與環(huán)境氣體空氣之間存在較大的折射率差和密度差，采用紋影法即可獲得清晰的燃油氣相與環(huán)境氣體之間的邊界輪廓曲線(xiàn)。圖像處理過(guò)程中，首先應(yīng)用動(dòng)態(tài)背景法對(duì)背景進(jìn)行校核，然后，將圖片進(jìn)行二值化處理，動(dòng)態(tài)選取一定閾值來(lái)檢測(cè)噴霧邊界，最后，獲得噴霧輪廓后，定義輪廓上距離噴嘴出口最遠(yuǎn)的點(diǎn)為噴霧貫穿距。此外，除了噴霧貫穿距，還通過(guò)分析紋影圖像遠(yuǎn)離噴嘴尖端5個(gè)像素點(diǎn)之外的每?jī)蓚€(gè)位置之間的噴霧徑向增量，得到了兩次噴射的火焰浮起長(zhǎng)度(將徑向增量峰值發(fā)生的位置與噴嘴之間的距離定義為火焰浮起長(zhǎng)度)。在環(huán)境溫度高于800 K，密度為22.8 kg/m3條件下，紋影法已被OH*化學(xué)熒光法證實(shí)為一種有效檢測(cè)火焰浮起長(zhǎng)度的工具[10]。圖3示出通過(guò)紋影圖像得到火焰浮起長(zhǎng)度的一個(gè)例子。

圖3 紋影法測(cè)量LOL原理

1.3 放熱率計(jì)算

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，由高速壓力傳感器采集的氣缸壓力曲線(xiàn)可得出放熱率AHRR[11]，如下式：

式中：p為氣缸壓力；V為燃燒室容積；m為燃油質(zhì)量；T為氣缸溫度；CV為比定容熱容。計(jì)算前首先對(duì)缸壓曲線(xiàn)進(jìn)行了高斯平滑和中值濾波處理。

第一次噴射著火延遲期(ID1)定義為AHRR超過(guò)第一個(gè)峰值15%的時(shí)刻，第二次噴射著火延遲期(ID2)為AHRR從兩個(gè)波峰之間的最小值處增加到超過(guò)第二個(gè)峰值15%[12]的時(shí)刻。圖4示出兩段噴射的AHRR和相應(yīng)的ID1(第一條垂直虛線(xiàn))和ID2(第2條垂直虛線(xiàn))，下側(cè)矩形區(qū)域表示燃油噴射時(shí)間。圖4中ID是根據(jù)每個(gè)循環(huán)的AHRR計(jì)算的ID的平均值，而不是通過(guò)平均的AHRR得到的ID。

圖4 AHRR實(shí)例及兩次噴油的著火延遲期

2 試驗(yàn)方案

表2列出包含6種噴射策略的試驗(yàn)方案。所有試驗(yàn)均在缸內(nèi)上止點(diǎn)溫度870 K，密度22.8 kg/m3的條件下進(jìn)行，噴射壓力保持在150 MPa，且每個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行3N=30的測(cè)試，噴油間隔指的是初次噴射結(jié)束到第二次噴射開(kāi)始之間的間隔。本研究還將噴油持續(xù)期為500 μs和1 500 μs的燃油單次噴射的情況作為對(duì)比。同時(shí)，為了研究噴油間隔對(duì)噴霧特性的影響，在保持相同噴油量的條件下進(jìn)行兩段噴射，分別對(duì)噴油間隔為250 μs和750 μs進(jìn)行了試驗(yàn)研究，記為D250和D750。在初次噴射燃油量的影響規(guī)律研究方面，受電控系統(tǒng)的限制，初次燃油噴射時(shí)間不能設(shè)定在500 μs以?xún)?nèi)。初次噴射噴油持續(xù)期從500 μs(F500)變化到750 μs(F750)，同時(shí)，噴油間隔設(shè)置為500 μs，第二次噴射噴油持續(xù)期均設(shè)置為1 000 μs。

表2 試驗(yàn)方案

3 結(jié)果與討論

3.1 著火延遲期和火焰浮起長(zhǎng)度

圖5示出燃燒條件下不同時(shí)刻處理后的Single_L(左)和D250(右)紋影圖像。紋影圖像中LOL定義為與靠近噴嘴未燃燒部分相比，徑向?qū)挾韧蝗婚_(kāi)始增加的位置。由圖5觀察可知，單次噴射時(shí)，763 μs ASOI(After Start Of Injection)時(shí)已經(jīng)著火，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段的火焰浮起長(zhǎng)度穩(wěn)定在15 mm附近。兩段噴射時(shí)，在563 μs ASOI初次噴射即將結(jié)束時(shí)，初次噴射仍然為未燃燒噴霧，燃燒在763 μs ASOI處開(kāi)始，即在噴霧開(kāi)始著火與噴油結(jié)束之間存在的噴油間隔會(huì)導(dǎo)致更高的UHC[13]。從963 μs ASOI起，第二次噴射已噴入初次噴射產(chǎn)生的高溫燃燒產(chǎn)物中，這就會(huì)導(dǎo)致著火延遲期短于初次噴射持續(xù)期[14-15]。第二次噴射的LOL比初次噴射的LOL更接近噴油器，同時(shí)也比Single_L噴射的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)LOL更接近噴油器。

兩段噴射中噴油間隔和初次噴油持續(xù)期對(duì)著火延遲期及LOL的影響見(jiàn)圖6。其中Single_L作為參考，ID1和ID2分別表示第一次和第二次噴油的著火延遲期，LOL1和LOL2分別表示第一次和第二次噴油的火焰浮起長(zhǎng)度。如預(yù)期一樣，所有情況下的ID1都非常相似。顯然，在該熱力條件下(870 K，22.8 kg/m3)，初次噴射結(jié)束的時(shí)間發(fā)生在ID1之前(D250，D750和F500)或之后(F750和Single_L)對(duì)ID1影響不大。與文獻(xiàn)[16]的結(jié)論一致，即在850 K和900 K的溫度條件下EOI對(duì)ID沒(méi)有影響。對(duì)于ID2，隨著噴油間隔的縮短，ID2會(huì)有輕微下降，分析有兩種可能：一方面D250和D750之間燃油初次噴射的LOL非常相似(大約15 mm)，燃燒產(chǎn)物由于氣流作用向下游移動(dòng)很慢；此外，D250的第二次噴射只有在距離燃燒產(chǎn)物下游20 mm后才比D750的貫穿速度更快，處于高溫燃燒產(chǎn)物的下游。因此，兩種工況下的第二次噴射進(jìn)入高溫燃燒產(chǎn)物區(qū)的時(shí)間相似。另一方面，即使燃油初次噴射燃燒產(chǎn)物的溫度可以通過(guò)卷吸環(huán)境冷空氣有所下降，但仍遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。根據(jù)文獻(xiàn)[17]的研究，在高溫高密度條件下，著火延遲期對(duì)溫度的敏感性相對(duì)較低。在相同噴油間隔下，不同初次噴射時(shí)間F500和F750對(duì)燃燒產(chǎn)物溫度的影響要比噴油間隔小得多。除了非常相似的LOL1，改變?nèi)加统醮螄娚淞繉?duì)ID2基本不會(huì)造成影響?？偟膩?lái)說(shuō)，LOL與ID的變化趨勢(shì)是一致的，只是LOL2對(duì)噴油間隔的敏感度略高于ID2。

圖5 燃燒條件下不同時(shí)刻處理后的紋影圖像

圖6 兩段噴射的ID和LOL隨噴油間隔和第一次噴油持續(xù)時(shí)間的變化情況

3.2 燃燒效率

根據(jù)噴油量及低熱值，對(duì)放熱率曲線(xiàn)進(jìn)行積分，計(jì)算了兩段噴射及各個(gè)單次噴射的燃燒效率。

式中：φ為燃燒效率；m為燃油噴射質(zhì)量；LHV為正十二烷的低熱值。

燃油兩段噴射策略的總?cè)紵?φtotal)的積分開(kāi)始時(shí)間為ID1，試驗(yàn)分析了從3 ms ASOI到5 ms ASOI的時(shí)間(步長(zhǎng)為0.5 ms)，結(jié)果顯示，到4 ms ASOI后φtotal的值基本沒(méi)有發(fā)生變化，并考慮到燃燒反應(yīng)的完整性，試驗(yàn)選擇了5 ms ASOI作為積分的結(jié)束時(shí)間。初次噴射燃燒效率(φ1)的積分區(qū)間為ID1～I(xiàn)D2，第二次噴射的燃燒效率(φ2)的積分區(qū)間為ID2～5 ms ASOI。為更好地說(shuō)明這些積分區(qū)間，圖7示出放熱率AHRR(實(shí)線(xiàn))及其對(duì)應(yīng)的積分區(qū)間(虛線(xiàn))，此外，圖中分別給出了Single_S和Single_L作為參考。

圖7 不同噴油間隔和初次噴射時(shí)間下的AHRR和積分區(qū)間

根據(jù)上述定義，表3列出各工況點(diǎn)的燃燒效率和對(duì)應(yīng)的燃油噴射質(zhì)量。單次噴射的積分區(qū)間也是從著火時(shí)刻到5 ms ASOI。總的來(lái)說(shuō)，所有的兩段噴射情況下，φ2總遠(yuǎn)大于φ1，可能有兩個(gè)原因：第一，初次噴射的燃油直到ID2都沒(méi)有完全燃燒，剩余燃料隨著第二次噴射繼續(xù)燃燒；第二，燃油初次噴射結(jié)束后，第二次噴射由于快速的空氣卷吸作用，可能會(huì)將UHC推至噴嘴區(qū)域附近，使其在第二階段燃燒過(guò)程中燃燒[18]。此外還發(fā)現(xiàn)，噴油間隔和初次噴油量的變化都不會(huì)改變?chǔ)誸otal。

表3 燃燒效率和噴油量

從不同噴油間隔的角度分析，φ1小于Sinlge_S的φ(0.71，假設(shè)完全燃燒)，并在較短噴油間隔期內(nèi)從0.67減小到0.61。結(jié)果證明，燃油初次噴射的部分燃料肯定會(huì)在第二階段內(nèi)繼續(xù)燃燒，并且隨噴油間隔期的縮短而增加，更高的當(dāng)量比和更有利的熱環(huán)境會(huì)更有助于炭煙形成。對(duì)于燃油初次噴射時(shí)間，相關(guān)研究表明，過(guò)量UHC與兩次著火間隔之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性[5]。F500的著火間隔有利于UHC的生成，而F750的著火間隔不利于UHC的生成。換句話(huà)說(shuō)，F(xiàn)500初次噴射生成的UHC可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)F750，這也是F500的φ2比F750稍高的原因。對(duì)比F750和Single_L可以發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)膬啥螄娚洳呗钥梢栽谙嗤瑖娪土康臈l件下提高燃燒效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

以正十二烷為燃料，采用單缸二沖程光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了不同燃油噴射策略對(duì)柴油燃燒噴霧特性的影響。應(yīng)用紋影法得到不同噴油策略下燃燒噴霧的著火延遲期和火焰浮起長(zhǎng)度，根據(jù)壓力變化曲線(xiàn)推導(dǎo)出燃燒過(guò)程的AHRR，研究了不同噴油間隔和初次噴油量對(duì)第二次噴射的燃?xì)饣旌霞叭紵^(guò)程影響。

當(dāng)噴油間隔較短時(shí)，ID2會(huì)略有減小。由于初次噴射燃燒產(chǎn)物下游20 mm之前相似的噴霧貫穿速度和火焰浮起長(zhǎng)度，D250和D750第二次噴射的燃油進(jìn)入初次噴射燃燒產(chǎn)物的時(shí)間相似。雖然D750的燃燒產(chǎn)物溫度由于卷吸更多空氣的原因比D250的要低，但其溫度依然較高并使第二次噴射在噴入燃燒產(chǎn)物后立即點(diǎn)燃，這使得ID2在高溫下的敏感性很低。不同的噴油間隔條件下，LOL2的變化較ID2更敏感，它隨著噴油間隔的縮短而降低。

ID2和LOL2不會(huì)隨著初次噴油持續(xù)期的變化而變化，這是由于相似的LOL1和燃燒產(chǎn)物溫度。

第二次噴射的燃燒效率高于初次噴射的燃燒效率，可能有兩個(gè)原因造成這種情況：初次噴射的部分燃油隨第二次噴射一起燃燒；初次噴射產(chǎn)生的未燃碳?xì)浠衔镌诘诙螄娚浜笕紵Ｕ麄€(gè)噴射過(guò)程的總?cè)紵什粫?huì)隨噴油間隔或初次噴油持續(xù)期的變化而變化。對(duì)于不同噴油間隔，由于噴油間隔越短，ID2之前初次噴射的燃燒時(shí)間越少，所以φ1隨噴油間隔的縮短而減小。對(duì)于不同初次噴油持續(xù)期，與F750相比，F(xiàn)500的φ1小得多，這是因?yàn)閮纱螄娪偷闹痖g隔小，導(dǎo)致生成更多的UHC。