超高壓多次噴射條件下柴油噴霧發展特性研究

摘要： 為探明超高壓條件下多次噴射燃油噴霧發展特性，利用高速攝影直拍技術，對高背景密度條件下超高壓多次噴射噴霧發展特性進行了研究。研究結果表明：在背景溫度303 K，噴孔直徑0.148 mm，背景密度60～140 kg/m3，噴射壓力200～250 MPa條件下，隨背景密度增加，燃油噴霧縱向發展受阻，燃油堆積后向徑向發展，導致噴霧貫穿距減小（最大減小26%），噴霧錐角增加（最大增加17%）；提高噴射壓力可以同時提高燃油噴霧縱向及徑向的擴散能力；在預噴比例10%～30%，預主噴間隔0.4～1.6 ms范圍內，由于主噴燃油與預噴燃油之間的追擊效應，使得多次噴射主噴噴霧貫穿距離大于單次噴射，隨著預噴油量的增加、預主噴間隔時間的縮短，追擊效應加強，主噴噴霧貫穿距增加（最大增加18%）；由于主噴燃油對預噴燃油的推動作用，預噴燃油噴霧相對單次噴射燃油噴霧貫穿距離增加，且間隔時間越大，主噴燃油對預噴燃油的推動作用越弱，當間隔時間為1.2 ms時，單次噴射和預噴射噴霧貫穿距離基本相同，推動作用已不明顯。

關鍵詞： 柴油機；超高壓；燃料噴射；追擊效應；噴霧特性

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.06.001

中圖分類號：TK421.4" 文獻標志碼： B" 文章編號： 1001-2222（2024）06-0001-07

柴油機供油系統噴射壓力的提高有利于改善噴霧和油氣混合特性［1-2］，加強缸內燃燒過程，縮短燃燒持續期，提高燃燒性能［3］，因此高強化柴油機供油系統正向著超高壓方向發展［4-5］，一般將噴射壓力超過200 MPa的供油系統稱為超高壓供油系統［6］。多次噴射技術能夠有效控制柴油機NO_x和顆粒物排放，降低燃燒噪聲，提高整機經濟性和動力性［7-9］。基于此，超高壓與多次噴射技術相結合將對柴油機性能的進一步提升大有裨益。為保證二者結合作用的充分發揮，必須進行超高壓與多次噴射策略的匹配工作，而缸內燃油霧化及油氣混合特性對柴油機的性能有著重要影響，因此獲取超高壓及多次噴射噴霧發展特性對完成超高壓與多次噴射策略匹配工作具有重要意義。

國內外學者分別針對超高壓噴霧發展特性及多次噴射噴霧發展特性進行了大量研究［10-15］，但上述研究都是單獨針對超高壓噴霧發展特性或多次噴射噴霧發展特性的研究，而將超高壓與多次噴射技術相結合的研究存在不足；另外，隨著柴油機強化程度的不斷提高，高強化柴油機壓縮上止點缸內背景密度也在不斷提高，上述研究都是在低背景密度條件下開展的，不能反映未來高強化柴油機缸內噴霧發展特性變化規律。本研究以超高壓供油系統為研究對象，搭建噴霧可視化試驗測試系統，采用高速攝影直拍法獲得了高背景密度、超高噴射壓力下的單次及多次噴射液態燃油噴霧發展圖像，提取了反映液相噴霧縱向和徑向發展特性的表征參數——噴霧貫穿距離和噴霧錐角，探究了背景密度、噴射壓力及多次噴射參數對噴霧發展特性的影響規律，以期為未來高強化柴油機超高壓噴射系統的多次噴射策略制定提供理論指導。

1 試驗設計

1.1 噴霧可視化試驗系統

噴霧可視化試驗系統主要組成部分包括超高壓供油系統、定容彈系統、高速攝影部分、光源以及控制系統。本研究所用超高壓供油系統主要由超高壓供油泵、共軌管、噴油器及高壓油管組成，其中超高壓供油泵的最大工作壓力為250 MPa，噴油器最大工作壓力為300 MPa；定容彈系統包括定容彈、進排氣系統、冷卻系統、加熱系統，最高承受壓力為6 MPa，最高模擬溫度為1 000 K，可用于模擬柴油機壓縮上止點時刻的缸內壓力、溫度環境；試驗用高速攝影機為Phantom V7.3高速攝影機，拍攝速度為200 000 fps，分辨率為256×504像素，控制軟件Phantom-663用于拍攝參數設定、拍攝信號觸發以及圖像采集、保存；試驗用光源采用HYXYL Daylight compact 1200鏑燈，放置于相機通道的對面，以提升彈內亮度，便于圖像采集。

噴霧可視化試驗系統示意如圖1所示。在高速攝影直拍過程中，高速攝影機正對視窗放置，鏑燈放置于其對面視窗后，為進行高密度條件下的噴霧特性測試試驗，背景氣體采用密度是空氣5倍的六氟化硫，保持容彈內溫度為303 K。為了拍攝單束油霧發展特性，對原有噴油器進行了加工，在噴嘴頂端中心位置打一個直徑與原孔徑相同的單孔，試驗過程中使用特定工裝，將原有噴油器10孔密封，只允許中心孔燃油噴霧噴射入定容彈內，以此實現單束噴霧發展特性的研究。

按照原始圖像轉灰度圖、灰度圖轉二值圖的順序，獲得了計算處理圖像，并利用編制的圖2 主噴噴霧圖像處理流程計算程序獲得了噴霧發展特性參數。其中對多次噴射主噴噴霧圖像的處理流程如圖2所示。首先對原始圖片進行灰度化處理，灰度化后，采用相鄰兩張圖片相減，去除穩態噴霧圖像，再將各個相減圖像疊加形成噴霧圖形，此噴霧圖形中主噴噴霧與預噴噴霧之間存在明顯斷層，將斷層前部的預噴噴霧作為孤島進行去除并進行二值化處理，利用計算程序即可計算出主噴油噴霧發展特性參數；當主噴噴霧與預噴噴霧融合無斷層時，基于預噴噴霧與主噴噴霧灰度值的差異，在進行二值化處理時通過設定合理的閾值，進行主噴噴霧分離。閾值選取需要與實際二次噴霧圖像進行對比，首先設置一個較大的灰度閾值，然后以1為步長，不斷減小閾值，直至與實際噴霧圖像相同，若通過調整閾值仍無法分離主噴噴霧，則通過標尺對實際噴霧圖像進行測量，獲得噴霧發展特性參數。

1.2 試驗工況

超高壓噴霧可視化試驗測試工況如表1所示.超高壓供油系統噴油器孔數為10，孔徑為0.148 mm，根據整機標定工況循環噴油量，基于各孔孔徑、結構及流量系數完全一致的假設下，確定單次噴射單孔噴油量為16.3 mg，多次噴射總噴油量保持16.3 mg恒定。改變不同預主噴油量比例獲得不同預主噴油量，再通過試驗測試獲得的噴油量MAP圖查詢目標噴油量對應的噴射脈寬。根據柴油機絕熱等熵壓縮過程計算公式及理想氣體狀態方程，對某高強化柴油機壓縮上止點實際背景密度進行計算，得到壓縮上止點背景密度，其值高達56.58 kg/m3，柴油機正朝著高強化的方向發展，未來柴油機壓縮上止點背景密度會更高，因此在進行背景密度設定時，選擇60 kg/m3作為基礎背景密度。所有試驗工況重復試驗3次，以減小試驗誤差。

2 試驗結果與分析

在噴射特性研究過程中，選取能夠反映噴霧發展特性的參數進行分析，本研究選取了噴霧貫穿距離、噴霧錐角作為反映噴霧發展特性的參數，圖3示出兩個參數的定義。噴霧貫穿距離為從噴孔至噴霧最遠端之間的距離，噴霧錐角選取50%貫穿距噴霧兩邊緣與噴嘴之間的夾角。分析發現噴霧錐角基本穩定在某一平均值上下波動，因此對噴射過程中的噴霧錐角取平均值，獲得平均噴霧錐角，作為評價燃油徑向發展特性的參數。

2.1 背景密度對噴霧發展特性的影響規律研究

以單次噴射為研究對象研究背景密度對噴霧發展特性的影響，圖4示出200 MPa噴射壓力下不同背景密度下噴霧發展特性圖像。為定量分析噴霧發展特性參數變化規律，利用自編Matlab圖像處理程序獲得噴霧貫穿距變化規律。選取噴射開始至噴射結束之間的時間段為研究長度，對不同背景密度和不同壓力下的噴霧貫穿距離變化規律進行研究，如圖5和圖6所示。

在同一噴射壓力下，噴霧貫穿距離隨密度的增加而變小，噴霧頭部形態由舒展變為受限，從規則的蘑菇形變為不規則形態。背景密度增大后，燃油噴霧所受到的氣體阻力增加，導致相同壓力條件下貫穿距隨密度的增加而減小，最大減小26%。同時，由圖可以看出，250 MPa壓力下的貫穿距離在各個密度下都大于200 MPa壓力下的貫穿距離，即噴射壓力越高，貫穿距越長。

圖7和圖8示出200 MPa和250 MPa壓力下，不同背景密度條件下平均噴霧錐角的變化規律。同一噴射壓力下，隨著密度的增加，平均噴霧錐角增加，噴霧基本形態（除去噴霧頭部）由細長變為短粗。同時，同一密度下250 MPa時的平均噴霧錐角大于200 MPa時的平均噴霧錐角。由于密度增加，噴霧縱向發展受阻，燃油堆積后向徑向發展，所以隨密度的增加，平均噴霧錐角增加，最大增加17%。而噴射壓力增大，噴霧所具有的動能增加，其擴散能力加強，從而使得平均噴霧錐角增加。

貫穿距離越長，噴霧到達燃燒室內部的距離越遠，越能利用燃燒室遠端的空氣，噴霧霧化蒸發效果越好；同時噴霧縱向發展，噴霧錐角變小，徑向燃油堆積少，油束中心區域燃油積累少，避免了大量燃油包裹在油束中心，有利于燃油蒸發。因此，對于未來的高強化柴油機，由于其壓縮上止點密度增加，其噴霧貫穿距離會因此縮短，需要對燃燒室進行重新匹配，并且為了彌補貫穿距縮短導致蒸發條件變差，需要引入更大的渦流比來促進油氣混合。

2.2 噴射壓力對噴霧發展特性的影響規律研究

以多次噴射為研究對象，研究噴射壓力對多次噴射主噴貫穿距離的影響規律，背景密度為60 kg/m3，預噴百分比和預主噴間隔分別保持10%和0.8 ms不變。

由圖9可以看出，隨著噴射壓力的升高，主噴噴霧貫穿距離隨之升高。由此可見，增大噴射壓力可增加噴霧貫穿距離，更有利于利用燃燒室遠端空氣，改善燃油霧化蒸發效果，在背景密度不斷提高的情況下，可以通過提高噴射壓力來彌補氣體阻力增加造成的貫穿距減小。

2.3 預噴油量對主噴噴霧發展特性的影響規律研究

在進行多次噴射預主噴射油量分配時，確定預噴+主噴的總噴油量為16.3 mg。圖10示出密度60 kg/m3、噴射壓力220 MPa、預噴比例10%條件下預噴與主噴噴霧相互作用原始圖像。通過對噴霧原始圖像進行數據處理，獲得密度60 kg/m3和80 kg/m3、噴射壓力220 MPa、不同預噴比例下貫穿距變化規律，如圖11和圖12所示。

由圖11、圖12可以看出，預噴+主噴的多次噴射主噴噴霧貫穿距離要大于相同油量單次噴射噴霧貫穿距離，同時隨著預噴油量的增加，主噴貫穿距離也增加，在各個密度下呈現相同規律。預噴燃油噴射后，噴霧在向前發展的過程中，將噴霧經過區域的背景氣體推開，相當于打開了一個通道，當主噴燃油噴射時，燃油噴霧沿預噴噴霧打開的通道向前發展，同時，由于預噴燃油油束經過背景氣體會產生向下的卷吸作用，帶動周圍氣體向下發展，二者的共同作用使得主噴燃油向前發展的速度更快，此效應即為追擊效應，即主噴燃油噴射后，追擊預噴燃油，從而貫穿速度加快，貫穿距離增加。

為進一步研究預噴油量對主噴噴霧貫穿距的影響，進行了單次噴射噴霧發展特性試驗。其中單次噴射噴油量與多次噴射中的主噴油量保持一致，將多次噴射主噴噴霧貫穿距與單次噴射噴霧貫穿距作差，獲得主噴噴霧貫穿距延長量。如圖13所示，隨著預噴油量的增加，追擊效應加強，主噴貫穿距延長量隨之增加。由此可見，多次噴射可以通過增加主噴貫穿距來改善主噴燃油的霧化蒸發效果。但貫穿距離增加后，為防止撞壁燃油影響燃燒過程，需要對燃燒室結構進行優化。

2.4 預主噴間隔時間對主噴噴霧發展特性的影響規律研究

研究預主噴間隔時間對主噴噴霧發展特性影響是在超高壓供油系統所能達到的最高噴射壓力250 MPa下進行，預噴比例為30%。對密度60 kg/m3和140 kg/m3下，不同預主噴間隔時間下的主噴噴霧發展特性進行研究。

如圖14和圖15所示，兩種密度條件下，相對于單次噴射，帶預噴的多次噴射主噴貫穿距離都大于相同油量單次噴射的貫穿距離，由此說明預噴燃油和主噴燃油噴射之間追擊效應的存在。隨著預主噴間隔時間的增加，主噴噴霧貫穿距離隨之減小；間隔時間1.0 ms和1.2 ms兩個工況下貫穿距曲線基本重合，隨間隔時間的增加，貫穿距增加并不明顯，認為此兩種間隔時間下，預噴噴霧營造的有利貫穿條件基本相同。而在1.6 ms間隔時，貫穿距與單次噴射貫穿距離相差很小，可以預測當間隔角度繼續增加時，多次噴射主噴噴霧貫穿距會和相同油量單次噴射噴霧貫穿距曲線完全重合，預噴噴霧不再對主噴噴射產生影響。這是由于預主噴間隔時間增大，預噴燃油帶動周圍氣體向下運動慣性減弱，且預噴燃油沖開的背景氣體隨時間的增加回流，流通通道變小，從而導致追擊效應減弱。因此，從提高主噴噴霧貫穿的角度考慮，預主噴間隔時間越短越好。

以噴射壓力250 MPa，密度60 kg/m3，預噴比例30%為基礎工況，研究預主噴間隔時間對平均噴霧錐角的影響規律。

同一預噴油量下，多次噴射會減小平均噴霧錐角。由圖16可以看出，相同油量下，單次噴射平均噴霧錐角最大，隨著預噴間隔時間的減小，主噴平均噴霧錐角逐漸減小。這是由于主噴燃油與預噴燃油之間的追擊效應，使得主噴噴霧在縱向上的發展速度加快，貫穿距離增加，進而更多的燃油噴霧向下運動，使得噴霧在徑向上的擴散量減少，油束變得狹長，從而導致平均噴霧錐角減小。

2.5 主噴噴霧對預噴噴霧發展特性的影響規律研究

由前文分析可知，預噴油量越大，預主噴間隔時間越小，預噴射和主噴射噴霧之間的相互作用越強。因此在研究主噴噴霧對預噴噴霧發展特性的影響規律時，選擇最大預噴比例30%。而在進行預主噴間隔時間選擇時，選取預主噴間隔0.8 ms作為基礎研究工況。

如圖17所示，噴射壓力為220 MPa，單次噴油量和預噴噴油量均為30%，將主噴噴射開始時間作為噴霧貫穿距測量的零點，對預噴燃油噴霧貫穿距離的變化規律進行研究。由圖17可以看出，由于主噴燃油的推動，預噴燃油噴霧相對無預噴的單次噴射燃油噴霧，其貫穿距離增加，且隨著背景密度的增加，推動作用降低。由于存在主噴燃油對預噴燃油的推動作用，預噴貫穿距離增加，有利于預噴燃油利用遠端空氣，改善預噴燃油的蒸發霧化和油氣混合狀況。

預主噴間隔直接決定主噴對預噴噴霧的影響程度，因此，在不同預主噴間隔時間條件下，研究主噴噴霧對預噴噴霧貫穿距的影響規律。工況條件為220 MPa，60 kg/m3，30%油量，結果如圖18所示。由于貫穿距測量的時間起點是主噴燃油噴霧開始的時間，因為間隔時間不同，主噴開始時預噴燃油的發展時間也不同，從而導致不同間隔時間條件下，預噴燃油貫穿距長度隨間隔時間的增加而增加。對比同一間隔時間下單次噴射噴霧和預噴噴霧貫穿距的變化規律，可以發現，由于主噴噴霧對預噴噴霧的推動作用，其貫穿距增加。在0.8 ms間隔時間下，預噴噴霧貫穿距和單次噴射噴霧貫穿距相差最大，而隨著間隔時間的增大，主噴燃油在向前發展過程中動能不斷消耗，對預噴燃油噴霧的推動作用逐漸減弱，當間隔時間為1.2 ms時，單次噴射和預噴射噴霧貫穿距離基本相同，此時主噴噴霧對預噴噴霧的作用已不再明顯。

3 結論

a） 隨背景密度從60 kg/m3增加至140 kg/m3，燃油噴霧所受到的氣體阻力增加，導致相同壓力條件下貫穿距隨密度的增加而減小，由于密度增加，噴霧縱向發展受阻，燃油堆積后向徑向發展，平均噴霧錐角隨密度的增加而增加；

b） 增大噴射壓力（壓力范圍200～250 MPa）可增加噴霧的貫穿距離，更有利于利用燃燒室遠端空氣，改善燃油霧化蒸發效果，因此針對未來高強化柴油機，匹配超高壓供油系統才能彌補背景密度升高造成的噴霧發展受阻的問題；

c） 在多次噴射過程中，由于存在主噴燃油與預噴燃油之間的追擊效應，使得多次噴射噴霧貫穿距離大于單次噴射，隨預噴油量從總噴油量的10%增加至30%，追擊效應加強，主噴貫穿距增加量隨之增加，在各個背景密度下呈現相同規律；

d） 隨預主噴間隔時間從1.6 ms縮短至0.4 ms，預主噴噴霧之間的相互作用加強，貫穿距離增大；主噴燃油對預噴燃油會產生推動作用，有利于預噴燃油利用遠端空氣，蒸發霧化效果加強。

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Diesel Spray Development Characteristics of" MultipleInjection under Ultra-High Pressure Condition

XU Dan1，2，YANG Guichun1，2，LIU Jilin3，XU Chunlong1，2，LI Huale1，LIU Yongwang1

（1.China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin 300406，China;2.National Key Laboratory of Vehicle Power System，Tianjin 300406，China;3.The Military Representative Section of the Army in Datong，Datong 037036，China）

Abstract： In order to investigate the development characteristics of multiple injection fuel spray under ultra-high pressure condition， the development characteristics of multiple injection spray for ultra-high pressure fuel supply system were studied by using high-speed photography under high background density. The results show that the longitudinal development of fuel spray is hindered， and fuel accumulation promotes radial development， resulting in the decrease in spray penetration distance（up to 26%） and the increase of spray cone angle（up to 17%） with the increase of background density under the conditions of background temperature 303 K， nozzle diameter 0.148 mm， background density 60-140 kg/m3， and injection pressure 200-250 MPa. Increasing the injection pressure can improve the longitudinal and radial diffusion ability of fuel spray. Due to the pursuit effect between the main and pilot injection fuel， the penetration distance of multiple injection main spray is larger than that of single injection in the range of 10%-30% pilot injection ratio and pilot-main injection interval of 0.4-1.6 ms. With the increase of pilot injection fuel mass and the shortening of pilot-main injection interval time， the pursuit effect strengthens， and the penetration distance of main injection increases（up to 18%）. Due to the driving effect of main injection fuel on the pilot injection fuel， the penetration distance of pilot injection fuel spray increases compared with the single injection fuel spray， and the longer the interval time between pilot-main injection， the weaker the driving effect of main injection fuel on the pilot injection fuel. When the interval time is 1.2 ms， the penetration distances of single and pilot injection spray are approximately equal， and the driving effect becomes negligible.

Key words： diesel engine;ultra-high pressure;fuel injection;pursuit effect;spray characteristics

［編輯： 袁曉燕］

作者簡介： 徐丹（1990—），男，副研究員，博士，研究方向為高壓共軌系統集成匹配與設計優化。

通訊作者： 楊貴春（1980—），男，研究員，碩士，研究方向為高壓共軌系統集成匹配與設計優化。