中圖分類號:TK421.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-2222(2025)04-0001-09
柴油機因其熱效率高、可靠性高、燃油經濟性好等特點,成為我國主要的陸基動力裝置,在國民經濟和國防建設方面發揮著重要作用。為滿足軍用動力不斷強化的要求,新型柴油機正朝著高噴射壓力、高轉速、高增壓的方向發展[1-3],柴油機功率密度不斷提高,這對缸內油氣混合與燃燒過程提出了更高要求。因此,改善柴油噴霧特性,從而促進油氣混合并優化燃燒受到眾多研究者的重視[4-6]
關于噴射壓力對霧化與著火特性的影響已有很多研究。張更伽通過高速攝影技術研究了噴油壓力對近場和全場柴油噴霧宏觀特性的影響,研究結果表明:當噴油壓力由 80MPa 增加至 140MPa 時,噴霧液柱區破碎時間由 72μs 縮短至 36μs ,噴霧破碎程度明顯增強,近場噴霧錐角明顯增大;隨著噴油壓力的提高,噴霧氣相貫穿距離明顯增加,全場噴霧錐角略有增加。W.Z.ZHANG等[8研究表明,噴油壓力是影響噴霧索特平均直徑(SMD)的主要因素,噴油壓力從 110MPa 提高到 160MPa ,SMD減小 27.72% ,這是因為液滴在更高的噴油壓力下破碎更充分,導致液滴直徑更小。Y.WEI等9采用高速微粒跟蹤測速技術研究了高壓噴射條件下噴孔附近的噴霧流場分布和油氣混合過程,研究表明,噴霧錐角增大是增強空氣卷吸、促進噴孔附近油氣混合的主要因素。姚春德等[1°在定容燃燒彈上采用高速攝影法研究了柴油噴霧著火燃燒過程,結果表明,噴油壓力由 80MPa 升高到 160MPa 時,滯燃期從1.7ms 縮短至 1.4ms ,但縮短趨勢逐漸減弱。基于ECN推薦的SparyA配置(柴油常規燃燒工況),多項研究結果[11-14]表明,在環境溫度為 900K 時,隨著噴油壓力的升高,滯燃期縮短。然而,黎一鍇等[15-16]的研究表明,在柴油著火臨界條件附近(環境溫度約為 725K ,環境密度為 13.5kg/m3 ),滯燃期隨著噴油壓力呈非單調變化。隨著燃油噴油壓力的提高,滯燃期從受噴霧霧化控制轉變為受熱傳遞控制,使得滯燃期先縮短后增加[17]
盡管早期很多研究者對噴射壓力影響霧化與著火特性進行了研究,但在當前柴油機高強化要求下,燃油噴射壓力已達到 200MPa 甚至更高,針對如此高噴射壓力下的霧化特性以及著火特性的相關研究相對較少。因此,本研究在定容燃燒彈環境中對超高壓噴射條件下的霧化及著火特性進行試驗測試與分析,為高功率密度柴油機技術路線的選擇提供參考依據。
1試驗平臺及數據處理
1.1定容燃燒彈試驗平臺
本研究采用的定容燃燒彈試驗平臺示意和實物如圖1所示,主要包括容彈主體、燃料供給系統、循環水冷卻系統、進排氣系統、電子控制系統5個部分。

容彈主體為圓柱形結構,高 670mm ,直徑430mm 。容彈內部容積為 10L ,較大的內部空間能夠避免容彈壁面對噴霧發展過程的干擾。容彈的最高工作壓力為 6MPa ,溫度可達 900K 。上端蓋安裝了噴油器適配器,用于固定柴油機高壓共軌噴射系統(最高噴射壓力 250MPa) 。上端蓋下方沿周向布置4個跑道型光學視窗,配備厚 70mm 的石英玻璃,為光學診斷提供光學通道。視窗下方安裝了功率 12kW 的加熱瓦,其功率可以根據試驗要求進行控制和調節。為降低散熱損失,加熱瓦與容彈壁面及上端蓋底部之間布置了絕熱層。容彈四周預留多組傳感器接口,用于安裝壓力、溫度傳感器,對內部環境狀態進行監測。試驗時,容彈內部充入高壓空氣或氮氣,壓力由壓力傳感器實時監測,并通過進排氣閥進行調節。燃油噴射和相機的同步由易控(ECTEK)電控單元實現。
1.2光學測試方法及圖像處理流程
本研究通過不同的光學測試方法記錄高溫高壓下柴油噴霧發展與著火過程圖像,并利用后處理技術提取表征各工作過程的特征參數:采用漫反射背光照明法和高速紋影成像技術獲取氣/液相噴霧發展過程圖像,提取貫穿距等宏觀特征參數;采用側光直拍法獲取火焰著火初期自然光度圖像,提取著火高溫滯燃期和著火位置參數。光學測試系統設置見表1。
表1光學測試系統參數設置

漫反射背光法(diffusebacklightillumination,DBI)是一種利用漫反射光照明目標物體,從而獲得高對比度圖像的成像技術。光源發出的光線經過漫反射板,在各個方向上均勻散射后從背后照射到目標物體上,使物體投射出清晰的輪廓。透過物體的光線被相機接收,即可形成高對比度的圖像。本研究搭建的DBI光學測試系統示意圖如圖2所示。

圖2漫反射背光法測試系統示意圖

使用Matlab代碼對獲得的DBI圖像進行處理,處理流程如圖3所示。首先,將原始圖像減去背景圖像后進行亮度反轉,獲得液相噴霧圖像。隨后,針對液相噴霧,選擇像素最大亮度的 30% 作為閾值進行二值化處理,然后使用“bwareaopen”函數處理噴霧的二值圖像以消除噪聲,獲取噴霧的液相邊界輪廓。最后根據定義計算液相噴霧貫穿距離。定義噴霧貫穿距離(S)為沿噴霧軸線(噴油器尖端與噴霧質心的連線)噴霧末端距噴油器尖端的距離。液相噴霧錐角 θ 計算公式如下:

式中: Ap,S/2 為噴霧上游 50% 貫穿距離處的噴霧投影面積。
圖3漫反射背光照明圖像處理流程

紋影成像技術可以用于分析柴油氣相噴霧發展過程的演變,從而測量氣相噴霧貫穿距離。本研究采用“Z\"字型紋影系統拍攝惰性氣相噴霧的發展圖像,紋影系統示意圖見圖4。該系統使用氙燈在狹縫形成點光源,通過反射鏡后,再經由第一面凹面鏡產生平行光,平行光穿過測試物體后,經第二面凹面鏡和反射鏡反射,再在刀口處匯聚,通過調節刀口開度,形成了一組與流體密度梯度相對應的噴霧圖像。噴霧紋影圖像處理過程參考了ECN推薦方法,具體流程如圖5所示。首先,使用幀間差分法進行去背景處理,以消除背景中的不穩定胞狀結構。將噴油開始的前一幀圖像作為初始背景圖像(第0幀),將第1幀圖像與第0幀圖像做差,獲得差值圖像I1 ,隨后,將第2幀圖像與第1幀圖像做差,獲得差值圖像 I2 ,依此類推。第 n 幀圖像對應的氣相噴霧去背景圖像為
。其次,使用大津法對去背景后的噴霧圖像進行二值化處理,并對二值圖像進行數學形態學處理,包括膨脹、腐蝕、濾波和去除小連通區域,以消除背景殘留噪聲,最后從二值化圖像中提取噴霧宏觀特性數據。在高溫高壓工況下 (900K .6MPa, ),容彈內部熱氣流產生的紋影圖像不穩定胞狀結構更加顯著,導致近噴孔位置的噴霧難以用程序識別,因此通過程序處理僅可獲得 ASOI=
0.2ms 后的氣相噴霧貫穿距離。而氣相噴霧錐角數據由于受熱氣流紋影圖像的影響而散差波動過大,一般不作為有效數據進行分析處理。
圖4紋影成像測試系統示意圖

圖5紋影圖像處理流程

本研究使用側光直拍法研究噴霧著火過程,其系統示意圖見圖6。通過高速相機直接拍攝噴霧著火燃燒過程中的自然發光圖像以觀察噴霧著火過程,同時在側面使用鏑燈照射液相噴霧,相機記錄的噴霧Mie散射光用于判斷噴霧開始時刻。相機從噴射開始后每個噴射周期記錄 7.5ms (相當于150張圖像),完整記錄了整個著火過程。
圖6側光直拍法測試系統示意圖

使用彩色相機獲取的柴油燃燒火焰自然光度圖像中一般包含藍色火焰和黃色火焰,高溫著火初期的微弱化學發光信號在彩色相機中表現為較弱的“藍色火焰”,碳煙輻射發出的強光即為觀察到的“黃色火焰”。本研究采用Matlab代碼對捕獲的圖像進行處理,分析著火特性的圖像處理步驟如圖7所示。首先對原始圖像進行亮度增益處理,以區分“藍色火焰\"和背景。使用Matlab代碼對處理后的圖像進行RGB數值識別,當藍色(B)的數值大于紅色(R)和綠色(G)的數值時,即判定出現了藍色火焰。以首次檢測到“藍色火焰”作為高溫著火的開始點,高溫滯燃期定義為從噴射開始到高溫著火的時間間隔。同時,對火焰圖像進行去噪處理(閾值設定為最大亮度的 5% ),然后進行二值化處理,以從火焰的清晰輪廓中提取著火位置等信息。受噴霧隨機性和幀率限制的影響,不同條件下的初始火焰呈現不規則形狀。將著火區域內部所有像素點的坐標進行算術平均,可以得到著火區域形心坐標,將其定義為著火位置。
圖7火焰自然光度彩色圖像處理流程

1.3試驗工況設置
試驗通過設置環境溫度和環境壓力來模擬柴油機缸內上止點附近的熱力狀態,并針對3個環境溫度和5個環境壓力對噴霧、著火、燃燒特征參數的影響進行了研究。在容彈內環境條件和噴射脈寬一定1 :1.5ms 的情況下,采用高速背光法/高速紋影法/側光高速直拍測試方法,對5個噴射壓力下的噴霧宏觀特性和著火燃燒特性進行了研究。具體試驗工況如表2所示。
表2測試工況表

2 試驗結果分析
2.1液相噴霧噴射特性
圖8示出其他條件相同時,隨著噴射壓力的提高,液相噴霧貫穿距離和液相噴霧錐角隨時間的發展過程。本研究在每個工況下取多次試驗值的平均值作為特征參數值,圖中淺色條狀帶為該工況下以標準差表示的特征參數的誤差帶,下文中相似的表達含義與此相同。
從圖8a可以看到,隨著時間的發展,液相噴霧貫穿距離呈現先快速增加、再增速放緩、最后逐漸保持穩定的趨勢。這是由于液相噴霧貫穿距離受液滴初始動能、環境氣體剪切作用以及液滴蒸發的共同影響。較高的噴射壓力會給噴嘴出口的噴霧液滴提供較高的初始動能,使噴霧液滴以較高的速度運動。液滴與周圍環境氣體間的速度差導致環境氣體對液滴產生剪切作用,一方面,剪切作用會消耗液滴的動能,另一方面,剪切作用促進了液滴進一步破碎成更小的液滴,從而有利于液滴的蒸發。這些因素導致液體噴霧的發展速度降低。由于噴射壓力持續為噴霧液滴提供動能,最終噴霧初始動能、環境氣體剪切作用和液滴蒸發作用會達到平衡,使得液相噴霧貫穿距在噴霧發展一段時間后保持穩定[18]。隨著噴射壓力的提高,噴霧發展初期的液相噴霧貫穿距離增長速率提高,這是由于噴射壓力的提高增加了液相噴霧的初始動能。在噴霧穩定階段,隨著噴射壓力的增加,液相噴霧貫穿距離先增加后減小。這是因為噴射壓力的提高不僅增加了液相噴霧初始動能,也增強了環境氣體的剪切作用和液滴的蒸發作用。噴射壓力較低時,噴射壓力提高主要影響液相噴霧的初始動能,導致噴霧穩定階段液相噴霧貫穿距增大;噴射壓力進一步提高時,對環境氣體剪切作用和液滴蒸發作用的影響增強,促進了液相噴霧蒸發,導致噴霧穩定階段液相噴霧貫穿距離減小。
從圖8b可以看出,噴霧開始時刻的液相噴霧錐角較大,隨著時間發展,液相噴霧錐角逐漸減小,隨后保持穩定。這是因為噴霧初期油束與周圍環境氣體之間的卷吸作用較弱,蒸發量小,液相噴霧錐角不斷增大并達到最大值。隨著噴油的持續,油束兩側油氣混合作用加強,蒸發效果好,噴霧錐角逐漸減小并達到穩定。隨著噴射壓力的提高,液相噴霧錐角基本沒有變化。這是由于提高噴射壓力雖然會促進液相噴霧的徑向發展,但也增加了液相燃料的蒸發,因而液相噴霧錐角基本不變。
圖8噴油壓力對液相噴霧噴射特性的影響

圖9示出其他條件相同時,隨著環境壓力的提高,液相噴霧貫穿距離和液相噴霧錐角隨時間的發展過程。
圖9環境壓力對液相噴霧噴射特性的影響

從圖9a可以看到,隨著時間的發展,各環境壓力下的噴霧液相貫穿距離總體呈緩慢增加趨勢。環境壓力的增加增強了環境氣體對噴霧的剪切作用,增大了噴霧在空間上擴散遇到的阻力,導致液相噴霧貫穿距離隨環境壓力升高而減小。此外,噴射初期由于液滴動量較高,環境壓力引起阻力變化的影響較小,因此貫穿距離和貫穿速度基本不隨環境壓力變化。從圖9b可以看到,隨著環境壓力的增加,噴霧錐角變化不大,這與環境壓力同時對噴霧徑向發展以及液滴蒸發產生影響有關。一方面,環境壓力的增大使環境氣體對噴霧的剪切作用增強,噴霧軸向發展受到阻礙,更易在徑向發展;另一方面,環境氣體對噴霧剪切作用的增強導致噴霧更容易破碎形成直徑更小的液滴,這部分液滴在高溫環境下更快蒸發,從而導致了液相噴霧在徑向發展的同時很快被蒸發。因而環境壓力增加對液相噴霧錐角的影響不大。
圖10示出其他條件相同時,隨著環境溫度的提高,液相噴霧貫穿距離和液相噴霧錐角隨時間的發展過程。
圖10環境溫度對液相噴霧噴射特性的影響

從圖10a可以看到,隨著環境溫度的提高,液相噴霧貫穿距更快到達準穩定狀態,之后隨時間緩慢增加。這是因為環境溫度的升高促進了燃油蒸發,導致液相噴霧更快消失,液相噴霧貫穿距更快達到準穩定狀態。由于液相燃油蒸發速度加快,準穩態階段的液相噴霧貫穿距離隨著環境溫度的升高而減小。從圖10b可以看到,不同環境溫度下,噴霧錐角到達穩定時刻的時間基本一致,表明環境溫度對噴霧在徑向擴散的影響較小。
對比圖8、圖9和圖10可以看到,在超高壓噴射壓力條件下,噴射壓力的改變雖然一定程度上可以促進液相噴霧在軸向擴散,但其與環境溫度和環境壓力改變時相比影響較小,即此時噴射壓力繼續提高對液相噴霧特性的影響效果已不明顯。
2.2氣相噴霧噴射特性
圖11示出其他條件相同時,隨著噴射壓力的提高,氣相噴霧貫穿距離隨時間的發展過程。
氣相噴霧在軸向上的發展僅與噴霧初始動能和環境氣體的剪切作用有關。隨著噴霧的發展,氣相噴霧初始動能因傳遞給環境氣體而逐漸減弱,導致其發展速度減緩,因此,隨著時間的發展,氣相噴霧貫穿距逐漸增加,但增加趨勢減緩。從圖11可以看到,隨著噴射壓力的提高,在相同時刻下,氣相噴霧貫穿距離逐漸增加,但增加的趨勢減緩。這與張更伽、Y.WEI等9的研究結論一致。這是因為噴射壓力的增加促進了噴霧對環境氣體的卷吸,導致更多的動能傳遞給環境氣體,從而減弱了氣相噴霧的貫穿能力,導致氣相噴霧貫穿距增加的趨勢減緩。
圖11噴油壓力對氣相噴霧噴射特性的影響

圖12示出其他條件相同時,隨著環境壓力的提高,氣相噴霧貫穿距離隨時間的發展過程。
從圖12可以看出,在噴霧初始階段,不同環境壓力時的氣相噴霧貫穿距離幾乎沒有差別,這是由于此時噴霧還處于噴嘴近場區域,受噴嘴出口液相初始動能的影響更加明顯,環境背壓的影響尚不明顯。隨噴霧的發展,環境壓力提高增大了氣相噴霧發展的迎風阻力,導致噴霧發展后期的氣相貫穿速度和貫穿距離隨環境壓力提高而減小。
圖12環境壓力對氣相噴霧噴射特性的影響

圖13示出其他條件相同時,隨著環境溫度的提高,氣相噴霧貫穿距離隨時間的發展過程。
從圖13可以看出,不同環境溫度、相同時刻的氣相貫穿距基本一致,這與圖10a中環境溫度對液相貫穿距的影響規律不同。這是由于在等密度條件下,環境溫度僅對液體燃油的蒸發存在影響,而對噴霧液滴初始動能和環境氣體的剪切作用沒有影響。
對于液相貫穿距,環境溫度的提高促進了液滴的蒸發,進而導致液相貫穿距減小;對于氣相貫穿距,其主要受環境氣體剪切作用的影響,在等密度條件下,環境溫度改變不會影響環境氣體的剪切作用,因而氣相貫穿距基本不隨環境溫度改變而變化。
圖13環境溫度對氣相噴霧噴射特性的影響

對比圖11至圖13可以看到,在超高壓噴射條件下,與液相噴霧噴射特性不同,噴射壓力增加對氣相噴霧噴射特性的影響較為顯著,即使在超高壓噴射條件下,噴射壓力的提高仍然有助于混合氣的良好生成。
2.3噴霧著火特性
圖14示出其他條件相同的情況下,高溫滯燃期和軸向著火位置隨著噴射壓力的變化。
從圖14a可以看出,隨著噴油壓力不斷增加,燃油著火滯燃期逐漸縮短,隨后趨于平穩甚至略有增加。這與黎一錯等[15-17]的研究結果一致。噴油壓力從 125MPa 增加至 200MPa 時,滯燃期縮短了0.15ms ;噴油壓力從 200MPa 增加至 250MPa 時,滯燃期變化幅度最大為 0.1ms 。可燃混合氣的著火滯燃期為低溫滯燃期和高溫預反應時間之和。隨著噴油壓力增大,液相燃油貫穿速率增大,由噴霧引起的氣體湍流強度增大,促進了燃油與空氣之間的傳熱傳質過程和低溫反應,縮短了混合氣的低溫滯燃期。氣體湍流強度逐漸增大,一方面促進了冷焰波的傳遞,另一方面干擾了低溫反應區域的熱量積累過程。在 900K,6MPa 的高溫高壓環境下,噴油壓力增大對冷焰傳遞的促進作用占據主導,因此隨著噴油壓力的增大,低溫滯燃期和高溫預反應時間均縮短,導致燃油的高溫滯燃期縮短。但是隨著噴油壓力進一步增大,湍流耗散增加,對著火的抑制作用進一步增強,滯燃期的縮短幅度逐漸變小。
著火點距噴孔軸向距離(如圖14b所示)隨著噴油壓力的增大先減小后增加。著火位置與滯燃期以及噴霧的貫穿速度有關。當噴油壓力增大時,滯燃期縮短會縮短噴霧在著火前的貫穿時間,但是噴霧初始動量的增加會導致可燃混合氣的貫穿速度增大。在本試驗的噴油壓力變化范圍( 120~ 250MPa )內,當噴油壓力從 120MPa 增加到150MPa 時,滯燃期的縮短占主導地位,當噴油壓力從 150MPa 增加到 250MPa 時,噴霧貫穿速度的增大占主導地位,導致著火位置隨著噴油壓力增加先靠近噴孔后遠離。
圖14噴油壓力對高溫滯燃期和軸向著火位置的影響

圖15示出其他條件相同的情況下,高溫滯燃期和軸向著火位置隨著環境壓力的變化。從圖15a可以看出,隨著環境壓力不斷增加,燃油著火滯燃期逐漸縮短。一方面,環境壓力提高使得燃油與氣體的接觸面上單位空間內分子間距縮小,這有利于環境氣體與燃油之間的傳熱傳質過程;另一方面,環境氣體密度增大會促進燃油霧化和蒸發,有利于縮短可燃混合氣的前期物理準備時間。此外,環境壓力提高后,單位空間內低溫反應產生的熱量增加,熱量進行累積的時間縮短,反應物濃度增加,導致化學滯燃期縮短。因此,柴油的高溫滯燃期隨著環境壓力的增大明顯縮短。從圖15b可以看到,隨著環境壓力不斷增加,著火點軸向坐標逐漸縮短,著火點位置與噴孔之間的距離逐漸減小。這是由于當環境壓力增大后,噴霧在離開噴孔時噴射壓力與環境壓力之間的差值減小,噴霧的初始動量減小。在之后的噴霧發展過程中,液相霧柱前鋒受到的阻力增大,噴霧動量耗散加劇,進而使噴霧的貫穿速度減小。同時,滯燃期隨環境密度增大而縮短,在這兩種因素的共同影響下,混合氣著火點位置與噴孔之間的軸向距離縮短。
圖15環境壓力對高溫滯燃期和軸向著火位置的影響

圖16示出其他條件相同的情況下,高溫滯燃期和軸向著火位置隨著環境溫度的變化。
從圖16a可以看出,隨著環境溫度的升高,燃油著火滯燃期逐漸縮短,且滯燃期縮短的速度隨環境溫度升高而減慢。環境溫度從 800K 升高至 900K 時,滯燃期縮短了 0.43ms 。這是因為環境溫度升高時,噴霧的破碎霧化速度加快,化學反應的速率提高,焰前反應的時間縮短,因而滯燃期縮短。焰前反應分為物理過程和化學過程,在著火的范圍內,環境溫度的升高主要影響化學過程,當溫度升高時,化學準備過程耗時的增幅小于物理過程;而在高溫階段,化學反應過程耗時已經很小,滯燃期接近于物理準備過程。因此,隨著溫度升高,滯燃期增長速度逐漸減慢。另一方面,如圖16b所示,隨著環境溫度的升高,著火點軸向坐標減小,即著火點位置向噴孔位置靠近,這主要是受滯燃期影響。通過前文對滯燃期的研究可以看出,隨著環境溫度升高,燃油的著火滯燃期逐漸縮短。同時,環境溫度對噴霧的貫穿速度影響不大。因此,隨著環境溫度的升高,可燃混合氣向前發展的時間更短,著火位置距離噴孔距離縮短。
圖16環境溫度對高溫滯燃期和軸向著火位置的影響

對比圖14至圖16可以發現,在超高壓噴射條件下,噴射壓力改變對高溫滯燃期和軸向著火位置的影響沒有環境壓力和環境溫度改變時帶來的影響明顯,這說明超高壓噴射條件下噴射壓力雖然對著火特性有一定影響,但影響效果已明顯減弱。
3結論
a)在超高壓噴射 (200~250MPa) 下,液相噴霧特性對噴射壓力敏感性顯著降低,噴霧穩定階段液相噴霧貫穿距離減小;環境壓力和環境溫度的提高均會導致液相噴霧貫穿距離的減小,但對液相噴霧錐角幾乎沒有影響,噴霧達到穩定時,錐角均在 12° 左右;
b)噴射壓力的提高會使氣相噴霧貫穿距離增加,當噴射壓力從 150MPa 提高到 250MPa 時,氣相噴霧貫穿距離增加了 15.52% ;而環境壓力從4.0MPa 提高至 6.0MPa 時,氣相噴霧貫穿距離減小了 19.55% ;環境溫度對氣相噴霧貫穿距離幾乎沒有影響,環境溫度從 800K 提升至 900K 時,最大差異小于 2.1% 。
c)噴射壓力、環境壓力和環境溫度的提高均會導致高溫滯燃期減小,高溫滯燃期最短為 0.26ms :環境壓力和環境溫度的提高會導致軸向著火位置更靠近噴孔;而噴射壓力的提高會導致軸向著火位置坐標先減小后增加,在噴射壓力為 150MPa 時達到最小值 32.13mm 。
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Key Words:ultra-high pressre injection;spray characteristic;ignition characteristic;constant volume combustion bomb
[編輯:袁曉燕]