張齊龍，曹建明，李明龍，蘇梅麗

（1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，西安710064；2.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司，重慶401120）

不同方法測(cè)定柴油霧化特性的比較研究

張齊龍1，曹建明1，李明龍1，蘇梅麗2

（1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，西安710064；2.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司，重慶401120）

使用閃光攝影法、馬爾文法以及PIV法測(cè)定孔徑為0.315 mm、啟噴壓力為20 MPa這一工況點(diǎn)的純柴油的噴霧特性，分析各種方法所得到的平均直徑、特征直徑以及發(fā)散度。比較不同方法所測(cè)得的粒子體積分布圖。結(jié)果表明：馬爾文法測(cè)得的結(jié)果均勻性更好，更加準(zhǔn)確，閃光攝影法測(cè)得的結(jié)果與馬爾文法更加接近。

柴油噴霧特性平均直徑特征直徑

1 引言

燃油霧化質(zhì)量影響燃燒性能，關(guān)系到燃燒的穩(wěn)定性，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和工作經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)在越來(lái)越多的人開(kāi)始研究燃油的霧化質(zhì)量，但不同的試驗(yàn)方法會(huì)給結(jié)果帶來(lái)差異。

本文重點(diǎn)研究不同測(cè)試方法對(duì)純柴油噴霧特性的影響。為了可比性，本文研究孔徑0.315 mm、啟噴壓力20 MPa條件下的單個(gè)工況點(diǎn)的純柴油的噴霧特性。

2 閃光攝影法測(cè)定純柴油噴霧特性試驗(yàn)

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)首先拍攝直徑為80 μm的標(biāo)準(zhǔn)絲，得到每個(gè)像素所占的長(zhǎng)度為6 μm。為進(jìn)行閃光攝影法測(cè)定純柴油噴霧特性試驗(yàn)，建立了單次噴射試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)的示意圖如圖1所示。純柴油的噴霧試驗(yàn)共拍攝照片200余幅，根據(jù)圖片上液滴的樣本容量及圖片的清晰度選取一張最佳圖片，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)的示意圖

對(duì)圖片進(jìn)行處理計(jì)算得出的液滴平均直徑和特征直徑如表1所示。

來(lái)稿日期：2012-11-30

圖2 純柴油液滴圖

表1 平均和特征直徑

液滴的尺寸體積分布和累積體積分布如圖3和圖4所示。

圖3 尺寸體積分布圖

圖4 累積體積分布圖

3 馬爾文法測(cè)定純柴油噴霧特性試驗(yàn)

馬爾文（Spraytec）噴霧激光粒度測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量，可以對(duì)噴霧裝置噴射出的液滴顆粒的尺寸分布和累積分布進(jìn)行測(cè)量和分析。

馬爾文噴霧激光粒度儀使用2個(gè)透鏡系統(tǒng)，可以測(cè)量0.1～2 500 μm范圍內(nèi)的液滴分布，其捕捉速度最高可達(dá)10 kHz（即每100 μs測(cè)量1次）。馬爾文噴霧激光粒度儀在測(cè)量液滴分布方面具有穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、同步性好等優(yōu)點(diǎn)。而且可以在測(cè)量完成后利用粒度儀所配備的軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理和分析。

圖5和圖6分別為馬爾文噴霧激光粒度儀實(shí)物圖和激光粒度儀圖解。

圖5 馬爾文噴霧激光粒度儀

圖6 馬爾文噴霧激光粒度儀圖解

該試驗(yàn)所取參數(shù)力求與閃光攝影法一致的原因在于欲比較2種方法所測(cè)定的噴霧特性的結(jié)果，必須保證試驗(yàn)時(shí)的參數(shù)的一致性，否則就沒(méi)有可比性。

另外，因馬爾文接收端所使用的是扇形衍射器，因此為防止小顆粒液滴漏檢，須將噴霧液束靠近接收端一側(cè)。圖7為試驗(yàn)臺(tái)示意圖。圖8為使用馬爾文激光粒度儀所得的結(jié)果，其中藍(lán)色直方圖代表液滴直徑體積分布，紅色曲線為液滴累積體積分布。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)示意圖

圖8 馬爾文測(cè)量結(jié)果

工況點(diǎn)所得到的平均直徑和特征直徑及發(fā)散度如表2所示，其中平均直徑和特征直徑的單位均為微米（μm），相對(duì)尺寸范圍和發(fā)散度沒(méi)有單位。

由于超高壓架空輸電線路電壓高、跨度大，即使在故障電流中斷后，次級(jí)電弧電流也會(huì)流過(guò)故障點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]利用四支路并聯(lián)補(bǔ)償方案和高速接地開(kāi)關(guān)（HSGS）能夠抑制次級(jí)電弧，而本文將利用一種混合方案進(jìn)行次級(jí)滅弧。該方案可以跳過(guò)故障相，經(jīng)過(guò)短暫等待后跳過(guò)其余的兩個(gè)相并非常快速地進(jìn)行單相重合閘。初始時(shí)間延遲加上兩個(gè)正常狀況的短暫中斷，確保電弧滅弧。圖2給出了混合方案的操作順序。由于初始沖擊僅包含來(lái)自故障相的功率，當(dāng)其中兩個(gè)相跳閘時(shí)，系統(tǒng)的沖擊僅僅是所有三個(gè)相在開(kāi)始時(shí)同時(shí)跳閘所引起沖擊的一半，因此，該方案提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表2 平均和特征直徑

將馬爾文測(cè)試的結(jié)果輸出后讀取數(shù)據(jù)，利用Origin圖像處理軟件繪圖得到液滴體積尺寸分布和累積體積分布。其曲線分別如圖9和圖10所示。

4 PIV測(cè)定純柴油噴霧特性試驗(yàn)

粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)PIV）是隨著微機(jī)技術(shù)、微機(jī)接口技術(shù)、光纖技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和高速攝影技術(shù)的發(fā)展于20世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來(lái)的一種嶄新的粒子測(cè)量技術(shù)。

本文并未直接使用PIV粒子測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)量純柴油的噴霧特性，而是將閃光攝影所拍攝的純柴油噴霧特性的圖片用PIV粒子測(cè)量?jī)x的圖像分析功能進(jìn)行分析處理，從而得到純柴油液滴的尺寸分布和累積體積分布。圖11為利用PIV粒子測(cè)量?jī)x的圖像處理系統(tǒng)所獲得的粒徑分析結(jié)果概覽圖。

圖9 尺寸體積分布圖

圖10 累積體積分布圖

圖11 顯示了經(jīng)處理所得到的粒子數(shù)量，也就是樣本容量，共3301個(gè)。還可得到燃料液滴分布的平均直徑和特征直徑，其具體數(shù)值如表3所示。

需要說(shuō)明的是，從圖10可以看出，該圖中以橫坐標(biāo)為3.5 μm處的液滴所占的比例為100%，因此還需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算得出其液滴尺寸數(shù)目分布。圖12為經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算所得到的液滴尺寸數(shù)目分布曲線。

從圖中可以看出，液滴的尺寸分布曲線為單波峰曲線，在峰值點(diǎn)兩側(cè)曲線稍微高一些，而在其他直徑處分布均很小。

圖13為利用PIV所得到的孔徑為0.315 mm、噴嘴的啟噴壓力為20 MPa的純柴油噴霧特性的累積數(shù)目分布曲線。

5 3種測(cè)試方法液滴尺寸分布比較

圖11 粒徑分析結(jié)果概覽圖

表3 平均和特征直徑

圖12 液滴尺寸數(shù)目分布圖

圖13 液滴尺寸累積體積分布圖

從圖14可看出，3條曲線的總體趨勢(shì)一致，均為單波峰曲線，均呈先增大后減小的趨勢(shì)，但是3條曲線的波峰所在的直徑不一致，PIV法的最小，閃光攝影法的居中，馬爾文最大。另外，PIV處理結(jié)果與馬爾文激光粒度儀測(cè)試結(jié)果相比波峰值較為接近，而閃光攝影法的波峰值較大。原因在于馬爾文法所測(cè)得的粒子最大直徑較大，亦即大顆粒的液滴占了總體積的一部分，使得曲線向右偏移。而PIV法的最大粒子直徑僅為60 μm左右，亦即液滴體積在小顆粒液滴的范圍內(nèi)積聚較多，使得曲線向左偏移較多。但就總體來(lái)說(shuō)，馬爾文法測(cè)量結(jié)果的均勻性更好。

圖14 3種測(cè)試方法尺寸分布比較圖

因?yàn)殚W光攝影法使用標(biāo)準(zhǔn)絲定標(biāo)所得的最小顆粒直徑為6 μm，也就是說(shuō)小于6 μm的液滴無(wú)法被測(cè)量，而馬爾文法可以測(cè)量的最小粒子直徑為1 μm，因此在小顆粒液滴的測(cè)量方面，馬爾文法更加精確。

另外，從圖中可以看出，閃光攝影法和馬爾文法曲線較為接近，波峰所在的直徑也比PIV法的曲線更接近。

6 結(jié)論

使用了3種方法對(duì)0.315 mm孔徑、20 MPa的啟噴壓力下的純柴油的噴霧特性進(jìn)行了研究和對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

（1）因?yàn)闇y(cè)試方法的不同，所得到的平均直徑和特征直徑以及發(fā)散度不同。

（2）馬爾文法測(cè)得的結(jié)果均勻性更好，更加準(zhǔn)確，閃光攝影法測(cè)得的結(jié)果與馬爾文法更加接近。

1李跟寶，周龍保．柴油機(jī)燃用二甲醚/柴油混合燃料時(shí)的特性研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2010（1）：13-16．

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3曹建明．霧化液滴尺寸和速度分布函數(shù)的推導(dǎo)[J]．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2007（1）：34-36．

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圖14 缸蓋火力面穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布云圖

參考文獻(xiàn)

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3白曙.適用于缸蓋冷卻系統(tǒng)的沸騰模型研究 [M].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2011（4）：2-3.

Comparison Study on Diesel Fuel Spray with Different Methods

Zhang Qilong1,Cao Jianming1,Li Minglong1,Jiang Meili2
（1.School of Automobile,Chang'an University,Xi'an 710064,China; 2.Chang'an Automobile Co.,Ltd.,Chongqing 401120,China）

Strobo-photograph,Spraytech and Particle Image Velocimetry are used to investigate the spray character of diesel fuel injected by a nozzle of 0.315 mm in diameter at injecting pressure of 20 MPa. The average diameters,feature diameters and divergences derived from these three methods are analyzed, and the particulate volumes distribution obtained from three methods are compared.The result shows that the Spraytech method gives a more even and more accurate measurement and strobe-photograph gives a measurement closer to Spraytech.

diesel fuel,spray character,average diameter,feature diameter

張齊龍（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒、噴霧過(guò)程。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.01.002