王站成，杜慧勇，吳 健，劉建新，徐 斌，劉 松

（河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛 陽 471003）

緊湊型高速直噴式柴油機(jī)的發(fā)展使得燃油噴霧碰壁研究受到關(guān)注。油束碰壁、油滴飛濺和燃油與空氣之間相互作用是柴油機(jī)燃燒室內(nèi)油氣混合的基本因素［1］，這也是柴油機(jī)最重要的研究方向，因?yàn)槠錁O大地影響著燃燒過程及有害物排放［2］。由于現(xiàn)代柴油機(jī)噴油器和活塞頂部的距離較短，油束有可能在完全蒸發(fā)和與空氣混合前撞擊燃燒室的表面，因此，對(duì)油束噴霧碰壁進(jìn)行試驗(yàn)研究，可以進(jìn)一步改善柴油機(jī)的燃燒特性和減少有害排放物的生成。

現(xiàn)代柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)大多采用高壓共軌技術(shù)，燃油噴射具有較高的壓力，通過試驗(yàn)手段很難分析燃油噴霧碰壁現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者用閃光攝影法、激光誘導(dǎo)熒光法和高速攝影儀拍攝研究了噴油壓力、距離、夾角對(duì)噴霧體體積、壁面油膜厚度、燃油附著量等的影響［3－4］。本研究利用自制的仿形壁面，采用新型頻閃噴霧攝影法，在不同壓力下對(duì)油束撞擊壁面不同位置的霧化效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 碰壁壁面的制作及試驗(yàn)設(shè)備

本研究以4D20T增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室為原型制作燃燒室壁面。首先利用硅膠對(duì)燃燒室內(nèi)部進(jìn)行填充，待凝固后取出并進(jìn)行切割，照取截面圖片，后利用Catia軟件對(duì)其截面進(jìn)行三段弧掃邊，測(cè)量后得到燃燒室的形狀，最后利用鋁板板筋制作燃燒室壁面。制作過程見圖1。

由于在常溫常壓下進(jìn)行噴霧試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境密度與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境密度不同，噴霧形態(tài)會(huì)比實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中的大，需要對(duì)實(shí)際燃燒室尺寸進(jìn)行適當(dāng)放大。文獻(xiàn)［5］表明，雖然燃燒室內(nèi)壓力和溫度不同，但是只要環(huán)境密度相等，噴霧貫穿距離和錐角就基本相等，噴霧的總體積也相等。4D20T增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況噴油時(shí)刻的缸內(nèi)密度為常溫常壓下空氣密度的30倍左右，為了使壁面尺寸在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，以方便安裝和試驗(yàn)，因而減小了噴油量，以保證試驗(yàn)的貫穿率基本在1.05左右。最終選用了放大6倍后的燃燒室尺寸作為碰壁壁面的尺寸。

本次試驗(yàn)在油泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，環(huán)境溫度為18℃，空氣密度為1.213kg／m3，所用設(shè)備參數(shù)及試驗(yàn)條件見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)及試驗(yàn)條件

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 碰壁位置對(duì)油束形態(tài)的影響

在自行設(shè)計(jì)制作的仿形壁面上進(jìn)行不同噴油時(shí)刻碰壁位置的試驗(yàn)，選取4個(gè)不同的油束碰壁位置（見圖2），其中初始位置對(duì)應(yīng)活塞上止點(diǎn)的位置，a，b，c，d分別對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角為17°，24°，30°，36°的位置，活塞下移距離分別為15mm，30mm，40mm，45mm，共軌壓力為90MPa，噴油脈寬為640μs，拍攝照片時(shí)刻相對(duì)于噴油起始時(shí)刻為260ms。

由于不同的碰壁位置對(duì)油束的擴(kuò)散會(huì)有所影響，利用Matlab繪制碰壁油束的等高線填充圖，來間接反映其濃度的分布。圖3示出在相同壓力和噴油量下柴油在4種碰壁位置同一時(shí)刻的等高線填充圖。

從圖2中可看出，位置a的油束撞擊在凹坑下方，燃燒室上部大量空氣得不到很好地利用，不利于燃油與空氣的混合，霧化效果變差；位置b的壁面法線和油束軸線基本一致，因此撞壁后油束濃度比較均勻，但是這種近似于垂直的撞壁，造成了油束能量的大量損失，壁面油膜的涂布效果很差，不利于近壁處燃油的蒸發(fā)；位置d的撞擊點(diǎn)靠近燃燒室頂面，大量飛濺的燃油涌入余隙容積，此處空氣量較少，燃油無法得到充分混合，容易造成積炭；位置c不但能獲得較均勻的碰壁油束，而且能使油束在沿壁面方向獲得較大的運(yùn)動(dòng)速度，增強(qiáng)了油膜的壁面涂布能力，促進(jìn)近壁面燃油的蒸發(fā)［6－7］。

另外位置c的油束空間分布基本等分了燃燒室的有效空間，這樣能最大限度地利用燃燒室中的空氣［8］。圖4示出的油束經(jīng)過了Photoshop圖像處理軟件的邊緣化處理，從中可看出，位置c中燃燒室被油束分隔成的區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ基本相等。因此在不同噴油時(shí)刻撞壁位置中，油束撞擊位置c能得到最好的霧化效果。

2.2 不同噴油壓力時(shí)的碰壁特性

利用圖像處理軟件可以得到圖像中油束平面投影的像素面積，并利用油嘴作為標(biāo)尺，將得到的像素面積轉(zhuǎn)化為實(shí)際尺寸，最終計(jì)算出油束軸向分布面積（見圖5）。圖6示出柴油在4種不同噴油壓力同一噴油量條件下撞擊位置c時(shí)的油束軸向分布面積測(cè)量值。從圖6中可看出，噴油壓力主要影響油束前期的發(fā)展，噴油壓力越大，油束軸向分布面積越大。在噴霧后期，油束由于速度減弱，都會(huì)呈現(xiàn)一段時(shí)間的迅速揮發(fā)期，導(dǎo)致軸向分布面積迅速增大，隨后會(huì)逐漸減小趨于穩(wěn)定。另一方面，油滴有分裂也有聚合，油束最終擴(kuò)散面積就是由油滴的分裂和聚合共同影響的，在噴霧后期聚合作用基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這是油束最終的擴(kuò)散截面積會(huì)逐漸變平緩的原因。但噴油壓力越大，油束所具有的能量越大，撞壁時(shí)油束能獲得更高的沿壁面發(fā)展速度，有利于與空氣的卷吸混合和近壁油霧的蒸發(fā)。而且高的噴油壓力更有利于油束破碎，得到的液滴尺寸更小，滴徑分布更均勻［9］。

3 結(jié)論

不同的噴油時(shí)刻會(huì)影響燃油噴霧在燃燒室中的著壁位置，而著壁位置不同會(huì)對(duì)油束形狀、空間霧化情況有非常大的影響。本研究對(duì)不同噴油時(shí)刻和噴油壓力燃油撞擊壁面的效果利用新型頻閃系統(tǒng)進(jìn)行了拍攝，得到了如下結(jié)論：

a）油束碰壁后應(yīng)使其沿壁面有較大的發(fā)展速度，這樣能夠與燃燒室內(nèi)的空氣混合均勻，減少油束撞擊壁面的能量損失，利于近壁油束的蒸發(fā)，同時(shí)也增強(qiáng)了涂布效果；

b）油束空間分布應(yīng)能夠?qū)⑷紵覂?nèi)部有效容積等分，這樣能最大限度地利用燃燒室內(nèi)的空氣，得到較好的霧化效果；

c）在不同噴油壓力下，只要噴油量相等，油束軸向分布面積相差不大，但是濃度分布不同，噴油壓力大，油滴更易破碎，油束濃度更均勻。

［1］ Andreassi L，Ubertini S，Allocca L.Experimental and numerical analysis of high pressure diesel spray－wall interaction［J］.International Journal of Multiphase Flow，2007（33）：742－765.

［2］ 喬信起，高希彥，陳家驊，等.柴油機(jī)噴霧碰壁的探討［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1995（4）：45－48.

［3］ Masataka Arai，Kyungnam Ko.Diesel Spray and Adhering Fuel on an Impingement Wall［C］.SAE Paper 2002－01－1628.

［4］ Takashi Yonezawa，Kazuhiko Kawajiri.Study of Adhesion Fuel Behavior Formed by Spray－Wall Impingement in PFI Engine［C］.SAE Paper 2010－01－0782.

［5］ 史紹熙，蘇萬華.內(nèi)燃機(jī)燃燒研究中的幾個(gè)前沿問題［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1990，8（2）：95－104.

［6］ 舒歌群，馬維忍，許世杰，等.噴霧夾角對(duì)柴油機(jī)性能影響的數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29（7）：1239－1242.

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［8］ 劉勝吉，尹必峰，劉 俊.小型直噴式柴油機(jī)噴霧油線在燃燒室內(nèi)分布的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2003，21（1）：21－24.

［9］ 劉 松.高壓共軌條件下含氧混合柴油噴霧特性研究［D］.洛陽：河南科技大學(xué)，2012：43－46.