高浩卜, 李向榮, 薛繼業(yè), 白洪林, 何旭, 劉福水
(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院,北京 100081;2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津),天津 300400)
?
背景溫度和密度對(duì)柴油噴霧特性影響靈敏度分析
高浩卜1, 李向榮1, 薛繼業(yè)1, 白洪林2, 何旭1, 劉福水1
(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院,北京 100081;2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津),天津 300400)
為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴油時(shí)刻背景溫度和密度,以改善噴霧特性、提高功率,通過(guò)高速攝影直拍和紋影技術(shù),利用自編圖像處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,引入靈敏度概念,研究了背景溫度和密度對(duì)柴油噴霧特性影響靈敏性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在背景溫度304~770 K,密度13~26 kg/m3范圍內(nèi),背景溫度對(duì)氣相體積百分比的靈敏度遠(yuǎn)大于密度對(duì)氣相體積百分比的靈敏度,在770 K、26 kg/m3時(shí),大約是密度的10倍;而密度對(duì)噴霧平均空燃比的靈敏度略大于溫度對(duì)噴霧平均空燃比的靈敏度,在770 K、26 kg/m3時(shí),大約是溫度的1.18倍。將此規(guī)律應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)某工況仿真計(jì)算,微調(diào)噴油初始時(shí)刻背景溫度和密度(3.5%以?xún)?nèi)變動(dòng)),功率可提高2.8%。
柴油噴霧特性;背景溫度;背景密度;紋影;定容裝置;靈敏度分析
改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放污染是內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)必須面臨的兩大挑戰(zhàn)[1-3]。而燃料的霧化過(guò)程及結(jié)果直接影響到燃料的燃燒及排放等特性[4]。高溫高壓背景環(huán)境中的噴霧特性研究包含油束破碎、混合和蒸發(fā)等方面,更貼合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況,具有重要的研究?jī)r(jià)值。
高速攝影紋影技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單、方法可靠、成本低,廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)噴霧研究[5]。但紋影對(duì)背景密度梯度變化較為敏感,尤其是在高溫和高壓下,會(huì)造成背景與噴霧很難區(qū)分[6],因此國(guó)內(nèi)少有噴霧高溫高壓背景環(huán)境應(yīng)用紋影測(cè)試的相關(guān)報(bào)導(dǎo)。孫田等[7-8]用激光誘導(dǎo)熒光測(cè)試手段測(cè)取柴油氣液相分布和氣相濃度。這種方法雖可以定量測(cè)量燃油氣相濃度,但成本較高、試驗(yàn)標(biāo)定工作量大。國(guó)際上仍較多使用紋影法來(lái)確定氣相邊界,而用激光誘導(dǎo)熒光測(cè)試方法測(cè)取特定成分濃度[9]。本文利用自編MATLAB圖像處理程序,實(shí)現(xiàn)了噴霧外輪廓的測(cè)取。為避免紋影較難區(qū)分噴霧液相和氣相邊界,試驗(yàn)選擇高速攝影直拍來(lái)捕捉噴霧的液相部分。
國(guó)際學(xué)者利用紋影拍攝對(duì)高溫高壓環(huán)境噴霧特性進(jìn)行過(guò)研究[10-13],研究發(fā)現(xiàn)背景溫度和密度對(duì)噴霧貫穿距離有很大影響,但并未對(duì)二者影響程度進(jìn)行量化比較。國(guó)內(nèi)對(duì)高壓共軌噴射、高溫高壓背景環(huán)境下帶蒸發(fā)過(guò)程的柴油噴霧特性已做過(guò)一些研究,但同樣在對(duì)各因素的影響靈敏性進(jìn)行量化和對(duì)比方面還有不足。
噴油參數(shù)一定的情況下,通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣參數(shù)從而改善噴油時(shí)刻背景溫度和密度,可以有效提高功率,降低燃油消耗率。因此,有必要深入研究背景溫度和背景密度對(duì)油束霧化效果影響的靈敏度,從而優(yōu)化背景溫度和密度改善霧化。提高進(jìn)氣溫度和增加進(jìn)氣量是改善噴霧油氣混合效果的兩種重要手段。但在相同曲軸轉(zhuǎn)角下,背景壓力一定時(shí),背景溫度和密度是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。本文挑選接近某發(fā)動(dòng)機(jī)工況缸內(nèi)噴油時(shí)刻的背景溫度和密度點(diǎn)(770 K、26 kg/m3)附近范圍研究。引入兩個(gè)特征參數(shù):氣相體積百分比,作為噴霧內(nèi)部特性參數(shù),體現(xiàn)噴霧內(nèi)部氣液相分布狀況;噴霧平均空燃比,作為噴霧整體特性參數(shù),評(píng)價(jià)油氣混合比例好壞??偨Y(jié)和比較背景溫度和密度對(duì)噴霧氣液相發(fā)展的影響靈敏度規(guī)律,揭示了背景溫度和密度影響噴霧效果的物理機(jī)理。并以此進(jìn)行仿真計(jì)算,對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行進(jìn)氣參數(shù)微調(diào),提高功率、降低燃油消耗率效果明顯。
高壓共軌噴油系統(tǒng)由北京理工大學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。噴油器噴孔直徑0.22 mm,噴油壓力160 MPa,實(shí)際軌壓波動(dòng)在156~162 MPa,實(shí)際噴油持續(xù)期1.79 ms,燃油溫度在60~80 ℃。噴油量及噴油速率測(cè)試裝置采用EFS8246測(cè)量?jī)x,測(cè)量范圍0~600 mm3,測(cè)量精度±0.1%。噴油速率數(shù)據(jù)保存及顯示使用Kistler公司的Kibox燃燒分析儀。圖1為所測(cè)噴油速率結(jié)果,噴油速率對(duì)時(shí)間積分與多次測(cè)量噴油量的平均值誤差不超過(guò)5%。
定容噴霧裝置由北京理工大學(xué)開(kāi)發(fā)。內(nèi)部設(shè)計(jì)有加熱和加壓裝置,溫度可達(dá)到900 K,壓力可達(dá)到6 MPa,控制精度為背景溫度±3 K、背景壓力±0.03 MPa。定容噴霧裝置實(shí)物如圖2所示。
試驗(yàn)選取高速攝影直拍捕捉噴霧液相部分,紋影捕捉噴霧氣液相整體。高速攝影直拍以鏑燈為光源噴霧兩側(cè)打光,高速攝影機(jī)正面拍攝,這樣布置燈光使得從液相主體部分分離出的微小液滴會(huì)被光線“吞沒(méi)”,利用這種方法捕捉液相主體部分,拍攝的光學(xué)條件(攝影機(jī)曝光時(shí)間、光線強(qiáng)度等)對(duì)結(jié)果影響較小。紋影選擇Z字形光路布置,鹵燈光源,主反光鏡直徑200 mm,焦距1 m。紋影測(cè)試系統(tǒng)布置原理如圖3所示。
拍攝采用Phantom V7.3高速攝影機(jī),噴射周期250 ms、高速攝影直拍和紋影拍攝頻率20 000 Hz、直拍曝光時(shí)間30 μs、光圈位置F5.6、紋影拍攝曝光時(shí)間48 μs、紋影拍攝光圈位置F3.5。
圖1 試驗(yàn)噴油速率Fig.1 Experimental injection rate
圖2 定容噴霧裝置實(shí)物圖Fig.2 The constant volume vessel
圖像處理采用自編MATLAB程序。對(duì)直拍圖片,采用灰度化、二值化、取邊界的步驟。二值化閾值選取采用“雙峰法”確定,即灰度直方圖中背景和前景產(chǎn)生的兩個(gè)灰度峰值之間的低谷值作為二值化閾值。像素灰度值大于閥值認(rèn)為是噴霧液相部分,若小于閥值認(rèn)為是背景。直拍處理過(guò)程如圖4所示,灰度直方圖中虛線為波峰波谷趨勢(shì)線。
圖3 定容噴霧裝置測(cè)量方法原理圖Fig.3 Schematic diagram of measure method for the spraying of the constant volume vessel
圖4 直拍圖片處理原理Fig.4 Schematic diagram of coping with direct film pictures
對(duì)紋影圖片,灰度化后,采用相鄰兩張相減,來(lái)去掉雜亂背景,再將各個(gè)相減圖像疊加形成噴霧圖形。但由于背景總會(huì)有亮度上的微小變化,需再進(jìn)行去雜點(diǎn)操作。去雜點(diǎn)原理為:若亮點(diǎn)在一定小范圍內(nèi)可被一條封閉曲線包圍,則認(rèn)為其是干擾孤點(diǎn),予以去除。隨后將噴霧變化部分疊加并去孤島形成噴霧。孤島比孤點(diǎn)要大,在一定小范圍內(nèi)無(wú)法去除,但其遠(yuǎn)離噴霧,顯然不是噴霧部分,所以被去掉。最后加入相應(yīng)時(shí)刻直拍處理的液相輪廓。紋影圖片處理過(guò)程如圖5所示。
相同工況重復(fù)試驗(yàn)共6次,其中3次利用直拍測(cè)取液相數(shù)據(jù),另外3次利用紋影測(cè)取噴霧數(shù)據(jù)。所得數(shù)據(jù)求取平均值,以消除隨機(jī)誤差。
3.1 噴霧特性參數(shù)說(shuō)明
為論述方便,做如下定義:
1)噴霧,為高速攝影紋影圖像得到油束分布范圍內(nèi)的燃油。噴霧包含燃油液相部分和燃油蒸汽部分。
2)噴霧液相部分,定義為高速攝影直拍圖像得到的液相燃油。
3)噴霧貫穿距離S指燃油以噴孔位置為起點(diǎn)沿噴射方向到達(dá)的最遠(yuǎn)距離。
4)噴霧錐角θ指噴霧貫穿距離70%以?xún)?nèi)噴霧兩側(cè)邊緣擬合直線所成夾角。
5)噴霧分布體積V(簡(jiǎn)稱(chēng)噴霧體積),指紋影圖像得到的燃油分布空間按像素行分成若干層回轉(zhuǎn)圓柱體的體積總和,即
式中:h為單位像素高度,di為第i像素行噴霧小圓柱體直徑,n為噴霧分布總像素行數(shù),如圖6(b)所示。
6)液相錐角指液相貫穿距離30%以?xún)?nèi)液相兩側(cè)邊緣擬合直線所成夾角。
液相分布體積Vl(簡(jiǎn)稱(chēng)液相體積)由直拍圖像得到,定義與噴霧體積類(lèi)似,不再贅述。圖6為噴霧特性參數(shù)及體積計(jì)算說(shuō)明。
圖6 噴霧特性參數(shù)及體積計(jì)算說(shuō)明Fig.6 Interpretation of spray parameters and volume calculation
3.2 背溫與背壓對(duì)噴霧氣液相分布影響靈敏性比較
氣相體積百分比指同一時(shí)刻下,氣相體積占噴霧體積的百分比。其中氣相體積Vg定義為噴霧體積與液相體積的差值,即Vg=V-Vl。氣相體積百分比越大,說(shuō)明噴霧內(nèi)部燃油蒸汽覆蓋面積越大,反映了噴霧內(nèi)部的氣相和液相分布狀況。
圖7為不同溫度氣相體積百分比變化規(guī)律。相同時(shí)刻,隨背景溫度的增加,氣相體積百分比逐漸增大。0.6 ms之后,背景溫度358 K,氣相體積百分比基本保持在10%。背景溫度564 K基本保持在50%,背景溫度770 K基本保持在96%。背景溫度升高,產(chǎn)生液相與背景氣體間溫差,從而發(fā)生傳熱蒸發(fā)的“質(zhì)變”過(guò)程,因此背景溫度是影響噴霧內(nèi)部氣相和液相分布的“質(zhì)變因素”。
圖7 不同背景溫度下氣相體積百分比變化(背景密度為26±2 kg/m3)Fig.7 The variation of vapor volume ratio in different background temperature (background density is 26±2 kg/m3)
圖8為不同背景密度氣相體積百分比變化規(guī)律。隨著背景密度增加,氣相體積百分比增加,但與圖7相比,在13 ~26 kg/m3范圍內(nèi)不同密度線間差別沒(méi)有在304~770 K范圍內(nèi)不同溫度線間差別明顯。
圖8 不同背景密度下氣相體積百分比變化(背景溫度為770 K)Fig.8 The variation of vapor volume ratio with different background density (background temperature is 770 K)
背景密度增加使得氣相體積百分比變大,是由于噴射中后期在液相燃油與背景溫度間存在溫差的前提下,增加了進(jìn)入噴霧內(nèi)部背景氣體量,也就是增加了熱源數(shù)量,促進(jìn)蒸發(fā),因而引起噴霧內(nèi)部氣相分布體積所占比例增大,所以背景密度是噴霧內(nèi)部氣液相分布的“量變因素”。
噴射開(kāi)始后0.6 ms,噴霧貫穿距離大約60 mm,已到達(dá)燃燒室周邊區(qū)域。因此,選取0.6 ms時(shí)刻作為背景溫度和密度對(duì)噴霧特性靈敏性分析的時(shí)間點(diǎn)。
在噴射開(kāi)始后0.6 ms,氣相體積百分比隨背景溫度和密度的靈敏度變化規(guī)律如圖9。可以看出,隨溫度升高,氣相體積百分比變化靈敏度下降。隨密度增加,氣相體積百分比變化靈敏度緩慢上升。但在304~770 K,13~26 kg/m3范圍內(nèi),溫度靈敏度遠(yuǎn)大于密度靈敏度,在770 K,26 kg/m3時(shí),溫度靈敏度大約是密度的10倍。說(shuō)明背景溫度在促進(jìn)燃油蒸發(fā),增加燃油蒸汽分布比例方面比背景密度作用明顯。
圖9 氣相體積百分比對(duì)背景溫度和密度的靈敏度Fig.9 The sensitivity of vapor volume ratio to background temperature and density
3.3 背溫與背壓對(duì)噴霧油氣混合比例靈敏性比較
(1)
式中:ρa(bǔ)和ρf分別為背景氣體密度和液相柴油密度,d為噴孔直徑,Uf為噴射速度,β為所求卷吸量錐形區(qū)域的錐角。
設(shè)式(1)中正比例系數(shù)為Ka,將噴霧貫穿距離S(i)代替x,則可得到某一時(shí)刻i時(shí)的整個(gè)噴霧內(nèi)空氣卷吸率,式(1)可改寫(xiě)為
(2)
Uf= v(i)/(πd2/4)
(3)
式中:Ka為與背景密度和溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)。噴霧平均空燃比越大,說(shuō)明背景氣體進(jìn)入噴霧分布空間內(nèi)的質(zhì)量相對(duì)于噴入油量越多,油氣混合比例的總體效果越好。
圖10為不同背景溫度下噴霧平均空燃比隨時(shí)間的變化規(guī)律。噴霧平均空燃比大致隨溫度的升高而增大,說(shuō)明溫度越高,汽化越多,噴霧向周?chē)鷶U(kuò)散,越有利于和周?chē)尘皻怏w混合。背景溫度304 K和358 K曲線較為接近,主要因?yàn)楸尘皽囟冗€沒(méi)有達(dá)到柴油初餾點(diǎn)471 K,蒸發(fā)作用使噴霧向周?chē)鷶U(kuò)散的效應(yīng)不明顯。
圖10 不同背景溫度下噴霧平均空燃比(×103Ka)變化(背景密度為26±2 kg/m3)Fig.10 The variation of spray average air-fuel ratio (×103Ka) in different background temperature (background density is 26±2 kg/m3)
圖11給出了不同背景密度下噴霧平均空燃比隨時(shí)間的變化規(guī)律??傮w上看,背景密度越大,噴霧平均空燃比越大。說(shuō)明背景密度的增加雖然減小了噴霧體積,但背景氣體卷吸進(jìn)入噴霧內(nèi)部的質(zhì)量增加,從而使得油氣混合比例得到改善。
圖12為在噴射開(kāi)始后0.6 ms,噴霧平均空燃比隨背景溫度和密度的靈敏度變化規(guī)律。在304 K到770 K,13 kg/m3到26 kg/m3范圍內(nèi),背景密度靈敏度略大于溫度靈敏度,在770 K,26 kg/m3時(shí),背景密度靈敏度大約是溫度的1.18倍。說(shuō)明此時(shí)背景密度在降低油氣混合比例方面的作用略好于背景溫度。
圖11 不同背景密度下噴霧平均空燃比(×103Ka)變化(背景溫度為770 K)Fig.11 The variation of spray average air-fuel ratio (×103Ka) in different background density (background temperature is 770 K)
圖12 噴霧平均空燃比對(duì)背景溫度和密度的靈敏度Fig.12 The sensitivity of spray average air-fuel ratio to background temperature and density
根據(jù)背景溫度和密度對(duì)噴霧特性參數(shù)的靈敏度規(guī)律,利用FIRE軟件對(duì)噴油初始時(shí)刻背景溫度770 K,背景密度26 kg/m3的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)(與噴霧特性靈敏度研究工況一致),在進(jìn)氣壓力不變的情況下,以微調(diào)(變動(dòng)在3.5%內(nèi))進(jìn)氣溫度和密度為手段,影響噴油起始時(shí)刻溫度和密度,來(lái)改善噴霧效果,提高功率,作為該工況附近噴霧特性靈敏度分析在發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)應(yīng)用。
標(biāo)定工況為4 100 r/min外特性點(diǎn)。湍流模型為k-ε模型,破碎模型為WAVE模型,蒸發(fā)模型為Dukowicz模型,燃燒模型為EBU模型。仿真計(jì)算用網(wǎng)格和標(biāo)定缸壓曲線如圖13。圖13(b)中缸壓曲線縱坐標(biāo)為缸壓占最高燃燒壓力的百分比。
由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)容積有限,背景氣體卷吸量式(3)在噴霧接近燃燒室壁面時(shí)應(yīng)用誤差較大,因此被優(yōu)化工況噴油持續(xù)期不宜過(guò)長(zhǎng),為15°CA,以減小有限容積對(duì)背景氣體卷吸量公式的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)被優(yōu)化工況主要參數(shù)為:轉(zhuǎn)速4 100 r/min、缸徑110 mm、沖程108 mm、壓縮比14、噴油器孔徑0.22 mm、孔數(shù)10孔、油束夾角157°、軌壓160 MPa、噴油提前角上止點(diǎn)前15°CA、噴油持續(xù)期15°CA、循環(huán)進(jìn)氣量2 679 mg、過(guò)量空氣系數(shù)2.1。
圖13 仿真計(jì)算網(wǎng)格及缸壓標(biāo)定結(jié)果Fig.13 The mesh of simulating calculations and the result of cylinder pressure calibration
根據(jù)背景溫度和密度在770 K,26 kg/m3點(diǎn)的靈敏度值,氣相體積百分比靈敏度,溫度是密度的10倍左右,而噴霧平均空燃比靈敏度,密度是溫度的1.18倍左右,說(shuō)明雖然背景溫度在降低噴霧整體油氣混合比例方面略差于密度,但在影響燃油蒸發(fā)方面遠(yuǎn)大于背景密度。綜合兩方面,認(rèn)為在770 K,26 kg/m3點(diǎn)附近,溫度提高對(duì)可燃混合氣形成影響更靈敏。所以,對(duì)于該工況,在噴油開(kāi)始時(shí)刻,背景壓力不變的情況下,增加背景溫度比增加背景密度更能有效改善霧化,提高功率。表1給出了對(duì)背景溫度和密度進(jìn)行微調(diào)形成的優(yōu)化方案和對(duì)比方案仿真結(jié)果。
表1 仿真計(jì)算方案對(duì)比
注:背景溫度和密度數(shù)據(jù)為噴油開(kāi)始時(shí)刻數(shù)據(jù)
仿真計(jì)算,由于采用微調(diào)噴油時(shí)刻背景溫度和密度(3.5%范圍內(nèi))的手段,參數(shù)變動(dòng)較小,可以粗略地認(rèn)為缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)等其他影響功率的因素基本沒(méi)有變化。如表1所示,保證噴油起始時(shí)刻背景壓力不變的情況下,優(yōu)化方案中微調(diào)溫度增加3.4%,密度減小3.3%,功率可以增加2.8%。而對(duì)比方案中溫度減小3.3%,密度增加3.4%,功率下降14.7%,功率下降較大與溫度較低時(shí)氣相體積百分比靈敏度較大有關(guān),如圖9所示。優(yōu)化方案中,背景溫度增加比例與密度減小比例相當(dāng),但功率仍可以增加的現(xiàn)象,與在該工況點(diǎn)附近背景溫度和密度對(duì)噴霧特性靈敏度大小關(guān)系的規(guī)律相符。
利用定容噴霧裝置模擬某發(fā)動(dòng)機(jī)噴油初始時(shí)刻的缸內(nèi)環(huán)境。噴孔直徑0.22 mm,噴油壓力160 MPa。在溫度770 K,密度26 kg/m3的背景環(huán)境工況點(diǎn)附近,提取噴射開(kāi)始后0.6 ms數(shù)據(jù),研究背景溫度和背景密度變化對(duì)噴霧特性影響的靈敏度。在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)有如下結(jié)論:1)背景溫度在促進(jìn)燃油蒸發(fā),增加燃油蒸汽分布比例方面比背景密度作用明顯。背景溫度對(duì)氣相體積百分比的靈敏度普遍遠(yuǎn)大于背景密度。在770 K,26 kg/m3時(shí),溫度靈敏度大約是密度的10倍。2)背景密度在降低油氣混合比例方面的作用略好于背景溫度。背景密度對(duì)噴霧平均空燃比的靈敏度略大于背景溫度。在770 K,26 kg/m3時(shí),背景密度靈敏度大約是溫度的1.18倍。3)將背景溫度和密度對(duì)噴霧特性靈敏度的規(guī)律用于指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)相近工況條件下的仿真優(yōu)化,功率獲得提升。保持噴油初始時(shí)刻缸內(nèi)壓力不變,背景溫度提高3.4%,同時(shí)造成背景密度減小3.3%,功率可以增加2.8%。若能對(duì)背景溫度和密度的微調(diào)范圍做進(jìn)一步優(yōu)化,功率可能有更大提高。
[1]MA Xiao, ZHENG Liang, LI Yanfei, et al. High speed imaging study on the spray characteristics of dieseline at elevated temperatures and back pressures[J]. SAE international journal of fuels and lubricants, 2014, 7(1): 159-166, doi: 10.4271/2014-01-1415.
[2]高浩卜, 李向榮, 耿文耀, 等. 雙卷流燃燒室與油束夾角匹配對(duì)柴油機(jī)排放的影響[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(2): 216-220, 255. GAO Haobu, LI Xiangrong, GENG Wenyao, et al. Effects of spray angle on the emissions characteristics of diesel engine matched with double swirl combustion system[J]. Journal of Harbin engineering university, 2014, 35(2): 216-220, 255.
[3]高占斌, 王銀燕, 李先南, 等. 相繼增壓改善柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性與排放的試驗(yàn)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(10): 1244-1247, 1264. GAO Zhanbin, WANG Yinyan, LI Xiannan, et al. Experimental research on economy and emission performance of STC diesel engine[J]. Journal of Harbin engineering university, 2012, 33(10): 1244-1247, 1264.
[4]李俊鴿, 李昕昕, 王錫斌. 脂肪酸甲酯/柴油噴霧特性的對(duì)比試驗(yàn)[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2015, 33(1): 29-34. LI Junge, LI Xinxin, WANG Xibin. Comparative experiment on macroscopic and microscopic characteristics of fatty acid methyl ester and diesel sprays[J]. Transactions of CSICE, 2015, 33(1): 29-34.
[5]高劍, 蔣德明. 柴油機(jī)噴霧特性的測(cè)試方法[J]. 柴油機(jī), 2002(6): 4-7, 12. GAO Jian, JIANG Deming. Measurements of diesel spray characteristics[J]. Diesel engine, 2002(6): 4-7, 12.
[6]PICKETT L M, KOOK S, WILLIAMS T C. Visualization of diesel spray penetration, cool-flame, ignition, high-temperature combustion, and soot formation using high-speed imaging[J]. SAE international journal of engines, 2009, 2(1): 439-459.
[7]王卓卓, 毛立偉, 蘇萬(wàn)華. 兩次噴射柴油噴霧特性的定量研究[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2013, 19(1): 31-36. WANG Zhuozhuo, MAO Liwei, SU Wanhua. Quantitative study on diesel spray characteristics of twice fuel injection[J]. Journal of combustion science and technology, 2013, 19(1): 31-36.
[8]孫田. 復(fù)合激光誘導(dǎo)熒光定量標(biāo)定技術(shù)及其對(duì)柴油噴霧特性研究的應(yīng)用[D]. 天津: 天津大學(xué), 2008: 58-111. SUN Tian. Development and application of quantitative calibration method on the diesel sprays characteristics using planar laser induced exciplex fluorescence technique[D]. Tianjin: Tianjin University, 2008: 58-111.
[9]SKEEN S A, MANIN J, PICKETT L M. Simultaneous formaldehyde PLIF and high-speed schlieren imaging for ignition visualization in high-pressure spray flames[J]. Proceedings of the combustion institute, 2015, 35(3): 3167-3174.
[10]PICKETT L M, MANIN J, GENZALE C L, et al. Relationship between diesel fuel spray vapor penetration/dispersion and local fuel mixture fraction[J]. SAE international journal of engines, 2011, 4(1): 764-799.
[11]DESANTES J M, PASTOR J V, GARCIA-OLIVER J M, et al. An experimental analysis on the evolution of the transient tip penetration in reacting diesel sprays[J]. Combustion and flame, 2014, 161(8): 2137-2150.
[12]NABER J D, SIEBERS D L. Effects of gas density and vaporization on penetration and dispersion of diesel sprays[R]. SAE Technical Paper 960034. Detroit, Michigan, USA: SAE, 1996.
[13]SIEBERS D L. Liquid-phase fuel penetration in diesel sprays[R]. SAE Technical Paper 980809. Detroit, Michigan, USA: SAE, 1998.
Sensitivity analysis on the effect of background temperatures and densities on the diesel spray characteristics
GAO Haobu1, LI Xiangrong1, XUE Jiye1, BAI Honglin2, HE Xu1, LIU Fushui1
(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. China North Engine Research Institute (Tianjin), Tianjin 300400, China)
In this paper, a direct imaging and schlieren technique of high-speed photography is applied to optimize the background temperature and density at the time of diesel spray inside an engine cylinder and consequently improve the spray characteristic and increase power. Accordingly, an in-house image processing program is used to process the data. The concept of sensitivity is then introduced. Furthermore, a sensitivity analysis is performed on the effect of the background temperatures and densities on the diesel spray characteristics. The background temperature sensitivity against the volume percentage of the gas phase is far more than the density sensitivity (i.e., approximately 10 times that of the density at 770 K and 26 kg/m3) when the density and the temperature varied from 13 to 26 kg/m3and 304 to 770 K, respectively. Moreover, the density sensitivity against the average air-fuel ratio of the spray is slightly higher than the temperature sensitivity (i.e., approximately 1.18 times that of the temperature at 770 K and 26 kg/m3) under the same condition. The power can be increased by 2.8% by applying the sensitivity law to an engine-simulating calculation at some behaviors when the background temperature and the density at the initial diesel spray moment are slightly adjusted, with a variation scope within 3.5%.
diesel spray characteristics; background temperature; background density; schlieren; constant volume vessel; sensitivity analysis
2015-10-08.
日期:2016-05-27.
裝備預(yù)研項(xiàng)目(104010204).
高浩卜(1988-), 男, 博士研究生; 李向榮(1967-), 男, 教授,博士生導(dǎo)師,博士.
李向榮,E-mail:prof.lixr@yahoo.com.
10.11990/jheu.201510007
TK421.1
A
1006-7043(2016) 11-1553-07
高浩卜, 李向榮, 薛繼業(yè), 等. 背景溫度和密度對(duì)柴油噴霧特性影響靈敏度分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 37(11): 1553-1559. GAO Haobu, LI Xiangrong, XUE Jiye, et al. Sensitivity analysis on the effect of background temperatures and densities on the diesel spray characteristics[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(11): 1553-1559
網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160527.1354.006.html