蘇蒙，張欣，張紀(jì)寶

(北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100044)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，排放控制以及化石能源枯竭已經(jīng)成為左右內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要因素。為了解決傳統(tǒng)柴油機(jī)NOx和顆粒物排放的問題，一大批柴油機(jī)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，比如均質(zhì)充量壓燃技術(shù)、預(yù)混合壓燃技術(shù)、低溫燃燒技術(shù)等[1]。為了使柴油和空氣充分混合，噴油器在活塞壓縮到上止點(diǎn)之前提前噴射，可以延長混合的時(shí)間。然而，活塞在壓縮到上止點(diǎn)之前氣缸內(nèi)壓力和溫度相對較低，在缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)中，尤其是在小缸徑發(fā)動機(jī)中，往往會出現(xiàn)燃油碰壁現(xiàn)象。柴油碰壁會使柴油附著在氣缸套和活塞頂部，在燃燒的過程中產(chǎn)生顆粒物、HC和CO等，導(dǎo)致比較嚴(yán)重的排放問題。J. Benajes[2]和Liu[3]先后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了柴油機(jī)采用提前噴射策略會導(dǎo)致燃油大量附著，排放效果變差。為了研究燃油碰壁噴霧特性，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)與模擬研究工作，主要研究以下幾個(gè)方面對碰壁噴霧特性的影響：環(huán)境氣體條件，包括環(huán)境壓力、環(huán)境溫度等；噴油特性，包括噴射壓力、噴油持續(xù)期、噴油速率等；噴孔特性，包括孔徑、長徑比、邊緣倒角等；燃油特性，包括燃油溫度、黏度、揮發(fā)度、沸點(diǎn)等；壁面特性，包括壁面溫度、干濕壁面等[4-13]。但是大部分的研究工作并沒有對各個(gè)方面不同條件的影響程度進(jìn)行比較。條件的改變會導(dǎo)致燃油速度、動量、黏度以及環(huán)境密度等的改變，都會對碰壁噴霧特性造成影響，哪個(gè)因素占主導(dǎo)作用也需要進(jìn)行更深入研究。本研究對部分噴射和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了比較分析。

在研究柴油碰壁噴霧特性過程中，可視化試驗(yàn)是目前最主流的研究方法。其中，定容彈能夠方便地對溫度、壓力邊界等條件進(jìn)行有效控制，已成為國內(nèi)外學(xué)者最為常用的試驗(yàn)裝置。本研究利用自行設(shè)計(jì)的定容彈，研究了不同噴射和環(huán)境條件對柴油碰壁噴霧特性的影響。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)裝置

定容彈可視化試驗(yàn)平臺示意見圖1，包括高壓共軌燃油系統(tǒng)、定容彈、高速攝影系統(tǒng)、同步觸發(fā)模塊和氣路系統(tǒng)等。高壓共軌燃油系統(tǒng)控制燃油噴射壓力、噴油脈寬、噴油量等，可以實(shí)現(xiàn)燃油的單次噴射。高速攝影系統(tǒng)采用CMOS高速攝影儀，拍攝頻率8 000 幀/s，圖像大小736×736像素。試驗(yàn)采用背光法拍攝，光源選用LED燈。

1—三相交流電機(jī)； 2—高壓油泵； 3—燃油計(jì)量閥； 4—控制單元； 5—高壓油軌； 6—光源； 7—噴油器； 8—定容彈； 9—?dú)馄浚?10—鏡頭； 11—高速攝影機(jī)； 12—圖像采集計(jì)算機(jī)； 13—油箱； 14—粗濾器； 15—細(xì)濾器。 圖1 噴霧碰壁可視化試驗(yàn)平臺示意

碰壁平臺如圖2所示，包括碰壁平板、加熱盤、調(diào)節(jié)螺桿和底座。在壁溫試驗(yàn)中，為了加熱碰壁平板，設(shè)計(jì)了碰壁平板的加熱裝置。碰壁平板加熱通過加熱盤實(shí)現(xiàn)，溫度通過溫控儀進(jìn)行控制。為了不影響油束發(fā)展，選取碰壁表面邊緣點(diǎn)為壁溫控制點(diǎn)，同時(shí)對碰壁表面中心點(diǎn)溫度進(jìn)行了標(biāo)定。中心點(diǎn)溫度在300～700 K，邊緣點(diǎn)與中心點(diǎn)溫差小于中心點(diǎn)溫度的4%。另外，為了研究表面粗糙度的影響，還設(shè)計(jì)了兩種不同表面粗糙度的碰壁平板。

圖2 碰壁平臺結(jié)構(gòu)

1.2 特征參數(shù)提取

柴油撞壁后，在平板表面向四周鋪展。破碎的小油滴飛濺出去，與周圍空體相互作用并形成一定的高度。柴油沿平板鋪展的半徑(RW)和油霧騰起的高度即卷吸高度(HW)是評價(jià)柴油碰壁特性的兩個(gè)重要參數(shù)[14-15](見圖3)。照片采用Matlab圖像處理工具箱進(jìn)行處理，首先對圖像去背景和灰度化處理，然后通過灰度梯度最大值對圖像進(jìn)行邊緣檢測、分割來提取圖像邊緣[16]。RW和HW的數(shù)據(jù)通過多次重復(fù)試驗(yàn)取平均值獲得。

圖3 噴霧碰壁特征參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選用單孔噴油器，孔徑0.2 mm，噴射壓力范圍60～140 MPa，各噴射壓力下噴油量見表1。

表1 噴油量隨噴射壓力的變化

柴油機(jī)工作到壓縮上止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)壓力一般為3～6 MPa，試驗(yàn)的環(huán)境壓力根據(jù)該范圍取值?；钊敳勘砻鏈囟仍诓裼蜋C(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中變化范圍較小，一般在300～400 ℃之間，試驗(yàn)中壁溫范圍包含300～400 ℃溫度區(qū)間。噴油器噴孔到活塞頂部或氣缸壁的距離因發(fā)動機(jī)不同而不同，大部分在12～40 mm之間，碰壁距離以此為依據(jù)來進(jìn)行設(shè)置。柴油碰壁試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表2，其中噴射壓力140 MPa，背壓2 MPa，碰壁距離36 mm，壁溫300 K，表面粗糙度Ra3.2 μm作為參考工況和其他工況條件下試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，環(huán)境溫度為室溫。Case1～3研究噴射壓力的影響，Case3～5研究環(huán)境壓力的影響，Case3，6～8研究碰壁距離的影響，Case9～14研究壁溫的影響，Case3，15研究壁面粗糙度的影響。

表2 柴油碰壁試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在碰壁噴霧發(fā)展過程中，油束動量相當(dāng)大的部分在碰撞過程中損失掉了，剩下的部分主要有三個(gè)去向：柴油沿平板鋪展的動量，油滴破碎損失的動量和鋪展、飛濺過程中損失的動量[17]。在不同噴射和環(huán)境條件下，由于碰壁后動量的去向不同，RW和HW的變化也不相同。

2.1 碰壁速度分析

柴油碰壁時(shí)動量越大，碰壁后可以轉(zhuǎn)化成沿平板鋪展和飛濺的動量也越大。當(dāng)碰壁柴油質(zhì)量相同時(shí)，油束碰壁動量可以通過碰壁速度來表征。本研究通過單孔自由噴霧試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出油束前沿速度與位置的關(guān)系曲線，然后根據(jù)碰壁距離進(jìn)行插值得到對應(yīng)位置速度，該速度即為碰壁速度。不同噴射和環(huán)境條件下的碰壁速度見表3。從表3中可以看出：適當(dāng)提高噴射壓力能提高碰壁速度；環(huán)境壓力的提高導(dǎo)致環(huán)境密度增加，油束運(yùn)動的阻力因而增大，碰壁速度減??；碰壁距離的增加使油束運(yùn)動的路程增加，碰壁速度減小。另外，碰壁平板的壁溫、表面粗糙度不會影響油束碰壁速度。

表3 不同條件下碰壁速度

2.2 噴射和環(huán)境條件對碰壁噴霧特性影響分析

2.2.1噴射壓力對碰壁噴霧特性參數(shù)的影響

不同噴射壓力下噴霧圖像見圖4。對比Case1～3試驗(yàn)結(jié)果可知，在60～140 MPa范圍內(nèi)，噴射壓力的提高對RW和HW的增大都有明顯的促進(jìn)作用(見圖5)。

圖4 不同噴射壓力下燃油碰壁噴霧圖像

圖5 噴射壓力對燃油碰壁噴霧特性參數(shù)的影響

提高噴射壓力會增加油束從噴油器噴出的速度和質(zhì)量，在一定范圍內(nèi)可以提高碰壁速度和動量，促進(jìn)燃油碰壁后鋪展和飛濺作用。但是，噴射壓力的提高對RW和HW增大的促進(jìn)作用存在逐漸減小的趨勢。

2.2.2環(huán)境壓力對碰壁噴霧特性參數(shù)的影響

對比Case3～5試驗(yàn)結(jié)果可知，在2～6 MPa范圍內(nèi)，隨著環(huán)境壓力的提高，碰壁后RW和HW都減小(見圖6)。環(huán)境壓力變大，增加了定容彈內(nèi)環(huán)境氣體密度，油束在自由噴霧和碰壁噴霧階段受到的貫穿阻力增大，因而RW和HW都減小，空間分布上呈現(xiàn)出密集緊湊的形態(tài)。同時(shí)，油滴碰壁后的飛濺阻力也變大，進(jìn)一步減小了HW。另外，環(huán)境氣體密度增大會減弱空氣的卷吸作用，不利于燃油與空氣混合。

圖6 環(huán)境壓力對燃油碰壁噴霧特性參數(shù)的影響

2.2.3碰壁距離對碰壁噴霧特性參數(shù)的影響

對比Case3，Case6～8試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著碰壁距離增大，柴油碰壁后RW一直減小，到碰壁后期時(shí)，不同碰壁距離條件下RW在數(shù)值上非常接近；HW在碰壁前期隨碰壁距離增大而減小，在碰壁后期，尤其是碰壁距離范圍為22～36 mm時(shí)，HW反而隨碰壁距離增大而增大(見圖7)。碰壁距離越大，柴油碰壁前的時(shí)間越長，油束損失的能量增加，碰壁速度減小，RW隨碰壁距離增大而減小。雖然碰壁距離增大會導(dǎo)致碰壁動量減小，但是碰壁動量減小降低了柴油碰壁的劇烈程度，使碰撞損失的能量減少，油滴破碎作用減弱，導(dǎo)致在碰壁后期短碰壁距離條件下的RW越來越靠近長碰壁距離條件下的RW，長碰壁距離條件下的HW反而超過短碰壁距離條件下的HW。

圖7 碰壁距離對燃油碰壁噴霧特性參數(shù)的影響

2.2.4壁溫對碰壁噴霧特性參數(shù)的影響

對比Case9～14試驗(yàn)結(jié)果可見，RW受壁溫變化的影響較小，在500 K時(shí)達(dá)到最大值。HW在壁溫小于550 K之前隨壁溫的增大而逐漸增大，大于550 K之后則逐漸減小，在550 K處到達(dá)最大值。當(dāng)壁溫達(dá)到650 K或更高時(shí)，卷吸高度出現(xiàn)了陡降的現(xiàn)象(見圖8)。壁溫升高會輻射熱量給油滴，使油滴表面張力減小，更容易破碎，促進(jìn)RW和HW相對增大。同時(shí)，油膜蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體會阻礙油滴與壁面接觸，減小壁面阻力和粘附力。但是，當(dāng)壁溫過高甚至超過柴油沸點(diǎn)時(shí)，會導(dǎo)致附壁油膜大量蒸發(fā)，液態(tài)油滴大量減少，使RW和HW相對減小。

圖8 壁溫對燃油碰壁噴霧特性參數(shù)的影響

2.2.5表面粗糙度對碰壁噴霧特性參數(shù)的影響

對比Case3，15試驗(yàn)結(jié)果(見圖9)，可見表面粗糙度對碰壁后RW和HW的影響較小，兩種表面粗糙度條件下RW和HW基本相同。

圖9 表面粗糙度對燃油碰壁噴霧特性參數(shù)的影響

2.3 噴射與環(huán)境條件影響比較分析

為了研究不同噴射和環(huán)境條件對柴油碰壁噴霧特性參數(shù)影響的程度，定義了量綱1影響因素I[17]：

Ipinj=pinji/pinj0,

(1)

Ipe=pei/pe0,

(2)

IL=Li/L0。

(3)

式中：pinj0，pe0和L0分別為參考工況下噴射壓力、環(huán)境壓力和碰壁距離；pinji，pei和Li分別為單變量工況下的噴射壓力、環(huán)境壓力和碰壁距離。另外，壁溫的影響比較復(fù)雜，且在噴油結(jié)束前能夠提取的有效數(shù)據(jù)相對較少，本研究未對其影響進(jìn)行比較。壁面粗糙度的影響很小，幾乎可以忽略，也不再進(jìn)行比較。

定義噴油結(jié)束前拍攝到最后一張圖片的時(shí)刻為T，T=1.875 ms。通過T時(shí)刻的RW或HW來比較影響因素I的作用效果。各量綱1影響因素對碰壁噴霧特性的影響見圖10。對量綱1影響因素和噴霧特性參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到不同量綱1影響因素和噴霧特性參數(shù)相關(guān)系數(shù)r以及擬合直線的斜率k(見表4)。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)r的絕對值都比較接近1，說明不同影響因素和噴霧特性參數(shù)都具有較強(qiáng)的相關(guān)性。比較擬合直線斜率則可以發(fā)現(xiàn)：噴射壓力對RW的影響最明顯，其次是環(huán)境壓力，碰壁距離的影響最??；對HW影響最明顯的因素仍然是噴射壓力，其次是碰壁距離，環(huán)境壓力的影響最小。

圖10 各量綱1影響因素影響比較

影響因素量綱1噴射壓力RWHW 量綱1環(huán)境壓力RWHW 量綱1碰壁距離RWHWr1.000.99 -0.98-1.00 -0.930.93k17.086.80 -4.26-1.22 -3.383.73

3 結(jié)論

a) 提高噴射壓力，在一定范圍內(nèi)對RW和HW的增大有明顯的促進(jìn)作用，但是隨著噴射壓力增大，促進(jìn)作用會逐漸減??；

b) 隨著環(huán)境壓力的提高，RW和HW都減??；

c) 增大碰壁距離，RW一直減小，到碰壁后期時(shí)，不同碰壁距離條件下RW在數(shù)值上非常接近，而HW隨碰壁距離增大而增大；

d)RW受壁溫變化的影響較小，在500 K時(shí)達(dá)到最大值，HW受壁溫變化的影響較大，尤其當(dāng)壁溫達(dá)到650 K或更高時(shí)，HW出現(xiàn)了陡降現(xiàn)象，HW在550 K處到達(dá)最大值；

e) 表面粗糙度對碰壁后RW和HW影響都很小，幾乎可以忽略；

f) 噴射壓力對RW的影響最明顯，其次是環(huán)境壓力，碰壁距離的影響最??；對HW影響最明顯的因素仍然是噴射壓力，其次是碰壁距離，環(huán)境壓力的影響最小。

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