葛睿涵，胡二江，高群飛，黃佐華

(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)可比進(jìn)氣道噴射自然吸氣均質(zhì)混合氣汽油機(jī)熱效率提高20%～25%，是提高汽油機(jī)熱效率的重要手段.目前國(guó)內(nèi)外高效汽油機(jī)均采用缸內(nèi)直噴技術(shù)[1]，因此研究汽油機(jī)缸內(nèi)直噴的燃燒調(diào)控具有十分重要的意義.對(duì)于汽油噴霧研究主要集中在噴霧特性認(rèn)識(shí)的本身，很少將噴霧與燃燒進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究[2-3].為了探究噴霧與燃燒的關(guān)系，需要對(duì)實(shí)際情況下點(diǎn)火位置局部當(dāng)量比有一定的認(rèn)識(shí).

LIBS 作為一種新型的表征方式，在測(cè)量混合氣局部濃度方面有較好的應(yīng)用[4-6].Toshio 等[7]利用LIBS 測(cè)量了定容裝置內(nèi)，氫氣直噴與二次噴射不同位置局部當(dāng)量比隨時(shí)間的變化關(guān)系；Stavropoulos等[8]利用LIBS 測(cè)量了甲烷-空氣混合氣不同位置的濃度變化；Wang 等[9]利用氬氣作為稀釋氣體，在寬波譜范圍內(nèi)，對(duì)不同激光入射能量下的甲醇和乙醇預(yù)混氣測(cè)量了局部當(dāng)量比變化；Zhang 等[10]在不同激光能量和背壓條件下，利用LIBS 測(cè)量了煤油-空氣混合物的局部當(dāng)量比變化.通過(guò)上述文獻(xiàn)可以看出，LIBS作為一種表征方式在測(cè)量局部當(dāng)量比方面有較好的研究基礎(chǔ).同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于噴射條件下的測(cè)量主要集中于小分子氣體如氫氣、甲烷，而對(duì)液體燃料混合氣的測(cè)量則主要在液體燃料與稀釋氣體預(yù)混的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量.但實(shí)際缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的多為液體燃料.

此外，進(jìn)氣道(port fuel injection，PFI)與缸內(nèi)直噴(direct injection，DI)結(jié)合的雙噴技術(shù)的應(yīng)用也是提高汽油機(jī)熱效率的方式之一，也有許多基于PFI 和DI 雙噴的研究已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[11-13].

基于上述說(shuō)明，本文主要開(kāi)展了定容燃燒彈內(nèi)，LIBS 測(cè)量液體燃料乙醇在不同噴射壓力、噴射脈寬和預(yù)混噴射比下的中心點(diǎn)火位置局部當(dāng)量比隨時(shí)間的變化關(guān)系，為開(kāi)展相關(guān)燃燒調(diào)控實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，為缸內(nèi)直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)和雙噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒調(diào)控提供基礎(chǔ)理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖如圖1 所示.其中定容燃燒彈內(nèi)徑與長(zhǎng)度均為100 mm，定容燃燒彈及與燃燒彈相連管路總體積為0.85 L，燃燒彈兩端石英玻璃視窗直徑為140 mm.實(shí)驗(yàn)中使用的光譜儀型號(hào)為Shamrock 750，ICCD 相機(jī)型號(hào)為iStar DH-334T，Andor Technology.預(yù)混氣燃料由定容燃燒彈上注射口注射，靜置3 min 后進(jìn)行測(cè)量.實(shí)驗(yàn)采用Nd：YAG 激光器(Grace NASOR)，聚焦鏡焦距150 mm，選用激光波長(zhǎng)為355 nm，在光譜儀光柵前設(shè)置355 nm 的濾波片對(duì)激光進(jìn)行濾波.激光脈沖的入射能量和出射能量分別通過(guò)兩個(gè)能量計(jì)探頭(Coherent，型號(hào)：J-50-MB-YAG 和J-25-MB-LE)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中所用激光能量為60 mJ/pulse.加熱系統(tǒng)由加熱帶、保溫棉、溫控儀和熱電偶組成.相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[14-15].

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

噴射系統(tǒng)選用高壓六孔噴油器，噴油器在容彈內(nèi)實(shí)際噴射圖像如圖2 所示，圖中所設(shè)置噴射脈寬2 ms，噴射壓力10 MPa.噴射系統(tǒng)由液壓泵提供噴射壓力，液壓泵可達(dá)最大壓力為100 MPa，表壓精度為0.5 級(jí).電控系統(tǒng)基于LabView 進(jìn)行編程后，可通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)噴油器噴射時(shí)刻、噴射脈寬及同步器進(jìn)行控制，控制精度為μs 級(jí)別.

圖2 噴射壓力10 MPa 標(biāo)況下定容燃燒彈內(nèi)噴油器噴射圖像Fig.2 Spray photographs in constant volume bomb at injection pressure of 10 MPa

圖2 中0 ms 圖中紅色十字標(biāo)注位置為容彈中心的激光擊穿位置，即本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的局部當(dāng)量比位置，距離噴油器噴油位置37 mm.圖2 中0 時(shí)刻為同步觸發(fā)相機(jī)與噴油器時(shí)刻，在0.25 ms 后觀測(cè)到液體噴出.可知噴油器實(shí)際噴油約有0.25 ms 延遲，因此在實(shí)際觸發(fā)激光器和ICCD 相機(jī)時(shí)在同步器上設(shè)置0.25 ms 延遲.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，由加熱系統(tǒng)先將容彈及管路加熱至所需溫度353 K，容彈抽真空后，預(yù)混工況下液體燃料用微量注射器經(jīng)注射閥注射到燃燒彈內(nèi)部真空氣化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況向容彈中充入氮?dú)庾鳛橄♂寶怏w達(dá)到工況所需初始?jí)毫?.1 MPa；進(jìn)氣結(jié)束后，靜止3 min，使燃料和空氣均勻混合；在噴射工況下，通過(guò)噴油器向容彈內(nèi)噴射乙醇；最后通過(guò)同時(shí)觸發(fā)同步器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)各個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行8 次重復(fù)實(shí)驗(yàn).本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)工況如表1 所示.實(shí)驗(yàn)中為防止激光擊穿使得混合氣燃燒，理論當(dāng)量比下的氧氣分壓由氮?dú)馓娲?，燃料分壓仍等于理論分?

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental conditions

2 當(dāng)量比及噴油量標(biāo)定

2.1 當(dāng)量比標(biāo)定

圖3 所示為燃料C2H6O，燃料當(dāng)量比0.6，初始溫度353 K，大氣壓條件下的混合氣光譜圖.對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光譜圖，通過(guò)原始曲線(xiàn)求得擬合基線(xiàn)，再對(duì)波峰進(jìn)行擬合.

圖3 乙醇-氮?dú)饣旌蠚釲IBS光譜Fig.3 LIBS spectrum of ethanol/N2 premixed gas mixture

可以看出在ICCD 相機(jī)可測(cè)得的波段內(nèi)，有較為明顯的H656 和N 峰值，選用最高的N746 峰值進(jìn)行計(jì)算，求取H656 與N746 峰值強(qiáng)度比(peak intensity ratio，PIR).在波峰強(qiáng)度較大時(shí)，PIR 受底噪影響較小，但波峰強(qiáng)度較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的偏差.因此對(duì)于測(cè)得的全部數(shù)據(jù)，在曲線(xiàn)較為平緩區(qū)段取得基線(xiàn)，如圖3 中藍(lán)色虛線(xiàn)所示，實(shí)際H656 強(qiáng)度由峰值減去基線(xiàn)值求得.N746 強(qiáng)度的計(jì)算方式與H656 一致.

圖4 所示為不同當(dāng)量比下，初始溫度353 K，大氣壓條件下乙醇-氮?dú)獾幕旌蠚夤庾V示意圖.可以看出隨當(dāng)量比增大，N746 峰值變化較小，而H656 峰值有較大提升.

圖4 不同當(dāng)量比條件下乙醇-氮?dú)饣旌蠚釲IBS光譜Fig.4 LIBS spectrum of ethanol/N2 premixed gas mixture under different equivalence ratios

在當(dāng)量比0.2～5.0 范圍內(nèi)，對(duì)預(yù)混氣PIR 進(jìn)行測(cè)定.為減小實(shí)驗(yàn)引起的誤差，對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行150 次測(cè)量，測(cè)量后計(jì)算得到平均值為該當(dāng)量比下對(duì)應(yīng)的PIR 值.通過(guò)一次線(xiàn)性回歸對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.

預(yù)混氣的標(biāo)定結(jié)果如圖5 所示.該回歸曲線(xiàn)線(xiàn)性相關(guān)度R2＝0.998 57，說(shuō)明標(biāo)定測(cè)試結(jié)果具有較高的可信度.在噴射及噴射預(yù)混實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)該一次函數(shù)對(duì)實(shí)際局部當(dāng)量比進(jìn)行標(biāo)定.

圖5 乙醇-氮?dú)饣旌蠚釮656/N746 隨當(dāng)量比變化LIBS標(biāo)定曲線(xiàn)Fig.5 LIBS calibration curve of ethanol/N2 premixed gas mixture H656/N746 vs.equivalence ratio

2.2 噴油量標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)中使用的燃料為阿拉丁光譜級(jí)乙醇，濃度為99.98%.為確定在乙醇噴射下全局當(dāng)量比與中心位置局部當(dāng)量比關(guān)系，需要確定在實(shí)驗(yàn)工況下不同噴射壓力與噴射脈寬時(shí)的實(shí)際噴射燃料量進(jìn)行標(biāo)定.實(shí)驗(yàn)通過(guò)兩種方式對(duì)燃料噴射量進(jìn)行了標(biāo)定，分別為質(zhì)量標(biāo)定和分壓標(biāo)定.

其中質(zhì)量標(biāo)定通過(guò)在設(shè)定條件下將乙醇噴入量筒中脫脂棉內(nèi)，重復(fù)30 次噴射后稱(chēng)重，對(duì)單次噴射質(zhì)量求其平均值后轉(zhuǎn)化為燃料體積；分壓標(biāo)定為在室溫條件下，在設(shè)定條件下將乙醇噴入定容燃燒彈內(nèi)，靜置3 min 后，通過(guò)容彈上的壓力變送器讀取噴射前后的壓力差對(duì)實(shí)際噴入燃料量進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算公式如下：

式中：V 為容彈體積0.85 L；Δp 為標(biāo)況下噴射一定乙醇后的壓力差；R 為理想氣體常數(shù)；M 和ρ 為對(duì)應(yīng)乙醇摩爾質(zhì)量和標(biāo)況下的密度.

通過(guò)質(zhì)量與壓力標(biāo)定的燃料體積量如圖6 所示，可以看出通過(guò)兩種方法算得的實(shí)際燃料量在不同工況下約有2μL 的差距.這是由于在實(shí)際測(cè)定時(shí)，噴油器離開(kāi)量筒時(shí)乙醇揮發(fā)，使得質(zhì)量標(biāo)定得出的實(shí)際噴油量小.因此本實(shí)驗(yàn)采用分壓標(biāo)定得出的燃料量對(duì)實(shí)際的噴油器噴射乙醇量進(jìn)行標(biāo)定.

圖6 噴油脈寬1 ms 時(shí)，不同噴射壓力下質(zhì)量與分壓的噴油器乙醇噴射量標(biāo)定Fig.6 Ethanol injection quality obtained using mass and partial pressure calibration methods under different injection pressures when injection pulse time is 1 ms

3 結(jié)果與分析

圖7 所示為353 K、0.1 MPa、全局當(dāng)量比φ＝0.6時(shí)，中心位置局部當(dāng)量比隨時(shí)間變化關(guān)系.圖中所示0 ms 時(shí)刻為噴射開(kāi)始時(shí)刻，為保證全局當(dāng)量比一致，噴射壓力10 MPa，15 MPa，20 MPa 和25 MPa 對(duì)應(yīng)的噴射脈寬分別為5.2 ms，3.6 ms，3.1 ms 和2.6 ms，圖中對(duì)應(yīng)顏色點(diǎn)為結(jié)束噴射時(shí)刻，即各工況對(duì)應(yīng)的噴射脈寬.

圖7 不同噴射壓力下中心位置局部當(dāng)量比隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.7 Center local equivalence ratio under different injection pressure

由圖可以看出，當(dāng)噴射壓力越高時(shí)，中心局部當(dāng)量比能達(dá)到的最大值也越大，且噴射壓力越大，達(dá)到最大峰值的時(shí)間也越早.圖8 所示為噴射壓力相同時(shí)(15 MPa)不同噴射脈寬局部當(dāng)量比變化示意圖.噴射脈寬由小到大對(duì)應(yīng)的全局當(dāng)量比分別為0.4、0.6和0.8.可以看出，在噴射結(jié)束時(shí)刻不同的情況下，局部當(dāng)量比達(dá)到最大值的時(shí)刻并沒(méi)有太大差別，這說(shuō)明圖7 在不同噴射壓力下，局部當(dāng)量比的變化主要與噴射壓力有關(guān)，與實(shí)際結(jié)束噴射時(shí)刻的關(guān)系較小.

圖8 不同噴射脈寬中心位置局部當(dāng)量比隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.8 Center local equivalence ratio under different injection pulse time with different injection pulses

根據(jù)上述分析，在不同工況下，中心位置的局部當(dāng)量比隨時(shí)間變化先增后減，在不該定容燃燒彈內(nèi)，不同噴射壓力與脈寬下，均在噴射開(kāi)始時(shí)刻16 ms 左右與全局當(dāng)量比接近.噴射壓力較大時(shí)可以加速?lài)婌F的氣化，在噴射壓力較高時(shí)，中心位置的局部當(dāng)量比所能達(dá)到的最大值也較高.

對(duì)比文獻(xiàn)[7]中氫氣單孔噴油器噴射的中心位置當(dāng)量比隨時(shí)間變化結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的中心位置當(dāng)量比變化較小，所達(dá)到的最高峰值均小于全局當(dāng)量比的2 倍.這是由于在該實(shí)驗(yàn)裝置下，一方面噴嘴距測(cè)點(diǎn)距離較大，另一方面六孔噴油器噴射出的噴霧束并未正對(duì)測(cè)點(diǎn).中心位置的當(dāng)量比變化主要基于燃料的擴(kuò)散情況變化，與噴射過(guò)程中的燃料量增減無(wú)關(guān).

不同預(yù)混比下局部當(dāng)量比隨時(shí)間變化關(guān)系如圖9 所示(噴射壓力15 MPa，φ＝0.8).在不同噴射預(yù)混比例下，噴射比例較小時(shí)的曲線(xiàn)變化更為平緩，且所達(dá)到的最大局部當(dāng)量比十分接近.與圖8 中噴射脈寬不同時(shí)，中心位置局部當(dāng)量比達(dá)到最大所用的時(shí)間基本相同.而圖9 中可以看出，在加入預(yù)混后，局部當(dāng)量比達(dá)到最大值所用的時(shí)間較直噴時(shí)更長(zhǎng).

圖9 不同預(yù)混噴射比例下中心位置局部當(dāng)量比隨時(shí)間變化Fig.9 Changes in center local equivalence ratio with time under different premix-injection proportions

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，LIBS 對(duì)預(yù)混氣進(jìn)行標(biāo)定時(shí)與噴射時(shí)測(cè)得的結(jié)果各原子發(fā)射光譜強(qiáng)度具有較大差異.在預(yù)混狀態(tài)下，在當(dāng)量比φ＝0.2～5.0 范圍內(nèi)，所測(cè)得的N746 譜峰強(qiáng)度浮動(dòng)較小.在噴射條件下，對(duì)工況進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，盡管同一工況點(diǎn)峰值強(qiáng)度比變化較小，但是N746 強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)較大的浮動(dòng).

圖10 所示為實(shí)驗(yàn)標(biāo)定過(guò)程中N746 與H656 峰值隨當(dāng)量比變化情況.可以看出，N746 峰值隨當(dāng)量比平均值及誤差棒都很小，說(shuō)明在測(cè)試的當(dāng)量比范圍內(nèi)，N746 的峰值與當(dāng)量比無(wú)關(guān).上述實(shí)驗(yàn)中，局部當(dāng)量比的變化均小于2.0，以當(dāng)量比0.4～2.0 范圍內(nèi)的N746 峰值變化作為參考，如圖11 所示，N746 峰值均在2 300±700 范圍內(nèi).

圖10 預(yù)混條件下H656與N746譜峰峰值隨當(dāng)量比變化Fig.10 Changes in H656 and N746 spectrum peaks with equivalence ratio under premixed condition

圖11 所示為不同噴射壓力下N746 峰值變化，可以看出對(duì)比預(yù)混情況下具有很大的波動(dòng)，且在噴射壓力較高時(shí)波動(dòng)較大.這可能是在實(shí)際噴射時(shí)噴油器的循環(huán)變動(dòng)造成的，由于液體燃料的氣化不完全，在初始階段對(duì)激光入射光線(xiàn)和擊穿產(chǎn)生的光線(xiàn)有反射與折射作用，使得光譜儀實(shí)際接收到的光強(qiáng)產(chǎn)生了較大變動(dòng).

圖11 預(yù)混條件下N746譜峰峰值隨當(dāng)量比變化與噴射條件下N746隨噴射壓力變化Fig.11 Changes in N746 spectrum peak values under premixed and injection conditions

4 結(jié)論

本文主要研究了在定容燃燒彈內(nèi)，LIBS 測(cè)量乙醇噴射不同噴射壓力、噴射脈寬和預(yù)混噴射比例下的容彈中心位置局部當(dāng)量比隨時(shí)間的變化關(guān)系.實(shí)驗(yàn)選用 H656/N746 峰值比對(duì)混合氣當(dāng)量比進(jìn)行標(biāo)定.主要研究結(jié)論為

(1) 在全局當(dāng)量比相同的情況下，本實(shí)驗(yàn)容彈中心位置局部當(dāng)量比在不同噴射壓力下均隨時(shí)間呈先增后減的趨勢(shì)；在噴射壓力越大的情況下，局部當(dāng)量比增幅越大，且更快地達(dá)到最大峰值；不同噴射壓力下，中心位置局部當(dāng)量比均在16 ms 左右趨于平緩.

(2) 同一噴射壓力下，不同噴射脈寬對(duì)達(dá)到局部當(dāng)量比最大值的影響較??；全局當(dāng)量比與噴射壓力相同時(shí)，預(yù)混比越大時(shí)，相對(duì)達(dá)到平衡所需的時(shí)間越長(zhǎng)，但局部當(dāng)量比的變化較為平緩.

(3) 采用LIBS 對(duì)容彈內(nèi)中心位置液體燃料噴射過(guò)程中局部當(dāng)量比進(jìn)行測(cè)定時(shí)，由于噴霧前期氣化不完全的原因，與對(duì)預(yù)混狀態(tài)下的混合氣相比，原子發(fā)射光譜峰值有較大的循環(huán)變動(dòng).