張 博，劉 紅，賈 明，閆燕安,2，蘇雨荷

噴霧碰壁形成的附壁油膜沸騰實(shí)驗(yàn)研究

張 博1，劉 紅1，賈 明1，閆燕安1,2，蘇雨荷1

(1.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，大連 116024；2. 武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430070)

內(nèi)燃機(jī)內(nèi)噴霧碰壁后，一部分燃油發(fā)生飛濺，而另一部分則附著在氣缸壁或活塞表面形成附壁油膜．附壁油膜因?yàn)闅饣鄬?duì)更慢成為燃燒后產(chǎn)生污染物的主要原因之一．因?yàn)闅飧變?nèi)溫度較高，附壁油膜很可能發(fā)生沸騰現(xiàn)象，而油膜沸騰與表面蒸發(fā)的相變特性明顯不同，從而會(huì)影響混合氣的形成．針對(duì)現(xiàn)有研究對(duì)附壁油膜的沸騰現(xiàn)象研究較少的現(xiàn)狀，實(shí)驗(yàn)研究中以正丁醇為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，應(yīng)用高壓共軌噴油系統(tǒng)和高速攝像技術(shù)開展附壁油膜沸騰實(shí)驗(yàn)．結(jié)果表明，沸騰現(xiàn)象的發(fā)生一定程度上可以促進(jìn)附壁油膜的氣化；增大噴油持續(xù)期以及降低噴油壓力都可以使沸騰現(xiàn)象更劇烈．

噴霧碰壁；附壁油膜；沸騰；蒸發(fā)

液體燃料的噴霧燃燒是內(nèi)燃機(jī)普遍采用的燃燒方式，受限于內(nèi)燃機(jī)氣缸幾何結(jié)構(gòu)，噴霧碰壁形成附壁油膜是非常普遍的現(xiàn)象．已有的研究表明[1]，附壁油膜蒸發(fā)較自由液滴蒸發(fā)更慢，不利于燃油蒸發(fā)及油氣混合，從而影響燃油的燃燒和排放．由于內(nèi)燃機(jī)氣缸壁的溫度較高，附壁油膜可能出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，而附壁油膜的沸騰與表面蒸發(fā)的相變特性有很大的不 同[2]，這也會(huì)明顯影響混合氣的生成．隨著國(guó)內(nèi)外排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，有必要對(duì)附壁油膜蒸發(fā)和沸騰現(xiàn)象進(jìn)行深入研究．

現(xiàn)有的圍繞高壓噴霧碰壁形成的附壁油膜的研究主要圍繞著附壁油膜的形成[3-4]和蒸發(fā)[5-6]展開．然而，由于內(nèi)燃機(jī)中附壁油膜蒸發(fā)沸騰過(guò)程極其復(fù)雜，對(duì)微米級(jí)油膜內(nèi)蒸發(fā)沸騰現(xiàn)象的定量評(píng)估極具挑戰(zhàn)，高壓燃油噴霧碰壁形成附壁油膜的沸騰研究還很少見．以單液滴碰壁形成的油膜來(lái)研究附壁油膜的沸騰現(xiàn)象[7-8]與內(nèi)燃機(jī)中附壁油膜沸騰還存在明顯的差異．針對(duì)這一現(xiàn)狀，研究中采用高壓共軌系統(tǒng)噴射燃油，應(yīng)用高速攝像技術(shù)拍攝高溫壁面上附壁油膜的完整氣化過(guò)程，闡述沸騰現(xiàn)象對(duì)附壁油膜氣化的影響，并著重分析壁面溫度以及噴射條件對(duì)油膜沸騰強(qiáng)度的影響．本文對(duì)前人鮮少討論的附壁油膜的沸騰現(xiàn)象展開了初步的研究，從而為深入研究油膜沸騰機(jī)理以及找到進(jìn)一步有效減少排放的方法打下基礎(chǔ)．

1 實(shí)驗(yàn)方法

為了更好地模擬內(nèi)燃機(jī)噴霧的工況，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用高壓噴霧碰壁實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成附壁油膜沸騰的實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由高壓噴油系統(tǒng)、高溫壁面以及圖像采集系統(tǒng)組成，如圖1所示．油箱中的油經(jīng)由高壓油泵和共軌加壓到噴油器中，噴射壓力以及噴油持續(xù)期等參數(shù)可控，形成的高壓噴霧噴射到熱的石英玻璃上形成附壁油膜．石英玻璃架在內(nèi)含兩根加熱棒的金屬板上，通過(guò)PID溫度控制器控制金屬板的溫度進(jìn)而控制石英壁面的溫度．鑒于石英玻璃對(duì)光具有散射性，噴霧碰壁后形成的油膜圖像經(jīng)過(guò)一45°反光鏡反射到高速攝像機(jī)的視野內(nèi)，從而拍攝到附壁油膜的蒸發(fā)和沸騰過(guò)程．實(shí)驗(yàn)中使用的相機(jī)幀頻為4000幅/s，拍攝照片的像素為1280×1024．實(shí)驗(yàn)中選用的石英玻璃經(jīng)過(guò)特殊噴砂處理，經(jīng)測(cè)定粗糙度＝9.574μm，與實(shí)際內(nèi)燃機(jī)中活塞表面的粗糙度較為接近，所以在保證實(shí)驗(yàn)需求的前提下可以用來(lái)較好地模擬高壓噴霧碰壁現(xiàn)象．

實(shí)驗(yàn)中選用的燃油為正丁醇，正丁醇是目前廣為研究和應(yīng)用的一種替代燃料，有著良好的應(yīng)用前景，在燃油中添加正丁醇可以有效減少排放，提高燃燒效率[9-10]．常溫常壓下(25℃，0.1013MPa)正丁醇的物性參數(shù)如表1所示．實(shí)驗(yàn)研究的變量有壁面溫度、燃油噴射壓力以及噴油持續(xù)期．高壓共軌系統(tǒng)控制的噴射壓力分別為50MPa、75MPa、100MPa，噴油持續(xù)期為1ms和2ms，觀察不同壁面溫度下附壁油膜的蒸發(fā)和沸騰現(xiàn)象．根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，壁面溫度高于燃油沸點(diǎn)5℃時(shí)才能觀察到沸騰現(xiàn)象，因此確定了實(shí)驗(yàn)中的最低壁面溫度；由于高溫條件下油膜的蒸發(fā)會(huì)明顯加快，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)中能否通過(guò)拍攝的照片觀察到清晰完整的沸騰過(guò)程來(lái)確定最高壁面溫度．實(shí)驗(yàn)所用單孔噴嘴噴口直徑為0.135mm，環(huán)境壓力為0.1013MPa，環(huán)境溫度為22℃，噴嘴距離壁面35mm．具體的實(shí)驗(yàn)條件如表2所示．為了保證可重復(fù)性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件均進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)．

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

表1 常溫常壓下正丁醇物理參數(shù)

Tab.1 Physical parameters of n-butanol at room tem-perature and pressure

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用高壓共軌系統(tǒng)控制噴射壓力，由于測(cè)量壓力有一定的延遲，導(dǎo)致控制噴射壓力的誤差在 ±3MPa．由于石英玻璃導(dǎo)熱性較差，實(shí)驗(yàn)區(qū)域玻璃表面溫度存在波動(dòng)，允許的溫度誤差為±2.0K．此外，沸騰持續(xù)時(shí)間通過(guò)觀察間隔為0.25ms的照片確定，允許的誤差為±2.0ms．以上誤差是由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或處理技術(shù)不足造成的，是不能完全消除的．盡管這些誤差不可避免，但均在合理可控的范圍之內(nèi)[11]．

表2 實(shí)驗(yàn)條件

Tab.2 Test conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 油膜蒸發(fā)歷程

因?yàn)槭⒉ＡП容^粗糙，照射到玻璃表面的光一部分散射到玻璃下方相機(jī)視野內(nèi)，而在油膜區(qū)域由于液體填平了粗糙表面使得散射到玻璃下方的光較少，拍到的照片油膜區(qū)域較黑，可以明顯識(shí)別．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在壁面溫度明顯高于正丁醇飽和溫度的條件下，油膜區(qū)域內(nèi)會(huì)觀察到明顯的氣泡．圖2給出了壁面溫度為143℃、噴射壓力為50MPa、噴油持續(xù)期為1ms實(shí)驗(yàn)條件下油膜蒸發(fā)過(guò)程中的部分照片．在油膜區(qū)域圖中所標(biāo)注的時(shí)間均以噴射開始時(shí)為零點(diǎn)．通過(guò)觀察和對(duì)比相鄰的幾張圖片，可以通過(guò)油膜區(qū)域內(nèi)各處亮度的變化來(lái)確定氣泡產(chǎn)生的位置，并在圖片中用紅色的線圈出．對(duì)于有沸騰現(xiàn)象發(fā)生的附壁油膜的形成和氣化過(guò)程，可將其分為油膜鋪展、油膜沸騰和穩(wěn)定蒸發(fā)3個(gè)階段．在圖2中，噴射開始時(shí)由于高壓噴霧速度很快造成照片中出現(xiàn)極亮的光束，噴霧碰壁后迅速鋪展，在1ms的照片中已經(jīng)能觀察到成形的較黑的油膜區(qū)域．油膜鋪展后很快便觀察到了沸騰現(xiàn)象，沸騰現(xiàn)象先因油膜溫度升高而變強(qiáng)后又開始逐漸弱化，如圖中3～7ms的3張照片所示；通過(guò)對(duì)比時(shí)間間隔為0.25ms的照片發(fā)現(xiàn)到18ms時(shí)已經(jīng)觀察不到氣泡，沸騰現(xiàn)象消失，油膜沸騰的持續(xù)時(shí)間也由此確定；沸騰現(xiàn)象結(jié)束之后，油膜區(qū)域逐漸縮小，在油膜內(nèi)也出現(xiàn)蒸發(fā)造成的空洞，此階段為穩(wěn)定蒸發(fā)階段．

圖3給出了上述實(shí)驗(yàn)條件下油膜蒸發(fā)過(guò)程中油膜面積隨著時(shí)間的變化．圖中油膜面積是通過(guò)MATLAB編程識(shí)別油膜區(qū)域與無(wú)油膜的背景圖片的光強(qiáng)的差異計(jì)算得到的．附壁油膜快速鋪展后，圖像中油膜面積發(fā)生一定程度的波動(dòng)，這是因?yàn)樵?.75～7.25ms沸騰現(xiàn)象比較劇烈，產(chǎn)生氣泡的區(qū)域較多，亮度較大，對(duì)通過(guò)識(shí)別光強(qiáng)計(jì)算出的面積影響較大，才造成了圖3中曲線的震蕩，這一階段可稱為劇烈沸騰階段，而事實(shí)上通過(guò)觀察照片發(fā)現(xiàn)這一階段油膜區(qū)域并沒(méi)有明顯的縮小，且在圖3中0.75ms和7.25ms震蕩起止時(shí)刻油膜面積幾乎相等，所以可認(rèn)為在這一階段油膜的面積是基本不發(fā)生變化的，因?yàn)榇藭r(shí)油膜的氣化主要造成的是油膜厚度的減小．而在7.25ms到18ms之間雖然也有沸騰現(xiàn)象，但氣泡明顯變小變少，亮度對(duì)面積識(shí)別幾乎沒(méi)有影響，這一階段油膜在沸騰的同時(shí)也伴隨著面積的減小，為弱沸騰階段．在18ms之后油膜區(qū)域內(nèi)不再觀察到氣泡，沸騰現(xiàn)象消失，油膜進(jìn)入快速蒸發(fā)階段，直至46ms油膜蒸發(fā)完全，油膜面積減小到0，也由此確定本組實(shí)驗(yàn)的油膜壽命為46ms．

圖2 壁面溫度為143℃、噴射壓力為50MPa、噴油持續(xù)期為1ms實(shí)時(shí)油膜蒸發(fā)過(guò)程

圖3 油膜蒸發(fā)過(guò)程中油膜面積的變化

2.2 沸騰對(duì)油膜氣化的影響

根據(jù)上一小節(jié)中的分析方法可以確定不同實(shí)驗(yàn)條件下的油膜壽命，在圖4中給出了沸騰條件下油膜壽命與壁面溫度較低時(shí)普通蒸發(fā)的油膜壽命的對(duì)比．壁面溫度為120℃以下油膜內(nèi)均未出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，壁面溫度高于125℃時(shí)在油膜區(qū)域內(nèi)觀察到了明顯的氣泡．從圖中可以看出，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，從無(wú)沸騰到有沸騰油膜壽命發(fā)生了劇變，即隨著溫度的升高，在沸騰發(fā)生的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處油膜壽命下降的幅度明顯增加．因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)中油膜的沸騰現(xiàn)象的發(fā)生可以有效促進(jìn)氣化，促進(jìn)混合氣更好地形成．

圖4 不同壁面溫度下正丁醇油膜的壽命

2.3 油膜沸騰強(qiáng)度分析

為了能直觀觀察到噴射條件對(duì)油膜沸騰的影響，圖5中給出了壁面溫度為161℃時(shí)不同噴射條件下在5ms時(shí)的沸騰現(xiàn)象圖像．從圖中可以看出，當(dāng)壁溫和噴射壓力相同時(shí)，增大噴油持續(xù)期，噴油量增大，油膜的擴(kuò)展面積明顯變大，沸騰現(xiàn)象相對(duì)更劇烈．而對(duì)于同一噴油持續(xù)期，隨著噴油壓力的增大，附壁油膜的面積明顯縮小，沸騰現(xiàn)象也變得更加不明顯，噴射壓力為100MPa在5ms時(shí)甚至只能觀察到幾個(gè)微小的氣泡．這是因?yàn)楦蟮膰娪蛪毫κ沟靡旱蔚撵F化效果更好，在大量液滴碰壁前就有更多的燃油氣化，且液滴以更大的速度碰壁也會(huì)造成更劇烈的飛濺，使得沉積的附壁油膜更少更薄，而油膜的沸騰需要一定的厚度條件作為支撐[12]；此外，高噴射壓力會(huì)促進(jìn)霧化蒸發(fā)，也會(huì)吸收更多的熱量，造成油膜溫度的降低，這也是沸騰現(xiàn)象變?nèi)醯脑颍?/p>

本文認(rèn)為連續(xù)拍攝的緊鄰兩張照片及其后都沒(méi)有氣泡時(shí)，其前一張照片的時(shí)間為沸騰結(jié)束時(shí)間．圖6給出了壁面溫度為161℃時(shí)不同噴射條件下油膜沸騰持續(xù)時(shí)間的變化，可以看出，噴油持續(xù)期的增大會(huì)延長(zhǎng)油膜的沸騰持續(xù)時(shí)間，而噴射壓力的增大會(huì)明顯縮短油膜沸騰的持續(xù)時(shí)間．此外，噴射壓力的增大會(huì)削弱噴油持續(xù)期對(duì)沸騰持續(xù)時(shí)間的影響．需要指出的是，圖6展示的數(shù)據(jù)為5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值，最大誤差為1.79ms，在誤差允許范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具備一定的可重復(fù)性．

圖6 壁面溫度為161℃時(shí)不同噴射條件下油膜沸騰持續(xù)時(shí)間

為了便于觀察壁面溫度對(duì)油膜沸騰的影響，在圖7中展示了噴油壓力為50MPa、噴油持續(xù)期為1ms不同壁面溫度在5ms時(shí)的沸騰現(xiàn)象照片．從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在壁面溫度為125℃和134℃時(shí)，僅能在油膜區(qū)域邊緣觀察到個(gè)別小氣泡，而在更高溫度的壁面上，油膜鋪展后便出現(xiàn)明顯的沸騰現(xiàn)象，無(wú)論是沸騰的區(qū)域還是氣泡的大小和數(shù)量都更大更多．顯然，隨著壁面溫度的升高，沸騰現(xiàn)象更加劇烈．

不同壁面溫度下的油膜沸騰持續(xù)時(shí)間如圖8所示，從圖中可以看出噴油壓力和噴油持續(xù)期對(duì)沸騰持續(xù)時(shí)間的影響與上文中的分析是一致的，而壁面溫度對(duì)沸騰持續(xù)時(shí)間的影響則并不明確，相同噴射條件不同壁面溫度下的油膜沸騰持續(xù)時(shí)間差異并不大．造成這樣結(jié)果的原因主要有以下兩點(diǎn)：首先隨著壁面溫度的升高，油膜沸騰現(xiàn)象更加劇烈．同時(shí)，劇烈的沸騰現(xiàn)象和更快的表面蒸發(fā)也明顯加快了油膜氣化的速度，使得油膜厚度相對(duì)更早到達(dá)壁面上油膜沸騰所需要的最低值．這兩種因素相互制約造成了沸騰持續(xù)時(shí)間隨著壁面溫度變化規(guī)律的不統(tǒng)一．此外油膜的沸騰是個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，與壁面條件、各處溫度的差異等因素關(guān)系密切，其沸騰機(jī)理及影響因素分析還需進(jìn)一步深入研究．

圖7 噴油壓力為50MPa、噴油持續(xù)期為1ms不同壁面溫度5ms時(shí)的沸騰現(xiàn)象

圖8 不同壁面溫度下油膜沸騰持續(xù)時(shí)間

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于高溫壁面上出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象的油膜蒸發(fā)過(guò)程，可將其分為油膜鋪展、油膜沸騰以及穩(wěn)定蒸發(fā)3個(gè)階段，在沸騰現(xiàn)象劇烈的強(qiáng)沸騰階段，油膜面積幾乎不變．

(2)對(duì)于正丁醇的附壁油膜，沸騰現(xiàn)象的發(fā)生可以在一定程度上促進(jìn)油膜的氣化．

(3)相同壁面溫度時(shí)，噴射壓力的降低會(huì)增強(qiáng)附壁油膜的沸騰強(qiáng)度，噴油持續(xù)期的延長(zhǎng)也可達(dá)到同樣的效果；而壁面溫度的升高雖然明顯使沸騰更加劇烈，但對(duì)油膜沸騰持續(xù)時(shí)間的影響則并不明確．

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Boiling Phenomenon of Wall Fuel Film Formed from Spray/Wall Impingement

Zhang Bo1，Liu Hong1，Jia Ming1，Yan Yan’an1,2，Su Yuhe1

(1. School of Energy and Power，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2. School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

In combustion engines，part of the fuel splashes after the spray impinges on the wall，while the other part forms the fuel film on the surface of the piston and cylinder wall. Wall fuel film is one of the main causes for the generation of pollutants after combustion because of its poor vaporization rate. Due to the relatively high temperature in the cylinder，the boiling phenomenon of fuel film on the wall is likely to occur，and the phase transition characteristics of boiling and surface evaporation are significantly different，which will affect the formation of the mixture. In view of the fact that there have been few researches on the boiling phenomenon of the fuel film attached on the wall，in the experimental study，n-butanol was used as the test fuel，and the high-pressure common-rail fuel injection system and high-speed camera technology were used to carry out the boiling experiment on the fuel film attached on a heated wall. The results show that the occurrence of boiling phenomenon can promote the vaporization of the fuel film to a certain extent；increasing the fuel injection duration and reducing the fuel injection pressure can intensify the boiling phenomenon.

spray/wall impingement；wall fuel film；boiling；evaporation

TK4

A

1006-8740(2023)03-0308-05

10.11715/rskxjs.R202305011

2022-03-11．

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2022YFE0199600).

張 博(1997— )，男，碩士研究生，woshizhangbo233@163.com.Email：m_bigm@tju.edu.cn

劉 紅，女，博士，教授，hongliu@dlut.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁 霞)