利用LSD技术对高压共轨柴油机喷雾特性SMD的研究

何旭， 石永昊， 刘海， 李向荣， 田国弘， 刘福水

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081；3.英国萨里大学 机械工程科学系，萨里，吉尔福德 GU27XH)

利用LSD技术对高压共轨柴油机喷雾特性SMD的研究

何旭1，2， 石永昊1，2， 刘海1，2， 李向荣1，2， 田国弘3， 刘福水1，2

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081；3.英国萨里大学 机械工程科学系，萨里，吉尔福德 GU27XH)

为更好地研究高压共轨柴油机喷雾特性，搭建了柴油喷雾特性激光测试试验系统，基于激光测试手段，利用平面激光粒径测试技术，对高压共轨柴油机喷雾微观特性—索特平均直径进行定量测量，分别考察不同喷孔直径、不同喷油压力下喷雾索特平均直径随时间的变化. 研究表明，随着喷孔直径的增加，在1 600 μs内喷雾场中的平均索特平均直径增大；随着喷油压力的增加，在1 400 μs内喷雾场中的平均索特平均直径相对较小，分布也较均匀；喷雾场中粒径的分布趋于粒径较小的方向集中，因此喷雾场中索特平均直径的形态分布近似服从于概率分布中的非中心F分布，并根据其分布形态拟合出相应的非中心F分布函数.

喷雾特性；平面激光粒径测试技术；索特平均直径

在发动机工作过程中，燃油雾化的好坏直接影响油气混合的质量，进而影响发动机的经济性、动力性和排放水平. 其中雾化质量的优劣可以由索特平均直径(Sauter mean diameter，SMD)来表示，此值越小表明燃油的雾化程度越好.

近年来研究者针对喷雾微观特性SMD的测试开发了许多新的方法，如相位多普勒技术(phase Doppler anemometer，PDA)、平面激光粒径测试技术(laser sheet drop size，LSD)[1]等. 其中，LSD又称为激光诱导荧光(laser induced fluorescence，LIF)/米氏散射光(Mie-scattering，Mie)技术，是由Le Gal等[2]将其运用到轻质石油喷雾的粒径测量中. 之后，Domann等[3]，应用LSD技术实现了对某液态喷雾SMD分布的准确测试. 张玉银等[4]在LIF/MIE的基础上进行改进，研究了汽油机喷雾的粒径、结构及汽化特性.

LSD技术具有非接触性、准确度高、实时测试等特点，可获取瞬态喷雾粒径分布. 而目前利用LSD技术针对柴油喷雾微观特性SMD的研究较少，作者利用LSD技术，对高压共轨柴油机喷雾微观特性SMD进行定量测量，从微观方面阐述不同喷孔直径、不同喷油压力下喷雾SMD随时间的变化.

1 LSD试验测试原理及系统装置

1.1 LSD激光测试原理

LSD是利用激光诱导荧光LIF信号强度除以Mie散射的信号强度，再通过试验标定处理，得到喷雾场中的SMD二维分布的激光测试方法.

试验利用片状激光照亮喷雾测试截面，截面上的液滴在激光的激发下，将发出特定波长的荧光信号，同时液滴会产生Mie散射，进而同时得到LIF和Mie散射信号强度，通过相位多普勒粒子分析仪(phase doppler particle analyzer，PDPA)进行试验标定，得到光学参数k，其计算公式为

(1)

式中：dSMD为喷雾场中SMD；SLIF为荧光信号强度；SMie为Mie散射的强度；Di为第i个液滴的直径；D为液滴直径；f(D)为液滴粒径分布的概率密度函数.

1.2 试验装置

试验所用的LSD测试系统如图1所示，主要由定容装置、供油系统、激光系统、图像采集系统4部分组成. 其中，试验在定容燃烧弹中进行，喷油器固定在顶部端盖上，在视场中由上向下喷射. 供油系统采用BOSCH高压共轨系统，能够实现喷油压力的任意调节. 为了均衡LIF和Mie散射信号的强度，试验使用Nd: YAG激光器，可发出波长为266 nm的紫外激光，发射频率为10 Hz，激光能量为12 mJ左右，激光通过反射镜进入片光器，通过调整片光的位置、厚度、高度、长度和均匀度，使片光恰好通过喷油器的正下方雾注的中心轴线，从而在油束的中心轴线上切出一个截面. 图像采集系统采用德国LaVision慢速瞬态图像信息采集系统，试验中相机的采集频率为10 Hz，曝光时间为7 000 ns，可同时采集测试区域内的LIF信号和Mie散射信号，试验过程中每个时刻的喷雾图像采集4次，做平均处理，进而减少误差.

2 试验方法

2.1 PDPA试验标定

利用LSD对喷雾SMD的二维分布进行测试，初步获取定性结果，然后使用PDPA对其进行标定试验，得到光学参数k，将在LSD法下测得的表征喷雾SMD相对大小的任意单位，转化为长度单位μm.

选取背景压力为0.1 MPa，喷油压力为40，60，90 MPa，喷射脉宽为1 000 μs，测试位置定在雾注轴线上距离喷嘴下游70 mm处，试验对每一个工况点连续测试30 s后自动进入下一个工况点进行测试. 根据标定试验结果，拟合得到两者的相关性曲线，拟合优度R2=0.999 9，其中光学参数k为直线斜率的倒数，k=1.4.

2.2 LSD试验方案

试验中喷孔直径分别为0.12，0.16 mm，喷油压力分别为80，120，160 MPa选取背景压力为3 MPa，因高温环境下柴油蒸气的产生会影响荧光信号的强度，所以文中主要针对常温环境下的柴油喷雾微观特性SMD进行定量测试.

3 试验结果及分析

3.1 不同喷孔直径下喷雾SMD随时间的变化

选取喷油压力为120 MPa，喷油脉宽为1 000 μs，喷孔直径分别为0.12 mm和0.16 mm两种条件下启喷后6个时刻的SMD分布图，如图2所示. 图中喷孔直径为0.12 mm时，从600～1 600 μs，喷雾场中SMD小于80 μm的液滴数量占总数的比例分别是81.04%，82.98%，85.42%，87.64%，88.90%，91.42%. 喷孔直径为0.16 mm时，喷雾场中SMD小于80 μm的液滴数量占总数的比例分别是80.57%，83.12%，82.03%，75.21%，78.33%，78.28%. 从图中可以看出，二者在喷雾早期SMD较大的液滴数量较多，随着时间的增加，SMD的分布变得瘦长并偏向较小的一边. 这说明随着喷雾的进行，粒径较大的液滴逐渐破碎成粒径较小的液滴，而且喷雾场中SMD的形态分布近似服从非中心F分布[5]，其概率密度函数为

(2)

式中：x为喷雾场中SMD的大小；k1、k2分别为非中心F分布的分子和分母自由度；λ为非中心度；参数为(k1，k2，λ)的非中心F分布，通常用F(k1，k2，λ)表示，k2增大时密度函数的极大值单调增加；k1和k2固定时，非中心F分布的分布函数是λ的单调下降函数. 喷孔直径为0.12，0.16 mm时，根据喷雾场中SMD的分布数据，分别拟合得到非中心F分布的函数为F(0.35，160，13)，F(0.35，62，18). 对比两分布函数可知，F(0.35，62，18)的分母自由度较小，非心度较大，因此其密度函数的极大值较小，分布函数也较小，SMD较小的液滴也相对较少.

图3是不同喷孔直径下喷雾场中平均SMD随时间的变化曲线. 喷孔直径为0.12 mm时，从600～1 600 μs各时刻喷雾场中的平均SMD分别为：53.7，53.9，51.9，49.0，46.0，44.8 μm. 下降幅度达10 μm，说明随着喷油的持续，虽然部分液滴发生了聚合，但喷雾场中液滴破碎的量远多于小液滴碰撞聚合的量. 喷孔直径为0.16 mm时，从600～1 600 μs各时刻喷雾场中的平均SMD分别为58.1，59.9，59.4，63.2，60.9，59.9 μm. 其大小基本在60 μm左右浮动，可以看出，当喷孔直径较大时，喷雾最初雾化形成的液滴粒径会增加，随后大量粒径较大的液滴破碎变小，但由于最初雾化形成的液滴粒径较大，在相同的时间内破碎产生的小液滴的粒径相对较大，从而在1 600 μs内的喷雾场中平均SMD的大小没有明显的增降规律. 通过对比可知，喷雾场中的SMD随着喷孔直径的增大而增大，喷孔直径越小，射流会受到更大的节流作用，使得初始扰动加强，从而促进雾化质量，平均SMD的分布也更加均匀.

3.2 不同喷油压力下喷雾SMD随时间的变化

选取喷孔直径为0.16 mm，喷油脉宽为1 000 μs时，喷油压力为80 MPa和160 MPa两种条件下启喷后5个时刻的SMD分布图，如图4所示. 由于喷油压力为160 MPa，启喷后1 600 μs时的雾注末端已经超出视野范围，无法与前者对比，因此只取1 400 μs之前的各时刻进行对比.

图4是喷油压力为80，160 MPa时启喷后不同时刻喷雾场中SMD的分布. 喷油压力为80 MPa时，从600～1 400 μs，喷雾场中SMD小于80 μm的液滴数量占总数的比例分别是77.84%、78.33%、82.75%、83.04%、85.39%. 喷油压力为160 MPa时，从600μs到1400μs，喷雾场中SMD小于80μm的液滴数量占总数的比例分别是87.21%、87.59%、84.54%、84.48%、87.39%. 从图中可以看出，喷油压力为80，160 MPa时，喷雾场中SMD的形态分布近似服从于非中心F分布，根据喷雾场中SMD的分布数据，分别拟合得到非中心F分布的函数为F(0.4，51，20)、F(0.4，82，19). 对比两分布函数可知，F(0.4，82，19)的分母自由度较大，非心度较小，因此其密度函数的极大值较大，分布函数也较大，SMD较小的液滴也相对较多. 喷油压力为80 MPa时，分布图中的峰值一直处在45 μm左右的位置. 而且在喷油初期，SMD大于200 μm的液滴数量相对较多，这主要是因为在喷油压力较低时，雾注离开喷嘴时所具有的初始能量较低，液滴运动的激烈程度会因此而相对减弱，因而初次雾化形成的液滴粒径较大. 喷油压力为160 MPa时，分布图中的峰值由喷雾起始阶段的40 μm逐渐向左移动到25 μm左右，之后又增大到40 μm左右，这主要是因为喷油压力升高，喷雾场中液滴具有足够的能量使自身破碎成粒径较小的液滴，但是随着喷雾的持续进行，由于惯性喷雾场中有大量液滴运动到喷嘴下游较远的地方，还没来得及破碎，所以会出现大液滴数量有所增加的现象. 直到接近喷油末期的1 400 μs，喷油压力为160 MPa时，喷雾场中有近80%的液滴粒径都小于65 μm，而喷油压力为80 MPa时，相同尺寸液滴的数量为73.6%，而且从两者液滴粒径尺寸的整体分布可发现，喷油压力的升高，可以减小喷雾场中的SMD大小.

图5为不同喷油压力下喷雾场中平均SMD随时间的变化曲线.

喷油压力为80 MPa时，从600 μs到1 400 μs各时刻喷雾场中的平均SMD分别为60.9，62.0，60.6，56.9，56.2 μm. 喷油压力为160 MPa时，从600 ～1 400 μs各时刻喷雾场中的SMD分别为50.4，51.7，55.2，52.6，51.5 μm. 可以看出，当喷油压力较大时，喷雾场中的平均SMD相对较小，这说明当喷油压力增加时，燃油喷射的速度相应增加，使油束内部的扰动性加强，燃油与空气的摩擦效应增加，导致燃油粒子变细. 同时，与Pastor J V[6]的研究对比可知，喷油压力较高时，产生的小液滴对散射光信号有影响，使得同一截面上的SMD分布出现左右不对称的现象，进而对SMD大小的测量有影响，因此在1 400 μs内同一喷油压力条件下不同时刻喷雾场中平均SMD的大小都没有明显的增减规律，但提高喷油压力可以大幅降低喷雾场中的SMD大小，提高小液滴所占的比重.

4 结 论

① 随着喷孔直径的增大，在1 600 μs内喷雾场中的平均SMD相对较大，喷孔直径为0.16 mm时的平均SMD随喷雾发展变化不大，喷孔直径为0.12 mm时的平均SMD随喷雾发展逐渐减小.

② 实验中，随着喷油压力的增加，在1 400 μs内喷雾场中的平均SMD相对较小，小于80 μm的液滴数量明显增多.

③ 喷雾场中SMD的分布规律表现为多数液滴都处在粒径较小的范围内，因此喷雾场中SMD的分布形态近似服从于概率分布中的非中心F分布.

[1] Ann M， Benedikt S， Ingo S， et al. Laser sheet drop-sizing based on two-dimensional Raman and Mie scattering[J]. Applied Optics， 2009，10(48):1853-1860.

[2] Le Gal P， Farrugia N， Greenhalgh D A. Laser sheet drop sizing of dense sprays[J]. Optical Laser Technology， 1999，31 (1):75-83.

[3] Domann R， HardalupasY. Quantitative measurement of planar droplet sauter mean diameter in sprays using planar droplet sizing[J]. Part Part Syst Charact, 2003(20):209-218.

[4] 张玉银，张高明，许敏.直喷汽油机燃烧系统开发中的喷雾激光诊断技术[J].汽车安全与节能学报，2011，2(4):294-307.

Zhang Yuyin， Zhang Gaoming， Xu Min. Laser diagnostics for spray of spark ignition direct injection (SIDI) combustion system[J]. Automotive Safety and Energy， 2011，2(4):294-307. (in Chinese)

[5] 方开泰，许建伦.统计分布[M].北京：科学出版社，1987.

Fang Kaitai， Xu Jianlun. The statistical distribution[M]. Beijing: Science Press， 1987. (in Chinese)

[6] Pastor J V， Payri R， Salavert J M， et al. Evaluation of natural and tracer fluorescent emission methods for droplet size measurements in a diesel spray[J]. International Journal of Automotive Technology， 2011，13(5):713-724.

(责任编辑：孙竹凤)

Spray Characteristics SMD of High-Pressure Common Rail Diesel Engine Based on LSD Technique

HE Xu1，2， SHI Yong-hao1，2， LIU Hai1，2， LI Xiang-rong1，2，TIAN Guo-hong3， LIU Fu-shui1，2

(1.School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China;2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing; 3.Department of Mechanical Engineering Sciences， University of Surrey， Guildford， Surrey GU27XH)

To investigate the spray characteristics of high pressure common-rail diesel engines, a test system was constructed. Based on laser sheet drop size(LSD) technique, the micro characteristics of diesel spray were quantitatively tested with the diesel spray laser test system to investigate the variation law of Sauter mean diameter(SMD) over time in different nozzle diameters and injection pressure. Experimental results show that with the increase of the nozzle diameter, the average SMD of the spray field increases in 1 600 μs. With the increase of the injection pressure, the average SMD of the spray field can be smaller in 1 400 μs and the distribution distributes uniformly.The droplet size distribution tends to be concentrated in the smaller diameter direction, therefore the distribution of droplet size in the spray field is similarly subjected to the noncentral F-distribution, and the noncentral F-distribution function is fitted according to the distribution pattern.

spray characteristics; laser sheet drop size(LSD); Sauter mean diameter(SMD)

2015-10-21

国家自然科学基金资助项目(51476011)；北京理工大学基础研究基金资助项目(B12022)

何旭(1976—)，男，副研究员，博士，E-mail:hhexxu@bit.edu.cn.

李向荣(1967—)，男，教授，博士生导师，E-mail：lixr@bit.edu.cn.

TH 9

A

1001-0645(2016)12-1243-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.12.007