直喷条件下正戊烷闪急沸腾喷雾特性试验

卫海桥，裴自刚，高东志，陶 康，潘明章

（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072）

直喷条件下正戊烷闪急沸腾喷雾特性试验

卫海桥，裴自刚，高东志，陶 康，潘明章

（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072）

利用纹影法在定容弹中，在不同的试验条件下，进行了正戊烷闪急沸腾喷雾特性试验．通过对喷雾图像的拍摄及处理，分析了燃油温度、环境背压、喷油压力对闪急沸腾喷雾的影响．试验结果表明，发生闪急沸腾时，离散液滴数量增多，液滴直径减小，随燃油温度的提高或者随环境背压的减小，喷雾贯穿距先减小后增大，喷雾锥角和喷雾面积先增大后减小；随喷油压力的增大，喷雾贯穿距增大，锥角及喷雾面积均增大；在燃油温度从293，K变化到363，K，环境背压从30，kPa变化到100，kPa，以及喷油压力从5，MPa变化到10，MPa的过程中，喷油压力对喷雾贯穿距影响最大，环境背压次之，燃油温度最小；环境背压对锥角的影响最大，燃油温度次之，喷油压力最小；喷油压力对喷雾面积影响最大，环境背压次之，燃油温度最小．

纹影法；闪急沸腾喷雾；喷雾贯穿距；喷雾锥角；喷雾面积

在汽油机小型化的进程中，缸内直喷技术发展迅速，喷雾质量的优劣直接决定了发动机工作情况，影响燃烧的稳定性及排放特性等．为了提高雾化水平，现在发动机的喷雾通常依赖于喷射参数以及喷油器的设计等［1］．而在直喷汽油机的中低负荷工况下，燃油容易被喷油器和缸盖加热，从而发生闪急沸腾．研究表明，适当的闪急沸腾能够改善喷雾锥角、喷雾贯穿距及喷雾液滴的索特平均直径等［2］，对于冷启动以及湿壁所造成的HC问题均有很大改善；但是过度的闪急沸腾反而会增加贯穿距，增加燃油湿壁，因此有必要对直喷条件下的闪急沸腾现象进行深入分析，充分挖掘闪急沸腾改善喷雾的潜力，指导喷雾策略的选取，对于推进汽油机小型化的研究具有重要意义．

为了改善发动机低负荷时的喷雾，国内外对于闪急沸腾喷雾的研究有所增加，但是由于存在复杂的气液两相流过程，国内外的研究仍处于探索阶段. Aleiferis等［3］在研究汽油与E85闪急沸腾喷雾时，研究了燃油温度和环境背压的影响，发现闪急沸腾对喷雾有很大的改善作用，但是没有讨论喷射压力的影响．上海交通大学的曾纬等［4-5］通过Mie散射和激光诱导荧光技术在定容弹内观察了不同试验条件下的喷雾形态，同时得到了贯穿距和锥角的关联式，总结了闪急沸腾喷雾发生及转变的判定标准［6］，但是没有具体阐明试验条件对闪急沸腾喷雾的影响程度．

目前对于闪急沸腾喷雾的观察研究常采用激光法，而纹影法的应用并不常见．闪急沸腾喷雾存在复杂的气液两相流，激光法在获得气液两相的信息时需要添加不同的添加剂，而纹影仪结合高速摄像机可以基于被测场内密度变化捕捉喷雾结构，同时获取喷雾的气相和液相信息．汽油由于含有多种不同沸点的组分，使闪急沸腾过程变得复杂，所以为了更容易地实现闪急沸腾现象，本文选用了沸点较低的正戊烷来进行试验，通过改变燃油温度、环境背压和喷油压力，对比分析了不同试验条件下喷雾的宏观形态，研究了不同试验参数对闪急沸腾喷雾的影响程度．

1　试验系统及研究方法

1.1试验系统

本试验在定容燃烧弹系统上进行，如图1所示．系统主要包括定容燃烧弹、燃油喷射系统、温度控制系统、进排气系统、纹影系统、高速摄像机和单片机控制模块．其中定容燃烧弹体上安装有加热板，可以维持弹体内的温度恒定．燃油喷射系统采用Bosch公司的HDEV 5型6孔喷油器［7］，喷射控制单元采用自行开发的单片机系统．进排气系统由压气机和真空泵组成，可以实现对弹体内部的加压和扫气．纹影系统使用光强度可调的卤素连续光源，当弹体内部密度发生变化时，折射率的变化会使经纹影光路后的光线将这种密度变化反映到图像上．摄像系统使用Photron公司的FASTCAM SA-X2高速摄像机，图像分辨率512×512，拍摄帧频为40，000帧/s，摄像机由喷油控制单元触发，与喷油信号同步．使用温度可控的加热带缠绕在喷油器周围来实现对燃料温度的控制，加热过程中喷油器和加热带之间有充足的时间进行热传导，达到热平衡时可认为喷油器尖端的温度即为燃油的温度．

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.2试验方案

试验中通过改变燃油温度和环境背压来实现闪急沸腾，观察不同喷射条件下的喷雾形态．喷油脉宽设置为2，ms，弹体内环境温度为289，K，油温最低为293，K，最高363，K，弹体内的环境背压最低为30，kPa，最高为100，kPa．在上述试验条件下，进行了正戊烷的喷雾试验，表1是喷雾试验方案．为了研究不同试验参数对喷雾的影响程度，同时进行了喷雾特性的正交试验，如表2所示．

表1 正戊烷喷雾试验方案Tab.1 Scheme of n-pentane spray experiment

表2 喷雾特性研究正交试验表Tab.2Orthogonal experimental table of spray characteristics study

1.3图像处理及喷雾参数定义

高速摄像机拍摄得到的是灰度图像，但是图像中包含有背景噪声，而且喷雾边界不清晰，无法直观准确地获得喷雾的宏观结构．使用MATLAB对喷雾图像进行处理，通过边缘保持中值滤波、对比度增强、图像去除背景等一系列操作，得到比较好的喷雾图像，如图2所示．

图2 图像处理过程Fig.2 Image processing procedure

纹影法拍摄的喷雾图像是基于燃油喷射时观察窗范围内的密度变化，图像包含了液体射流信息和油束蒸发信息．由于气相和背景的灰度值相近，处理后的图像气相部分连同背景一起被除去，因此雾束边缘有很多缺口以及离散的液滴，导致雾束形态不规则，内部有很多“黑斑”，气泡的产生、生长以及“微爆”作用使燃油雾滴平均直径更小，喷雾分布范围更广、更均匀，因此气泡作用是闪急沸腾改善喷雾的主要原因［5］．

相关喷雾参数定义如图3所示．喷雾轮廓、喷雾贯穿距、喷雾锥角和喷雾横截面积是用来表征喷雾结构的宏观参数．本研究中通过设定阈值定义喷雾的边界，一次通过膨胀、填充和腐蚀获得喷雾形状．然后，定义原点在喷嘴的顶端以及窗口直径的大小，将喷雾照片的像素值转化为长度值．根据SAE J2715标准［8］对喷雾参数进行定义，距离喷嘴5，mm和15，mm两条直线与油束外轮廓交点连成的线段AC和BD之间的夹角为喷雾锥角；定义喷嘴在竖直方向上与油束最远端的距离为喷雾贯穿距．最后，定义强度大于300的像素点的面积为喷雾面积．

图3 SAE J2715标准相关喷雾参数定义Fig.3 Spray parameters definition by SAE J2715 standard

2　喷雾试验结果及讨论分析

2.1喷雾形态

图4为正戊烷在喷油开始后1，ms时的喷雾形态，燃油温度为293，K、333，K、363，K，环境背压为30，kPa、50，kPa、80，kPa、100，kPa．

图4 闪急沸腾喷雾形态Fig.4 Flash boiling spray structure

随着燃油温度的升高和环境背压的降低，喷雾形态均出现了不同程度的变化．当燃油温度较低（293，K）时，随着环境背压的降低，喷雾贯穿距先减小后有增加的趋势，喷雾分布范围更广，当达到50，kPa时，雾束逐渐向中间靠拢，雾束之间的界限逐渐模糊并消失，喷雾尖端消失；当达到30，kPa时，雾束基本聚拢成一束，形成实体锥形结构．同时随着燃油温度的升高，喷雾雾束宽度变大，喷雾覆盖面积更广，在雾束尖端两侧出现较大尺度的涡旋．

图5为正戊烷未发生闪急沸腾和发生闪急沸腾时的喷雾局部放大图，放大比例为4倍，采用高速摄像机捕捉了喷嘴附近燃油喷出时的形态及雾束边缘液滴信息，拍摄帧频为100，000，帧/s，曝光时间1/160，000，s，两种工况分别为燃油温度为293，K、环境背压为100，kPa、喷油压力为5，MPa和燃油温度为363，K、环境背压为100，kPa、喷油压力为5，MPa．

图5 两种类型喷雾液滴对比Fig.5 Comparison of droplets under two kinds of spray

发生闪急沸腾时，雾束分布范围更大，在雾束边缘（F区域附近）有较多的离散液滴，而且液滴直径（E区域）相对更小，大量细小液滴的存在提高了喷雾的雾化水平．结合图4纹影图像，发现在喷雾的边缘呈现较多的缺口，导致喷雾轮廓不连续，而且在雾束内部出现明显的“黑斑”，这是喷雾内部及边界汽化生成的气泡造成的，雾束呈气液共存的状态［9］，气泡产生后经过剧烈的压降过程，气泡体积不断增大，最后破碎，这种“微爆”效应，使燃油迅速破碎成细小的液滴，由于这些液滴的体积、质量均比较小，容易随周围的气流运动，导致雾束之间相互靠拢，界限变得模糊，同时“微爆”效应扰乱燃油原来的运动趋势，减小了燃油的轴向贯穿速度，同时附加了径向的动量，此外闪急沸腾使喷雾的迎风面积增大，增大了空气阻力的作用，造成贯穿距相对减小，喷雾锥角相对增大．

2.2不同试验条件对喷雾形态的影响

2.2.1燃油温度对喷雾形态的影响

背压恒定时，不同温度的燃油喷出时会有不同的过热度，进而经历不同程度的闪急沸腾，呈现不同的形态．

图6是不同燃油温度下喷雾贯穿距随时间的变化，图7是喷雾锥角随燃油温度的变化．在喷雾早期，喷出燃油较少，燃油温度的作用并不突出．在主喷射期，大量燃油喷出，随燃油温度升高，燃油从未过热状态向过热状态转变，在低过热度时，燃油处于过度闪急沸腾状态［4，10］，贯穿距逐渐减小，气泡的生长及破碎打乱了喷雾分布，削弱了轴向动量，因而贯穿距随燃油温度的的升高而减小；同时“微爆”效应促进了燃油的破碎，导致粒径更小，也给微小液滴附加了径向作用，使喷雾锥角逐渐变大，分布范围更广.当温度继续升高时，喷出的燃油处于高过热度状态，燃油逐渐处于完全闪急沸腾状态［4］，喷雾逐渐塌缩，多雾束中大量燃油蒸气的产生导致雾束向中间靠拢，多雾束合成的动量促使燃油快速向前贯穿，导致随燃油温度升高，贯穿距反而逐渐增加，喷雾锥角逐渐减小，燃油分布范围减小．

图6喷雾贯穿距随时间的变化（pback=80，kPa，pinj= 5，MPa）Fig.6Spray penetration distance development versus time（pback=80，kPa，pinj=5，MPa）

图7喷雾锥角随燃油温度的变化（pback=80，kPa，pinj= 5，MPa）Fig.7Spray cone angle development versus fuel temperature（pback=80，kPa，pinj=5，MPa）

为进一步描述喷雾分布范围的大小，测量了拍摄平面内喷雾面积随时间的变化，如图8所示．可以看到在中低过热度下，随燃油温度升高，喷雾面积增大；在高过热度下，随燃油温度升高，喷雾面积反而减小．

2.2.2环境背压对喷雾结构的影响

在不同的环境背压下，燃油也会经历过热状态，从而经历剧烈的相变过程．燃油温度为333，K时，饱和蒸气压214.5，kPa，在不同的背压下，经历不同程度的压降过程，出现不同程度的闪急沸腾现象．

图8 喷雾面积随时间的变化（pback，=，80，kPa，pinj，=，5，MPa）Fig.8 Spray area development versus time（pback=，80，kPa，pinj，=，5，MPa）

图9～图11分别是不同背压下喷雾贯穿距随时间的变化、喷雾锥角随环境背压的变化以及不同背压下喷雾面积随时间的变化．随环境背压的减小，燃油从低过热度向高过热度转变，在中低过热度时，燃油处于过度闪急沸腾状态，随背压的减小，贯穿距逐渐减小，喷雾锥角逐渐变大，喷雾面积逐渐增大；但是当燃油处于高过热度时，经历完全闪急沸腾，随背压的减小，贯穿距反而逐渐增大，锥角变小，径向分布距离缩短，喷雾面积也有所减小．产生这种现象的原因一方面是低背压造成的闪急沸腾内在机理导致的宏观结构的转变，另一方面背压大小影响了燃油与环境气体之间的相互作用程度，随背压减小，空气密度减小，喷雾贯穿受到的阻力减小，进而影响到喷雾宏观特性参数．

图9 喷雾贯穿距随时间的变化（Tfuel=333，K，pinj= 5，MPa）Fig.9 Spray penetration distance development versus time（Tfuel=333，K，pinj=5，MPa）

图10 喷雾锥角随环境背压的变化（Tfuel=333，K，pinj= 5，MPa）Fig.10 Spray cone angle development versus back pressure（Tfuel=333，K，pinj=5，MPa）

图11喷雾面积随时间的变化（Tfuel=333，K，pinj=5，MPa）Fig.11Spray area development versus time（Tfuel=333，K，pinj=5，MPa）

2.2.3喷油压力对喷雾结构的影响

为了研究喷油压力对喷雾结构的影响，研究了燃油温度为333，K，环境背压为100，kPa，喷油压力为5，MPa、8，MPa、10，MPa时的典型闪急沸腾喷雾形态．

图12～图14分别是不同喷油压力下喷雾贯穿距随时间的变化、喷雾锥角随喷油压力的变化以及不同喷油压力下喷雾面积随时间的变化．喷油压力和环境压力之间的压差是喷雾贯穿的能量来源，随喷油压力的增大，喷雾的贯穿动量增大，贯穿距增加．同时随喷油压力增大，喷雾锥角增加，但是增加幅度有限，原因是喷雾锥角主要受喷孔结构的影响．对于喷雾面积，增大喷油压力时，喷雾分布范围增加，雾滴尺寸更小，喷雾的覆盖面积也逐渐变大［11］．

图12喷雾贯穿距随时间的变化（Tfuel=333，K，pback= 100，kPa）Fig.12Spray penetration distance development versus time（Tfuel=333，K，pback=100，kPa）

图13喷雾锥角随喷油压力的变化（Tfuel=333，K，pback= 100，kPa）Fig.13Spray cone angle development versus injection pressure（Tfuel=333，K，pback=100，kPa）

图14 喷雾面积随时间的变化（Tfuel=333，K，pback= 100，kPa）Fig.14 Spray area development versus time（Tfuel=333，K，pback=100，kPa）

2.2.4不同试验条件对喷雾结构的敏感性分析

综上分析可知，燃油温度、环境背压以及喷油压力对喷雾形态都有一定程度的影响，为了研究不同试验条件对喷雾结构的敏感性，对正交试验中喷雾开始后1.5，ms时的试验结果进行了极差分析，从而得到不同试验参数的影响程度，如表3～表5所示．

从表3～表5中可以看出，在燃油温度从293，K变化到363，K，环境背压从30，kPa变化到100，kPa，以及喷油压力从5，MPa变化到10，MPa的过程中，喷雾特性发生了比较显著的变化，其中在影响喷雾贯穿距的因素中，喷油压力的极差最大，其次为环境背压，燃油温度的极差最小，说明喷油压力对贯穿距的影响最大，而燃油温度的影响最小．同样地，环境背压对喷雾锥角的影响最大，燃油温度次之，喷油压力最小；喷油压力可以最大程度上增大喷雾面积，其次为环境背压，而燃油温度的作用最小．

表3 喷雾贯穿距极差分析Tab.3 Range analysis of spray penetration distance

表4 喷雾锥角极差分析Tab.4 Range analysis of spray cone angle

表5 喷雾面积极差分析Tab.5 Range analysis of spray area

3　结 论

（1） 提高燃油温度和降低环境背压时都会发生不同程度的闪急沸腾，雾束宽度增加，并逐渐向中间靠拢，雾束尖端两侧出现较大尺度的涡旋，离散液滴数量增多，液滴直径减小，喷雾中的气泡作用使喷雾分布范围显著增加，气液共存的状态使得燃油分布更加均匀．

（2） 随燃油温度升高，燃油达到过热状态．当处于中低过热度状态时，燃油经历过度闪急沸腾，贯穿距随温度升高而减小，喷雾锥角和喷雾面积逐渐增加；当处于高过热度时，燃油经历完全闪急沸腾，雾束塌缩严重，贯穿距随温度升高而增加，锥角和喷雾面积反而有所减小．

（3） 随着环境背压的变化，燃油也会达到过热状态．当燃油处于中低过热度时，随背压的减小，喷雾贯穿距逐渐减小，喷雾锥角和喷雾面积增加；当燃油处于高过热度时，随背压减小，贯穿距逐渐增大，锥角和喷雾面积有所减小．

（4） 随喷油压力的增加，喷雾贯穿距、喷雾锥角以及喷雾面积均逐渐变大．

（5） 在燃油温度从293，K变化到363，K，环境背压从30，kPa变化到100，kPa以及喷油压力从5，MPa变化到10，MPa的过程中，喷油压力对喷雾贯穿距影响程度最大，环境背压次之，而燃油温度的作用最小；环境背压对喷雾锥角的影响程度最大，燃油温度次之，而喷油压力的作用最小；喷油压力对喷雾面积的影响程度最大，环境背压次之，而燃油温度的作用最小．

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（责任编辑：金顺爱）

Experiment on Flash Boiling Spray Characteristics of n-Pentane Using DI Injector

Wei Haiqiao，Pei Zigang，Gao Dongzhi，Tao Kang，Pan Mingzhang
（State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The flash boiling spray of n-pentane was conducted under different conditions，using schlieren method in a constant volume bomb．By photographing and processing the spray images，the influences of fuel temperature，ambient back pressure and injection pressure on flash boiling spray were studied．The test results show that when flash boiling spray happens，the number of discrete droplets increases，and the size becomes smaller．At the same time，when increasing fuel temperature or decreasing ambient back pressure，spray penetration distance decreases first and then increases，but spray cone angle，together with spray area，increases first and then decreases．On the other hand，while increasing injection pressure，spray penetration distance，spray cone angle and spray area increase，too．When fuel temperature ranges from 293，K to 363，K，ambient back pressure ranges from 30，kPa to 100，kPa，and injection pressure ranges from 5，MPa to 10，MPa，the main factor influencing spray penetration distance is injection pressure，followed by ambient back pressure，and then fuel temperature，and at the same time，ambient back pressure makes the biggest difference in spray cone angle，then fuel temperature and injection pressure．Finally the main factor influencing spray area is injection pressure，followed by ambient back pressure and fuel temperature.

schlieren method；flash boiling spray；spray penetration distance；spray cone angle；spray area

TK411.7

A

0493-2137（2016）07-0742-07

10.11784/tdxbz201507090

2015-07-28；

2015-11-23.

国家自然科学基金资助项目（51476114）.

卫海桥（1974— ），男，博士，教授，whq@tju.edu.cn.

潘明章，panmingzhang@sohu.com.

网络出版时间：2015-11-30. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20151130.1355.002.html.