高温高压条件下柴油的雾化蒸发特性

李向荣， 薛继业， 万远亮， 苏立旺， 何旭， 刘福水

(1. 北京理工大学机械与车辆学院， 北京 100081； 2. 东风商用车有限公司技术中心， 湖北 武汉 430056)



高温高压条件下柴油的雾化蒸发特性

李向荣1， 薛继业1， 万远亮2， 苏立旺1， 何旭1， 刘福水1

(1. 北京理工大学机械与车辆学院， 北京 100081； 2. 东风商用车有限公司技术中心， 湖北 武汉 430056)

利用高速摄影和纹影法，在可变温度和压力的定容燃烧弹中，模拟发动机的实际运转工况，进行了不同喷油压力和背景压力条件下柴油的雾化蒸发特性试验研究，得出一系列热态喷雾图像。研究表明：喷油压力越高，雾注总的贯穿距离、锥角和投影面积越大，但液核的最大贯穿距离、锥角和投影面积变化不大，显著蒸发时刻不断提前，气相部分投影面积增大，混合均匀性改善；随着背景压力的升高，气、液相贯穿距离均下降，雾注总的喷雾锥角增大，雾注面积、液核面积减小。

柴油； 喷雾； 蒸发特性； 喷油压力； 背景压力

柴油是目前内燃机的主要燃料之一，其雾化蒸发特性对内燃机燃烧和排放有重要的影响[1-2]。柴油通常在活塞接近压缩上止点时喷入燃烧室，与高温的压缩空气混合后自燃，从燃油的喷入到混合气的燃烧，时间仅为1 ms左右，能否在该时间段内使柴油迅速雾化蒸发并与空气混合，直接影响发动机整体性能[3-4]。

Hiroyasu H.和Arai M.曾经在2 MPa的环境压力下得出常温低压下喷雾贯穿距离公式[5]；Dent J.在定容弹中研究了非蒸发喷雾和蒸发喷雾的贯穿距离，得出贯穿距离的公式[6]；Kamimoto J.等人使用纹影法在高速压缩机中研究了柴油喷雾特性，发现在其试验条件下，液相喷雾的最大贯穿距离不大于25 mm，并且不受喷油压力影响[7]。郭红松等人曾利用PLIEF技术对高温高压条件下喷雾结构和浓度场进行了研究，但其对柴油蒸发特性分析较少[8]；徐阳杰等人研究了柴油雾化特性随喷孔直径的变化规律，但研究工况为常温常压[9]。国内近几年针对喷雾的研究则主要集中于柴油与生物柴油的对比[10-14]。这些研究中，虽然使用了不同的燃料，但研究方法同样是采用高速摄影与纹影技术，而且研究工况是以常温为主，未对蒸发态喷雾中已蒸发部分(气相燃油)和未蒸发部分(液核)分别进行分析。因此，有必要对高温高压以及高喷油压力条件下柴油的喷雾蒸发特性进行更深入的研究。

本研究总结前人的方法和经验，利用高速摄影技术，在定容燃烧弹周围搭建了一套反射式纹影系统，可以清晰地观测到高温高压下柴油喷入定容弹后的一系列变化。在此基础上，研究喷油压力、背景压力等条件改变对柴油雾化蒸发特性的影响，并得出规律。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置及基本原理

试验采用纹影测试技术，图1示出了试验中采用的纹影光路示意。纹影技术的基本原理是用刀口切割光源像，把光线受流场的扰动转变为记录平面上的光强的分布。本试验的纹影系统采用的是凹面镜。

图1 纹影法光路图

图2为试验装置示意。该装置主要由定容燃烧弹系统、纹影光路系统、控制系统(ECU)、燃油供给系统、高速摄像机等组成。

图2 试验装置示意

定容燃烧弹内部设计有加热装置，温度可以升至900 K，压力可以充至6 MPa，可模拟发动机在压缩到上止点时的工作环境，温度和压力在外部通过单片机加以控制。由于加热装置布置在定容燃烧弹内测试区域的下方，加热过程中热量从下往上传递，因而在测试区域的轴向与径向存在一定的温度梯度。在试验前对定容燃烧弹内的温度进行标定。测试结果表明，在喷嘴下方轴向100 mm内，温差在10 K以内，轴向温度梯度较小；径向温度梯度较大，轴线位置处的温度比壁面位置的温度约高 20 K。在试验中，设置参数时考虑了温差的存在，保证喷雾区域实际温度与试验方案温度温差最小。定容燃烧弹周围有4个直径为100 mm的视窗，用来观测燃料的喷雾、燃烧状况。为拆卸方便，本试验使用左右两个视窗作为纹影光路，另外两个视窗用金属板密封。

1.2 试验过程及图像处理方法

试验选用0号柴油，其十六烷值为50，20 ℃时密度为838 kg/m3，运动黏度为3.9 mm2/s，凝点为-3 ℃。试验在800 K的背景温度下进行，喷孔直径为0.28 mm，喷油脉宽为1.0 ms，选取N2为背景气，试验参数见表1。

为了减小视窗受热膨胀造成测量误差，每次试验结束后，都拍摄一个固定尺寸的参照物，便于提高测量计算精度。图像处理过程中利用Matlab进行去背景处理，并结合原始喷雾图像用图像处理软件中的套索工具套取雾注图像，再得出雾化蒸发特性的相关数据。

表1 试验工况参数

2 试验结果与分析

本研究分别对雾注已蒸发部分(气相燃油)和未蒸发部分(液核)进行了研究。图3示出了各个试验

图3 柴油自由 射流示意

参量的定义及关系，包括贯穿距离、喷雾锥角、雾注投影面积等。其中，黑色未透光部分为液核区域，明亮的透光部分为蒸发区域。

图3中：L为贯穿距离；Ly为液核贯穿距离；Lq为气相部分长度；φ为总的喷雾锥角；β为液核锥角，A为液核面积；B为雾注总的投影面积。

各组锁骨下动脉狭窄患者盗血程度的比较见表2。合并椎动脉狭窄性病变组各亚组间（同侧椎动脉狭窄性病变组、对侧椎动脉狭窄性病变组、双侧椎动脉狭窄性病变组）盗血程度的两两比较均无统计学意义（P＞0.05）。而合并椎动脉狭窄性病变组及各亚组分别与对照组比较，Ⅱ期与Ⅲ期盗血所占比例均明显低于对照组（P＜0.05）。

雾注总的面积和液核部分的面积可以通过以下两种方法得出：

a) 测量法：雾注的喷雾面积和液核面积根据每幅图片中每个像素点所占的面积编写Matlab程序计算得到。每组图片选取5张进行处理计算，得出喷雾面积、液核面积的变化曲线。测量法只是用于同计算法作对比，因此，只选取5张图片进行测量。

b) 计算法：雾注的喷雾面积和液核面积可由下式得出[15]。

计算雾注总的面积时，l=L，θ=φ；计算液核部分的面积时，l=Ly，θ=β。

2.1 喷油压力对柴油雾化蒸发的影响

图4示出了不同喷油压力下柴油油束的发展过程。图右侧的比例尺每格代表25 mm。从图中可以看出随着喷油压力的升高，喷雾加速向前发展，贯穿距离明显变大，蒸发速度加快。

图5示出了背景压力6 MPa时，不同喷油压力下雾注和液核的贯穿距离随时间的变化规律。从图中可以看出，喷油压力越高，雾注的贯穿距离越长。这是因为喷油压力高，喷口内外压力差增加，动能较大，射速高，燃油可以到达较远的地方。而喷油压力越大，液核速度越快，到达最大长度的时间越短。但是不同喷油压力下，液核的最大贯穿距离变化不大，约为25 mm，因此喷油压力对液核的最大贯穿距离基本没有影响。

试验分析得出，在匹配发动机燃烧系统过程中，可以根据液核贯穿距离不随喷油压力变化的特点来设计燃烧室径向尺寸，这样可以减少液相柴油与壁面接触，避免“湿壁”现象的发生。

图4 不同喷油压力下柴油喷雾发展过程

图5 不同喷油压力下贯穿距离的变化

图6示出了不同喷油压力下气相长度随时间的变化。从图中可以看到，喷油压力对气相长度的影响较大。喷油初期，雾注贯穿距离与液核贯穿距离基本一致，这是因为，这段时间内燃油未发生显著蒸发，蒸发量小于喷油量，液相油束在纵向的发展与雾注一致。随着喷油时间的增加，蒸发量逐渐增加，雾注贯穿距离与液相贯穿距离分离，气相长度产生。相同的喷油时刻下，随着喷油压力的增加，气相长度增加，说明提高喷油压力，燃油蒸发量增加。同时，随着喷油压力的不断提升，气相长度出现的时刻提前，这说明喷油压力越高，燃油蒸发速度越快。可以推断，高的喷油压力下，破碎雾化形成的燃油液滴粒径更小。

图6 不同喷油压力下气相长度的变化

图7示出了不同喷油压力下喷雾锥角、液核锥角随时间的变化曲线。从图中可以看出，总的喷雾锥角会随着喷油压力的提高不断增大。而对于液核锥角，喷油压力的影响并不明显。这是由于气相部分比液核更易受背景气体阻力和卷吸作用的影响。

图7 不同喷油压力下喷雾锥角的变化

图8示出了不同喷油压力下总的雾注面积、液核面积随时间的变化规律。

图8 不同喷油压力下雾注面积的变化

从图中可以看出，两种方法得到的面积曲线规律基本一致，喷油压力越高雾注贯穿距离越大、投影面积越大，而液核投影面积基本保持不变，因此气相部分面积越大。说明提高喷油压力既可以增大柴油的气相部分的面积、改善混合均匀性，又能减小着火后火焰区域内液相燃油比例，这对提高燃油经济性和降低炭烟排放有着重要意义。

2.2 背景压力对柴油雾化蒸发的影响

图9示出了喷油压力140 MPa时，不同背景压力下柴油喷雾发展过程。背景压力减小，燃油能够发展到较远的区域；燃油在背景压力较低时，喷雾形态细且长，背景压力较高时，雾注粗且短，这是因为背景压力越高，燃油纵向发展阻力越大，更多的燃油在横向扩张，呈现出图像中发展形态。

图9 不同背景压力下柴油喷雾发展过程

图10示出了不同背景压力下总的雾注贯穿距离、液核贯穿距离随时间的变化曲线。从图中可以看出，随着背景压力的升高，气、液相贯穿距离均下降。在0.3 ms以内，气、液相贯穿距离基本一致，都随时间呈现线性增长，这段时间蒸发较少。随着燃油的不断蒸发，在0.5 ms左右，油束的蒸发速率与喷油速率达到平衡，液核停止向前发展，液核贯穿距离基本保持不变。但气相长度会随着蒸发的进行而继续向前发展，气相长度表现出明显的增长趋势。

试验表明，背景压力对于雾注和液核的贯穿距离都有较大的影响。随着背景压力升高、气体的密度增大，雾注和液核贯穿距离减小。柴油机要实现高效低排放的燃烧就必须保证油、气、室的良好配合，因此增压压力提高后，燃烧室的设计需考虑喷雾贯穿距离的减小。

图10 不同背景压力下贯穿距离的变化

图11示出了不同背景压力下雾注和液核锥角随时间的变化曲线。在喷雾发展初期，雾注和液核的锥角相差不大，随着喷雾的不断向前发展，液核锥角逐渐减小并基本稳定在7°左右，喷雾发展的中后期液核锥角基本没有变化。背景压力越高，雾注总的喷雾锥角越大，背景压力对喷雾锥角影响明显。这是因为背景压力提高，环境密度增大，阻碍油束贯穿的作用加大，油束径向发展明显，因而喷雾锥角明显增加。

图11 不同背景压力下喷雾锥角的变化

图12和图13分别示出了雾注总的面积和液核面积随时间的变化曲线，并将计算法与测量法的结果作对比。

图12 不同背景压力下雾注总的面积变化

图13 不同背景压力下液核面积变化

通过对比可知，计算法与测量法在数值上存在较小差距，规律上是一致的，因此两种方法可以通用。另外，从两图中也可以看到，液核面积在喷雾初期呈线性增长，在0.5 ms之后喷油速率与蒸发速率达到平衡，液核的面积基本保持不变；而雾注面积、液核面积都随着背景压力的升高而减小。这是因为背景压力高环境密度加大，气体阻力作用加强，贯穿距离下降，从而造成面积变小。试验表明增大背景压力，不利于柴油在空间中的分布，油气混合也会受到影响。

3 结论

a) 喷油压力越高，雾注总的贯穿距离、锥角和投影面积越大，但液核的最大贯穿距离、锥角和投影面积变化不大;

b) 随着喷油压力增加，显著蒸发时刻不断提前，气相部分投影面积增大，混合均匀性改善，而且着火后火焰区域内液相燃油比例减小，这对提高燃油经济性和降低炭烟排放有着重要意义；

c) 随着背景压力的升高，气、液相贯穿距离均下降，雾注总的喷雾锥角增大，雾注面积、液核面积减小；喷雾发展的中后期，液核贯穿距离、锥角和投影面积基本保持不变。

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[编辑： 姜晓博]

Atomization and Evaporation Charactertistics of Diesel Fuel under High Temperature and Pressure

LI Xiangrong1, XUE Jiye1, WAN Yuanliang2, SU Liwang1, HE Xu1, LIU Fushui1

(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. Technical Center of DongFeng Commercial Vehicle Co.， Ltd.， Wuhan 430056, China)

An experimental study of diesel atomization and evaporation characteristics under different injection and ambient pressures was carried out in a variable temperature and pressure constant volume vessel to simulate the actual operating conditions of an engine by using high-speed photography and schlieren method. A series of high-temperature spray images were acquired. The results showed that the penetration, cone angle and projection area of diesel spray column increased with the increase of injection pressure, but those of fuel liquid core hardly changed. In addition, the significant evaporation timing advanced, the gaseous projection area increased and the air-fuel mixing uniformity improved. With the increase of ambient pressure, the penetration and projection area of spray column and liquid core decreased, but the spray cone angle increased.

diesel； spray； evaporation characteristic； injection pressure； ambient pressure

2015-08-13；

2015-12-24

李向荣(1967—)，男，教授，博士，主要研究方向为发动机工作过程；lixr@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.005

TK421.43

B

1001-2222(2016)02-0023-05