柴油碰壁喷雾特性试验研究

苏蒙，张欣，张纪宝

(北京交通大学机电学院，北京 100044)

进入21世纪以来，排放控制以及化石能源枯竭已经成为左右内燃机技术发展的重要因素。为了解决传统柴油机NOx和颗粒物排放的问题，一大批柴油机新技术应运而生，比如均质充量压燃技术、预混合压燃技术、低温燃烧技术等[1]。为了使柴油和空气充分混合，喷油器在活塞压缩到上止点之前提前喷射，可以延长混合的时间。然而，活塞在压缩到上止点之前气缸内压力和温度相对较低，在缸内直喷发动机中，尤其是在小缸径发动机中，往往会出现燃油碰壁现象。柴油碰壁会使柴油附着在气缸套和活塞顶部，在燃烧的过程中产生颗粒物、HC和CO等，导致比较严重的排放问题。J. Benajes[2]和Liu[3]先后通过试验验证了柴油机采用提前喷射策略会导致燃油大量附着，排放效果变差。为了研究燃油碰壁喷雾特性，国内外学者进行了大量试验与模拟研究工作，主要研究以下几个方面对碰壁喷雾特性的影响：环境气体条件，包括环境压力、环境温度等；喷油特性，包括喷射压力、喷油持续期、喷油速率等；喷孔特性，包括孔径、长径比、边缘倒角等；燃油特性，包括燃油温度、黏度、挥发度、沸点等；壁面特性，包括壁面温度、干湿壁面等[4-13]。但是大部分的研究工作并没有对各个方面不同条件的影响程度进行比较。条件的改变会导致燃油速度、动量、黏度以及环境密度等的改变，都会对碰壁喷雾特性造成影响，哪个因素占主导作用也需要进行更深入研究。本研究对部分喷射和环境参数进行了比较分析。

在研究柴油碰壁喷雾特性过程中，可视化试验是目前最主流的研究方法。其中，定容弹能够方便地对温度、压力边界等条件进行有效控制，已成为国内外学者最为常用的试验装置。本研究利用自行设计的定容弹，研究了不同喷射和环境条件对柴油碰壁喷雾特性的影响。

1 试验装置及方案

1.1 试验装置

定容弹可视化试验平台示意见图1，包括高压共轨燃油系统、定容弹、高速摄影系统、同步触发模块和气路系统等。高压共轨燃油系统控制燃油喷射压力、喷油脉宽、喷油量等，可以实现燃油的单次喷射。高速摄影系统采用CMOS高速摄影仪，拍摄频率8 000 帧/s，图像大小736×736像素。试验采用背光法拍摄，光源选用LED灯。

1—三相交流电机； 2—高压油泵； 3—燃油计量阀； 4—控制单元； 5—高压油轨； 6—光源； 7—喷油器； 8—定容弹； 9—气瓶； 10—镜头； 11—高速摄影机； 12—图像采集计算机； 13—油箱； 14—粗滤器； 15—细滤器。 图1 喷雾碰壁可视化试验平台示意

碰壁平台如图2所示，包括碰壁平板、加热盘、调节螺杆和底座。在壁温试验中，为了加热碰壁平板，设计了碰壁平板的加热装置。碰壁平板加热通过加热盘实现，温度通过温控仪进行控制。为了不影响油束发展，选取碰壁表面边缘点为壁温控制点，同时对碰壁表面中心点温度进行了标定。中心点温度在300～700 K，边缘点与中心点温差小于中心点温度的4%。另外，为了研究表面粗糙度的影响，还设计了两种不同表面粗糙度的碰壁平板。

图2 碰壁平台结构

1.2 特征参数提取

柴油撞壁后，在平板表面向四周铺展。破碎的小油滴飞溅出去，与周围空体相互作用并形成一定的高度。柴油沿平板铺展的半径(RW)和油雾腾起的高度即卷吸高度(HW)是评价柴油碰壁特性的两个重要参数[14-15](见图3)。照片采用Matlab图像处理工具箱进行处理，首先对图像去背景和灰度化处理，然后通过灰度梯度最大值对图像进行边缘检测、分割来提取图像边缘[16]。RW和HW的数据通过多次重复试验取平均值获得。

图3 喷雾碰壁特征参数

1.3 试验方案

试验选用单孔喷油器，孔径0.2 mm，喷射压力范围60～140 MPa，各喷射压力下喷油量见表1。

表1 喷油量随喷射压力的变化

柴油机工作到压缩上止点时，缸内压力一般为3～6 MPa，试验的环境压力根据该范围取值。活塞顶部表面温度在柴油机的一个工作循环中变化范围较小，一般在300～400 ℃之间，试验中壁温范围包含300～400 ℃温度区间。喷油器喷孔到活塞顶部或气缸壁的距离因发动机不同而不同，大部分在12～40 mm之间，碰壁距离以此为依据来进行设置。柴油碰壁试验参数设置见表2，其中喷射压力140 MPa，背压2 MPa，碰壁距离36 mm，壁温300 K，表面粗糙度Ra3.2 μm作为参考工况和其他工况条件下试验得到的数据进行对比，环境温度为室温。Case1～3研究喷射压力的影响，Case3～5研究环境压力的影响，Case3，6～8研究碰壁距离的影响，Case9～14研究壁温的影响，Case3，15研究壁面粗糙度的影响。

表2 柴油碰壁试验参数设置

2 试验结果分析

在碰壁喷雾发展过程中，油束动量相当大的部分在碰撞过程中损失掉了，剩下的部分主要有三个去向：柴油沿平板铺展的动量，油滴破碎损失的动量和铺展、飞溅过程中损失的动量[17]。在不同喷射和环境条件下，由于碰壁后动量的去向不同，RW和HW的变化也不相同。

2.1 碰壁速度分析

柴油碰壁时动量越大，碰壁后可以转化成沿平板铺展和飞溅的动量也越大。当碰壁柴油质量相同时，油束碰壁动量可以通过碰壁速度来表征。本研究通过单孔自由喷雾试验数据拟合出油束前沿速度与位置的关系曲线，然后根据碰壁距离进行插值得到对应位置速度，该速度即为碰壁速度。不同喷射和环境条件下的碰壁速度见表3。从表3中可以看出：适当提高喷射压力能提高碰壁速度；环境压力的提高导致环境密度增加，油束运动的阻力因而增大，碰壁速度减小；碰壁距离的增加使油束运动的路程增加，碰壁速度减小。另外，碰壁平板的壁温、表面粗糙度不会影响油束碰壁速度。

表3 不同条件下碰壁速度

2.2 喷射和环境条件对碰壁喷雾特性影响分析

2.2.1喷射压力对碰壁喷雾特性参数的影响

不同喷射压力下喷雾图像见图4。对比Case1～3试验结果可知，在60～140 MPa范围内，喷射压力的提高对RW和HW的增大都有明显的促进作用(见图5)。

图4 不同喷射压力下燃油碰壁喷雾图像

图5 喷射压力对燃油碰壁喷雾特性参数的影响

提高喷射压力会增加油束从喷油器喷出的速度和质量，在一定范围内可以提高碰壁速度和动量，促进燃油碰壁后铺展和飞溅作用。但是，喷射压力的提高对RW和HW增大的促进作用存在逐渐减小的趋势。

2.2.2环境压力对碰壁喷雾特性参数的影响

对比Case3～5试验结果可知，在2～6 MPa范围内，随着环境压力的提高，碰壁后RW和HW都减小(见图6)。环境压力变大，增加了定容弹内环境气体密度，油束在自由喷雾和碰壁喷雾阶段受到的贯穿阻力增大，因而RW和HW都减小，空间分布上呈现出密集紧凑的形态。同时，油滴碰壁后的飞溅阻力也变大，进一步减小了HW。另外，环境气体密度增大会减弱空气的卷吸作用，不利于燃油与空气混合。

图6 环境压力对燃油碰壁喷雾特性参数的影响

2.2.3碰壁距离对碰壁喷雾特性参数的影响

对比Case3，Case6～8试验结果可知，随着碰壁距离增大，柴油碰壁后RW一直减小，到碰壁后期时，不同碰壁距离条件下RW在数值上非常接近；HW在碰壁前期随碰壁距离增大而减小，在碰壁后期，尤其是碰壁距离范围为22～36 mm时，HW反而随碰壁距离增大而增大(见图7)。碰壁距离越大，柴油碰壁前的时间越长，油束损失的能量增加，碰壁速度减小，RW随碰壁距离增大而减小。虽然碰壁距离增大会导致碰壁动量减小，但是碰壁动量减小降低了柴油碰壁的剧烈程度，使碰撞损失的能量减少，油滴破碎作用减弱，导致在碰壁后期短碰壁距离条件下的RW越来越靠近长碰壁距离条件下的RW，长碰壁距离条件下的HW反而超过短碰壁距离条件下的HW。

图7 碰壁距离对燃油碰壁喷雾特性参数的影响

2.2.4壁温对碰壁喷雾特性参数的影响

对比Case9～14试验结果可见，RW受壁温变化的影响较小，在500 K时达到最大值。HW在壁温小于550 K之前随壁温的增大而逐渐增大，大于550 K之后则逐渐减小，在550 K处到达最大值。当壁温达到650 K或更高时，卷吸高度出现了陡降的现象(见图8)。壁温升高会辐射热量给油滴，使油滴表面张力减小，更容易破碎，促进RW和HW相对增大。同时，油膜蒸发产生的气体会阻碍油滴与壁面接触，减小壁面阻力和粘附力。但是，当壁温过高甚至超过柴油沸点时，会导致附壁油膜大量蒸发，液态油滴大量减少，使RW和HW相对减小。

图8 壁温对燃油碰壁喷雾特性参数的影响

2.2.5表面粗糙度对碰壁喷雾特性参数的影响

对比Case3，15试验结果(见图9)，可见表面粗糙度对碰壁后RW和HW的影响较小，两种表面粗糙度条件下RW和HW基本相同。

图9 表面粗糙度对燃油碰壁喷雾特性参数的影响

2.3 喷射与环境条件影响比较分析

为了研究不同喷射和环境条件对柴油碰壁喷雾特性参数影响的程度，定义了量纲1影响因素I[17]：

Ipinj=pinji/pinj0,

(1)

Ipe=pei/pe0,

(2)

IL=Li/L0。

(3)

式中：pinj0，pe0和L0分别为参考工况下喷射压力、环境压力和碰壁距离；pinji，pei和Li分别为单变量工况下的喷射压力、环境压力和碰壁距离。另外，壁温的影响比较复杂，且在喷油结束前能够提取的有效数据相对较少，本研究未对其影响进行比较。壁面粗糙度的影响很小，几乎可以忽略，也不再进行比较。

定义喷油结束前拍摄到最后一张图片的时刻为T，T=1.875 ms。通过T时刻的RW或HW来比较影响因素I的作用效果。各量纲1影响因素对碰壁喷雾特性的影响见图10。对量纲1影响因素和喷雾特性参数进行相关性分析，得到不同量纲1影响因素和喷雾特性参数相关系数r以及拟合直线的斜率k(见表4)。从表4中可以发现，相关系数r的绝对值都比较接近1，说明不同影响因素和喷雾特性参数都具有较强的相关性。比较拟合直线斜率则可以发现：喷射压力对RW的影响最明显，其次是环境压力，碰壁距离的影响最小；对HW影响最明显的因素仍然是喷射压力，其次是碰壁距离，环境压力的影响最小。

图10 各量纲1影响因素影响比较

影响因素量纲1喷射压力RWHW 量纲1环境压力RWHW 量纲1碰壁距离RWHWr1.000.99 -0.98-1.00 -0.930.93k17.086.80 -4.26-1.22 -3.383.73

3 结论

a) 提高喷射压力，在一定范围内对RW和HW的增大有明显的促进作用，但是随着喷射压力增大，促进作用会逐渐减小；

b) 随着环境压力的提高，RW和HW都减小；

c) 增大碰壁距离，RW一直减小，到碰壁后期时，不同碰壁距离条件下RW在数值上非常接近，而HW随碰壁距离增大而增大；

d)RW受壁温变化的影响较小，在500 K时达到最大值，HW受壁温变化的影响较大，尤其当壁温达到650 K或更高时，HW出现了陡降现象，HW在550 K处到达最大值；

e) 表面粗糙度对碰壁后RW和HW影响都很小，几乎可以忽略；

f) 喷射压力对RW的影响最明显，其次是环境压力，碰壁距离的影响最小；对HW影响最明显的因素仍然是喷射压力，其次是碰壁距离，环境压力的影响最小。

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