柴油机交叉孔喷嘴自由喷雾特性实验研究∗

2018-12-12向立明田江平隆武强袁文华

汽车工程 2018年11期

向立明，田江平，隆武强，袁文华

(1.湖北文理学院汽车与交通工程学院，襄阳 441053； 2.大连理工大学能源与动力学院，大连 116024；3.邵阳学院机械与能源工程学院，邵阳 422000)

前言

柴油机喷雾雾化效果对燃烧有重要影响，优化柴油机喷雾对提高燃油经济性和改善排放非常关键。在新型柴油机设计中，为减小碳烟生成，主要通过提高燃油空气的混合速率和减小燃烧过程中过浓混合气分布的区域，从而改变燃烧在空间和时间上分布来实现。通过优化喷油器喷嘴设计来加强喷雾体内的湍流扰动是提高油气混合速率的有效手段。1987年大连理工大学胡国栋教授首次提出“伞喷燃烧系统”[1]的概念，经过近40年的探索研究，伞喷喷油嘴前后经历三代[2-7]，增大喷雾贯穿距和喷雾扩散面积使喷雾分布更均匀。日本广岛大学的西田等[8-12]人对组孔喷油嘴的研究得出与单孔喷油嘴相比其喷雾破碎更彻底、雾化效果更好的结论。美国威斯康星大学的Reitz等人的实验[13-14]也证明了组孔喷嘴在特定条件下能降低柴油机的油耗。大连理工大学隆武强教授在2008年提出了交叉孔喷油嘴结构的设计思想，在相同的喷射压力下可得到更好的雾化效果[15]。董全等人的实验表明，交叉孔喷嘴的喷雾锥角更大，雾化效果更好[16-18]。之前的研究主要集中在喷雾的初次破碎，为进一步研究喷雾后续气相的发展，本文中基于可视化定容弹系统，利用阴影法研究喷射压力、温度、背压和交叉角度对交叉孔喷嘴的喷雾特性的影响，并与单孔喷油嘴进行对比，探究交叉孔喷油嘴在喷雾过程中的优势。

1 实验方法与装置

喷雾与燃烧可视化实验台总体布置如图1所示，主要由定容弹、燃油喷射系统(包括压力产生器、共轨管、喷油器等)和高速摄影机等部件组成。定容弹内的气体通过布置在其中的电阻丝来加热，最高可提供的温度为1 000K，压力为10MPa。温度检测采用K型热电偶，最高可测量温度为1 300K。采用NCI3.1 052型喷油器，由电磁阀控制喷射。控制软件给出信号后电磁阀打开，高压燃油通过喷油器喷入定容弹内。压力产生器在高压共轨内产生最高可达660MPa的超高压力。基于NI CompactRIO和LabVIEW控制程序的同步控制系统可实现精确的控制。高速摄影机记录整个喷雾起始发展过程，型号为 FASTCAM SA-Z，镜头型号为 AF-S VR 70-300mm f/4.5-5.6G IF-ED。在计算机上使用相机自带的PFV软件来控制调节相机的分辨率和拍摄帧速率等参数。

图1 可视化实验台总体布置

自由喷雾实验主要采用阴影法，分别观测高蒸发态和低蒸发态下的自由喷雾特性。图2为纹影仪的原理示意图，去除刀口，即可得到喷雾场内液相变化的阴影法图像。

图2 纹影仪原理示意图

2 实验条件

图3 单孔和交叉孔结构图

实验中选用了4种喷嘴，其结构尺寸如图3所示。交叉喷孔直径为0.14mm，交叉角为15°，20°和25°，同时选用直径0.14mm的单孔喷嘴进行对比。其中20°交叉孔喷油器仅在研究交叉角对喷雾的影响时采用。本文中研究喷射压力、温度、背压和交叉角对交叉孔喷嘴喷雾特性的影响，实验条件如表1所示。

表1 自由喷雾实验条件(阴影法)

3 实验结果与分析

3.1 喷射压力的影响

3.1.1 低蒸发态

在较低的环境温度(560K)下喷雾液滴蒸发相对较慢，本文中将此喷雾状态称为低蒸发态，较高的环境温度下的喷雾状态称为高蒸发态。

(1)喷雾宏观结构

温度560K，背压3MPa和喷射压力160MPa下单孔与15°和25°两个角度的交叉孔不同时刻的喷雾图像如图4所示。由图可见，0.5ms ASOI(喷射开始后时间)时刻单孔喷嘴的贯穿距要比两种交叉孔喷嘴都长，而15°和25°交叉孔喷雾锥角和喷雾投影面积都比单孔的大。在环境气体的卷吸作用下，0.9ms ASOI，15°和25°交叉孔喷雾图像边缘可明显地观测到更多的细小液滴破碎和湍流涡团，25°交叉孔的左下侧小范围出现液滴蒸发并向周围扩散，如图中浅色椭圆范围所示。在1.1和1.3ms ASOI时刻，25°交叉孔喷雾前沿两侧出现范围更大的气相扩散蒸发，如图中深色椭圆范围所示；而15°交叉孔喷雾边缘也出现了很多湍流涡团，在1.3ms ASOI时刻也出现了小范围的气相蒸发扩散，但比25°交叉孔的要小很多。在1.3ms ASOI时刻，单孔喷雾边缘也出现涡团和小液滴的破碎，以及范围更小的气相蒸发扩散。

(2)贯穿距

图4 160MPa下喷雾图像

不同喷射压力下3种喷嘴自由喷雾贯穿距如图5所示。80，120和160MPa对应的喷射脉宽分别为2.15，1.55 和 1.05ms。

80MPa时喷射前期单孔和15°交叉孔自由喷雾贯穿距相差不大，而25°交叉孔喷雾前期贯穿距小于前两者。说明交叉孔交叉角使喷孔汇聚时喷束的动量损失增大，减小了轴向动能。这种损失随着喷射压力提高而增大，故在喷雾前期，单孔贯穿距大于交叉孔喷雾贯穿距的幅度随着喷射压力提高而增大；在80MPa喷射压力下，15°交叉孔贯穿距大于25°交叉孔，大交叉角度导致更多的动量损失。而随着喷射压力的提高，2个角度喷雾前期贯穿距的差距在减小，说明较高的喷射压力增强液滴破碎效果，25°交叉孔由于交叉角度较大，油滴破碎受喷射压力影响较大，细小的破碎液滴扩展较快，一定程度上弥补了由于大交叉角度而导致的更多的动量损失。在喷雾后期，与单孔相比，15°和25°交叉孔喷雾贯穿距明显增大，随着喷射压力提高，交叉孔和单孔贯穿距差距缩小。

(3)喷雾锥角

图5 不同喷射压力下贯穿距

图6 为喷射压力80和160MPa下单孔与15°和25°交叉孔喷雾锥角的折线图。低蒸发态下，喷雾锥角主要受喷射压力和交叉角的影响。在喷雾前期主要是密集的液注阶段，在80MPa的低喷射压力条件下，两种角度交叉孔喷雾锥角折线图几乎重合，当提高喷射压力后，较大角度的交叉孔径喷雾锥角有很大提高，在喷雾前期25°交叉孔喷雾锥角比15°大。在喷雾后期由于蒸发较少，且本文中采用的是测量1/2贯穿距处的喷雾锥角，没有考虑喷雾前沿蒸发扩散的不规则气相部分，两种角度的交叉孔喷雾锥角接近。交叉孔喷雾在两种压力下的喷雾锥角均明显大于单孔喷雾锥角。随着喷射压力的提高，交叉孔喷雾锥角和单孔喷雾锥角的差距在增大，且25°交叉孔增幅大于15°交叉孔。

3.1.2 高蒸发态

温度760K，4MPa的环境工况，160MPa喷射压力下单孔和两种角度的交叉孔不同时刻的喷雾图像如图7所示。可以看出，在高温和高喷射压力下，交叉孔蒸发比单孔提前很多，其中25°交叉孔的蒸发提前明显。在喷雾前期，25°交叉孔喷雾边缘细小液滴破碎和气相蒸发扩散现象非常明显。15°交叉孔喷雾前沿向周边不规则的蒸发扩散的范围明显比25°交叉孔小。但与单孔相比较，喷雾面积要大很多，而且前沿气相范围更广。

图6 不同喷油压力下的喷雾锥角

图7 160MPa下喷雾图像

不同喷射压力对贯穿距的影响如图8所示。喷雾前期单孔与交叉孔贯穿距差距不大，这是由于较高的温度和喷射压力下，交叉孔前期喷雾蒸发加强，气相轴向扩散在一定程度上弥补了喷射初始由于交叉角度带来的动量损失。在160MPa喷射压力下25°交叉孔贯穿距短于15°交叉孔和单孔。这是由于过高喷射压力带来的动量方面的损失和促使液滴破碎与蒸发气相向径向周边扩散蒸发的作用大于气相蒸发轴向扩散对贯穿距的弥补作用，高喷射压力和高蒸发温度对较大交叉角度的交叉孔蒸发的影响更大。在喷雾后期，15°的交叉孔贯穿距始终略大于单孔贯穿距，这可能是因高蒸发温度下交叉孔气相蒸发效果强于单孔，交叉孔喷雾边缘液滴破碎蒸发更快，细小的破碎液滴伴随着气相蒸发加强，喷雾前沿气相蒸发轴向扩展更快所致。而25°交叉孔则始终低于单孔和15°交叉孔，这是因为大交叉角度使喷雾发展过程中向周边蒸发扩散效果较强，动量损失多，空气卷吸阻力作用大的缘故。可以看出，随着喷射压力的增大，交叉孔与单孔贯穿距的差距缩小。

图8 不同喷射压力下贯穿距

图9 为80和160MPa喷射压力下3种喷嘴喷雾锥角折线图。与低蒸发态喷雾锥角变化规律类似，两种角度的交叉孔喷雾锥角明显大于单孔，且随着喷射压力的提高而明显增大。25°交叉孔喷雾前中期锥角比15°交叉孔大，且随着喷射压力的提高而差距变大，这是由于在高蒸发态下，提高喷射压力对较大交叉角度影响作用更大，使大角度交叉孔喷雾边缘更易蒸发扩散，从而增大了喷雾锥角。

3.2 温度的影响

(1)贯穿距

图10为3种喷嘴在160MPa喷射压力和不同的环境条件下贯穿距的对比。

图9 不同喷油压力下的喷雾锥角

可以看出，在喷雾前期，单孔在高蒸发态下贯穿距明显短于低蒸发态。随着喷雾发展，在喷雾后期蒸发加强，贯穿距增大直至超过低蒸发态。而两种角度交叉孔在喷雾前期，其高蒸发态喷雾贯穿距就略大于低蒸发态，15°交叉孔高蒸发态贯穿距大于低蒸发态的幅度更明显，说明交叉孔蒸发较单孔提前，细小液滴破碎蒸发扩散增大了喷雾贯穿距。小角度交叉孔在喷雾轴向蒸发扩展更快，而大角度交叉孔喷雾径向扩展更快。

图10 不同温度贯穿距对比

(2)喷雾锥角

图11为3种喷嘴在160MPa喷射压力和不同的环境条件下喷雾锥角的对比。

图11 不同温度喷雾锥角对比

可以看出，无论在高蒸发态还是低蒸发态，单孔自由喷雾锥角均远小于交叉孔，且温度提升后，喷雾锥角提升较小，说明加强蒸发后单孔自由喷雾边缘液滴破碎蒸发效果不如交叉孔，而交叉孔在低蒸发态和高蒸发态的自由喷雾锥角远大于单孔，交叉角度越大喷雾锥角越大。高蒸发态对25°交叉孔喷雾锥角的增大程度大于15°交叉孔，这是因为较大的交叉角的喷雾锥角更大，气相蒸发更早，扩散范围更广。