不同环境条件下向外开口的空心锥形柴油喷雾特性研究

0 前言

在过去几年中，柴油发动机技术已经通过电子发动机控制、增加喷射压力、创新喷射技术和改进充量技术的发展得到了显著改善。直喷(DI)柴油发动机的喷射系统在满足低污染物排放和高发动机效率方面具有重要作用。喷孔的几何形状[1-3]是影响燃料喷雾特性、空气-燃料混合及由此形成的燃烧和污染物的喷射系统参数之一。特别是定义柴油喷油器雾化能力的主要物理过程与特征化喷嘴流动的穴蚀和湍流条件相关。喷孔直径、水力研磨、锥度或入口孔半径等设计参数对内部液力流动都有直接影响，可以在高性能和排放之间进行更好的权衡。基于这个原因，深入了解喷油器几何形状如何影响新出现的喷雾是一项必不可少的任务。

替代传统多孔喷嘴(MHN)的喷雾概念可以认为是1种增加喷射压力的解决方案，以确保活塞碗中的高速和快速空气-燃料混合，最终目标是提高燃料效率和减少发动机排放[4-5]。在这种情况下，空心锥形喷嘴(HCN)喷油器理论上可以成为满足这些目标的有效解决方案。其基本思想是通过使用360°喷射区域来增加径向燃料分布。压力涡流和向内开口空心锥形喷油器具有相对较宽的喷雾角度和精细雾化，通常用于汽油直喷(GDI)和汽油压缩点火(GCI)发动机[6-7]。GCI发动机通常在低温燃烧(LTC)条件下运行，具有达到类似柴油机热效率的潜力，同时显著减少了发动机排出的氮氧化物(NOx)和炭烟，在过去十年中受到越来越多的关注[8-10]。最近，通过压电执行器可以精确控制喷射，向外开口的压电喷油器作为高效的空心锥形喷油器正在普及。压电式喷油器具有更大的线性工作流量范围、更高的静态流量、快速多脉冲产生紧密间隔的多次喷射的能力，可以精确地喷射非常小的油量，具有可变针阀升程的潜力，而且其外开式提升阀设计能更有效地抵抗污垢。此外，由压电喷油器产生的喷射通常能更好地雾化、更少地穿透，产生更紧凑的混合物云团。相对于电磁操作的多孔喷油器，压电式喷油器具有优异的发动机燃烧稳健性、燃料经济性、排放和控制等诸多益处。过去不同研究者分析了这种喷油器的喷雾，但主要集中在GDI喷油器类型的研究上。本文旨在研究高喷射压力下这些喷雾类型的形态和稳定性，这是典型的柴油机应用方式，试验结果可用于研究喷油器行为和发动机的性能，以评估实际应用中柴油压燃或GCI燃烧系统的潜力。

本研究在蒸发和非蒸发条件下及在恒定容积容器中进行原型高压空心锥形柴油喷油器的分析。使用组合的米氏散射和纹影光学技术在大范围的环境条件下研究喷雾结构和燃料蒸发过程的变化。环境和喷射条件的影响反应了关于燃料穿透和蒸发的基本情况。测量了液体和气相在垂直和水平方向上随时间变化的最大伸长率。此外，该数据集将有助于评估先进的计算流体动力学(CFD)数值模型。

1 材料与方法

喷射过程的试验特征是在蒸发和非蒸发条件下进行，将燃料喷入高压恒定容积容器中，在和发动机类似的气体密度下测量空间和时间上的喷雾模式。试验在80.0 MPa和120.0 MPa的喷射压力(Pinj)、环境密度(ρgas)14.8 kg/m3，以及2个环境温度(Tamb)分别为298 K和560 K的状态下进行。设定了3个加电时间(Tinj)0.3 ms、0.7 ms和1.25 ms，以模拟不同的发动机条件。六氟化硫(SF6)用于得到不同环境温度0.25 MPa (298 K时)和0.47 MPa(560 K时)的所需空气密度。 每种喷射条件下，进行5个连续模拟以评估喷雾扩散过程。

使用的喷油器采用向外开口的轴针式喷嘴，能产生类似于在一些GDI喷油器中产生的空心锥形喷雾。该原型的主要特点在于：使用压电执行器直接驱动针阀，动态行为质量高，快速精确控制喷射，最大喷射压力(Pinj)160.0 MPa，并能够以高流速和极低的针阀升程(30 μm)运行。针阀座直径3.5 mm，锥角约145°，最大针阀升程30 μm。针阀升程的变化将导致喷嘴出口区域的改变。针阀升程可以通过激活喷油器压电晶体堆叠的电荷或加电持续时间来控制。选择正庚烷(C7H16)作为单组分流体燃料，确保混合物燃烧过程中实现的化学特性和热力学转变的完整性和独特性，并确保物质的可追溯性。

2 光学设置和图像处理程序

对于多相流体，例如燃料喷雾包含液相和气相，都对特征图像有影响。这使得在没有综合测量的情况下无法明确区分气相和液相。通过选择2种光学技术，即纹影和米氏散射来研究喷雾，沿着相同视线的图像采集允许米氏散射图像覆盖在纹影图像上，从而能标记相位边界。利用高速米氏散射成像来观察液相，同时使用相应的纹影来显现气相。根据传统的Z形折叠配置，使用2个15°离轴抛物面镜(直径101.6 mm，母焦距508 mm)实现纹影设置。使用高速C-Mos相机(Photron FASTCAM SA4)以45 000 f/s的速率获取图像，图像窗口为384×192像素。相机配备90 mm的物镜，焦距为1∶2.8，空间分辨率为4.5像素/mm。

液相的轮廓是通过对图像的最佳滤波来分割喷雾的散射图像而获得的，依赖于传统方法并结合基于Otsu算法的加权累积应用的原始阈值程序。通过利用图像的一些传统滤波和操作来明显加强由蒸汽密度梯度引起的强度纹理，获得了纹影图像的分割，以获得喷雾气相的轮廓。该方法允许从背景中辨别喷雾的整个喷雾气相。关于纹影图像，从获取的图像开始，进行背景的减法和除法以去除噪声，从而保证均匀的背景。假设演化特征时间快于背景(静态减法)，则使用第一个捕获图像(无喷雾)作为背景图像。该除法确保了喷雾强度的进一步增加。最后，伽马(γ=0.6，拉伸图像)和高斯滤波器(σ=1，平滑)是手动操作的，以突出处理中的图像。二值化，即边界，是通过应用于后一图像的Otsu算法获得的。通过类似于先前所示的程序检测液相。背景减法和滤波器是应用于图像的唯一操作，实现了一种全新的阈值定义算法。假设伽玛滤波器的值几乎是单一的(0.9)，而设置高斯One(Gauss one)与纹影处理相同。接下来，应用“加权累积阈值”以突出相对于背景的液体部分。获得相对于对应帧“i-th”加权的阈值的累积和。将平均值设定为阈值，以检测序列的每个图像的液相。最后，将(来自米氏散射图像的)液相和(来自纹影图像的)气相的扩散燃料的轮廓形状叠加到原始图像上。图1显示了在蒸发条件下的原始喷雾图像，左侧为米氏散射，右侧为纹影，而相应的图像与重叠轮廓叠加在第二个喷雾中。喷雾图像显示来自喷嘴的完整液体核心被由混合到液体韧带的燃料蒸汽和精细雾化的液滴组成的区域围绕。在MATLAB平台中开发了内部算法，通过表征液相和气相发展的主要宏观参数来处理图像：轴向(a)和径向(r)穿透与从喷射开始的时间分别作为垂直和水平方向的最大伸长率(图1)。

图1 使用液体轮廓(左侧的米氏散射)和蒸汽(右侧的纹影)相的轮廓图像处理

3 结果与讨论

3.1 喷射率测量

喷射率(ROI)测量的博世计量器通过测量由喷射燃料产生的压力波，获得喷射速率形状。喷射燃料质量的总量由博世管中的压力信号导出，并且通过设备的几何参数和流体的化学-物理性质与喷射率成正比。图2中示出了在30.0 MPa、80.0 MPa和120.0 MPa的喷射压力下，通电喷射时间为1.25 ms的正庚烷燃料的ROI曲线。

图2 喷射压力30.0 MPa、80.0 MPa和120.0 MPa时的喷射率曲线(通电时间1.25 ms)

3个压力的曲线趋势在其持续时间内是相似的。相对于其他2个条件，最低喷射压力(30 MPa)曲线在第一时刻期间燃料流出速度较慢。此外，在每种条件下，在喷射开始后约0.15～0.20 ms可观察到第一相对喷射率峰值。这种效应可能与针阀开起期间的非渐进提升有关，也可能与在达到准稳态之前的流速脉动效应有关。未来关于喷油器内部流动的建模和模拟的研究可以允许对这种行为进行更详细的分析。喷射率持续增加至针阀在约0.4 ms达到其最大升程，此后达到准稳定值。不同的高台水平来自不同的喷射压力，3条曲线在关闭时间的差异可忽略不计。对于所有喷射压力，相应的实际喷射持续时间约为1.30 ms。在喷射压力分别为30.0 MPa和120.0 MPa时，喷射总质量在每行程54.4～88.0 mm3时表现出良好的比例关系。在喷射结束时，由于博世管中的流体动力学效应，倾倒振荡被记录下来。

在表1中，报告了所有调查条件下喷射燃料的总量。对于每行程7.0～88.0 mm3的一系列喷射燃料质量，喷射系统表现出稳定且重复的行为。观察到随着喷射压力和喷射时间的增加，喷射量有增加的趋势。

表1 不同喷油压力和喷油时间下的喷油量

3.2 整体喷雾特性

更改了喷射压力、通电持续时间和环境温度，以分析和比较每个执行变量对喷嘴出口流量的具体影响。非蒸发(Tamb298 K)和蒸发条件(Tamb560 K)下将显示液相和气相发展的主要特征描述。

通过纹影和米氏散射光学技术分析非蒸发条件下的液相。 2种技术捕获的喷雾形态看起来非常相似，因此在本研究中只选择非蒸发温度下通过米氏散射对液相的分析。图3中示出了一般喷雾形状和喷雾结构的演变，在非蒸发条件下喷射压力为80.0 MPa时，喷射开始后不同时间液体喷雾的米氏散射图像。

图3 蒸发温度298 K、喷射压力80.0 MPa时的液体喷雾演变

从早期的喷雾图像可以看出，新出现的环形液体喷射流相当规则，喷射前沿处在轴向方向上达到准相等的穿透。之后，观察到燃料的轻微不均匀分布(在左侧更多穿透)，可能是由于喷油器板的不规则提升导致喷嘴出口面积不均匀。因此，在全针阀升程时，在一侧观察到更显著的燃料流动现象，喷油器喷嘴到喷射前沿的垂直方向上的最大距离作为轴向穿透，反之亦然。在径向方向上，从早期时刻开始的整个喷射事件中，喷雾在两侧以准对称模式发展。在两侧测量了径向演变，并计算在每个喷射时间的5次重复的平均值。

从该视图采集的图像显示了在恒定容积容器后壁前后方向的喷雾扩散云的敏感影响。 正如试验结果所描述的，HCN喷雾这种典型的反向流动来自不同的同期效应。首先，来自外部区域的强烈气流进入锥形喷雾，产生具有环形涡流的再循环区域。此外，针阀升程本身的液压动态特性，加上空气夹带进入喷雾，在轴针和阀座之间的间隙中形成气泡和气穴，其位置取决于喷雾径向或切向哪个方向更有利。穴蚀现象可能是气囊的原因，而不是针阀密封区域周围的连续蒸汽膜，HCN喷雾试验可视化证明了这一点。

图4 喷射持续时间对轴向和径向液体穿透的影响(喷射压力80.0 MPa)

图4显示了在80.0 MPa的喷射压力下喷射持续时间对轴向(顶部)和径向(底部)液体穿透的影响。测量采集远远超过有效喷射持续时间，以便即使在喷油器关闭后也能跟随喷雾发展。通过传播分析，考虑到循环间的误差，因此在连续5次喷射中取平均值。每一次采集时间都报告相应的误差线。第一个有用的测量是喷射开始后(ASOI)22.2 μs的采集图像。轴向和径向轮廓在所有调查持续期随时间准线性增长。可以识别喷雾传播中的不同阶段：在液体分解期间恒定速度的初始线性传播，之后是液滴的平方根状减速。扩散边缘趋势主要是喷射压力、环境密度和喷出区域的函数，与加电时间无关。图4中的曲线说明了不同喷射持续时间对喷雾演变在公共重叠轮廓区域的影响可忽略不计。事实上，喷射的最长持续时间只是最短喷射的延伸。在喷射结束后，喷雾减慢了进化，达到稳定值。同时如轮廓图所示，在轴向和径向上，喷雾随喷射持续时间有很好的放大特性，这是所有喷射系统具有良好稳定性的特征。

在先前研究中，考虑到相同的喷射条件，仅对效果进行分析，对HCN(与当前类型非常相似)和MHN喷射器的喷雾性能进行了数值比较。由不同的喷油器配置引起，在相同的喷射率下，最明显的差异在于HCN原型产生的喷雾的最低径向穿透。这可归因于HCN中的喷出面积增加，是MHN的3倍，液滴直径和喷射速度同时降低，导致喷射动量减小。

在非蒸发条件下研究了燃料喷射压力对空心锥形喷雾形态的影响。图5示出了喷射压力80.0 MPa (左)和120.0 MPa(右)，通电时间为0.7 ms时，不同ASOI时间的2种米氏散射喷雾序列。喷射燃料量从每行程41.0 mm3增加到45.6 mm3(表1)，与喷射压力的增长有关，导致水平和垂直方向上的液体穿透更大。因此，当增加喷射的燃料量时，喷雾看起来更密集和更亮(右侧)。最后，当改变喷射压力时，没有观察到喷雾整体形态的显著影响。观察到Pinj120.0 MPa喷雾的重复性和稳定性，表明HCN喷油器能产生高压空心锥形喷雾。

图5 喷射压力80.0 MPa(左)和120.0 MPa(右)时的液体喷雾顺序

图6描绘了不同喷射压力下液体轴向和径向穿透趋势，喷雾随着喷射压力从80.0 MPa增加到120.0 MPa，在2个方向上的增量。这些轮廓仅在早期阶段重叠，之后最大的燃料动量在两侧产生强烈的喷雾演变。尽管喷油器的几何形状与传统的柴油多孔喷嘴完全不同，但是穿透曲线的形状表明，物理过程似乎与破坏液体核心的主要和次要分裂机制非常相似，即从喷嘴喷出，变成细丝、气泡液滴和飞沫。

图6 不同喷射压力下的液体轴向和径向穿透

通过将环境温度提高到560 K，远远超过正庚烷沸点(371.4 K)来研究蒸发条件。 位于加压容器内的J型热电偶可以精确测量环境温度，偏差在设定值的±5 K的范围内。

图7展示了在不同ASOI时间的蒸发喷雾序列，其源自米氏散射(左)和纹影(右)光学技术。在喷射压力80.0 MPa、持续喷射时间1.25 ms时，得到的燃料喷射量为每行程82.9 mm3(表1)。对于每一列，环境温度的影响可以根据米氏散射图像的液相及纹影的液体和蒸气来评估。

图7 蒸发条件下的喷雾顺序、液体和蒸汽检测

环境温度的增加对液体、大量分散的液滴及气相都有影响。图7中的纹影喷雾图像显示了液体的致密核心(紧邻喷嘴的暗部分)和在液体周围的混合区域，包括细丝、精细雾化的液滴和气相。由于更强的液滴雾化，气相开始在外部喷雾边缘处发展，然后随着时间的推移越来越多地生长。喷雾在空间和时间上的演变显示了这种喷嘴构造的能力，即均匀地和周向地分布，产生精细雾化的喷雾，有助于改善燃料和空气的混合水平。

图8 在80.0 MPa的喷射压力下环境温度对液体轴向和径向穿透的影响

关于液相，可以在图8的液体喷射穿透图中，针对轴向和径向方向估计蒸发速率。图8描绘了在80.0 MPa的喷射压力下，液体从室温到560 K随环境温度的变化趋势。轴向传播的轮廓重叠至约0.2 ms，表明在早期阶段蒸发过程的影响可忽略不计。之后，在最高温度下，液体的穿透比室温的要长。这种意外行为的原因可以在图9中解释，液体喷雾在蒸发条件(图9(a))和非蒸发条件(图9(b))之间的比较。如前所述，在室温下，液体喷雾前端以准均匀的方式随时间发展(图9(b))，反之亦然。蒸发过程的效果促使液体喷雾向中间塌陷，中间燃料浓度比周边密度小，随之喷雾锥角得以收缩。因此，在喷雾的两侧形成了2个更有穿透力的波瓣。在喷射过程结束时，相对于中心部分，侧面的穿透越来越多地增加。该最大值被认为是轴向穿透，当蒸发条件发生时，其垂直方向上的液体喷雾传播比室温时更长。由于在气化过程，液体空心锥形喷雾的收缩在径向方向上强烈减少。在蒸发条件和非蒸发条件下，液体轮廓之间的发散趋势是液体燃料在水平方向上蒸发的结果，该蒸发随着时间的推移越来越多。

图9 蒸发和非蒸发的液体喷雾形态

图10展示了环境密度为14.8 kg/m，轴向和径向喷射压力为80.0 MPa时，液体和蒸气穿透轮廓随时间的变化。米氏散射与代表液体和蒸气的纹影图像，在两相共存条件下，仅代表由燃料完全蒸发形成的蒸气。在早期，纹影穿透曲线与米氏散射曲线匹配，表明在液体周围没有检测到蒸气。之后，穿透曲线开始彼此相异。该偏差表明，除了2个方向上的液相之外还存在气相。值得注意的是，在没有互补的米氏散射图像的情况下，该结论无法单从纹影得到，纹影在未分化模式中包含液相和气相。从喷射开始的稍后时间起，蒸气轮廓比液体轮廓向前移动更快，液体和蒸气径向曲线在很长时间内都有轻微的饱和趋势。

图10 蒸发条件下轴向和径向的穿透轮廓

4 结论

通过使用米氏散射和纹影技术的成像方法，研究了宽广范围喷射和不同环境条件下外开式压电喷射器的宏观行为。与传统的用于汽油的空心锥形喷油器相比，该外开式压电喷射器能在更高喷射压力条件下，在加热恒定容积的加压容器中进行正庚烷的喷射。在蒸发和非蒸发条件下产生高压空心锥形喷雾，可以评估整体喷雾形态以及液相和气相的演变。

组合光学技术非常适合捕获燃料的各种热力学特性，并且对控制参数(环境温度和喷射条件)很敏感。 尽管喷油器的几何形状与传统的柴油多孔喷嘴完全不同，但是穿透曲线的形状表明，物理过程似乎非常类似于主次分裂机理，即将喷嘴喷出的液体核心分解成细丝、气泡液滴和飞沫。

直接驱动压电系统能够精确控制针阀提升。HCN针阀提升能产生非常小的初始液滴尺寸，从而提供精细且周向分布的雾化喷雾，有助于改进空气-燃料混合水平。采用HCN喷嘴原型，利用其较高的初始蒸发速率和良好混合水平的特性，可以作为汽油直喷压缩点火(GDICI)发动机和预混压燃(PCCI)发动机的改进方案。所采用的原型喷油器的关键是在相同喷射条件下，相对于传统多孔喷油器，由于径向穿透明显减少，因而整体喷油器的穿透似乎有所减少。应通过进一步研究深入分析这种影响，以评估是否可以适当控制喷雾穿透和雾化水平。获得的数据可用于验证先进的CFD数值模型。