基于两段喷射策略的柴油喷雾燃烧特性研究

张士钱，毕庆

(1.龙岩学院物理与机电工程学院，福建 龙岩 364000；2.山东中科先进技术研究院有限公司，山东 济南 250100)

不同的燃油喷射策略对柴油机排放和燃油经济性有较大的影响，相关学者开展了广泛的研究[1]。高压共轨系统的应用，使得对燃油喷射时刻及喷油量进行精准控制更为方便。现在主流的燃油喷射策略，一方面采用预喷使主喷燃烧更柔和，以更好地控制缸内温度和压力的上升速度，进而降低NOx排放并改善噪声[2]，另一方面在主喷后增加后喷，以减少未燃烃(Unburned Hydrocarbon，UHC)和炭烟的形成。随着喷雾轴向动能降低及环境气体卷吸量增加，在喷油结束后(End of Injection，EOI)，喷油器附近的燃油-空气混合物会迅速从富油区过渡到贫油区，卷吸作用使气流减速并停滞在喷油器附近，导致不完全燃烧并产生UHC[3]。后喷将主喷燃烧残余的稀薄混合气从喷嘴附近推向下游，较高的当量比和有利的热环境可实现高效的二次燃烧。研究表明，当后喷时刻及后喷量合理时，后喷技术可以有效降低发动机炭烟生成[4]。

相关学者大多通过两段喷射来研究多次喷射策略之间相互作用机理的复杂性。针对非燃烧状态下两段喷射，Bruneaux[5]和Skeen[6]的研究表明，第二次燃油喷射的气相进入“滑流”状态后，贯穿速度比初次喷射会变得更快。Bruneaux通过测量喷射速度发现，两次喷射之间的相互作用随喷油间隔期缩短而增强，使得第二次喷射头部的油气混合速率增加。对于燃烧喷雾，在以正十二烷为燃料的预燃室内，Skeen对不同环境温度下的两段喷射点火过程的研究结果表明，相比于初次喷射，第二次喷射的着火延迟期(Ignition Delay，ID)减少了至少2/3，这是由于燃烧室内残留了初次喷射的燃烧产物和自由基[7]。Cung等[8]研究了燃油两段喷射间隔时间对着火延迟期的影响。Noud等[9]使用高速OH*化学发光法测量了两段喷射中火焰浮起长度(LOL)的变化，在第二次喷射着火后，LOL缓慢地进一步向下游发展，直到喷射结束后才发生燃烧衰退。

如上所述，相关学者对柴油多次喷射的喷雾特性已经做了大量研究，但关于初次喷射是如何影响第二次喷射燃油与空气混合及燃烧过程仍有许多尚未解决的问题。本研究主要利用光学测量技术详细分析燃烧条件下燃油喷射间隔、初次喷油量等对第二次喷油特性的影响。通过高速纹影成像获得两段喷射的火焰浮起长度(LOL)。此外，通过气缸压力导出的放热率(Apparent Heat Release Rate,AHRR)也可以计算出着火延迟期和燃烧效率，即也可以研究燃烧条件下不同燃油喷射策略如何对着火延迟期、燃烧结构及燃烧效率造成影响。

1 试验工具

1.1 试验装置

试验在一台单缸二冲程光学发动机上进行，该光学发动机设计了直径为45 mm的圆柱形燃烧室，上部有用来观测喷油器状态的视窗，四周有4个水平相互垂直的窗口，其中一个是用来安装压力传感器，其他3个为光学视窗。气缸盖横截面见图1，光学发动机具体参数见表1。发动机运行期间，缸体温度由外部加热/冷却系统控制，进气温度和压力分别由电加热器和空气压缩机调节。为保证缸内没有上一次燃烧的气体残留，缸内环境条件在连续试验循环中保持一致，活塞每上下运动30个循环进行一次燃油喷射。此外，为更直观地观察两段喷射对喷雾特性的影响，试验采用了喷孔直径为0.082 mm的单孔喷油器。

图1 气缸盖剖面图

表1 光学发动机参数

1.2 光学测试技术

在燃烧反应条件下，纹影技术可用于观测瞬态喷雾形状变化和定量测量LOL。纹影法光路布置见图2。用一个抛物面镜(f=610 mm)使得点光源氙灯形成的发散光变为平行光以垂直通过燃烧室。然后，通过放置在燃烧室另一侧的凸透镜(f=450 mm)，使光线聚焦在一个傅里叶平面。同时还用了6 mm的隔膜作为纹影光阑，以方便高速CMOS相机(Vision Research Phatron SA-5)来采集光线，相机采集频率为30 000 fps，分辨率为6.8 pixel/mm，快门时间为0.37 μs。在进行燃烧喷雾的测量时，为消除炭烟辐射光的影响，在相机前设置了带通滤波器(310～440 nm)。与典型纹影装置相比，本试验只使用了一个抛物面镜，通过大焦距反射镜提高图像质量。

图2 纹影法光路示意

纹影法基于光束从一种介质到另一种介质时不同的折射率而导致偏差，如果考虑连续的非均匀介质，则折射率的变化由梯度表示。被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度，利用这一原理实现对气流边界层的捕捉。燃油气相与环境气体空气之间存在较大的折射率差和密度差，采用纹影法即可获得清晰的燃油气相与环境气体之间的边界轮廓曲线。图像处理过程中，首先应用动态背景法对背景进行校核，然后，将图片进行二值化处理，动态选取一定阈值来检测喷雾边界，最后，获得喷雾轮廓后，定义轮廓上距离喷嘴出口最远的点为喷雾贯穿距。此外，除了喷雾贯穿距，还通过分析纹影图像远离喷嘴尖端5个像素点之外的每两个位置之间的喷雾径向增量，得到了两次喷射的火焰浮起长度(将径向增量峰值发生的位置与喷嘴之间的距离定义为火焰浮起长度)。在环境温度高于800 K，密度为22.8 kg/m3条件下，纹影法已被OH*化学荧光法证实为一种有效检测火焰浮起长度的工具[10]。图3示出通过纹影图像得到火焰浮起长度的一个例子。

图3 纹影法测量LOL原理

1.3 放热率计算

根据热力学第一定律，由高速压力传感器采集的气缸压力曲线可得出放热率AHRR[11]，如下式：

式中：p为气缸压力；V为燃烧室容积；m为燃油质量；T为气缸温度；CV为比定容热容。计算前首先对缸压曲线进行了高斯平滑和中值滤波处理。

第一次喷射着火延迟期(ID1)定义为AHRR超过第一个峰值15%的时刻，第二次喷射着火延迟期(ID2)为AHRR从两个波峰之间的最小值处增加到超过第二个峰值15%[12]的时刻。图4示出两段喷射的AHRR和相应的ID1(第一条垂直虚线)和ID2(第2条垂直虚线)，下侧矩形区域表示燃油喷射时间。图4中ID是根据每个循环的AHRR计算的ID的平均值，而不是通过平均的AHRR得到的ID。

图4 AHRR实例及两次喷油的着火延迟期

2 试验方案

表2列出包含6种喷射策略的试验方案。所有试验均在缸内上止点温度870 K，密度22.8 kg/m3的条件下进行，喷射压力保持在150 MPa，且每个试验工况点进行3N=30的测试，喷油间隔指的是初次喷射结束到第二次喷射开始之间的间隔。本研究还将喷油持续期为500 μs和1 500 μs的燃油单次喷射的情况作为对比。同时，为了研究喷油间隔对喷雾特性的影响，在保持相同喷油量的条件下进行两段喷射，分别对喷油间隔为250 μs和750 μs进行了试验研究，记为D250和D750。在初次喷射燃油量的影响规律研究方面，受电控系统的限制，初次燃油喷射时间不能设定在500 μs以内。初次喷射喷油持续期从500 μs(F500)变化到750 μs(F750)，同时，喷油间隔设置为500 μs，第二次喷射喷油持续期均设置为1 000 μs。

表2 试验方案

3 结果与讨论

3.1 着火延迟期和火焰浮起长度

图5示出燃烧条件下不同时刻处理后的Single_L(左)和D250(右)纹影图像。纹影图像中LOL定义为与靠近喷嘴未燃烧部分相比，径向宽度突然开始增加的位置。由图5观察可知，单次喷射时，763 μs ASOI(After Start Of Injection)时已经着火，准稳态阶段的火焰浮起长度稳定在15 mm附近。两段喷射时，在563 μs ASOI初次喷射即将结束时，初次喷射仍然为未燃烧喷雾，燃烧在763 μs ASOI处开始，即在喷雾开始着火与喷油结束之间存在的喷油间隔会导致更高的UHC[13]。从963 μs ASOI起，第二次喷射已喷入初次喷射产生的高温燃烧产物中，这就会导致着火延迟期短于初次喷射持续期[14-15]。第二次喷射的LOL比初次喷射的LOL更接近喷油器，同时也比Single_L喷射的准稳态LOL更接近喷油器。

两段喷射中喷油间隔和初次喷油持续期对着火延迟期及LOL的影响见图6。其中Single_L作为参考，ID1和ID2分别表示第一次和第二次喷油的着火延迟期，LOL1和LOL2分别表示第一次和第二次喷油的火焰浮起长度。如预期一样，所有情况下的ID1都非常相似。显然，在该热力条件下(870 K，22.8 kg/m3)，初次喷射结束的时间发生在ID1之前(D250，D750和F500)或之后(F750和Single_L)对ID1影响不大。与文献[16]的结论一致，即在850 K和900 K的温度条件下EOI对ID没有影响。对于ID2，随着喷油间隔的缩短，ID2会有轻微下降，分析有两种可能：一方面D250和D750之间燃油初次喷射的LOL非常相似(大约15 mm)，燃烧产物由于气流作用向下游移动很慢；此外，D250的第二次喷射只有在距离燃烧产物下游20 mm后才比D750的贯穿速度更快，处于高温燃烧产物的下游。因此，两种工况下的第二次喷射进入高温燃烧产物区的时间相似。另一方面，即使燃油初次喷射燃烧产物的温度可以通过卷吸环境冷空气有所下降，但仍远高于环境温度。根据文献[17]的研究，在高温高密度条件下，着火延迟期对温度的敏感性相对较低。在相同喷油间隔下，不同初次喷射时间F500和F750对燃烧产物温度的影响要比喷油间隔小得多。除了非常相似的LOL1，改变燃油初次喷射量对ID2基本不会造成影响。总的来说，LOL与ID的变化趋势是一致的，只是LOL2对喷油间隔的敏感度略高于ID2。

图5 燃烧条件下不同时刻处理后的纹影图像

图6 两段喷射的ID和LOL随喷油间隔和第一次喷油持续时间的变化情况

3.2 燃烧效率

根据喷油量及低热值，对放热率曲线进行积分，计算了两段喷射及各个单次喷射的燃烧效率。

式中：φ为燃烧效率；m为燃油喷射质量；LHV为正十二烷的低热值。

燃油两段喷射策略的总燃烧效率(φtotal)的积分开始时间为ID1，试验分析了从3 ms ASOI到5 ms ASOI的时间(步长为0.5 ms)，结果显示，到4 ms ASOI后φtotal的值基本没有发生变化，并考虑到燃烧反应的完整性，试验选择了5 ms ASOI作为积分的结束时间。初次喷射燃烧效率(φ1)的积分区间为ID1～ID2，第二次喷射的燃烧效率(φ2)的积分区间为ID2～5 ms ASOI。为更好地说明这些积分区间，图7示出放热率AHRR(实线)及其对应的积分区间(虚线)，此外，图中分别给出了Single_S和Single_L作为参考。

图7 不同喷油间隔和初次喷射时间下的AHRR和积分区间

根据上述定义，表3列出各工况点的燃烧效率和对应的燃油喷射质量。单次喷射的积分区间也是从着火时刻到5 ms ASOI。总的来说，所有的两段喷射情况下，φ2总远大于φ1，可能有两个原因：第一，初次喷射的燃油直到ID2都没有完全燃烧，剩余燃料随着第二次喷射继续燃烧；第二，燃油初次喷射结束后，第二次喷射由于快速的空气卷吸作用，可能会将UHC推至喷嘴区域附近，使其在第二阶段燃烧过程中燃烧[18]。此外还发现，喷油间隔和初次喷油量的变化都不会改变φtotal。

表3 燃烧效率和喷油量

从不同喷油间隔的角度分析，φ1小于Sinlge_S的φ(0.71，假设完全燃烧)，并在较短喷油间隔期内从0.67减小到0.61。结果证明，燃油初次喷射的部分燃料肯定会在第二阶段内继续燃烧，并且随喷油间隔期的缩短而增加，更高的当量比和更有利的热环境会更有助于炭烟形成。对于燃油初次喷射时间，相关研究表明，过量UHC与两次着火间隔之间存在很强的相关性[5]。F500的着火间隔有利于UHC的生成，而F750的着火间隔不利于UHC的生成。换句话说，F500初次喷射生成的UHC可能远远超过F750，这也是F500的φ2比F750稍高的原因。对比F750和Single_L可以发现，适当的两段喷射策略可以在相同喷油量的条件下提高燃烧效率。

4 结束语

以正十二烷为燃料，采用单缸二冲程光学发动机，研究了不同燃油喷射策略对柴油燃烧喷雾特性的影响。应用纹影法得到不同喷油策略下燃烧喷雾的着火延迟期和火焰浮起长度，根据压力变化曲线推导出燃烧过程的AHRR，研究了不同喷油间隔和初次喷油量对第二次喷射的燃气混合及燃烧过程影响。

当喷油间隔较短时，ID2会略有减小。由于初次喷射燃烧产物下游20 mm之前相似的喷雾贯穿速度和火焰浮起长度，D250和D750第二次喷射的燃油进入初次喷射燃烧产物的时间相似。虽然D750的燃烧产物温度由于卷吸更多空气的原因比D250的要低，但其温度依然较高并使第二次喷射在喷入燃烧产物后立即点燃，这使得ID2在高温下的敏感性很低。不同的喷油间隔条件下，LOL2的变化较ID2更敏感，它随着喷油间隔的缩短而降低。

ID2和LOL2不会随着初次喷油持续期的变化而变化，这是由于相似的LOL1和燃烧产物温度。

第二次喷射的燃烧效率高于初次喷射的燃烧效率，可能有两个原因造成这种情况：初次喷射的部分燃油随第二次喷射一起燃烧；初次喷射产生的未燃碳氢化合物在第二次喷射后燃烧。整个喷射过程的总燃烧效率不会随喷油间隔或初次喷油持续期的变化而变化。对于不同喷油间隔，由于喷油间隔越短，ID2之前初次喷射的燃烧时间越少，所以φ1随喷油间隔的缩短而减小。对于不同初次喷油持续期，与F750相比，F500的φ1小得多，这是因为两次喷油的着火间隔小，导致生成更多的UHC。