李向榮， 薛繼業(yè)， 萬遠亮， 蘇立旺， 何旭， 劉福水

(1. 北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081； 2. 東風商用車有限公司技術中心， 湖北 武漢 430056)

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高溫高壓條件下柴油的霧化蒸發(fā)特性

李向榮1， 薛繼業(yè)1， 萬遠亮2， 蘇立旺1， 何旭1， 劉福水1

(1. 北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081； 2. 東風商用車有限公司技術中心， 湖北 武漢 430056)

利用高速攝影和紋影法，在可變溫度和壓力的定容燃燒彈中，模擬發(fā)動機的實際運轉工況，進行了不同噴油壓力和背景壓力條件下柴油的霧化蒸發(fā)特性試驗研究，得出一系列熱態(tài)噴霧圖像。研究表明：噴油壓力越高，霧注總的貫穿距離、錐角和投影面積越大，但液核的最大貫穿距離、錐角和投影面積變化不大，顯著蒸發(fā)時刻不斷提前，氣相部分投影面積增大，混合均勻性改善；隨著背景壓力的升高，氣、液相貫穿距離均下降，霧注總的噴霧錐角增大，霧注面積、液核面積減小。

柴油； 噴霧； 蒸發(fā)特性； 噴油壓力； 背景壓力

柴油是目前內燃機的主要燃料之一，其霧化蒸發(fā)特性對內燃機燃燒和排放有重要的影響[1-2]。柴油通常在活塞接近壓縮上止點時噴入燃燒室，與高溫的壓縮空氣混合后自燃，從燃油的噴入到混合氣的燃燒，時間僅為1 ms左右，能否在該時間段內使柴油迅速霧化蒸發(fā)并與空氣混合，直接影響發(fā)動機整體性能[3-4]。

Hiroyasu H.和Arai M.曾經在2 MPa的環(huán)境壓力下得出常溫低壓下噴霧貫穿距離公式[5]；Dent J.在定容彈中研究了非蒸發(fā)噴霧和蒸發(fā)噴霧的貫穿距離，得出貫穿距離的公式[6]；Kamimoto J.等人使用紋影法在高速壓縮機中研究了柴油噴霧特性，發(fā)現在其試驗條件下，液相噴霧的最大貫穿距離不大于25 mm，并且不受噴油壓力影響[7]。郭紅松等人曾利用PLIEF技術對高溫高壓條件下噴霧結構和濃度場進行了研究，但其對柴油蒸發(fā)特性分析較少[8]；徐陽杰等人研究了柴油霧化特性隨噴孔直徑的變化規(guī)律，但研究工況為常溫常壓[9]。國內近幾年針對噴霧的研究則主要集中于柴油與生物柴油的對比[10-14]。這些研究中，雖然使用了不同的燃料，但研究方法同樣是采用高速攝影與紋影技術，而且研究工況是以常溫為主，未對蒸發(fā)態(tài)噴霧中已蒸發(fā)部分(氣相燃油)和未蒸發(fā)部分(液核)分別進行分析。因此，有必要對高溫高壓以及高噴油壓力條件下柴油的噴霧蒸發(fā)特性進行更深入的研究。

本研究總結前人的方法和經驗，利用高速攝影技術，在定容燃燒彈周圍搭建了一套反射式紋影系統(tǒng)，可以清晰地觀測到高溫高壓下柴油噴入定容彈后的一系列變化。在此基礎上，研究噴油壓力、背景壓力等條件改變對柴油霧化蒸發(fā)特性的影響，并得出規(guī)律。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置及基本原理

試驗采用紋影測試技術，圖1示出了試驗中采用的紋影光路示意。紋影技術的基本原理是用刀口切割光源像，把光線受流場的擾動轉變?yōu)橛涗浧矫嫔系墓鈴姷姆植?。本試驗的紋影系統(tǒng)采用的是凹面鏡。

圖1 紋影法光路圖

圖2為試驗裝置示意。該裝置主要由定容燃燒彈系統(tǒng)、紋影光路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)(ECU)、燃油供給系統(tǒng)、高速攝像機等組成。

圖2 試驗裝置示意

定容燃燒彈內部設計有加熱裝置，溫度可以升至900 K，壓力可以充至6 MPa，可模擬發(fā)動機在壓縮到上止點時的工作環(huán)境，溫度和壓力在外部通過單片機加以控制。由于加熱裝置布置在定容燃燒彈內測試區(qū)域的下方，加熱過程中熱量從下往上傳遞，因而在測試區(qū)域的軸向與徑向存在一定的溫度梯度。在試驗前對定容燃燒彈內的溫度進行標定。測試結果表明，在噴嘴下方軸向100 mm內，溫差在10 K以內，軸向溫度梯度較?。粡较驕囟忍荻容^大，軸線位置處的溫度比壁面位置的溫度約高 20 K。在試驗中，設置參數時考慮了溫差的存在，保證噴霧區(qū)域實際溫度與試驗方案溫度溫差最小。定容燃燒彈周圍有4個直徑為100 mm的視窗，用來觀測燃料的噴霧、燃燒狀況。為拆卸方便，本試驗使用左右兩個視窗作為紋影光路，另外兩個視窗用金屬板密封。

1.2 試驗過程及圖像處理方法

試驗選用0號柴油，其十六烷值為50，20 ℃時密度為838 kg/m3，運動黏度為3.9 mm2/s，凝點為-3 ℃。試驗在800 K的背景溫度下進行，噴孔直徑為0.28 mm，噴油脈寬為1.0 ms，選取N2為背景氣，試驗參數見表1。

為了減小視窗受熱膨脹造成測量誤差，每次試驗結束后，都拍攝一個固定尺寸的參照物，便于提高測量計算精度。圖像處理過程中利用Matlab進行去背景處理，并結合原始噴霧圖像用圖像處理軟件中的套索工具套取霧注圖像，再得出霧化蒸發(fā)特性的相關數據。

表1 試驗工況參數

2 試驗結果與分析

本研究分別對霧注已蒸發(fā)部分(氣相燃油)和未蒸發(fā)部分(液核)進行了研究。圖3示出了各個試驗

圖3 柴油自由 射流示意

參量的定義及關系，包括貫穿距離、噴霧錐角、霧注投影面積等。其中，黑色未透光部分為液核區(qū)域，明亮的透光部分為蒸發(fā)區(qū)域。

圖3中：L為貫穿距離；Ly為液核貫穿距離；Lq為氣相部分長度；φ為總的噴霧錐角；β為液核錐角，A為液核面積；B為霧注總的投影面積。

各組鎖骨下動脈狹窄患者盜血程度的比較見表2。合并椎動脈狹窄性病變組各亞組間（同側椎動脈狹窄性病變組、對側椎動脈狹窄性病變組、雙側椎動脈狹窄性病變組）盜血程度的兩兩比較均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。而合并椎動脈狹窄性病變組及各亞組分別與對照組比較，Ⅱ期與Ⅲ期盜血所占比例均明顯低于對照組（P＜0.05）。

霧注總的面積和液核部分的面積可以通過以下兩種方法得出：

a) 測量法：霧注的噴霧面積和液核面積根據每幅圖片中每個像素點所占的面積編寫Matlab程序計算得到。每組圖片選取5張進行處理計算，得出噴霧面積、液核面積的變化曲線。測量法只是用于同計算法作對比，因此，只選取5張圖片進行測量。

b) 計算法：霧注的噴霧面積和液核面積可由下式得出[15]。

計算霧注總的面積時，l=L，θ=φ；計算液核部分的面積時，l=Ly，θ=β。

2.1 噴油壓力對柴油霧化蒸發(fā)的影響

圖4示出了不同噴油壓力下柴油油束的發(fā)展過程。圖右側的比例尺每格代表25 mm。從圖中可以看出隨著噴油壓力的升高，噴霧加速向前發(fā)展，貫穿距離明顯變大，蒸發(fā)速度加快。

圖5示出了背景壓力6 MPa時，不同噴油壓力下霧注和液核的貫穿距離隨時間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，噴油壓力越高，霧注的貫穿距離越長。這是因為噴油壓力高，噴口內外壓力差增加，動能較大，射速高，燃油可以到達較遠的地方。而噴油壓力越大，液核速度越快，到達最大長度的時間越短。但是不同噴油壓力下，液核的最大貫穿距離變化不大，約為25 mm，因此噴油壓力對液核的最大貫穿距離基本沒有影響。

試驗分析得出，在匹配發(fā)動機燃燒系統(tǒng)過程中，可以根據液核貫穿距離不隨噴油壓力變化的特點來設計燃燒室徑向尺寸，這樣可以減少液相柴油與壁面接觸，避免“濕壁”現象的發(fā)生。

圖4 不同噴油壓力下柴油噴霧發(fā)展過程

圖5 不同噴油壓力下貫穿距離的變化

圖6示出了不同噴油壓力下氣相長度隨時間的變化。從圖中可以看到，噴油壓力對氣相長度的影響較大。噴油初期，霧注貫穿距離與液核貫穿距離基本一致，這是因為，這段時間內燃油未發(fā)生顯著蒸發(fā)，蒸發(fā)量小于噴油量，液相油束在縱向的發(fā)展與霧注一致。隨著噴油時間的增加，蒸發(fā)量逐漸增加，霧注貫穿距離與液相貫穿距離分離，氣相長度產生。相同的噴油時刻下，隨著噴油壓力的增加，氣相長度增加，說明提高噴油壓力，燃油蒸發(fā)量增加。同時，隨著噴油壓力的不斷提升，氣相長度出現的時刻提前，這說明噴油壓力越高，燃油蒸發(fā)速度越快?？梢酝茢?，高的噴油壓力下，破碎霧化形成的燃油液滴粒徑更小。

圖6 不同噴油壓力下氣相長度的變化

圖7示出了不同噴油壓力下噴霧錐角、液核錐角隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，總的噴霧錐角會隨著噴油壓力的提高不斷增大。而對于液核錐角，噴油壓力的影響并不明顯。這是由于氣相部分比液核更易受背景氣體阻力和卷吸作用的影響。

圖7 不同噴油壓力下噴霧錐角的變化

圖8示出了不同噴油壓力下總的霧注面積、液核面積隨時間的變化規(guī)律。

圖8 不同噴油壓力下霧注面積的變化

從圖中可以看出，兩種方法得到的面積曲線規(guī)律基本一致，噴油壓力越高霧注貫穿距離越大、投影面積越大，而液核投影面積基本保持不變，因此氣相部分面積越大。說明提高噴油壓力既可以增大柴油的氣相部分的面積、改善混合均勻性，又能減小著火后火焰區(qū)域內液相燃油比例，這對提高燃油經濟性和降低炭煙排放有著重要意義。

2.2 背景壓力對柴油霧化蒸發(fā)的影響

圖9示出了噴油壓力140 MPa時，不同背景壓力下柴油噴霧發(fā)展過程。背景壓力減小，燃油能夠發(fā)展到較遠的區(qū)域；燃油在背景壓力較低時，噴霧形態(tài)細且長，背景壓力較高時，霧注粗且短，這是因為背景壓力越高，燃油縱向發(fā)展阻力越大，更多的燃油在橫向擴張，呈現出圖像中發(fā)展形態(tài)。

圖9 不同背景壓力下柴油噴霧發(fā)展過程

圖10示出了不同背景壓力下總的霧注貫穿距離、液核貫穿距離隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，隨著背景壓力的升高，氣、液相貫穿距離均下降。在0.3 ms以內，氣、液相貫穿距離基本一致，都隨時間呈現線性增長，這段時間蒸發(fā)較少。隨著燃油的不斷蒸發(fā)，在0.5 ms左右，油束的蒸發(fā)速率與噴油速率達到平衡，液核停止向前發(fā)展，液核貫穿距離基本保持不變。但氣相長度會隨著蒸發(fā)的進行而繼續(xù)向前發(fā)展，氣相長度表現出明顯的增長趨勢。

試驗表明，背景壓力對于霧注和液核的貫穿距離都有較大的影響。隨著背景壓力升高、氣體的密度增大，霧注和液核貫穿距離減小。柴油機要實現高效低排放的燃燒就必須保證油、氣、室的良好配合，因此增壓壓力提高后，燃燒室的設計需考慮噴霧貫穿距離的減小。

圖10 不同背景壓力下貫穿距離的變化

圖11示出了不同背景壓力下霧注和液核錐角隨時間的變化曲線。在噴霧發(fā)展初期，霧注和液核的錐角相差不大，隨著噴霧的不斷向前發(fā)展，液核錐角逐漸減小并基本穩(wěn)定在7°左右，噴霧發(fā)展的中后期液核錐角基本沒有變化。背景壓力越高，霧注總的噴霧錐角越大，背景壓力對噴霧錐角影響明顯。這是因為背景壓力提高，環(huán)境密度增大，阻礙油束貫穿的作用加大，油束徑向發(fā)展明顯，因而噴霧錐角明顯增加。

圖11 不同背景壓力下噴霧錐角的變化

圖12和圖13分別示出了霧注總的面積和液核面積隨時間的變化曲線，并將計算法與測量法的結果作對比。

圖12 不同背景壓力下霧注總的面積變化

圖13 不同背景壓力下液核面積變化

通過對比可知，計算法與測量法在數值上存在較小差距，規(guī)律上是一致的，因此兩種方法可以通用。另外，從兩圖中也可以看到，液核面積在噴霧初期呈線性增長，在0.5 ms之后噴油速率與蒸發(fā)速率達到平衡，液核的面積基本保持不變；而霧注面積、液核面積都隨著背景壓力的升高而減小。這是因為背景壓力高環(huán)境密度加大，氣體阻力作用加強，貫穿距離下降，從而造成面積變小。試驗表明增大背景壓力，不利于柴油在空間中的分布，油氣混合也會受到影響。

3 結論

a) 噴油壓力越高，霧注總的貫穿距離、錐角和投影面積越大，但液核的最大貫穿距離、錐角和投影面積變化不大;

b) 隨著噴油壓力增加，顯著蒸發(fā)時刻不斷提前，氣相部分投影面積增大，混合均勻性改善，而且著火后火焰區(qū)域內液相燃油比例減小，這對提高燃油經濟性和降低炭煙排放有著重要意義；

c) 隨著背景壓力的升高，氣、液相貫穿距離均下降，霧注總的噴霧錐角增大，霧注面積、液核面積減小；噴霧發(fā)展的中后期，液核貫穿距離、錐角和投影面積基本保持不變。

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[編輯： 姜曉博]

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

李向榮(1967—)，男，教授，博士，主要研究方向為發(fā)動機工作過程；lixr@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.005

TK421.43

B

1001-2222(2016)02-0023-05