陳 雷，封 超，張 靜，劉 凱，劉 宇，曾 文

(沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術重點試驗室，沈陽 110136)

柴油機碰撞分流噴霧方案對比試驗研究

陳 雷，封 超，張 靜，劉 凱，劉 宇，曾 文

(沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術重點試驗室，沈陽 110136)

在定容彈試驗臺上，對2種結(jié)構(gòu)的碰撞分流燃燒室方案的燃油霧化過程進行了對比研究，分析了碰撞分流方案及背壓對燃油霧化效果的影響。結(jié)果表明：碰撞導向面方案對燃油的剝離作用更為明顯，其燃油空間分布范圍更大，油氣混合更為均勻；油束與碰撞凸緣方案的外凸結(jié)構(gòu)碰撞后迅速向兩側(cè)運動，碰撞面對油束來流方向速度的限制作用不大，導致碰撞后燃油大部分堆積在燃燒室壁面位置附近，空間分布范圍較??；隨著背壓升高，碰撞油束的壁面剝離現(xiàn)象及油束鋒面的擴散現(xiàn)象均更為明顯。

柴油機；碰撞噴霧；導流

為了改善燃油噴霧與空氣的混合效果，減少燃料射流中液核下游過濃的預混合區(qū)，降低碳煙排放水平，近年來柴油機的供油方式呈現(xiàn)小孔徑、高噴射壓力的發(fā)展趨勢[1-4]。目前，人們已經(jīng)能夠在柴油機上實現(xiàn)250 MPa以上的噴射壓力[5-6]，而采用共軌技術的商用柴油機其噴射壓力普遍達到160～180 MPa的水平[7]，并且向更高的噴射壓力方向發(fā)展。

在獲得更細化燃油顆粒與更均勻混合氣的同時，高噴射壓力也造成了燃油碰壁現(xiàn)象。伴隨著缸徑小型化的發(fā)展趨勢，采用高噴射壓力的供油方式加長了柴油機的噴射貫穿距，導致油束不可避免地與燃燒室壁面發(fā)生碰撞[8-12]。Liu[13]、Montorsi[14]、Zheng[15]等人的研究表明，燃燒室內(nèi)壁、活塞頂面、汽缸壁等位置的溫度及表面狀態(tài)不同，這將導致噴霧碰撞過程更為復雜；Tree[16]、Han[17]等人的研究表明，燃油碰壁過程對缸內(nèi)氣流運動及燃油分布影響巨大，碰撞后的壁面油膜形成也將導致潤滑油稀釋及顆粒排放惡化。因此，需要在優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)的基礎上，積極、合理地利用噴霧撞壁機理，實現(xiàn)改變噴霧形態(tài)、提高燃油霧化質(zhì)量、減少或避免燃油附壁、促進缸內(nèi)油氣混合的目的。

本文采用高速攝影的技術手段，在定容彈試驗臺上，對具有不同碰撞導流面結(jié)構(gòu)的2種燃燒室的燃油碰撞過程及噴霧特性進行了可視化研究。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置介紹

所采用的試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由高壓容彈、供油系統(tǒng)、光路系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成。系統(tǒng)背壓由高壓氮氣調(diào)節(jié)，并采用AOS-VITcam型CCD高速相機對噴霧過程進行拍攝。本試驗采用的分辨率為320×128，拍攝速率為4 000幀/s，幀間隔為0.25 ms。

1.2 碰撞燃燒室方案設計

按照燃油油束與固壁發(fā)生碰撞位置的不同，噴霧碰撞可分為近距碰撞和遠距碰撞。其中近距碰撞為燃油從噴孔噴出后，與噴孔相對較近的位置發(fā)生碰撞，這種碰撞方式多采用在噴嘴附近加裝導向套的方式實現(xiàn)[18]；遠距碰撞為燃油噴出后，經(jīng)過一定時間的運動、霧化，在燃燒室部位發(fā)生的碰撞。由于遠距碰撞更加符合柴油機的實際工作狀態(tài)，因此本文中選擇2種遠距碰撞方案進行對比。

本文所采用的2種碰撞燃燒室方案如圖2所示。其中圖2a所示為碰撞導向面燃燒室方案，該方案的設計思想是：該方案在實際使用中與雙排孔噴嘴匹配，燃油經(jīng)上排噴孔噴出后與碰撞導向面發(fā)生碰撞，在導向面的作用下油束從壁面剝離并運動到燃燒室凹坑空間內(nèi)部，增大油氣混合氣在燃燒室空間的分布范圍，避免局部過濃區(qū)的出現(xiàn)；經(jīng)下排噴孔噴出的燃油與位于中間的碰撞凸臺碰撞，隨后與壁面剝離并運動到燃燒室空間。這樣與碰撞導向面部分的燃油相配合，擴大在燃燒室空間的分布范圍。

圖1 試驗系統(tǒng)圖

圖2 燃燒室設計方案

圖2b所示為碰撞凸緣燃燒室方案，該方案的設計思想是：燃油經(jīng)噴孔噴出后與凸緣部位發(fā)生碰撞，該燃燒室方案設計了特殊的凸圓弧尺寸，使燃油與圓弧發(fā)生半碰撞：一部分燃油碰撞到凸緣面上反彈，進入到凹坑空間；另一部分油束為自由噴射，運動到近壁面區(qū)域。這樣，2束燃油互相配合，能夠在較大的空間內(nèi)形成較為均勻的混合氣。

為了對比方便，本試驗中2種方案均采用2×0.3×150°型噴嘴，噴霧過程為碰撞導向面與碰撞凸緣對霧化效果的影響，圖2a方案中的中心碰撞凸臺位置并無燃油噴注與之碰撞。表1所示為2種燃燒室方案的主要設計參數(shù)。

表1 燃燒室碰撞可視化試驗方案

2 試驗結(jié)果及分析

圖3所示為背壓2.0 MPa條件下碰撞導向面燃燒室方案的噴霧形態(tài)隨時間的變化情況。試驗中截取0.25～4.5 ms時間范圍的高速攝影圖像。燃油經(jīng)噴孔噴出，與導流曲面碰撞后，絕大部分燃油形成壁面射流，并沿導流曲面繼續(xù)運動，到達曲面邊緣后與曲面分離，進入燃燒室凹坑空間，并在凹坑內(nèi)壁面附近形成油氣混合氣。

圖3 導流曲面碰撞噴霧照片(單位：ms)

燃油與導流曲面的碰撞可以看作是圓弧碰撞。由于圓弧碰撞的作用，碰撞油束沿圓弧向2個方向運動，一部分順著圓弧曲面繼續(xù)沿與碰撞前油束運動方向一致的方向運動，這部分燃油最終大部分進入燃燒凹坑空間內(nèi)；另一小部分燃油朝向相反的方向運動，即圖中流向喉口位置的燃油，這部分燃油在喉口位置附近形成較稀薄的混合氣。從圖3中可以很明顯地看到燃油從壁面分離的過程。這說明碰撞導向面設計方案能夠減小附壁油膜的范圍，降低近壁區(qū)域的燃油濃度。

圖4所示為背壓2.0 MPa條件下碰撞凸緣燃燒室方案的噴霧形態(tài)隨時間的變化情況。燃油與凸緣碰撞后，一少部分燃油向上運動到達喉口區(qū)域；另一部分燃油與凸緣分離，進入凹坑的近壁面空間區(qū)域。與碰撞導向面方案相比，向喉口位置運動的燃油量較多，而經(jīng)凸緣反彈的油束很少，大部分燃油從凸緣位置剝離后沿燃燒室壁面運動并堆積在壁面位置附近。經(jīng)分析，筆者認為向喉口位置運動燃油量較多是凸緣的導流作用所致。凸緣的結(jié)構(gòu)是向外凸出，其對燃油向凸緣兩側(cè)的導向作用更加明顯，加之距離噴嘴位置相對較近，油束速度快，因此運動到喉口位置的燃油量較多。而碰撞凸緣的反彈、剝離作用并沒有預想中明顯，這應該是由于燃油速度快，與凸緣的外凸部位碰撞后迅速向兩側(cè)運動，碰撞面對油束來流方向速度的限制作用不大。這導致了燃油與凸緣結(jié)構(gòu)碰撞后，大部分堆積在燃燒室壁面位置附近，空間分布范圍較小。

圖4 凸緣燃燒室碰撞過程(單位：ms)

由以上分析可知，上述2種碰撞方案相比，碰撞導向面方案對燃油的剝離作用更為明顯，其燃油空間分布范圍更大，油氣混合的更為均勻，在發(fā)動機上應用時勢必帶來更少的碳煙排放。

圖5所示為背壓0.5～2.0 MPa條件下碰撞導向面燃燒室方案的噴霧形態(tài)隨時間的變化情況。在背壓為0.5 MPa時，油束在與導流面碰撞后只有小部分與壁面剝離，絕大部分燃油沿著壁面繼續(xù)運動。進入凹坑后，由于碰撞動量損失，油束運動速度減慢，附壁燃油的粘滯阻力速度減小更多，油霧主要集中在壁面附近，在凹坑內(nèi)近壁面形成較濃混合氣。背壓上升至1.0 MPa時，油束噴出后首先碰到導流面上，然后可以看到絕大部分燃油從導流面上剝離，進入到凹坑區(qū)域。在噴射過程結(jié)束時，可以看到在導流面區(qū)域有一較小的較濃混合區(qū)，噴霧空間范圍加大。

圖5 導流面碰撞噴霧圖像(單位：ms)

與前2組圖片相比，背壓為1.5 MPa時油束的鋒面明顯存在較強的擴散現(xiàn)象。經(jīng)導流面碰撞后，噴霧的大部分從導流面分離，混合氣混合程度也更為均勻。隨著背壓進一步升高，油束鋒面的擴散現(xiàn)象更為明顯，但背壓2.0 MPa時的混合氣分布范圍與背壓1.5 MPa時差別不大。究其原因，是隨著背壓增大氣體運動的阻力增大，大粒徑液滴也更容易分離成小粒徑液滴，高背壓下空間油束鋒面有明顯擴散過程。隨著背壓進一步升高，油束碰壁后受到壁面粘滯阻力及環(huán)境壓力影響，運動速度減慢。所以1.5 MPa和2.0 MPa時混合氣空間分布情況差別較小。在0.5 MPa下，油束具有較大的動能，因此在碰撞損失了一部分動量后仍能夠繼續(xù)向前運動，附著在壁面的燃油較多。隨著背壓升高，阻力增大，油束碰壁后動量

損失較大，剩余動能已無法驅(qū)使油束繼續(xù)向前附壁運動。所以在較高背壓下油束剝離情況較好。

3 結(jié)論

在定容彈試驗臺上，采用高速攝影的技術手段，對具有不同碰撞導流面結(jié)構(gòu)的2種燃燒室的燃油碰撞過程及噴霧特性進行了可視化研究。結(jié)果表明：

(1)碰撞導向面方案對燃油的剝離作用更為明顯，其燃油空間分布范圍更大，油氣混合得更為均勻；

(2)油束與凸緣的外凸結(jié)構(gòu)碰撞后，迅速向兩側(cè)運動，碰撞面對油束來流方向速度的限制作用不大，導致碰撞后燃油大部分堆積在燃燒室壁面位置附近，空間分布范圍較??；

(3)隨著背壓升高，碰撞油束的壁面剝離現(xiàn)象及油束鋒面的擴散現(xiàn)象均更為明顯。

[1]袁方恩,林學東,黃丫,等.高壓共軌噴射系統(tǒng)參數(shù)對柴油機性能影響的研究[J].內(nèi)燃機工程,2012,33(2):11-19.

[2]劉琦,歐陽光耀,楊昆,等.高壓噴射條件下非常態(tài)燃油噴嘴內(nèi)部空化流動特性[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學報,2016 (8).http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1964.S.20160406.0947.002.html.下載時間：2016-05-18.

[3]韋雄,冒曉建,肖文雍,等.高壓共軌多次噴射系統(tǒng)油泵單元控制策略[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2010,26(12):120-124.

[4]NANTHAGOPAL K,ASHOK,THUNDIL R,et al.Influence of fuel injection pressures on calophyllum inophyllum methyl ester fuelled direct injection diesel engine[J].Energy Conversion and Management,2016(116):165-173.

[5]NOWRUZI H,GHADIMI P,YOUSEFIFARD M.Large eddy simulation of ultra-high injection pressure disesel spray in marine diesel engines[J].Transactions of Famena,2014,(38):65-76.

[6]HERRMANN O,NAKAGAWA M,KENHARD M,et al.Ultra high pressure and enhanced multiple injection-potentials for the diesel engine and challenge for the fuel injection system[J].Fuel systems for IC Engines,2012:103-114.

[7]高鑫,宮振華,李冰.柴油機共軌技術進展(續(xù)1)[J].汽車科技,2009(1):12-15.

[8]ZHANG Z,LIU H,ZHANG F,et al.Numerical study of spray micro-droplet impinging on dry/wet wall[J].Applied Thermal Engineering,2016(95):1-9.

[9]LIN J,QIAN L.AND XIONG H.Relationship between deposition properties and operating parameters for droplet onto surface in the atomization impinging spray[J].Powder Technology,2009,191(3):340-348.

[10]宋鵬,杜寶國,隆武強.柴油機多片碰撞噴霧的圖像處理[J].汽車工程,2011,33(1):15-18.

[11]宋鵬,杜寶國,隆武強.柴油機多片碰撞噴霧的霧化及燃燒特性(英文)[J].內(nèi)燃機學報,2011(1):23-28.

[12]杜寶國,隆武強,馮立巖,等.第三代傘狀噴霧的分布特性及多片噴霧系統(tǒng)的應用研究.內(nèi)燃機工程[J].內(nèi)燃機工程,2006,27(2):1-4.

[13]LIU H,MA S,ZHANG Z,et al.Study of the control strategies on soot reduction under early-injection conditions on a diesel engine[J].Fuel,2015(139):472-481.

[14] MONTORSI L,MAGNUSSON A,ANDERSSON S.Numerical and experimental analysis of the wall lm thickness for diesel fuel sprays impinging on a temperature-controlled wall[J].SAE Technical Paper,2007

[15]ZHENG Z,YUE L,AND LIU H.Effect of two-stage injection on combustion and emissions under high EGR rate on a diesel engine by fueling blends of diesel/ gasoline,diesel/n-butanol,diesel/gasoline/n-butanol and pure diesel[J].Energy Convers Manag,2015(90):1-11.

[16]TREE D,SVENSSON K.Soot processes in compression ignition engines[J].Progress in Energy and Combustion Science,2007(33):272-309.

[17]HAN M,ASSANIS D,BOHAC B.Sources of hydrocarbon emissions from low-temperature premixed compression ignition combustion from a common rail direct injection diesel engine[J].Combustion Science and Technology,2009(181):496-517.

[18]杜寶國,隆武強,馮立巖,等.基于Matlab 數(shù)字圖像處理的多片噴霧特性研究[J].內(nèi)燃機工程,2008,29(4):1-5.

(責任編輯：劉劃 英文審校：趙歡)

Comparative experimental study on impinging flow guide scheme of diesel engine spray

CHEN Lei,FENG Chao,ZHANG Jing,LIU Kai,LIU Yu,ZENG Wen

(Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136，China)

Comparative experimental study of spray characteristics were carried out on a constant volume bomb test bench using spray visualization method.Two schemes of impinging flow guide combustion chamber were employed,and the effect of impinging scheme and ambient pressure on atomization characteristics were analyzed.The results show that the impinging guide surface scheme leads to more obvious stripping effect,much larger distribution area and more homogenous mixture.After impinging with flanged structure,the spray rapidly moves to side and impinging surface has little effect on spray velocity on approaching direction,which results in fuel accumulation around wall location of combustor and smaller distribution range of fuel.Both stripping effect of impinging spray and diffusing effect of beam front become more obvious with the increase in ambient pressure.

diesel engine;impinging spray;flow guide

2016-07-18

國家自然科學基金(項目編號：51409158)；中國博士后科學基金(項目編號：2014M551078)

陳雷(1981-)，男，遼寧鐵嶺人，副教授，主要研究方向：發(fā)動機先進燃燒技術，E-mail:yuruntianqi@163.com 。

2095-1248(2017)01-0026-05

TK429

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.01.004