戎志祥,許輝強(qiáng),周裁民
(1. 上海滬東造船油嘴油泵有限公司,上海 201913;2. 中船海洋動(dòng)力部件有限公司,上海 201306)
柴油機(jī)的輸出功率和效率,與缸內(nèi)的燃油霧化性能有很大關(guān)系,如何在燃燒室中形成最適合燃燒的混合氣是燃油噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一。
燃油噴射的效果由燃料顆粒直徑、分布、貫穿距離等空間因素決定。通過優(yōu)化后霧化性能來確定所需的噴油壓力、噴孔錐角、噴孔直徑等參數(shù),進(jìn)而指導(dǎo)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
燃油噴射霧化的效果測(cè)試需要專門的試驗(yàn)設(shè)備,對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、方法及噴霧影響因素等進(jìn)行研究為船用燃油系統(tǒng)噴霧試驗(yàn)設(shè)備搭建和噴霧性能研究提供一定指導(dǎo)和參考。
噴油油束分為液相和氣相,一般通過試驗(yàn)的方法分別測(cè)試。目前主要的試驗(yàn)方法有紋影法、Mie散射法、激光誘導(dǎo)熒光法和納米火花成影法。
紋影技術(shù)是利用被測(cè)場(chǎng)密度變化相對(duì)于光線折射率變化的一階導(dǎo)數(shù)的原理進(jìn)行被測(cè)場(chǎng)的測(cè)量,是柴油機(jī)噴霧場(chǎng)測(cè)量的常用方法。紋影法不能區(qū)分噴霧場(chǎng)中燃油液滴和燃油蒸氣,只能用于噴霧場(chǎng)的氣相貫穿的測(cè)量。
紋影法試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示[1],采用532 nm或308 nm的激光作為光源。燃燒室容積為1.2 L,為了觀察燃燒室中的噴油和燃燒狀況,燃燒室設(shè)有6個(gè)105 mm直徑的觀察孔,其中有3個(gè)孔裝有藍(lán)寶石玻璃。同時(shí)燃燒室設(shè)有8個(gè)直徑為19 mm的小孔,其中1個(gè)安裝熱電偶用于測(cè)量試驗(yàn)前燃?xì)鉁囟龋?個(gè)安裝壓電傳感器用于測(cè)量混合氣壓力,2個(gè)用于進(jìn)氣,1個(gè)用于排氣。氣缸壁用電加熱的方式來模擬缸壁溫度,并防止水蒸氣在玻璃上凝結(jié)。
圖1 紋影法測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Schlieren measurement system composition diagram
圖2 為紋影法成像結(jié)果,噴霧影像中黑色區(qū)域?yàn)榧y影法的測(cè)量結(jié)果,白色區(qū)域?yàn)榀B加Mie散射的測(cè)量結(jié)果。
Mie散射原理指具有良好方向性、單色的平行激光束照射到物體表面時(shí),激光從物面向外散射,其散射光強(qiáng)是粒子直徑、入射光波長(zhǎng)和散射角的函數(shù),通過測(cè)量散射光強(qiáng)分布,就可以得到被測(cè)粒子的尺寸和分布。利用Mie散射原理可以獲得噴霧場(chǎng)中液相區(qū)的液滴分布特性。散射法是測(cè)量噴霧場(chǎng)液相貫穿的最常用方法之一。
圖3為燃燒室截面圖[2],燃燒室直徑為45 mm,高度為53 mm。燃燒室上部為噴油器安裝接口,中間部分有4個(gè)垂直的通道,分別用于安裝壓力傳感器和觀察窗(石英玻璃,長(zhǎng)49 mm,寬33 mm,厚20 mm,并使用2 mm的石棉墊圈)。噴射系統(tǒng)采用博世共軌系統(tǒng),軌壓控制在 300~1 300 bar。噴孔直徑為 115~200 μm。
圖2 紋影法測(cè)量圖像Fig.2 Schlieren method for measuring images
圖3 Mie 散射試驗(yàn)燃燒室截面Fig.3 Mie scattering test combustor section
試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成如圖4所示,包括氙氣頻閃光源,散光片及彩色CCD攝像機(jī)(型號(hào):Pulnix TMC9700,像素768x484,快門速度1/16 000),攝像機(jī)使用AVL Video-system 513D系統(tǒng)。
圖4 Mie 散射試驗(yàn)設(shè)備Fig.4 Mie scattering test equipment
光源照射到噴霧場(chǎng),遇到霧化液滴發(fā)生散射,噴霧場(chǎng)的出射光消弱,通過CCD攝像機(jī)拍攝就可分析液相噴霧區(qū)的邊緣輪廓,如圖5所示。
圖5 CCD 攝像機(jī)成像圖Fig.5 CCD camera imaging
當(dāng)激光波長(zhǎng)調(diào)諧到分子的某2個(gè)特定能級(jí)時(shí),分子發(fā)生共振吸收光子能量并激發(fā)到高能態(tài)、處于高能態(tài)的分子不穩(wěn)定,它通過輻射或非輻射方式釋放出能量而返回到基態(tài)。分子從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)所發(fā)射出的光稱為熒光。LIF法用來測(cè)量噴霧場(chǎng)的氣相貫穿,結(jié)合Mie散射法,測(cè)量整個(gè)噴射場(chǎng)的狀態(tài)。
納米火花成影法是利用納米火花發(fā)出的高強(qiáng)度光做為光源照射噴霧區(qū),測(cè)量燃油液相和氣相噴射,同時(shí)還能測(cè)量噴射液滴。
試驗(yàn)裝置構(gòu)成如圖6所示[3],其主要組成部分為噴油腔(燃燒室)、快速壓縮機(jī)、高壓共軌噴射系統(tǒng)和納米火花成影系統(tǒng)。
圖6 納米火花成影試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成Fig.6 Composition of nanoscale spark formation test equipment
圖7 為噴油腔的剖面圖,直徑為60 mm,厚度為20 mm,開口處裝有2塊石英玻璃。一邊設(shè)置納米火花裝置,另一邊設(shè)置照相機(jī)(Ikegami FCD-10)。噴油腔上部為噴油器安裝接口。
納米火花發(fā)出的光線強(qiáng)弱由提供的電壓和電極間隙決定。文中試驗(yàn)采用3 mm電極間隙,12 kV供應(yīng)電壓,點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間30 ns,光源貫穿速度超過200 m/s。(外圍油滴的最大速度約為25 m/s)。
圖8為實(shí)際成影圖像。影像分析系統(tǒng)采用Asanuma ASA2000。
圖7 噴油腔剖面圖Fig.7 Injection chamber profile
圖8 納米火花成影圖像Fig.8 Nanoscale spark imaging
燃油缸內(nèi)噴霧過程為:高壓燃油從噴孔噴出,保持一段未受擾的液核后才發(fā)生霧化,經(jīng)過一段分裂過程,油液處于完全霧化區(qū)。分裂過程的終點(diǎn)到噴孔的距離稱之為分裂長(zhǎng)度。
由于缸內(nèi)空氣處于高溫高壓狀態(tài),燃油從噴孔噴出后卷吸高溫氣體,噴霧區(qū)的燃油液滴不斷被卷吸的高溫氣體蒸發(fā)。油束前端部分的液滴進(jìn)入缸內(nèi)時(shí)間早,蒸發(fā)時(shí)間長(zhǎng),當(dāng)貫穿距達(dá)到一定距離時(shí),噴霧前端的液滴被完全蒸發(fā),完全蒸發(fā)的燃油蒸氣以氣相形式繼續(xù)向前貫穿。此時(shí),液相區(qū)的燃油液滴蒸發(fā)速率和燃油液滴補(bǔ)給速率達(dá)到平衡,最大液相貫穿距圍繞一個(gè)平均值波動(dòng)直至燃油噴油結(jié)束。因此,噴霧貫穿中存在液相貫穿和氣相貫穿2種形式,如圖9所示,白色部分為液相貫穿,黑色部分為氣相貫穿[4]。
圖9 油束影像Fig.9 Oil beam image
噴射壓力對(duì)最大液相貫穿距沒有明顯的影響,壓力增加主要影響貫穿距達(dá)到最大貫穿的時(shí)刻。噴射壓力增加后,噴油孔出口處燃油速度增加,燃油噴射的距離也更遠(yuǎn),同時(shí)燃油速度增加會(huì)增加空氣卷吸量,在高溫空氣環(huán)境下,卷吸進(jìn)入噴霧場(chǎng)的高溫空氣會(huì)加速燃油液滴蒸發(fā),使液相貫穿減小,2種情況的綜合作用表現(xiàn)為噴射壓力對(duì)最大液相貫穿距的影響不大。另外,由于噴射壓力增加,噴孔出口處燃油速度增加,燃油液滴貫穿速率顯著增加,所以達(dá)到最大液相貫穿的時(shí)刻會(huì)提前。如圖10所示[3]。
圖10 噴油壓力對(duì)液相貫穿距的影響Fig.10 Effect of injection pressure on the penetration of liquid phase
在研究噴射壓力對(duì)噴霧貫穿影響時(shí),將氣相貫穿和液相貫穿2種形式結(jié)合起來,得到氣液兩相貫穿的演變過程。從圖11結(jié)果[4]可以看出,貫穿開始初期,氣液兩相同時(shí)向前貫穿,經(jīng)一段時(shí)間后液相貫穿達(dá)到最大值,氣液兩相貫穿開始分離,氣相繼續(xù)貫穿,液相貫穿距則是圍繞一個(gè)平均最大液相貫穿距波動(dòng)。在保持噴油量不變的情況下,噴射壓力越大,液相貫穿結(jié)束的時(shí)刻越早。
缸內(nèi)溫度對(duì)噴霧區(qū)燃油液滴蒸發(fā)起著至關(guān)重要的作用。缸內(nèi)氣體溫度越高,貫穿過程中卷吸進(jìn)入噴霧場(chǎng)內(nèi)的氣體所含熱能就越多,對(duì)燃油液滴的加熱效果更強(qiáng),能有效促進(jìn)燃油液滴的蒸發(fā)。隨著缸內(nèi)氣體溫度增加噴霧區(qū)邊緣被完全氣化的液滴數(shù)會(huì)增加,從而導(dǎo)致液相貫穿距和噴霧錐角都會(huì)減小,噴霧變的更細(xì),如圖 12 所示[6 - 7]。
圖11 噴射壓力對(duì)液相和氣相貫穿距離的影響Fig.11 Effect of injection pressure on liquid and gas penetration distance
圖12 缸內(nèi)溫度的影響Fig.12 The influence of the temperature in the cylinder
此處只是簡(jiǎn)單分析噴霧的影響因素。實(shí)際上,缸內(nèi)溫度和密度的影響極其復(fù)雜,需要更詳細(xì)分析燃料的熱動(dòng)力學(xué)性能等。
缸內(nèi)氣體壓力或密度增加,一方面使燃油噴霧進(jìn)入缸內(nèi)后貫穿的阻力增加,造成貫穿距減小;另一方面使噴霧卷吸的氣體量增加,對(duì)于缸內(nèi)為高溫氣體情況,卷吸進(jìn)噴霧場(chǎng)的氣體熱能增加,從而使噴霧場(chǎng)中燃油液滴的蒸發(fā)量增加,造成最大液相貫穿距減小。所以恒定缸內(nèi)氣體溫度情況下,缸內(nèi)氣體壓力或密度增加會(huì)導(dǎo)致最大液相貫穿距減小。
根據(jù) Dennis L. Siebers 論文[7]中的噴霧貫穿理論模型,最大液相貫穿距與缸內(nèi)氣體密度或壓力的關(guān)系式為,從圖 13 可知[6 - 7],液相貫穿距隨缸內(nèi)密度增加而降低,且為非線性關(guān)系。當(dāng)缸內(nèi)氣體的密度較低時(shí),液相貫穿距對(duì)缸內(nèi)氣體密度的變化敏感,隨密度上升,敏感度降低。缸內(nèi)密度的增加,會(huì)使噴射阻力和蒸發(fā)速度增加,使液相貫穿距離降低,而蒸發(fā)速度的影響并不是線性的。
圖13 缸內(nèi)密度對(duì)液相貫穿距離的影響Fig.13 The influence of the inner cylinder density on the penetration distance of the liquid phase
將瞬態(tài)噴霧情況下液相和氣相2種油束的研究結(jié)合起來,詳細(xì)分析缸內(nèi)氣體壓力對(duì)2種形式的貫穿的影響[4]。
圖14(a)為缸內(nèi)溫度一定時(shí),缸內(nèi)壓力變化對(duì)貫穿的影響,從圖中可以看到缸內(nèi)壓力改變對(duì)氣相貫穿的影響非常明顯。缸內(nèi)壓力增加,氣相貫穿距和貫穿速率均有明顯降低,相比之下,對(duì)液相貫穿的影響較小,只對(duì)最大液相貫穿距產(chǎn)生影響,缸內(nèi)壓力增加,最大液相貫穿距減小。其原因是:缸內(nèi)溫度一定,氣體壓力或密度增加會(huì)導(dǎo)致噴霧貫穿阻力增加,氣相貫穿的貫穿距和貫穿速率都會(huì)減小,而液相貫穿也會(huì)跟隨這種變化,最大液相貫穿距有一定程度的減小,貫穿速率也會(huì)一定程度變緩。
圖14 缸內(nèi)壓力對(duì)氣相和液相貫穿距離的影響Fig.14 Influence of cylinder pressure on gas and liquid penetration distance
圖14 (b)為缸內(nèi)密度一定時(shí),缸內(nèi)壓力變化對(duì)貫穿的影響??梢悦黠@看出,氣相貫穿幾乎不受缸內(nèi)壓力變化的影響,而液相貫穿則表現(xiàn)為隨缸內(nèi)壓力增加,最大液相貫穿距減小的變化趨勢(shì)。其原因是:保持缸內(nèi)氣體密度一定,缸內(nèi)壓力上升引起缸內(nèi)溫度上升,液滴蒸發(fā)速率上升,液相貫穿達(dá)到最大貫穿距的時(shí)刻提前,最大貫穿距降低,更多的液滴以氣相形式貫穿。對(duì)于氣相貫穿,由于缸內(nèi)密度一定,貫穿阻力并沒有變化,氣相貫穿的速率和貫穿距幾乎沒有變化,唯一改變的是氣相貫穿和液相貫穿的分配比例。
實(shí)際上噴孔和蓄壓腔的設(shè)計(jì)在很大程度上能夠影響燃油的流動(dòng)狀態(tài),如噴孔圓錐形設(shè)計(jì),噴孔入口圓倒角等結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn),會(huì)改變流場(chǎng),從而對(duì)噴油的霧化和貫穿距離都有較大影響。大部分SAE論文只對(duì)噴孔直徑有研究,并不涉及流場(chǎng)變化。
噴孔直徑對(duì)噴霧貫穿的影響主要體現(xiàn)在:噴孔直徑減小會(huì)增加燃油的霧化程度,噴霧中液滴直徑會(huì)減小,更容易被高溫氣體氣化,液相貫穿速度和距離都會(huì)減小。
圖15為噴孔直徑對(duì)氣相和液相貫穿距離的影響。噴孔直徑對(duì)氣相貫穿和液相貫穿都有較大影響,尤其氣相貫穿更為明顯。定噴油量情況下,減小噴孔直徑,氣相貫穿距和貫穿速率明顯減小,液相貫穿距和貫穿速率只有小幅減小[4]。
根據(jù) Dennis L. Siebers 論文[7]中的噴霧貫穿理論模型,最大液相貫穿距與噴孔直徑的關(guān)系式為,兩者為線性關(guān)系,從圖16可以看出,噴孔直徑在0.1~0.5 mm范圍內(nèi),液相貫穿距隨噴孔直徑增加而增加,且兩者之間為線性關(guān)系,而改變缸內(nèi)溫度,缸內(nèi)密度,噴油孔壓降以及燃油型號(hào),僅僅影響液相貫穿距與噴孔直徑之間線性關(guān)系的斜率,且交匯于原點(diǎn)(噴孔直徑為0,液相貫穿距為0)。這對(duì)于小缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)顯得更為重要,因?yàn)樾⌒腿紵倚枰紤]油束撞擊壁面的問題。
圖15 噴孔直徑對(duì)氣相和液相貫穿距離的影響Fig.15 Influence of nozzle diameter on gas and liquid penetration distance
圖16 噴孔直徑對(duì)最大液相貫穿距離的影響Fig.16 The influence of the diameter of the nozzle on the maximum liquid penetration distance
在極短的噴油持續(xù)期下,液相噴霧貫穿距還未達(dá)到最大值時(shí)就開始衰減,如果增加噴油量(噴油持續(xù)期增加),液相貫穿會(huì)繼續(xù)增加,直至液相貫穿達(dá)到最大液相貫穿距為止,液相貫穿距不再隨噴油量增加而增加。
在給定噴油系統(tǒng)和噴射環(huán)境的情況下,通過改變噴油持續(xù)期來改變噴油量,噴油量對(duì)氣相貫穿和液相貫穿都沒有影響,如圖17所示。
圖17 噴油量對(duì)液相貫穿距離的影響Fig.17 Effect of fuel injection on the penetration distance of liquid phase
由以上分析知,影響燃油系統(tǒng)噴射效果的設(shè)計(jì)參數(shù)和邊界條件主要為噴射壓力、噴孔直徑、缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度、噴油量。前三者主要影響燃油噴射液相貫穿距離;缸內(nèi)溫度影響液相貫穿距和噴霧錐角;噴油量在未到最大貫穿距離時(shí)影響液相貫穿距。在進(jìn)行噴霧試驗(yàn)設(shè)備研制中應(yīng)結(jié)合燃油系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)和霧化影響因素,合理設(shè)計(jì)霧化試驗(yàn)設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù)。同時(shí),也應(yīng)注意到霧化試驗(yàn)多為單孔噴射試驗(yàn),不需考慮噴射油束的空間分布,而實(shí)際應(yīng)用中需考慮噴射油束的空間分布,這在設(shè)計(jì)噴孔空間結(jié)構(gòu)和噴油器安裝角度和方向時(shí)需重點(diǎn)考慮。