柴油噴霧內(nèi)部動量分布特性測試技術(shù)及分析

楊晰宇， 董全， 宋景冬， 盧昌浩， 倪佐

(哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

由于柴油機缸內(nèi)采用以擴散燃燒為主的燃燒模式，燃油噴霧的發(fā)展及演化情況將會直接影響柴油機的性能。而燃油噴霧的射流動量是影響噴霧發(fā)展的最重要參數(shù)之一[1]，并且噴霧的動量空間分布結(jié)構(gòu)和時域上的發(fā)展過程是衡量可燃混合氣組織程度的重要指標(biāo)。因此精確獲取燃油噴霧內(nèi)的動量分布情況是揭示燃油噴霧演化機理，擴展柴油機工作極限的關(guān)鍵。

近年來，人們逐漸承認并證實了噴霧射流動量的測試是研究噴孔流動及其下游噴霧射流發(fā)展的有效手段[2-7]。但是大多數(shù)學(xué)者都是以整個噴孔為研究對象，探究噴霧整體的動量特征。而定量獲取噴霧內(nèi)部動量分布結(jié)構(gòu)則可以進一步加深對噴霧射流演化機理的理解。仿真模擬技術(shù)可以定量的獲取噴霧內(nèi)部的動量分布情況，但是噴油過程中燃油壓力的波動現(xiàn)象使得仿真分析模型的計算結(jié)果很難與實際現(xiàn)象相吻合。使用燃油噴射規(guī)律作為邊界條件可以改善仿真結(jié)果的吻合程度[8]，但是仍然受到實際噴射時燃油溫度、密度以及噴孔直徑的影響。若能夠通過測試的手段定量獲取噴霧射流內(nèi)部動量分布特性，則可以直接為先進燃燒概念提供有力的理論依據(jù)。因此發(fā)展噴霧內(nèi)部動量分布特性的測試技術(shù)愈發(fā)重要，而這種噴霧內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的定量測試對測試系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的燃油噴射規(guī)律測試方法是基于傳感器搭建的以整個噴嘴為研究對象的高速采集系統(tǒng)。雖然可以定量的獲取噴油器的瞬態(tài)質(zhì)量流量[9-11]，但是無法測得噴霧內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征。光學(xué)可視化測試技術(shù)可以捕捉噴霧的輪廓，無法對噴霧內(nèi)部特征進行定量分析。激光相位多普勒技術(shù)[12-13]可以獲取噴霧局部液滴大小和速度，但是測試裝置復(fù)雜，成本相對較高，對于燃油噴霧高密度位置的處理難度較大。相比于可視化測試方法，動量法是基于沖擊力信號的一種間接測試方法，可以定量的對測試結(jié)果進行分析。同時對力傳感器進行適配性改裝，實現(xiàn)噴霧局部動量的測試。Kampmann等[14]嘗試縮小力傳感器受沖擊面的面積(2 mm2)，實現(xiàn)了對噴霧局部動量的測試，并基于此探究了不同噴孔的霧化程度以及噴霧錐角。劉建新等[15]也采用縮小傳感器沖擊面積的方法對噴霧內(nèi)部的動量分布進行測試，并探究了針閥頭部倒角結(jié)構(gòu)對噴霧動量的影響。但是由于傳感器本身具有一定的受力面積，限制了測試位置的選取。

以上學(xué)者證實了使用力傳感器測試噴霧射流局部動量測試的可行性。但是對于任何測試系統(tǒng)來說，分辨率、量程以及測試信號的質(zhì)量都是衡量其能否做到精確探究執(zhí)行器工作特性的關(guān)鍵指標(biāo)。因此本文提出一種柴油機燃油噴霧內(nèi)部動量場分布特性測量系統(tǒng)，采用傘形燃油過濾裝置，擺脫傳感器體積對測試效果及空間分辨率的影響，通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化擴展了測試系統(tǒng)的縱向空間位置量程，配合電控精密位移臺提高了測試的靈敏度。并對一只單孔噴油器的噴霧射流內(nèi)部動量分布特性進行研究，從動量空間分布結(jié)構(gòu)及時間上的演化規(guī)律對霧化機理進行探究。

1 測試原理及實驗裝置

1.1 燃油噴霧動量測試原理

為定量測試燃油噴霧動量，Luci等[2]闡述了噴霧動量測試方法。通過測量噴霧對一個平整表面的沖擊力，間接測得燃油噴霧的瞬態(tài)動量流如圖1所示。

噴霧與擋板的沖擊是一個十分復(fù)雜的過程。噴霧徑向的速度對沖擊力無影響且對噴霧整體動量的影響很小，因此忽略噴霧水平方向上的分速度[6-7]。

燃油液滴擊打在擋板上時有多種反彈形式，但可以歸結(jié)為以下3類：完全彈性碰撞、非完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞。理想情況下，液滴在經(jīng)過完全非彈性碰撞后失去其軸向速度，不發(fā)生軸向反彈現(xiàn)象，軸向動量完全傳遞給目標(biāo)板-傳感器組合體，經(jīng)過上游液體的沖擊與擠壓作用從側(cè)向離開目標(biāo)板。但是對于完全彈性碰撞與非完全彈性碰撞來說，液滴將會發(fā)生軸向反彈現(xiàn)象。假設(shè)噴油器霧化均勻，不同液滴達到相同位置時質(zhì)量近似相等且與擋板作用時間相同，液滴高速沖擊傳感器表面，沖擊時間很短，沖擊力可以近似看做恒力，如圖2所示。

圖2 燃油液滴軸向反彈Fig.2 Axial rebound of fuel droplets

液滴1沖擊傳感器之后，向上彈起，速度變?yōu)閗v，其中k∈[0～1]，表示任意一種軸向垂直碰撞形式。

液滴1沖擊傳感器表面的平均作用力為f1,由動量定理可得以下矢量方程:

f1Δt1=mv-kmv

(1)

液滴1向上彈起，與液滴2碰撞并融合成液滴3向下運動并沖擊目標(biāo)板-傳感器表面，液滴1與液滴2融合碰撞并融合過程中動量守恒：

mv+mkv=2mv3

(2)

液滴3的沖擊速度v3在數(shù)值上等于：

(3)

液滴3沖擊傳感器表面的平均作用力為f2,由動量定理可得:

(4)

液滴1、3兩次沖擊傳感器表面的平均作用力在數(shù)值上可以表示為f，平均作用時間近似相等Δt1=Δt2，因此：

(5)

若液滴3向上彈起，則重復(fù)以上過程直到其軸向動量完全傳遞給目標(biāo)板。因此可以理解為每次碰撞都是完全非彈性碰撞，測試過程中不必考慮燃油液滴的軸向反彈現(xiàn)象。則根據(jù)動量守恒定律可得瞬時噴霧動量流和傳感器接受到的噴霧沖擊力的關(guān)系式可以表示為：

(6)

式中：F為傳感器所測得的力信號；M(t)為監(jiān)測點處燃油的動量流。測試位置處的燃油噴霧在某一時間段內(nèi)的動量可以表示為：

(7)

本文采用高速采集卡采集力傳感器的模擬電壓信號，采集到的數(shù)據(jù)為具有固定采樣周期的離散信號。由于采樣周期很短，因此可以把該周期內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)視為這個周期內(nèi)連續(xù)信號的平均值。因此可以得出離散關(guān)系式：

M(t)=TF(t)

(8)

t=nT

(9)

式中：M(t)為一個采樣周期內(nèi)測試位置處燃油噴霧的動量；T為采樣周期；F(t)為傳感器測得的力信號；n為采樣點的序數(shù)。

1.2 實驗平臺組成

圖3為本文所采用的測試系統(tǒng)示意圖。在上位機中基于LabVIEW編寫程序控制測試過程。軌壓控制器根據(jù)上未機對目標(biāo)軌壓的標(biāo)定通過控制高壓油泵上的燃油計量閥對燃油壓力進行調(diào)節(jié)，建立起穩(wěn)定的燃油噴射壓力。在測試過程中，上位機通過RS485通訊方式對時序控制模塊發(fā)出包含噴射脈寬和噴射頻率信息的指令，在時序控制模塊中對通訊信號進行解析并根據(jù)噴射脈寬與噴射頻率轉(zhuǎn)化成具有特定形式的PWM(5V)信號，發(fā)送給噴油器驅(qū)動模塊使噴油器按照指定工況進行噴油。在噴油驅(qū)動模塊接收到噴油信號的同時，同步信號控制模塊對采集卡發(fā)出采集使能信號，觸發(fā)采集卡進行采集。沖擊力的測試采用高精度壓電式力傳感器KISTLER-9207，該傳感器輸出的信號通過電荷放大器的放大之后被數(shù)字采集卡采集，傳輸給上位機進行處理。本文對一只孔徑為0.14 mm的單孔噴油器進行測試，該噴油器噴孔軸線與噴油器軸線重合，傳感器放置在噴孔的正下方。為確保檢測位置的精確控制，采用精密電控升降和平移臺，實現(xiàn)傳感器精密位移控制。采用數(shù)據(jù)采集卡對測試信號進行采集，采樣頻率為250 kHz，同時采用低通濾波對測試信號進行平滑處理。

圖3 測試系統(tǒng)Fig.3 Test system diagram

力傳感器是本文測試系統(tǒng)中最重要的組成部分，其測試信號質(zhì)量直接影響對噴油器的測試效果。為實現(xiàn)燃油噴霧局部動量的測試，要求被測試部分的燃油噴霧單獨擊打在目標(biāo)擋板上，并避免其他部分的燃油沖擊目標(biāo)擋板?？s小目標(biāo)板的面積是最直接的方法，可以實現(xiàn)對燃油噴霧動量分布的粗略測試。但是為防止燃油直接擊打在傳感器器表面，需要目標(biāo)板面積略大于傳感器表面。力傳感器測試表面的最小直徑一般在6 mm左右，因此該方法無法對噴霧近場密集的動量分布進行探究。

為獲取更加細致的燃油噴霧內(nèi)部動量分布結(jié)構(gòu)，細化噴霧測試位置，本文提出一種如圖4所示的噴霧篩選裝置。

圖4 噴霧篩選裝置Fig.4 Fuel spray screening device

在力傳感器上方加裝傘型燃油過濾裝置，在分流器頂端加工0.5 mm的通孔，當(dāng)噴霧沖擊分流器時，目標(biāo)位置的燃油透過小孔擊打力傳感器-目標(biāo)板組合體上，其余部分燃油噴霧通過傘形引流作用被剝離燃油噴霧，實現(xiàn)了噴霧目標(biāo)測試位置的篩選，測試位置的細化程度取決于分流器頂端通孔的面積，不再受到傳感器固有體積的限制，提高了測試系統(tǒng)的空間分辨率。

本文采用傘型燃油過濾裝置對目標(biāo)位置燃油噴霧進行篩選，若仍然使用傳統(tǒng)的圓柱形擋板，將會在濾油孔與傳感器目標(biāo)板之間存在一段接近5 mm的測試盲區(qū)距離R，無法測得噴嘴附近近場燃油動量分布結(jié)構(gòu)。為此，設(shè)計一種圓臺型測試擋板，縮小擋板上表面面積，減小了測試盲區(qū)的距離，較大的下表面積可以避免燃油直接沖擊傳感器表面，防止傳感器表面溫度變化造成的信號漂移。

圖5 局部動量測試裝置沖擊擋板結(jié)構(gòu)Fig.5 Impact baffle structure of local momentum measuring device

根據(jù)噴油器的工作特性選取合適的采樣方式可以顯著提高測試系統(tǒng)的性能。噴油器的工作過程是典型的不連續(xù)脈沖噴射，只需關(guān)心噴射時傳感器測試的信號，而無需關(guān)注2次噴射間隔時間的測試信號。因此本文采用觸發(fā)采集方式，利用同步信號控制器，使噴油器的驅(qū)動電信號與采集卡的采集使能信號的起點在時間上同步。縮短了采集卡的采樣時間，提高了采集速率，提高數(shù)據(jù)的利用率。利用噴射間的間隔時間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回調(diào)與處理，提高了系統(tǒng)的實時性。圖6為控制信號時序圖。

圖6 控制信號時序Fig.6 Control signal timing diagram

2 噴霧內(nèi)部動量分布測試及分析

如圖7所示，選取一個過噴孔軸線的測試平面，并在該平面上建立以噴孔為原點的坐標(biāo)，水平移動方向為x，豎直運動方向為y。通過高精度步進電機對傳感器的移動進行控制，x軸方向測試步長為0.1 mm，y軸方向測試步長為1 mm，本文所采用的采樣周期為0.004 ms，根據(jù)式(8)計算在每一個采樣周期內(nèi)測試位置燃油噴霧的動量。

圖7 噴霧內(nèi)部測試位置調(diào)節(jié)方式Fig.7 Spray internal test position adjustment mode

如圖8所示為噴射壓力為120 MPa，噴油脈寬為1 ms，y=14 mm時不同x位置的噴霧時域動量測試結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)測試位置位于噴孔正下方時(x=0)噴霧的動量為最大值，隨著x的增加，測試位置遠離噴孔軸線，噴霧的動量逐漸減小。分析其原因可知：當(dāng)燃油噴出噴孔時，迅速與外界空氣發(fā)生動量交換，體積發(fā)生膨脹，噴霧內(nèi)部的燃油濃度隨著噴霧的發(fā)展程度逐漸降低。在相同的測試高度y時，在噴孔的軸線位置，膨脹程度較弱，噴霧內(nèi)部的燃油濃度較大，導(dǎo)致該位置處燃油噴霧的動量較大。隨著測試位置逐漸遠離噴孔軸線，該處的燃油經(jīng)過一定程度的動量交換與膨脹作用，使得燃油濃度逐漸減小，該位置噴霧動量也逐漸減小。另外從圖中曲線可知，隨著x的增加，噴霧動量信號的起始點向后推遲，這表明，燃油達到測試目標(biāo)板的時間增加，直接說明了隨著距離噴孔軸線距離的增加，燃油噴霧的速度逐漸減小，這也是導(dǎo)致燃油噴霧內(nèi)部動量呈現(xiàn)這種分布形式的主要原因。

圖8 不同x位置處的噴霧動量時域曲線Fig.8 Time domain curves of spray momentum at different x positions

為了更加清晰的獲取噴霧內(nèi)部的動量分布場結(jié)構(gòu)，選取3個不同的噴油壓力并對測試工況點進行細化，如表1所示。

表1 測試工況點Table 1 Test condition point

噴霧內(nèi)部各點時域動量的強度圖，結(jié)果如圖9所示。

圖9 噴霧內(nèi)部動量分布場Fig.9 Momentum distribution field inside spray

從圖9中可以看出，當(dāng)噴油器受到噴射激勵后的0.48～1.8 ms時，不同噴射壓力下，噴霧內(nèi)部的動量分布場隨時間不發(fā)生明顯變化,并且由于噴油器內(nèi)部液力伺服作用，隨著噴油壓力的增加噴油持續(xù)器增加。這段時間內(nèi)針閥已經(jīng)被提起，噴孔完全打開，處于穩(wěn)定噴射狀態(tài)。因此在這段時間內(nèi)噴霧動量分布場處于穩(wěn)定階段，并呈現(xiàn)紡錘形的動量分層狀態(tài)：在噴霧核心處，燃油未充分膨脹破碎，具有較高的動量，遠離噴孔位置的噴霧破碎程度較高，噴霧動量隨之向空間擴散發(fā)展。隨著噴射壓力的提高，燃油噴霧所具有的動量逐漸增大，也促進了噴霧向下發(fā)展。同時也使得噴霧的動量分布具有更大的宏觀體積，增大燃油與空氣的接觸面積，提高燃油與空氣的混合程度。

0.4 ms之前為噴射起始階段，在該階段隨著時間的增加，針閥逐漸上提，噴孔的有效流動面積增加，該階段動量分布場呈現(xiàn)柱形結(jié)構(gòu)。0.4 ms時噴射壓力為120 MPa的噴霧前端動量分布已經(jīng)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，動量分布場呈現(xiàn)紡錘狀，而較低的噴射壓力下動量分布狀態(tài)仍然呈現(xiàn)柱型結(jié)構(gòu)，說明噴射壓力對于噴霧近場動量分布的發(fā)展速度具有明顯的促進作用，提高噴射壓力可以增強液柱期燃油噴霧的破碎程度。

1.88～2.08 ms為噴射結(jié)束階段，在該階段，噴霧核心處動量首先出現(xiàn)快速衰減現(xiàn)象，下游位置由于失去了噴霧核心處的動量貢獻也隨之快速衰減。另外，隨著噴射壓力的提高，噴霧內(nèi)部動量分布場呈現(xiàn)提前發(fā)展，滯后衰減的趨勢，并且發(fā)展與衰減所需要的時間均減小，噴霧處于穩(wěn)定階段的時間明顯增加。這是由于噴射壓力直接決定了針閥所受到的力，噴射壓力增加針閥抬起及落座的加速度增加，噴油器呈現(xiàn)快速打開，快速斷油的特征。

為了突出燃油噴霧動量分布場的空間結(jié)構(gòu)特征，使燃油噴霧不同位置處的時域動量對時間進行積分可以獲得該位置處的噴霧時域總動量(如圖10所示)。

圖10 噴霧內(nèi)部時域總動量分布場Fig.10 The total momentum distribution field in the time domain inside the spray

從整體上來看，噴油壓力對噴霧內(nèi)部時域總動量分布場影響較為明顯。燃油噴霧在噴孔附近具有較高的時域總動量，隨著軸向與徑向距離的增加，外圍噴霧的時域總動量逐漸減小，如圖11所示。

圖11 噴霧內(nèi)部時域總動量徑向分布Fig.11 Radial distribution of total momentum in time domain inside the spray

從圖中可以看出，在噴孔軸線處，燃油噴霧的動量最大，隨著測試位置向邊緣移動，噴霧動量逐漸減小，總體上噴霧時域總動量分布呈現(xiàn)中間大邊緣小的趨勢。另外隨著測試位置高度y的增加，徑向噴霧最大值逐漸減小，動量徑向分布尺寸增加。

提取不同噴射壓力下，噴孔軸線處不同距離的燃油噴霧時域總動量如圖12所示。

從圖12(a)可以看出，隨著噴射壓力的提高，噴孔軸線處噴霧動量顯著增加。并且隨著測試距離y的增加呈現(xiàn)非線性的減小趨勢，在噴孔靠近噴孔處噴霧動量下降速度較快，隨著距離y的增加噴霧動量下降速逐漸降低。分析其原因可知，柴油作為典型的不可壓縮流體，其射流出口速度及密度隨著噴射壓力的提高而增加，導(dǎo)致射流動量隨著噴油壓力的提高而增加。另外共軌系統(tǒng)較高的噴射壓力使得噴孔出口處柴油液柱的速度很大，中心的噴霧核心區(qū)域是連續(xù)的高濃度液體核心，其速度與噴孔出口速度相同，具有較大的動量。同時該位置具有很高的動量交換能力，表面與空氣發(fā)生劇烈的卷吸作用，大塊的液體結(jié)構(gòu)被空氣撕扯剝離出噴霧核心區(qū)域，隨著噴霧向下游發(fā)展，噴霧軸線處燃油濃度逐漸降低，液塊體積逐漸減小，與周圍空氣動量交換能力降低，曲線逐漸趨于平緩。

從圖12(b)可以看出，在x=-0.5 mm時，測試位置位于噴霧核心之外，燃油噴霧動量分布隨著距離y的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。這是由于在噴霧核心之外的區(qū)域，噴霧的動量主要是由核心區(qū)域的擴散作用產(chǎn)生的。在靠近噴嘴處的噴霧近場區(qū)域燃油液滴具有體積大、速度快的特點，燃油液滴的速度接近噴孔出口處速度，隨著噴霧在近場的發(fā)展液滴速度變化不大，并具有徑向發(fā)展的趨勢。因此在第1階段，噴霧動量上升主要是由于噴霧濃度增加引起的，當(dāng)噴霧向下游發(fā)展到一定程度液滴表面張力與周圍空氣的氣動力趨向平衡時，液滴的破碎速度降低，測試點噴霧濃度的增加對該處噴霧動量的貢獻不如液滴速度減小對噴霧的貢獻，因此在該位置噴霧呈現(xiàn)出動量逐漸降低的趨勢。

圖12 噴霧內(nèi)部時域總動量軸向分布Fig.12 Axial distribution of total momentum in time domain within the spray

另外噴油壓力越高2個區(qū)域的拐點出現(xiàn)位置越靠近噴孔，這說明噴油壓力的提高可以縮小近場高濃度區(qū)域的大小，使燃油液塊的破碎位置更加接近噴孔，加速燃油霧化。

3 結(jié)論

1)提出一種傘型燃油過濾裝置，篩選出目標(biāo)測試位置的燃油噴霧，實現(xiàn)了噴霧內(nèi)部動量分布場的測試，提高測試裝置的空間分辨率。采用一種圓臺型目標(biāo)擋板結(jié)構(gòu)，縮短近場噴霧動量測試盲區(qū)，拓展了測試系統(tǒng)的縱向空間量程。

2)基于本文的測試方法，對一只單孔噴油器的燃油噴霧動量分布場進行測試，結(jié)果表明：燃油噴霧動量分布場在時域上主要分為：噴射起始階段，穩(wěn)定噴射階段，噴射結(jié)束階段。在噴射起始階段，燃油噴射的動量分布呈現(xiàn)柱形結(jié)構(gòu)，噴霧未完全發(fā)展，隨著噴射壓力的提高該階段所占的時間逐漸減小。在穩(wěn)定噴射階段，動量分布場呈現(xiàn)紡錘型的分層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)向外噴霧動量逐漸減小。在噴射結(jié)束階段，噴霧核心處動量迅速消失，動量分布場結(jié)構(gòu)逐漸從紡錘形變?yōu)橹尾⒅饾u衰減消失，隨著噴射壓力的提高，該階段所占的時間逐漸減小。

3)為研究噴霧動量的空間結(jié)構(gòu)特征，對動量曲線進行積分可以獲得該位置處的時域總動量。在噴霧核心區(qū)域，相同徑向位置x處，隨著y的增加噴霧動量呈現(xiàn)非線性的減小趨勢，越靠近噴孔或噴油壓力越大，動量衰減的速度越快；在噴霧核心區(qū)域以外噴霧所具有的動量主要由核心處動量擴散而來，動量分布結(jié)構(gòu)隨著距離y的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，拐點的出現(xiàn)位置隨著噴油壓力的提高向噴孔處靠近。因此提高噴射壓力可以有效地增加近場區(qū)域燃油的霧化速度，減小高動量區(qū)域的面積，促進燃油與空氣的動量交換作用。