噴油機閃急沸騰噴霧特性研究

噴油機閃急沸騰噴霧特性研究

與臺式噴油相比，噴油具有許多優(yōu)點，并已成為發(fā)展趨勢。其噴霧特性直接決定了燃料在體內(nèi)的空間分布，影響燃燒效率、穩(wěn)定性和有害釋放的生成。根據(jù)現(xiàn)有的研究，燃油在噴油過程中受到的壓力迅速降低。當(dāng)壓低于飽和氣壓時，燃燒和快速沸騰。一些過量的液體燃料轉(zhuǎn)化為氣體。燃料中的大液塊出現(xiàn)蒸汽氣泡，迅速擴張，氣泡爆炸迅速分解為小液滴注液，使溶液的平均直徑（smd）更小，而且尺寸分布更均勻。因此，閃泡沫噴霧儀具有進(jìn)一步提高發(fā)動機的混合質(zhì)量和改善燃燒的潛力，具有重要的應(yīng)用前景。近年來,Schmitz和Araneo等在GDI旋流噴嘴中,發(fā)現(xiàn)閃急沸騰噴霧體由中空分布塌縮為實心分布.Senda等提出多種燃料的閃急噴霧設(shè)計,即通過幾種高低沸點燃料的不同比例組合在旋流噴油器上獲得不同程度的閃沸噴霧,從而針對不同形狀的燃燒室進(jìn)行最優(yōu)化的噴霧設(shè)計,獲得均勻分布的混合氣.曾緯等利用GDI多孔噴油器對乙醇燃料進(jìn)行霧化研究,發(fā)現(xiàn)環(huán)境背壓和燃油飽和蒸氣壓的比值同宏觀噴霧的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān).并利用此比值將噴霧類型分為冷態(tài)、過渡閃急沸騰和劇烈閃急沸騰.閃急沸騰噴霧具有減小液滴直徑、增大噴霧近場錐角和減小噴霧貫穿距等特點,有助于解決直噴汽油機目前仍然存在的排放控制和不穩(wěn)定燃燒等問題.筆者通過升高汽油溫度、降低環(huán)境背壓,使汽油直噴噴霧達(dá)到閃急沸騰狀態(tài).結(jié)合單孔和雙孔閃沸試驗,并對噴霧宏觀形態(tài)參數(shù)化,探究了6孔噴油器的噴射過程中出現(xiàn)塌縮現(xiàn)象的原因.1試驗系統(tǒng)和方法1.1單孔噴油器試驗整個試驗系統(tǒng)由定容彈、燃油噴射系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和電控單元等組成,如圖1所示.使用功率為100,W的氙燈作為光源,由Photron公司生產(chǎn)的FastcamSA5高速攝像機獲得宏觀圖像,分辨率為576×576,采樣頻率為20,000幀/s.在定容彈四周分別安裝了直徑為100,mm的圓柱形石英窗口,定容彈頂部垂直安裝了BoschHDEV56孔GDI噴油器.試驗條件如表1所示.利用金屬黏合劑對6孔噴油器進(jìn)行改造,獲得單孔、雙孔噴油器.燃油壓力由高壓共軌系統(tǒng)提供,噴油壓力設(shè)為10,MPa,利用真空泵控制環(huán)境壓力,噴油持續(xù)期設(shè)為1.0,ms.加熱圈繞在噴油器周圍用于加熱燃油,通過調(diào)節(jié)加熱圈的供電電壓實現(xiàn)燃油溫度的精確控制.溫度傳感器安裝在噴油器尖端,并和噴油器緊密接觸,試驗中噴油器處于熱平衡狀態(tài),可以認(rèn)為噴油器尖端的溫度和噴油器內(nèi)部燃油的溫度相同,噴油器尖端溫度偏差不超過±0.3,℃.1.2噴霧邊界及噴霧參數(shù)的確定噴霧的貫穿距定義為噴孔到噴霧尖端最遠(yuǎn)點的距離,如圖2中L所示.處于閃急沸騰狀態(tài)的燃油,在噴油器出口處發(fā)生微爆,導(dǎo)致噴霧在噴孔出口處迅速徑向擴展開、噴霧邊界呈“傘狀”,在離噴孔較遠(yuǎn)處,噴霧油束向噴油器軸線方向收縮.為此,引入了近場錐角和遠(yuǎn)場錐角的概念.通過對比不同位置的噴霧邊界點在不同環(huán)境壓力和燃油溫度下隨時間發(fā)展的穩(wěn)定性,將噴油器正下方5,mm和20,mm處、噴油開始以后時刻(ASOI)為1.0,ms時的噴霧邊界點作為計算近場錐角和遠(yuǎn)場錐角的參考點.圖2中定義OB與OB’的夾角為近場錐角,BC與B’C’的夾角為遠(yuǎn)場錐角.利用Matlab進(jìn)行圖像處理,通過去背景、轉(zhuǎn)為灰度圖像、二值化和閾值分割等處理獲得噴霧邊界及噴霧相關(guān)參數(shù).為減小試驗誤差,對各試驗條件下的數(shù)據(jù)取12次試驗結(jié)果的平均值.26環(huán)境壓力對噴霧閃急私家車的噴霧宏觀形態(tài)的影響圖3為4種試驗工況下噴霧形態(tài)隨時間的發(fā)展歷程.汽油溫度為20,℃時,噴霧體兩側(cè)邊緣輪廓近似直線,噴霧沿著噴孔出口方向貫穿.汽油溫度升至110,℃,噴霧形態(tài)發(fā)生很大改變:環(huán)境背壓為100,kPa時,噴霧油束向噴油器的軸線方向收縮,氣流卷吸使噴霧前端出現(xiàn)大尺度的渦流結(jié)構(gòu);當(dāng)環(huán)境壓力降至40,kPa時,噴霧油束的收縮更加明顯,6孔噴霧聚合為一束,大尺度渦流結(jié)構(gòu)消失.上述現(xiàn)象表明,汽油在110,℃時,噴霧發(fā)生了閃急沸騰,降低環(huán)境背壓進(jìn)一步加劇了汽油的閃急沸騰.由圖4可知,汽油在20,℃時處于冷態(tài),噴霧的貫穿速度在ASOI為0.6,ms以后明顯降低.汽油在冷態(tài)時,隨著噴霧在徑向擴展,噴霧前端和空氣的接觸面積增大,與環(huán)境氣體的相互作用導(dǎo)致自身動量減弱,貫穿速度降低.而汽油在110,℃時處于閃急沸騰狀態(tài),噴霧的貫穿速度基本保持不變.在背壓同為100,kPa下,與汽油溫度為20,℃時相比,汽油溫度為110,℃時貫穿距反而更小,是由于此時噴霧前端兩側(cè)出現(xiàn)了大尺度的渦旋結(jié)構(gòu),將前端的油滴向上卷吸(圖4),從而減弱了向前貫穿的動量.從圖5中能夠直觀地看到燃油溫度和環(huán)境壓力對噴霧形態(tài)的影響.圖中橢圓所圍噴霧處于過渡閃急沸騰,其左側(cè)噴霧處于冷態(tài),右側(cè)處于劇烈閃急沸騰狀態(tài).噴霧從冷態(tài)、過渡閃急沸騰到劇烈閃急沸騰,貫穿距經(jīng)歷了先減小再增加的過程.從圖6a中可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)汽油在20,℃、50,℃和80,℃時,環(huán)境壓力越小,噴霧的近場錐角越大,變化在5°以內(nèi);當(dāng)汽油在110,℃時,近場錐角隨環(huán)境背壓的變化超過了10°.說明在汽油的劇烈閃急沸騰作用下,在噴油器出口處,噴霧在徑向急劇擴展,導(dǎo)致噴霧的近場錐角明顯增加.噴霧遠(yuǎn)場錐角的變化趨勢和近場噴霧錐角完全相反,如圖6b所示.在同一環(huán)境背壓下,隨著汽油溫度升高,遠(yuǎn)場噴霧錐角明顯降低;環(huán)境背壓為40,kPa和70,kPa時,遠(yuǎn)場錐角的降低程度明顯大于背壓為100,kPa的情況.表明燃油溫度越高,噴霧在噴孔下方5~20,mm內(nèi),向噴油器軸線方向收縮程度越大.3閃急麻黃噴霧微爆效應(yīng)對噴霧近場錐角的影響從6孔噴霧試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),與冷態(tài)噴霧相比,閃急沸騰噴霧的宏觀形態(tài)、貫穿距和噴霧錐角具有很明顯的特征.為了探究這些特征的內(nèi)在原因,補充了單孔和雙孔噴油器的閃急沸騰試驗.圖7為汽油在20,℃時,單孔和雙孔噴霧兩側(cè)的邊緣輪廓非常平滑,單孔噴霧尖端非常尖銳,雙孔噴霧兩油束之間有明顯間隙;而汽油在110,℃時,單孔和雙孔噴霧尖端變得圓滑,兩側(cè)邊緣出現(xiàn)氣流卷吸引起的波動,且雙孔噴霧油束之間的間隙減小,甚至重疊.汽油在110,℃時,環(huán)境背壓為40,kPa,單孔、雙孔噴霧均發(fā)生閃急沸騰,雙孔噴霧由兩束合并為一束,這一現(xiàn)象和6孔噴霧類似,是多孔噴油器發(fā)生閃急沸騰最明顯的特征——噴霧塌縮.噴霧塌縮是指油束改變原來的運動方向,在初始段呈現(xiàn)某種彎流運動,并在下游某處匯流成一股噴霧.而單孔噴霧在發(fā)生閃急沸騰時不會出現(xiàn)塌縮現(xiàn)象.閃急沸騰噴霧過程中的微爆效應(yīng)能夠有效地促進(jìn)燃油快速霧化和蒸發(fā),同時微爆效應(yīng)還使液滴的徑向速度增加,從而導(dǎo)致噴霧體寬度增加,有利于燃油與空氣的快速混合.6孔噴油器閃急沸騰試驗中,近場錐角隨溫度的升高而增加,就是微爆效應(yīng)的體現(xiàn).單孔噴霧不存在多孔油束之間的相互干擾,可以更好地體現(xiàn)閃急沸騰的微爆效應(yīng)對噴霧近場錐角的影響.從圖8a可見,汽油溫度為110,℃,單孔噴霧近場錐角隨環(huán)境背壓的變化最為明顯,最大差值達(dá)到20°.相對6孔噴霧,單孔噴霧的近場錐角對燃油溫度更加敏感,閃急沸騰的微爆效應(yīng)體現(xiàn)的更加明顯.通過對比單孔和雙孔近場錐角,可以找到6孔噴霧近場錐角存在上述差異的原因.由圖8對比發(fā)現(xiàn),汽油溫度升高,雙孔噴霧近場錐角的增加程度明顯低于單孔噴霧.雙孔噴霧發(fā)生閃急沸騰,微爆作用使兩油束寬度增加,出現(xiàn)相互重疊的部分,降低了雙孔噴霧近場錐角增加的程度.這就是6孔噴霧近場錐角變化不如單孔噴霧近場錐角顯著的原因.閃急沸騰噴霧發(fā)生微爆,大液滴破碎形成的小液滴對氣流的跟隨性非常強,增大了油束在空間分布的區(qū)域,造成油束重疊,使更多的液滴進(jìn)入噴霧中心區(qū)域.由于各噴束在軸線方向的高速運動,周圍的空氣不能及時補充到噴霧中心的位置,造成多孔油束中心形成低壓區(qū),產(chǎn)生強烈的氣流卷吸作用.噴霧在閃急沸騰狀態(tài)下,液滴經(jīng)氣流的卷吸,多孔噴霧向噴油器軸線靠攏,加劇了油束之間的重疊.多孔油束的噴霧重疊區(qū)內(nèi)聚集了大量燃油液滴,增加了該區(qū)域內(nèi)液滴的數(shù)密度,在噴油器軸線方向形成實心的柱狀噴霧體.隨著汽油溫度升高,單孔噴霧遠(yuǎn)場錐角增加,而雙孔和6孔噴霧遠(yuǎn)場錐角減小,如圖9a所示.該現(xiàn)象說明在閃急沸騰條件下,單孔噴霧不會發(fā)生塌縮,而雙孔和6孔則會發(fā)生塌縮現(xiàn)象.噴霧發(fā)生塌縮,大量燃油液滴聚集在噴油器下方較小的區(qū)域內(nèi),提高了小液滴發(fā)生碰撞、合并為大液滴的機率;而噴霧體占據(jù)的區(qū)域越小,動量流率(總動量與流通截面積之比)越大,受到的空氣阻力越小,從而減小了噴霧貫穿速度降低的趨勢.從圖9b中各噴油器在閃沸條件下貫穿距的發(fā)展規(guī)律中可以得出上述結(jié)論.40,kPa的環(huán)境背壓下,汽油升溫到110,℃時發(fā)生劇烈閃急沸騰,但單孔、雙孔和6孔噴油器的貫穿距發(fā)展趨勢存在較大差異.雙孔噴霧貫穿速度在ASOI為0.6,ms以后出現(xiàn)下降,而單孔噴霧貫穿速度下降更明顯,6孔噴霧貫穿速度幾乎保持不變.因此,閃急沸騰噴霧的塌縮現(xiàn)象,會增大噴霧的貫穿距.4閃急麻黃噴霧(1)升高噴油溫度和降低定容彈內(nèi)的壓力,可以使噴霧達(dá)到閃急沸騰狀態(tài),油束向噴油器軸線方向收縮,噴孔出口處的噴霧邊界呈“傘狀”;當(dāng)燃油發(fā)生閃急沸