柴油機起動過程噴霧撞壁試驗研究

王憲成， 馬 寧， 周國印， 劉海濤， 張永峰

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072； 2. 32180部隊， 北京 100071； 3. 特種警察學(xué)院軍政訓(xùn)練系， 北京 102211)

柴油機在起動過程中，其轉(zhuǎn)速、缸壓及溫度偏低會導(dǎo)致噴霧撞壁，導(dǎo)致缸內(nèi)大量油膜附著在冷態(tài)壁面，從而使缸內(nèi)混合氣形成質(zhì)量變差，造成燃燒劣化[1]。通過起動過程噴霧撞壁試驗，可以了解起動過程噴油速率、缸內(nèi)壓力以及燃燒室壁面粗糙度等對噴霧撞壁的影響規(guī)律，為燃燒室優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

近年來，可視化方法以其直觀、高效、可靠等特點被大量研究者用于開展發(fā)動機噴霧燃燒研究當(dāng)中[2-5]。其中,定容彈因具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、試驗周期短、可靠性高等特點，成為研究燃油噴霧撞壁過程的重要輔助手段[6]。TAKASHI等[7]針對進氣道噴射(Port Fuel Injection，PFI)發(fā)動機研究了撞壁燃油附著量隨噴霧撞壁擴散距離變化的規(guī)律；李韜等[8]在研究噴射撞壁油膜厚度變化規(guī)律時，設(shè)計了可以對油膜進行垂直拍攝的試驗平臺，通過激光誘導(dǎo)熒光法測量了壁面油膜厚度隨溫度變化的規(guī)律；李翔等[9]運用陰影法成像系統(tǒng)和相位多普勒激光測試系統(tǒng)對噴霧撞壁形態(tài)進行了實驗研究，討論了壁面溫度對噴霧撞壁發(fā)展的影響，但未對壁溫影響液滴碰壁后的反應(yīng)形態(tài)進行研究；成曉北等[10]在對噴霧撞壁油膜流動的研究中考慮了壁面狀況的影響，在確定飛濺液滴質(zhì)量和反射角度時，針對光滑壁面和粗糙壁面分別采取了不同的經(jīng)驗公式，但未考慮不同壁面粗糙度對液滴撞壁的影響。

筆者基于柴油機油泵試驗臺設(shè)計了可視化定容彈噴霧撞壁試驗系統(tǒng)，針對不同粗糙度燃燒室在起動工況下冷態(tài)壁面進行噴霧撞壁試驗，研究了噴油速率、背景氣體壓力和壁面粗糙度對噴霧撞壁的影響規(guī)律。

1 起動工況噴霧撞壁試驗

1.1 試驗設(shè)備

可視化定容彈噴霧撞壁試驗系統(tǒng)由定容噴霧彈、高壓機械噴油泵實驗臺、高速攝影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。噴霧撞壁試驗系統(tǒng)組成如圖1所示，噴霧撞壁試驗臺如圖2所示。

在噴霧撞壁試驗中，為減小相鄰噴孔之間油束的影響，在試驗過程中利用擋油環(huán)進行引流，噴油器擋油環(huán)設(shè)計如圖3所示，具引流效果如圖4所示。

在高速攝影視場中只對其中一束油束進行拍攝，使用噴孔直徑0.35 mm、噴油開啟壓力20.6 MPa的8孔噴油器，試驗所用噴油器及噴油泵參數(shù)如表1所示。

表1 燃油器及噴油泵參數(shù)

1.2 試驗方案

在進行噴霧撞壁試驗中，針對噴油速率、背景氣體壓力、壁面粗糙度對噴霧撞壁的影響，制定如表2所示試驗方案，為減小試驗誤差，每組試驗重復(fù)3次，試驗條件如表3所示。

表2 試驗方案

表3 試驗條件

1.3 噴霧撞壁參數(shù)定義

本文對噴霧撞壁宏觀參數(shù)進行研究時僅針對油束左側(cè)區(qū)域，該區(qū)域涉及活塞頂壁面。在對燃油噴霧撞壁參數(shù)進行定義時，令撞壁后沿活塞頂壁面向活塞頂方向發(fā)展的距離為撞壁擴散距離l，同側(cè)噴霧撞壁后油霧反射高度為撞壁高度h，如圖5所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 噴油速率對噴霧撞壁的影響

圖6為柴油機起動過程噴油速率隨油泵轉(zhuǎn)速變化曲線，取噴油速率峰值為56、91、135 mg/ms循環(huán)的噴霧撞壁圖像進行對比。

在進行噴油速率對噴霧撞壁影響的測試中，定容彈內(nèi)背景氣體壓力控制在1.5 MPa，定容彈內(nèi)氣體溫度與燃油溫度均為20 ℃，燃燒室壁面粗糙度Ra=43 μm，以燃油噴射始點為時間零點開始記錄。噴油速率峰值在56、91、135 mg/ms時對應(yīng)的噴霧撞壁圖像如圖7所示，對應(yīng)的噴霧撞壁擴散距離隨時間變化曲線如圖8所示。

從圖7、8發(fā)現(xiàn)：在相同背景氣體壓力下，隨著噴油速率升高，噴霧撞壁時刻提前，當(dāng)噴油速率峰值為56、91、135 mg/ms時，噴霧撞壁時間點分別為1.2、0.8、0.5 ms；撞壁后，在噴霧進行至2.5 ms時，隨著噴油速率峰值增大，撞壁擴散距離相應(yīng)增大，依次為11.5、13.4、14.9 mm。分析其原因為：燃油噴射速率峰值越大，液滴速度越快，接觸壁面時液滴的平均韋伯?dāng)?shù)就越大，導(dǎo)致更多數(shù)量的液滴在撞壁時發(fā)生飛濺，因而撞壁擴散距離增大。

2.2 背景氣體壓力對噴霧撞壁的影響

圖9為柴油機起動倒拖過程中缸內(nèi)壓縮壓力變化曲線，其中噴霧持續(xù)期間對應(yīng)的缸壓范圍約為1.5～2.5 MPa。

在背景氣體壓力對噴霧撞壁影響的測試中，分別取1.5、2.0、2.5 MPa背景氣體壓力下的噴霧撞壁圖像進行對比，其中噴油速率峰值為56 mg/ms，定容彈內(nèi)氣體與燃油溫度均為20 ℃，燃燒室壁面粗糙度Ra=43 μm，以燃油噴射始點為時間零點開始記錄。背景氣體壓力在1.5、2.0、2.5 MPa時對應(yīng)的噴霧撞壁圖像如圖10所示，對應(yīng)的噴霧撞壁擴散距離隨時間變化曲線圖11所示。

從圖10、11發(fā)現(xiàn)：在相同噴油速度峰值下，隨著背景氣體壓力下降，噴霧撞壁時刻提前，當(dāng)背景氣體壓力為2.5 、2.0、1.5 MPa時，噴霧撞壁時間點分別為1.42、1.31、1.20 ms；撞壁后，在噴霧進行至3.0 ms時，隨著背景氣體壓力下降，撞壁擴散距離增大，依次為9.8、11.3、12.6 mm。分析其原因為：背景氣體壓力下降，液滴阻力減小，使得液滴速度增快，接觸壁面時液滴的平均韋伯?dāng)?shù)增大，導(dǎo)致更多數(shù)量的液滴在撞壁時發(fā)生飛濺，因而撞壁擴散距離增大。

2.3 壁面粗糙度對噴霧撞壁的影響

圖12為不同積炭程度燃燒室壁面放大圖像。積炭的存在改變了壁面微觀結(jié)構(gòu)尺寸，使其壁面粗糙度發(fā)生變化，通過粗糙度測量，其對應(yīng)粗糙度Ra依次為43、52、65 μm。

在壁面粗糙度對噴霧撞壁影響的測試中，分別取粗糙度Ra為43、52、65 μm燃燒室壁面上的噴霧撞壁圖像進行對比，其中油泵噴油速率峰值為56 mg/ms，定容彈內(nèi)氣體溫度與燃油溫度均為20 ℃，背景氣體壓力取1.5 MPa，以燃油噴射始點為時間零點開始記錄。粗糙度為43、52、65 μm的壁面在噴霧進行2.5 ms時對應(yīng)的撞壁圖像如圖13所示，噴霧撞壁擴散距離隨時間的變化曲線如圖14所示。

從圖13、14發(fā)現(xiàn)：在相同背景氣體壓力及噴油速率峰值下，噴霧撞壁時刻相同；壁面粗糙度越大，噴霧撞壁距離越小，在噴霧進行至3.0 ms時，噴霧在粗糙度Ra為43、52、65 μm的壁面撞壁擴散距離分別為12.4、11.2、10.2 mm。分析其原因為:壁面越粗糙，液滴撞壁時的臨界韋伯?dāng)?shù)就越大，發(fā)生飛濺的液滴數(shù)量減少，而粘附壁面的液滴數(shù)量增多，因而撞壁擴散距離減小。

3 結(jié)論

筆者基于柴油機油泵試驗臺設(shè)計了可視化定容彈噴霧撞壁試驗系統(tǒng)，針對不同粗糙度燃燒室壁面，在不同噴油速率及背景氣體壓力下進行噴霧撞壁試驗，研究結(jié)果表明：噴油速率與背景氣體壓力通過影響液滴韋伯?dāng)?shù)來影響撞壁過程，噴油速率越大、背景氣體壓力越小，撞壁擴散距離越大；壁面粗糙度通過影響液滴撞壁時的臨界韋伯?dāng)?shù)來影響撞壁過程，壁面粗糙度越大，撞壁擴散距離越小。