喷油时刻及压力对燃油喷雾碰壁影响的试验研究

王站成，杜慧勇，吴 健，刘建新，徐 斌，刘 松

（河南科技大学车辆与交通工程学院，河南 洛 阳 471003）

紧凑型高速直喷式柴油机的发展使得燃油喷雾碰壁研究受到关注。油束碰壁、油滴飞溅和燃油与空气之间相互作用是柴油机燃烧室内油气混合的基本因素［1］，这也是柴油机最重要的研究方向，因为其极大地影响着燃烧过程及有害物排放［2］。由于现代柴油机喷油器和活塞顶部的距离较短，油束有可能在完全蒸发和与空气混合前撞击燃烧室的表面，因此，对油束喷雾碰壁进行试验研究，可以进一步改善柴油机的燃烧特性和减少有害排放物的生成。

现代柴油机燃油喷射系统大多采用高压共轨技术，燃油喷射具有较高的压力，通过试验手段很难分析燃油喷雾碰壁现象。国内外学者用闪光摄影法、激光诱导荧光法和高速摄影仪拍摄研究了喷油压力、距离、夹角对喷雾体体积、壁面油膜厚度、燃油附着量等的影响［3－4］。本研究利用自制的仿形壁面，采用新型频闪喷雾摄影法，在不同压力下对油束撞击壁面不同位置的雾化效果进行试验研究。

1 碰壁壁面的制作及试验设备

本研究以4D20T增压发动机的燃烧室为原型制作燃烧室壁面。首先利用硅胶对燃烧室内部进行填充，待凝固后取出并进行切割，照取截面图片，后利用Catia软件对其截面进行三段弧扫边，测量后得到燃烧室的形状，最后利用铝板板筋制作燃烧室壁面。制作过程见图1。

由于在常温常压下进行喷雾试验时的环境密度与实际发动机环境密度不同，喷雾形态会比实际发动机中的大，需要对实际燃烧室尺寸进行适当放大。文献［5］表明，虽然燃烧室内压力和温度不同，但是只要环境密度相等，喷雾贯穿距离和锥角就基本相等，喷雾的总体积也相等。4D20T增压发动机在标定工况喷油时刻的缸内密度为常温常压下空气密度的30倍左右，为了使壁面尺寸在一个合适的范围内，以方便安装和试验，因而减小了喷油量，以保证试验的贯穿率基本在1.05左右。最终选用了放大6倍后的燃烧室尺寸作为碰壁壁面的尺寸。

本次试验在油泵试验台上进行，环境温度为18℃，空气密度为1.213kg／m3，所用设备参数及试验条件见表1。

表1 设备参数及试验条件

2 试验结果及分析

2.1 碰壁位置对油束形态的影响

在自行设计制作的仿形壁面上进行不同喷油时刻碰壁位置的试验，选取4个不同的油束碰壁位置（见图2），其中初始位置对应活塞上止点的位置，a，b，c，d分别对应曲轴转角为17°，24°，30°，36°的位置，活塞下移距离分别为15mm，30mm，40mm，45mm，共轨压力为90MPa，喷油脉宽为640μs，拍摄照片时刻相对于喷油起始时刻为260ms。

由于不同的碰壁位置对油束的扩散会有所影响，利用Matlab绘制碰壁油束的等高线填充图，来间接反映其浓度的分布。图3示出在相同压力和喷油量下柴油在4种碰壁位置同一时刻的等高线填充图。

从图2中可看出，位置a的油束撞击在凹坑下方，燃烧室上部大量空气得不到很好地利用，不利于燃油与空气的混合，雾化效果变差；位置b的壁面法线和油束轴线基本一致，因此撞壁后油束浓度比较均匀，但是这种近似于垂直的撞壁，造成了油束能量的大量损失，壁面油膜的涂布效果很差，不利于近壁处燃油的蒸发；位置d的撞击点靠近燃烧室顶面，大量飞溅的燃油涌入余隙容积，此处空气量较少，燃油无法得到充分混合，容易造成积炭；位置c不但能获得较均匀的碰壁油束，而且能使油束在沿壁面方向获得较大的运动速度，增强了油膜的壁面涂布能力，促进近壁面燃油的蒸发［6－7］。

另外位置c的油束空间分布基本等分了燃烧室的有效空间，这样能最大限度地利用燃烧室中的空气［8］。图4示出的油束经过了Photoshop图像处理软件的边缘化处理，从中可看出，位置c中燃烧室被油束分隔成的区域Ⅰ和区域Ⅱ基本相等。因此在不同喷油时刻撞壁位置中，油束撞击位置c能得到最好的雾化效果。

2.2 不同喷油压力时的碰壁特性

利用图像处理软件可以得到图像中油束平面投影的像素面积，并利用油嘴作为标尺，将得到的像素面积转化为实际尺寸，最终计算出油束轴向分布面积（见图5）。图6示出柴油在4种不同喷油压力同一喷油量条件下撞击位置c时的油束轴向分布面积测量值。从图6中可看出，喷油压力主要影响油束前期的发展，喷油压力越大，油束轴向分布面积越大。在喷雾后期，油束由于速度减弱，都会呈现一段时间的迅速挥发期，导致轴向分布面积迅速增大，随后会逐渐减小趋于稳定。另一方面，油滴有分裂也有聚合，油束最终扩散面积就是由油滴的分裂和聚合共同影响的，在喷雾后期聚合作用基本达到动态平衡，这是油束最终的扩散截面积会逐渐变平缓的原因。但喷油压力越大，油束所具有的能量越大，撞壁时油束能获得更高的沿壁面发展速度，有利于与空气的卷吸混合和近壁油雾的蒸发。而且高的喷油压力更有利于油束破碎，得到的液滴尺寸更小，滴径分布更均匀［9］。

3 结论

不同的喷油时刻会影响燃油喷雾在燃烧室中的着壁位置，而着壁位置不同会对油束形状、空间雾化情况有非常大的影响。本研究对不同喷油时刻和喷油压力燃油撞击壁面的效果利用新型频闪系统进行了拍摄，得到了如下结论：

a）油束碰壁后应使其沿壁面有较大的发展速度，这样能够与燃烧室内的空气混合均匀，减少油束撞击壁面的能量损失，利于近壁油束的蒸发，同时也增强了涂布效果；

b）油束空间分布应能够将燃烧室内部有效容积等分，这样能最大限度地利用燃烧室内的空气，得到较好的雾化效果；

c）在不同喷油压力下，只要喷油量相等，油束轴向分布面积相差不大，但是浓度分布不同，喷油压力大，油滴更易破碎，油束浓度更均匀。

［1］ Andreassi L，Ubertini S，Allocca L.Experimental and numerical analysis of high pressure diesel spray－wall interaction［J］.International Journal of Multiphase Flow，2007（33）：742－765.

［2］ 乔信起，高希彦，陈家骅，等.柴油机喷雾碰壁的探讨［J］.车用发动机，1995（4）：45－48.

［3］ Masataka Arai，Kyungnam Ko.Diesel Spray and Adhering Fuel on an Impingement Wall［C］.SAE Paper 2002－01－1628.

［4］ Takashi Yonezawa，Kazuhiko Kawajiri.Study of Adhesion Fuel Behavior Formed by Spray－Wall Impingement in PFI Engine［C］.SAE Paper 2010－01－0782.

［5］ 史绍熙，苏万华.内燃机燃烧研究中的几个前沿问题［J］.内燃机学报，1990，8（2）：95－104.

［6］ 舒歌群，马维忍，许世杰，等.喷雾夹角对柴油机性能影响的数值模拟［J］.工程热物理学报，2008，29（7）：1239－1242.

［7］ 苏万华，史绍熙，赵奎翰，等.中小缸径直喷式柴油机喷雾特性的研究［J］.内燃机学报，1993，11（4）：287－292.

［8］ 刘胜吉，尹必峰，刘 俊.小型直喷式柴油机喷雾油线在燃烧室内分布的研究［J］.内燃机学报，2003，21（1）：21－24.

［9］ 刘 松.高压共轨条件下含氧混合柴油喷雾特性研究［D］.洛阳：河南科技大学，2012：43－46.