发动机排气系统两级喷雾降温的实验研究＊

王小川 李雁飞 贺 国

（海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室1） 动力工程学院2） 管理工程系3） 武汉 430033）

0 引 言

为降低舰船排气系统排出高温烟气的红外辐射特征［1］，可以在排气管路中喷入冷却水雾的方法对高温烟气进行冷却降温.

为研究喷淋冷却特性，贺国等［2］对AIP（不依赖空气推进装置）排出气体喷淋冷却及CO2气体高效水吸收理论进行了实验研究，建立了AIP排出气体喷淋冷却预报数学模型.为降低排气噪声和排气温度；柳贡民等［3］对水喷淋消声器进行了数值模拟及实验研究，结果表明该方法是有效的.但喷淋消耗水量较大，且雾滴粒径大，水滴与气体传热传质效果差；为提高冷却效果，袁江涛等［4］在发动机排气管路内利用雾化喷嘴喷入冷却细水雾的方式对高温烟气进行冷却降温，柴油机烟气温度从管路进口的358℃降低至排气出口处的120℃.仅采用一级喷雾的冷却方式，对烟气降温程度有限，对烟气充分冷却降温所需喷水量的研究未见诸于文献.

本文通过实验研究，分析喷入冷却水流量大小对烟气温度降低的影响规律，并根据两级喷雾后烟气温度变化规律，确定两级喷雾最佳喷雾压力和喷雾流量这2个喷雾参数与发动机排气热负荷关联的数学模型.

1 实验系统

1.1 系统组成

发动机排气系统喷雾降温实验系统由3部分组成：柴油机排气系统（含集水箱缩比模型）、高压供水和两级喷雾系统、数据采集系统.

图1所示为实验装置及测试系统示意图.实验所用发动机为6135D－1柴油机，为喷雾降温实验提供所需的高温烟气.图中T1～T10为热电偶测温点，P1～P3为烟气压力测点.通过沿程布置的T2～T7测点监测第一级喷雾后烟气温度变化，各测点距离集水箱排气出口截面的沿程距离分别为0.15，2.61，2.73，3.15，3.75和4.67m.T7～T10测点用来监测第二级喷雾后烟气温度变化，各测点距离第二级喷雾装置的沿程距离分别为：0.81，1.24和1.65m.

在集水箱中喷入第一级冷却细水雾，利用耐高压软管将6个喷嘴连接在一起，构成第一级喷雾装置.利用高压供水泵对第一级喷雾装置进行供水，通过喷嘴喷入的过量且未蒸发的冷却水可通过集水箱底部的放泄阀排出.在下游排气管路中喷入第二级冷却细水雾，由于此处烟气温度相对较低，且 管路内径较小，因此仅布置三只喷嘴组成环路.

图1 实验系统布置示意图

1.2 单路压力雾化喷嘴

实验用喷嘴为Spraying（喷雾）系统公司生产的LND型单路压力微细雾化喷嘴，选用的LND0.6，LND1.5和 LND2.0三型喷嘴的孔径分别为0.41，0.51和0.71mm.喷嘴雾化压力均为1.0～5.0MPa，雾化后所产生的雾滴均属于细水雾，并且雾滴粒径随雾化压力的升高而减小，喷嘴流量随雾化压力的升高而增大［5］.

1.3 丝网除水装置

由于发动机排气管路内温度较高，热流密度大，因此选用耐高温的不锈钢金属丝网将第一级喷雾后部分水滴从混合气流中分离出来.将单层金属丝网固定在排气管2个法兰之间，竖直放置，在丝网的上游排气管的底部设置楔形导流槽［6］，使被分离的水分沿导流槽流入在管壁上开设的小孔，被丝网分离出的水分从该小孔中流入疏水管路.在疏水管路的末端安装了疏水阀，水分可以通过此阀排出排气管路，同时也阻止了烟气泄漏.

2 两级喷雾降温实验数据及分析

2.1 喷雾量对温降影响

实验发现，在各种工况下T2～T6各测点测量值的变化曲线中经常出现温度突降，即水雾附着对测温准确性的产生一定影响.而下游测点T7的变化值相对稳定，因此将T7稳定后的值作为第一级喷雾烟气温度稳定值.

实验发现，在集水箱中喷入冷却水雾后烟气温度有明显降低，其降低幅度随着烟气初始温度、喷嘴孔径和喷雾压力的改变而变化.图2为T7测点值稳定后的温度实测值随三型喷嘴喷雾压力的变化情况，并将实验数据点B－样条拟合后的结果.由图2可见，随着喷雾压力的升高，烟气温度逐渐降低；随着喷嘴孔径的增大，烟气降温的幅度也增大，这是因为当喷雾压力一定时，喷孔越大喷雾量也越大.LND0.6喷嘴与LND1.5和LND2.0两型喷嘴相比，对烟气降温的能力有限.当柴油机在较高工况下，如烟气初始温度T1为753K时，LND0.6喷嘴在最大喷雾压力5.0MPa时，使烟气温度仅降低到604.3K，而LND2.0喷嘴在相同条件下可使烟气温度降低到418.6K.

图2 T7处烟气温度随喷雾压力变化

图2 中LND1.5和LND2.0两型喷嘴的曲线比较接近，但LND2.0喷嘴的耗水量比LND1.5大，且雾滴粒径大，同等条件下雾滴蒸发慢.图3a）中，LND1.5喷嘴喷雾压力大于2.0MPa且继续增加时，烟气温度基本不变，因此喷雾量的继续增加已经失去意义.图2a）中有使烟气温度达到最低稳定值的临界压力点存在，在图2b）～d）中的部分工况条件下也有类似临界点的出现.

2.2 两级喷雾喷嘴及压力的确定

实验表明，随着第一级喷雾压力（流量）的增加，烟气温度值逐渐降低，但随着喷雾流量的继续增加，烟气温度降低变平缓，逐渐趋于某一稳定值.此时若继续增加喷雾流量，烟气温度变化不大，也即达到稳定值以后增加的喷雾量对烟气温降产生的作用是无效的.因此在喷雾流量值的确定时，存在一个最大有效值［7］，称之为“最佳喷雾流量”.

综合比较图2中三型喷嘴对烟气降温的特性，为使发动机排出的高温烟气迅速冷却至饱和温度，且不喷入过量的冷却水，将LND1.5型和LND0.6型喷嘴分别作为第一级喷雾和第二级喷雾所使用的喷嘴.

根据图3中LND1.5型喷嘴使烟气温度趋于稳定时的雾化压力值，确定第一级喷雾最佳喷雾压力p1m，第一级喷雾最佳喷雾压力值及对应烟气温度稳定值见表1.当进行两级喷雾实验时，将第一级喷雾压力调整至表1中的目标压力后，逐步调整第二级喷雾压力进行实验对比.

表1 两级喷雾压力

2.3 两级喷雾后烟气温度测量结果

经过第一级喷雾冷却后，烟气温度已经降低到了第一级喷雾降温的极限值，即相应压力下的烟气温度的饱和值.利用丝网将一部分水分除去后，再喷入第二级细水雾时烟气温度仍有一定幅度降低.

图3 两级喷雾后T10点温度瞬态变化

图3 反映了表1中两级喷雾工况下，T10测点温度值随两级喷雾时间的变化规律，图中点为第二级喷雾不同喷雾压力下烟气温度变化实测值，曲线为将实验数据点B－样条拟合后的结果.从图中可见，随着第二级喷雾压力的升高，烟气温度降低幅度增大，且稳定后的烟气温度值比仅进行第一级喷雾时的稳定值低.图3a）中的A点处有明显的温度突降，这是被第一级喷雾冷却的烟气经过一段时间运动后流经T10测点处，由于第一级喷雾比第二级喷雾流量大，降温幅度大，因此突降是由于第一级喷雾和第二级喷雾的温降叠加所产生的结果.图3中，当第二级喷雾压力为1MPa时，烟气温度即可降低到较低值，这是因为经过第一级喷雾后烟气温度已经降低到比较低的范围，再经过第二级喷雾后，烟气温度继续降低，因此温度可降至340K左右.

而随着烟气初始温度的继续升高，当烟气温度为673K时，图3c）中，当第二级喷雾压力为4 MPa时，烟气温度最终稳定值为343.1K，此时第二级喷雾压力为最佳喷雾压力.

当烟气初始温度高于673K后，第二级喷雾压力为1～3MPa时，T10测点处烟气温度降低到400K左右，便不再继续降低，说明喷雾流量仍不足以使烟气温度降低至373K以下，第二级喷雾压力增加至5MPa时烟气温度可降至较低值.图4d）中，当第二级喷雾流量为5MPa时，T10测点处烟气温度稳定值为358.7K.图3d）中两级喷雾压力均为5MPa时，可以使烟气温度值降低到较低水平，说明5MPa为T1＝753K工况下第二级最佳喷雾压力.

3 最佳喷雾参数的实验关联模型

根据烟气温度随两级喷雾压力（流量）变化的规律，将使烟气温度达到稳定时的喷雾流量最低值定义为最佳喷雾流量.实验得到使烟气温度稳定的最低喷雾压力，通过喷嘴喷雾压力与流量的对应关系，即可得到发动机各种工况时对应的两级喷雾最佳流量.

利用最小二乘法拟合方法，分别对两级喷雾最佳喷雾压力p1m，p2m，两级喷雾最佳流量值˙m1，˙m2和烟气初始温度Tg，in的约束关系进行回归分析，拟合后得到以下关联式.

第一级喷雾最佳喷雾压力：

第一级喷雾最佳喷雾流量：

第二级喷雾最佳喷雾压力：

4 结 论

1）通过两级喷雾冷却使烟气温度降低，实验中两级喷雾压力的最高工况可使烟气温度控制在330～360K的范围内.实验表明两级喷雾冷却方法对发动机排出烟气的充分冷却是有效的.

2）发动机排气系统的两级喷雾冷却均存在最佳喷雾压力和流量等喷雾参数，通过两级喷雾冷却实验确定了该参数.

3）对最佳两级喷雾压力和流量等喷雾参数与发动机排气初始温度进行回归分析，得到了发动机特定工况下的两级喷雾回归模型.为舰船发动机红外特征抑制提供数据支撑.

［1］王小川，贺 国.基于ELM的动力排气系统喷雾降温研究［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2013，41（2）：31－35.

［2］贺 国，赵建华，陈国钧，等.闭式柴油机排出气体喷淋冷却传热模型及实验关联研究［J］.内燃机工程，2003，24（1）：75－80.

［3］柳贡民，黄 亮，张文平，等.船用柴油机排气冷却降噪装置性能仿真与实验研究［J］.船舶工程，2007，29（3）：3－8.

［4］袁江涛，张 健，杨 立，等.动力排气系统细水雾蒸发冷却试验研究［J］.工程热物理学报，2010，31（3）：461－464.

［5］王小川，贺 国，赵光永，等.喷嘴孔径对喷雾降温性能的影响［J］.海军工程大学学报，2013，25（4）：56－60.

［6］郭朝有，贺 国，王小川，等.高温气流中丝网除水特性数值研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2014，38（5）：1036－1039.

［7］谢宁宁，陈东芳，胡学功，等.压力与流量对喷雾冷却换热特性的影响［J］.工程热物理学报，2009，30（12）：2059－2061.