气体喷射及环境背压对空气辅助喷雾特性影响研究

刘昌文，李 强，刘丰年，华剑雄，周 磊，卫海桥

(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072)

0 概述

活塞式发动机因具有较高的热效率和功重比，逐渐成为了无人机的主流动力装置。活塞式发动机目前以航空汽油为主要燃料，而航空汽油具有闪点低、挥发性高和易着火等特点，在运输和使用过程中存在较大的安全风险[1]。航空煤油闪点高，不易挥发，其安全性能好,以航空煤油为燃料逐渐成为了点燃式航空发动机发展趋势[2-3]。但航空煤油运动黏度大，采用化油器式进气道喷射很难保证航空煤油雾化效果[4-5]，而燃油雾化状态直接决定混合气形成过程，雾化问题是制约航空煤油活塞发动机发展的关键。

国内外许多学者对航空煤油雾化进行了研究。文献[6]中利用高压共轨技术，基于定容燃烧弹试验平台，对比研究了汽油、航空煤油的喷雾形态，研究表明在相同喷射压力、温度和背压下航空煤油的喷雾贯穿距更大且喷雾锥角更小，航空煤油的雾化更为困难；随着喷射压力的提高，航空煤油的雾化效果得到明显提升。由于高压共轨装置危险性高，且需要额外的燃油泵提高燃油压力，难以在强调功重比的无人机上应用，因此国内外学者更多采用空气辅助喷射的方式提高航空煤油雾化水平。研究表明空气辅助喷射是提高航空煤油雾化质量及实现更高效率和更清洁燃烧的有效途径[7-8]。空气辅助喷射利用压缩空气离开喷嘴时气体的膨胀作用克服燃油表面张力来促进液滴破碎，在相对较低的喷射压力下使索特平均直径(Sauter mean diameter, SMD)小于10 μm[9]。文献[10]中研究了空气辅助直喷航空煤油与汽油喷雾特性对比，试验表明航空煤油的喷雾形态比汽油更细，从而使其具有更大的贯穿距和更小锥角，航空煤油SMD比汽油大。文献[11]中研究了空气辅助喷射闪急沸腾特性，试验表明，对于空气辅助喷射系统，升高燃油温度和降低环境压力可以使喷雾达到闪急沸腾状态，由环境压力引导的闪急沸腾喷雾膨胀发生在靠近空气喷嘴的近端，而由燃油温度引导的喷雾膨胀发生在喷雾的远端。文献[12]中将数值模拟与试验结合，研究结果表明空气辅助喷射促进了喷雾的雾化，特别是在喷嘴附近区域。文献[13]中采用正庚烷为燃料，研究了不同的喷油脉宽、油气间隔对喷雾结构形成的影响，结果表明在适当的控制参数下可观察到两种不同的喷雾形状，并分析了不同喷雾形态的演变过程及形成原因。

目前对不同条件下空气辅助喷雾形态变化研究仍不多见，本文中利用定容燃烧弹试验平台，采用高速摄影技术对空气辅助喷雾特性进行研究。在不同的喷气脉宽、喷气压力及环境背压试验条件下进行研究，采用喷雾特性参数(贯穿距和喷雾投影面积)进行定量分析，研究不同条件下喷雾形态、喷雾区域的变化，为空气辅助喷射在实际发动机上的应用及参数匹配提供一定的理论依据。

1 试验装置及研究方法

1.1 试验装置

定容燃烧弹空气辅助喷雾特性试验台架见图1，试验台架主要包括定容燃烧弹系统、空气辅助喷油系统、进排气系统、纹影成像系统、高速相机及图像采集系统。

图1 定容燃烧弹试验台架示意图

试验所用高速相机型号为Photron FASTCAM SA-Z，在896像素×368像素的分辨率下以6万帧/s的拍摄速度进行拍摄，摄影性能达到100万像素，其触发方式为采用下降沿触发，触发电平为5 V。本系统中采用单片机产生同步的喷油与相机触发信号，确保可拍摄到喷油的整个过程。进排气系统分别安装在燃烧室的两端，用于调节定容燃烧弹燃烧室内的压力，且进排气的布置较远，便于清扫定容弹内气体。纹影系统使用光强度可调的卤素连续光源，当弹体内部密度发生变化时，折射率的变化会使经纹影光路后的光线将这种密度变化反映到纹影镜上，结合高速相机，实现燃烧室内喷雾传播图像的采集。

图2为空气辅助喷油器内部结构简图，图3为空气辅助喷射控制波形图。如图2所示，空气由进气口进入混合腔内，并充满混合腔。如图2和图3所示，在接收到单片机发出的5 V下降沿触发信号后，经过短暂喷油延时(约1 ms)，在喷油脉宽时间内燃油经进油口流入喷油器，然后经燃油喷嘴进入混合腔与压缩空气进行混合，完成初次破碎。经喷油延时(约1 ms)后，在空气脉宽时间内燃油和空气的混合气经空气喷嘴以高速喷入定容弹内，在空气的膨胀作用下完成液滴破碎及燃油雾化。用燃油电磁阀和空气电磁阀分别控制喷油脉宽和喷气脉宽的数值。为了保证燃油可以喷入混合腔内，喷油压力应高于喷气压力。

图3 空气辅助喷射控制波形图

本研究中采用航空煤油为燃料，具体特性如表1所示，测试工况如表2所示。

表1 航空煤油主要物性参数

表2 测试工况

1.2 图像处理及参数定义

为了进一步分析空气辅助喷射的喷雾特性，采用宏观特性参数(喷雾贯穿距、喷雾投影面积)进行定性分析。为了处理图像，采用MATLAB图像处理工具箱进行图像处理。处理流程为：去除图像背景，增强对比度，换为灰度图，转换为二值图，去除噪声点，进行边缘检测。二值图设定阈值为0.03，边缘检测设定阈值为0.60。通过像素点与实际距离对应关系，最终得到喷雾贯穿距和喷雾投影面积，具体处理过程如图4所示。根据SAE J2715标准[14]对喷雾参数进行定义，喷雾贯穿距定义为从喷嘴出口到喷雾发展至最远端的距离，如图4(c)所示；喷雾投影面积是指喷雾沿光传播方向投影面积大小(图4(b)白色区域)。

图4 MATLAB图像处理过程

2 试验结果及分析

2.1 不同喷气压力对喷雾的影响

典型空气辅助喷雾结构如图5所示，将喷雾分为核心区域(蓝色虚线包围)、稀薄区域(红色虚线包围)。稀薄区域的形成主要是由于不断有空气气泡破碎且存在高速运动的压缩空气随燃油一起喷入定容弹内,核心区域的形成则是因为喷雾刚从空气辅助喷油器中喷出，燃油比较集中。

图5 典型空气辅助喷雾结构

图6为在喷气脉宽3 ms、环境背压0.10 MPa条件下不同喷气压力时的喷雾形态随时间的变化情况。以空气喷嘴刚打开为t=0 ms，在本文中由于t=3.0 ms 以后喷雾前端会超出光学拍摄窗口，所以只记录3.0 ms以前的喷雾形态。如图6所示，在喷雾发展初期(t=0.6 ms)时出现了较大的稀薄区域，并且可以观察到在喷气压力为0.6 MPa和0.7 MPa时喷雾前端出现了“细枝状”，而在喷气压力为 0.8 MPa 时则略微粗壮一些。在t=1.2 ms和 1.8 ms 时喷雾进一步发展，不同的喷气压力使喷雾发展进程存在差异。喷气压力0.8 MPa下发展更快，并且喷雾中含有大量空气气泡，气泡膨胀作用促进喷雾与环境空气相互作用，促使喷雾径向发展。在 2.4 ms 和3.0 ms喷雾继续向前发展，最终喷雾完全发展形成“梭状”喷雾，在不同的喷气压力下喷雾形态大致相同。

图6 0.6、0.7、0.8 MPa喷气压力下不同时刻的喷雾形态

图7为喷气脉宽3 ms、环境背压0.10 MPa条件下不同喷气压力时的贯穿距及喷雾投影面积随时间变化情况。可以看到在不同喷气压力下，喷雾发展过程基本一致，喷雾可以大体分为两个不同阶段：在第一阶段喷雾速度较大，喷雾贯穿距增长速度快；在第二阶段，喷雾速度明显下降，喷雾发展逐渐变得缓慢。在对未采用空气辅助喷雾发展研究中，也发现了喷雾两阶段发展。文献[15]中指出第一阶段的喷雾发展过程主要由燃料自身决定，而第二阶段发展过程主要受环境背压影响。喷气压力越大意味着进入定容弹内喷雾初始动能更大，在环境压力相同的情况下其受到阻力相同，贯穿距也就越大。在喷气压力从0.6 MPa增加到0.7 MPa时，贯穿距缓慢增加；从0.7 MPa增加到0.8 MPa时，贯穿距增加更加明显，在t=3.0 ms时喷雾已经超出光学拍摄窗口，无法继续进行观察。

图7 不同喷气压力下的贯穿距及喷雾投影面积(喷气脉宽3 ms、环境背压0.10 MPa)

喷雾投影面积是衡量喷雾特性的一个重要参数，一般认为喷雾投影面积越大，喷雾与环境空气接触面积越大，燃油液滴更容易破碎，喷雾与环境空气作用加强。由图7可见，在不同的喷气压力下，喷雾投影面积随着时间呈线性增加。喷雾投影面积主要受到沿喷雾轴向距离(即贯穿距)及沿径向发展距离两个因素的影响，喷雾投影面积随时间呈线性增长趋势。由于喷气压力越大，轴向距离越大，喷雾贯穿距也越大，沿径向发展总体呈增长趋势[10]，因此随着喷气压力增加，喷雾投影面积也增加。从图7可以看出空气辅助喷射喷雾投影面积远大于1 400 mm2(喷油压力为140 MPa下的高压共轨直喷航空煤油的最大喷雾投影面积[16])，这说明空气辅助喷射使喷雾投影面积明显增大，与环境空气作用明显，促进液滴破碎气化，使得粒径明显减小。

2.2 不同喷气脉宽对喷雾的影响

与传统的单一液体喷射不同，空气辅助喷射采用了空气进行辅助喷射，若喷气脉宽太低会使得燃油无法完全进入缸内，混合腔内会残余燃油。图8为喷气压力0.7 MPa、环境背压0.10 MPa条件下不同喷气脉宽的喷雾形态随时间的变化情况。由图8可知，t=0.6 ms时喷雾均出现稀薄区域，喷雾呈不规则的细枝状，喷雾形态存在差异。在t=1.2 ms和1.8 ms时喷雾由开始的细枝状逐渐变得粗壮，并且喷雾前端开始变得粗大，与空气接触面积增加。2.4 ms 和3.0 ms时处于喷雾发展末期，喷雾动能减小，速度降低，喷雾往径向发展趋势增加，且喷雾中存在大量气体，既促进了液滴的破碎，同时也促进液滴向外扩散，使得喷雾前端与环境接触面积增加。而喷雾末端初始动能较大仍继续往前发展，呈现出喷雾前端粗大而末端细长的喷雾形态。喷气脉宽为2 ms意味着喷雾发展到 2 ms 时喷嘴已经关闭，燃油未完全喷入定容弹内，喷雾为颜色较浅的梭状喷雾。

图8 2 ms、3 ms、4 ms喷气脉宽下不同时刻的喷雾形态 (喷气压力0.7 MPa、环境背压0.10 MPa)

图9为喷气压力0.7 MPa、环境背压0.10 MPa时不同喷气脉宽下贯穿距及喷雾投影面积随时间变化情况。可以看到喷雾发展仍然出现了与图7类似的两阶段发展过程，不同的喷气脉宽只是改变进入定容弹内空气的多少，并没有改变喷气压力与环境压力之差，喷雾初始动能未发生改变，因此贯穿距在不同喷气脉宽下基本一致。喷雾投影面积随时间呈线性增长趋势，不同的喷气脉宽仅仅改变喷入定容弹内空气量的多少，对贯穿距及径向上的发展并未产生影响，因此不同喷气脉宽喷雾投影面积也基本相同。

图9 不同喷气脉宽下的贯穿距及喷雾投影面积(喷气 压力0.7 MPa、环境背压0.10 MPa)

2.3 不同环境背压对喷雾的影响

图10为喷气压力0.7 MPa、喷气脉宽3 ms时，不同环境背压下喷雾形态随时间的变化情况。如图10所示，环境背压较低时(0.03 MPa和0.07 MPa)，喷雾主要往轴向发展，喷雾贯穿距迅速增加，喷雾形态主要为梭状。随着环境背压增加0.10 MPa，喷雾受到环境阻力加大，贯穿距开始减小，且喷雾形态变得不规则。这主要由于环境背压增加，使得环境气体密度增加，空气辅助喷雾中的大量气泡受到环境气体扰动作用加强，使喷雾形态变得不规则。当环境背压继续增加到0.30 MPa时，环境阻力作用十分明显，喷雾发展严重受限，喷雾前端开始往回发展，形成了涡旋。这主要是由于喷雾前端受到环境空气向上的气流运动的影响，使得整个喷雾形态呈现锚钩状。而随着环境背压进一步增加到0.50 MPa,此时气压与环境压力之差十分小，喷雾几乎停滞，不继续往轴线方向发展，整个喷雾形态呈锥形。

图10 不同环境背压下不同时刻的喷雾形态(喷气 压力0.7 MPa、喷气脉宽3 ms)

图11为喷气压力0.7 MP、喷气脉宽3 ms时，不同环境背压下贯穿距及喷雾投影面积随时间变化情况。从图11可知，贯穿距受环境背压影响十分明显，当环境背压为0.03 MPa时，喷雾受到的环境阻碍特别小，喷雾快速发展，贯穿距急剧增加，并在t=1.8 ms时已经撞壁，贯穿距不再增加。随着环境背压增加到0.07 MPa和0.10 MPa，喷雾受到的阻力增加，使得喷气压力与环境背压之差减小，贯穿距增加较为缓慢。当环境背压进一步增加到0.30 MPa和0.50 MPa时，喷雾受到的阻碍十分明显，贯穿距增加十分缓慢。喷雾投影面积受环境背压的影响明显，当环境背压为0.03 MPa时喷雾受到阻力十分小，促进了喷雾在径向和轴向的发展，喷雾投影面积最大。在环境背压0.07 MPa和0.10 MPa时，喷雾受到的阻力增加，喷雾贯穿距减小，同时在径向发展受限，喷雾投影面积明显减小。当环境背压增加到0.30 MPa和0.50 MPa时，此时喷气压力与环境压力之差降低，喷雾发展严重受限，喷雾投影面积显著降低。因此在实际发动机的工作过程中喷射时刻不能太晚，否则喷雾发展会受到限制，贯穿距及喷雾投影面积明显降低，空气辅助雾化效果减弱。

图11 不同环境背压下贯穿距及喷雾投影面积(喷气 压力0.7 MP、喷气脉宽3 ms)

2.4 不同环境背压下喷雾区域变化

为了更加清楚地分析喷雾发展过程中喷雾区域内的变化，利用MATLAB图像处理工具，将灰度图转化为彩色图，蓝色表示液相燃油密度最低区域，红色表示液相燃油密度最高区域[17],获得不同环境背压下喷雾的发展情况，如图12所示。从图12可以看出当环境背压为0.03 MPa、t=0.6 ms时，喷雾可以十分明显地分为稀薄区域(蓝色及黄色区域)、核心区域(橘色及红色区域)。这是因为背压在0.03 MPa时环境压力十分小，极大地促进了喷雾的扩散，喷雾液滴的破碎与蒸发使得喷雾稀薄区域扩大，并且在t=1.8 ms已经超出光学拍摄窗口。在环境背压为0.07 MPa及0.10 MPa时，环境背压升高，t=0.6 ms时仍然可以看到稀薄区域，但是稀薄区域较环境背压0.03 MPa时已经逐渐减小，而随着喷雾的进一步发展，稀薄区域开始缩小。当环境背压继续增加到0.30 MPa和 0.50 MPa 时，喷雾受到的阻力十分大，已无法观察到稀薄区域的产生，整个喷雾主要为液相燃油密度较高的核心区域。综上，随着环境背压的升高，喷雾稀薄区域开始逐渐减少，并在高背压下逐渐消失，核心区域开始增加，喷雾主要集中在核心区域。

图12 不同环境背压下不同时刻的喷雾区域变化

3 结论

(1) 空气辅助喷射贯穿距与传统单一燃料喷射类似，喷雾贯穿距均呈两阶段发展趋势，喷雾投影面积主要呈线性增长趋势。增加喷气压力或减小环境背压均有助于提高喷雾贯穿距和喷雾投影面积，而喷气脉宽对贯穿距和喷雾投影面积并无影响。

(2) 采用空气辅助喷射时，喷雾发展初期均出现了不规则的细枝状，在不同的喷气压力下喷雾形态大致相同，主要呈梭状形态；在不同的喷气脉宽下，喷雾呈前端粗大而末端细长的喷雾形态，喷气脉宽过低会使得燃油无法完全喷出，燃油变少；喷雾形态受环境背压的影响大，在低背压时为梭状形态，在高背压时则呈现锚钩状和锥形。

(3) 不同环境背压下喷雾区域变化的研究表明随着环境背压的升高，喷雾稀薄区域开始逐渐缩小，并在高背压情况下逐渐消失，整个喷雾主要为液相燃油密度较高的核心区域。