舷外机空气辅助喷射喷雾特性试验研究

张俊杰，缪雪龙，郑金保，杨慧明，莫韬

（1. 201600 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院 ；2.321000 浙江省 金华市 浙江派尼尔科技股份有限公司；3.545000 广西壮族自治区 柳州市 柳州源创电喷技术有限公司）

0 引言

随着日益严峻的能源危机和环境污染，各国出台的排放标准更加严格，人们在提升内燃机的动力性的同时，对内燃机的排放性和经济性提出更高的要求[1]。二冲程火花点燃式发动机若采用缸内直喷技术则具有灵活的控制性，采用分层稀薄燃烧技术，可以实现高压缩比，提高发动机的燃烧效率、功率和转矩，降低CO2和碳氢化合物的排放，使EGR的使用范围增大[2]。缸内直喷技术能够在提高内燃机的性能同时降低排放[3]。根据燃油喷射压力的不同，缸内直喷技术可分为高压直喷系统和低压直喷系统[4]。高压直喷系统依靠较高的压力来提升燃油的喷射能量，但更高的压力就意味着需要更高的能量消耗以及更高的制造工艺和成本[5]。低压直喷系统很好地解决这些问题，并且更加容易控制，对燃油的种类不敏感，具有更长的使用寿命。

低压直喷系统主要采用空气辅助喷射方式[6-7]提高燃油雾化质量，学者对空气辅助喷射系统进行了一系列研究[7-10]。空气辅助喷射技术是提高雾化质量、提高热效率和清洁燃烧的有效途径[11-12]。空气辅助喷射系统压力较低，通常燃油压力在7.5×105Pa、空气压力在6.5×105Pa 左右，这样的系统成本低并且安全性好[8,13-15]。

1 空气辅助喷射系统结构和原理

空气辅助喷射系统由燃油计量喷嘴、混合气喷嘴、油轨、气轨和混合腔组成，其结构如图1所示，喷射控制时序如图2 所示。燃油计量喷嘴和混合气喷嘴分别通过喷油器的控制系统实现开启关闭，从而精确控制燃油和空气的流量以及喷射时刻。燃油首先从燃油计量喷嘴喷出，进入混合腔中与压缩空气进行初次混合；经过一定时间后，混合气喷嘴开启，高压空气与燃油液滴一起喷向燃烧室，高压空气在膨胀过程中撕裂液滴，从而提高燃油雾化质量。

图1 空气辅助喷射原理图[21]Fig.1 Schematic diagram of air-assisted injection

图2 燃油喷嘴与混合气喷嘴喷射时序示意图Fig.2 Injection timing diagram of fuel nozzle and mixture nozzle

2 实验装置和图像处理

2.1 实验装置

空气辅助喷射系统喷雾特性实验台架如图3所示。该台架主要包括空气辅助喷射系统、高速摄像机和背景光源组成的图像采集系统、电子控制单元（ECU）。本文柴油喷雾的高速摄影相机型号为PhtronSA5，选取相机帧数为8 000 帧/s，分辨率为512×256。电子控制单元能够实现喷雾实验中喷雾的单次喷射、多次喷射和控制相机的同步拍摄，同时能够灵活控制喷油脉宽、喷气脉宽和油气间隔。

图3 空气辅助喷射系统原理图Fig.3 Schematic diagram of air-assisted injection system

2.2 喷雾参数及其定义

本次实验只对喷雾的宏观特性即喷雾锥角和贯穿距离进行试验研究，用阴影法研究不同喷射参数对喷雾形态的影响。采用MATLAB 程序对喷雾图像进行处理。图像处理的过程为：减除背景图像→去掉噪声点→增强对比度→灰度增强→二值化处理→进行边缘检测，得到轮廓图像。通过实际距离与像素点的对应关系，最终得到喷雾贯穿距离和喷雾锥角，图像处理的具体过程如图4 所示。喷雾锥角是指喷雾外表面切点与喷嘴顶点位置的夹角，本文选择穿透一半的位置来选择切点，如图4（c）所示。喷雾贯穿距离是指从喷嘴轴线中最远端到喷嘴出口的距离如图4（d）所示。

图4 MATLAB 图像处理Fig.4 MATLAB image processing

2.3 实验条件

本文测试条件如表1 所示。本实验中采用柴油作为燃油，其燃油特性如表2 所示。

表1 测试条件Tab.1 Test conditions

表2 柴油属性Tab.2 Diesel properties

3 实验结果和分析

3.1 喷油脉宽对喷雾宏观特性的影响

在喷油压力7.5×105Pa、喷气压力6.5×105Pa、喷气脉宽4 ms、油气间隔2 ms 固定不变下，喷油脉宽从2 ms 增大到5 ms 时，图5 显示了喷雾发展形态随时间的变化，图6、图7 显示了不同喷油脉宽对应喷雾宏观特性（贯穿距离、喷雾锥角）的影响。

图5 不同喷油脉宽下喷雾的发展形态Fig.5 Spray development under different fuel pulse width

由图5 可以直观地看出，喷油脉宽越大，喷雾横向宽度越宽，贯穿距离越小。如图6 所示，喷雾贯穿距离随着喷油脉宽的增加在喷雾发展1.0 ms时间前几乎没有改变，但随着喷雾发展时间向后延续到1.5 ms 后，贯穿距离随喷油脉宽增加而减小。如图7 所示，喷雾锥角随着喷油脉宽的增加而增加，这是因为在相同喷气脉宽下，随着喷油脉宽增加，高压压缩空气携带的燃油量增加，总体气动力削弱，油束的动能减小，导致油束沿喷孔方向贯穿的能力减弱，喷雾液滴的纵向动量减小，横向动量增加，从而使喷雾宽度增加，喷雾贯穿距离减小，喷雾锥角增加。

图6 喷油脉宽对喷雾贯穿距离的影响Fig.6 Influence of fuel pulse width on spray penetration distance

图7 喷油脉宽对喷雾锥角的影响Fig.7 Effect of fuel pulse width on spray cone angle

3.2 喷气脉宽对喷雾宏观特性的影响

在喷油压力7.5×105Pa、喷气压力6.5×105Pa、喷油脉宽4 ms、油气间隔2 ms 固定不变下，喷气脉宽从2 ms 增大到6 ms 时，图8 显示了喷雾发展的形态随时间的变化，图9、图10 显示了不同喷气脉宽对应喷雾宏观特性的影响。

图8 不同喷气脉宽下喷雾的发展形态Fig.8 Development of spray under different air pulse width

由图9、图10 可知，随着喷气脉宽增加，喷雾锥角变小，而喷雾贯穿距离基本不变，试验过程中的燃油喷射参数没有改变，而且喷气压力也固定，其与外界环境的压差均相同，这将使燃油的出口速度基本相同，因此贯穿距离基本没有差异。较大粒径的燃油由于惯性较大更易保持最初的运动方向，而较小粒径的燃油容易受到外界的干扰而使其运动方向发生偏移，因此在喷雾场的边缘区域以小粒径的油滴为主，它们直接影响着喷雾锥角的大小。喷气脉宽的增加会使空气喷射量增加，燃油的喷雾粒径随之减小，喷雾场外围区域内的液态燃料更易挥发成气态，进而使喷雾锥角变小。而且，不同喷气脉宽下的喷雾锥角均随着时间的发展呈现出逐渐减小的趋势，也是源于小粒径燃油的汽化挥发效果。

图9 喷气脉宽对喷雾贯穿距离的影响Fig.9 Effect of air pulse width on spray penetration distance

图10 喷气脉宽对喷雾锥角的影响Fig.10 Effect of air pulse width on spray cone angle

3.3 油气间隔对喷雾宏观特性的影响

在喷油压力7.5×105Pa、喷气压力6.5×105Pa、喷油脉宽4 ms、喷气脉宽4 ms 固定不变下，油气间隔从0 ms 增大到4 ms 时，图11 显示了喷雾发展的形态随时间的变化，图12、图13 显示了不同油气间隔对喷雾宏观特性的影响。

图11 不同油气间隔下喷雾的发展形态Fig.11 Spray development under different fuel-air interval

图12 油气间隔对喷雾贯穿距离的影响Fig.12 Effect of fuel-air interval on spray penetration distance

图13 油气间隔对喷雾锥角的影响Fig.13 Effect of fuel-air interval on spray cone angle

从图12、图13 可知，油气没有间隔（0 ms）与有间隔对喷雾锥角和贯穿距离有明显的差异，而一旦有油气喷射间隔后，在其它喷射参数不变的条件下对喷雾锥角和贯穿距离影响不大。这是因为，假如油气间隔为0 ms 时，也就是喷油结束后马上开启气嘴，那么就存在油气初次混合不充分的可能，燃油沿轴向喷射的惯性增加，导致了贯穿距离稍大、喷雾锥角稍小。

4 结论

本文以一款二冲程火花点燃缸内直喷柴油舷外机的空气辅助喷射系统为研究对象，利用高速摄影研究不同喷油脉宽、喷气脉宽、油气间隔等参数对喷雾宏观特性的影响规律。得到以下主要结论：

（1）喷气脉宽与喷油脉宽相比对喷雾特性影响更大，适当提高喷气脉宽有利于喷雾质量提高；

（2）油气喷射需要有间隔，有间隔有利于燃油与压缩空气的初次混合，但不需要太大；

（3）喷雾贯穿距离方面：随着喷油脉宽的增加，喷雾贯穿距离减小；而喷气脉宽和油气间隔对喷雾贯穿距离影响较小；

（4）喷雾锥角方面：随着喷油脉宽增加，喷雾锥角增大；随着喷气脉宽增加，喷雾锥角减小；油气间隔对喷雾锥角影响不大。