劉伍權(quán)，吳子堯，赫扎特，薛 云，胡順堂，宋金甌

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車(chē)輛系，天津300161;2.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

一般情況，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷采用分層 混合氣，分層混合氣有3 種形成模式:①壁面導(dǎo)流(wall-guided)模式，在這種模式下，燃油一般噴向活塞頂部具有特定形狀的凹坑，并利用凹坑表面反射、導(dǎo)流作用，在火花塞附近形成可燃的分層稀薄混合氣;②氣流引導(dǎo)(flow or air-guided)模式;③噴注引導(dǎo)(spray-guided)模式。目前，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)多使用模式①。在模式①的情況下，由于燃油噴霧與活塞表面直接作用，不可避免要在活塞頭部表面形成油膜，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與排放。Karlson 等［1］認(rèn)為，采用分層混合氣工作時(shí)，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)有1% ～4%的燃油要以油膜的形式附于活塞頂部。實(shí)驗(yàn)顯示，實(shí)際形成的油膜量還要多。Draker 等［2］的研究結(jié)果顯示，對(duì)于高壓渦旋噴油器而言，每循環(huán)的油膜量對(duì)汽油來(lái)說(shuō)占總噴油量的1%，對(duì)辛烷來(lái)說(shuō)則為0.1%。在分層燃燒模式下，一般認(rèn)為GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的HC 排放來(lái)自2 個(gè)方面［1］:分層混合氣形成的HC 排放和壁面油膜所產(chǎn)生的HC 排放。Draker 等［2］的研究結(jié)果顯示，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放與壁面油膜量呈線性關(guān)系，10%的油膜量均形成了碳煙。

研究GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)中油膜現(xiàn)象用得較多的技術(shù)是激光誘導(dǎo)熒光法(laser induced fluorescence，LIF)，實(shí)驗(yàn)大都在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)或研究用單缸機(jī)上進(jìn)行［1，3-7］，并取得了一些有意義的成果。Kakuhou 等［5］利用二甲基苯胺(di-methyl-aniline)作為熒光劑，研究了Nissan GDI 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頭部油膜隨噴油正時(shí)的變化情況;Hochgreb 等［6］在發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)充量?jī)H為氮?dú)獾幕钊^部汽油油膜進(jìn)行了LIF 可視化研究;Ortmann 等［7］分別對(duì)壁面導(dǎo)流模式和噴注引導(dǎo)模式GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油油膜進(jìn)行了LIF 可視化研究;Kull［8］和Cho等［9］還利用LIF 技術(shù)對(duì)缸壁燃油分別進(jìn)行了可視化和量化方面的研究;Kim 等［10］利用LIF 技術(shù)研究了油束方向?qū)Ω妆谟湍ぬ匦缘挠绊懀饕獪y(cè)量了壁面油膜的厚度，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于校正油膜的預(yù)測(cè)模型;Karlsson 與Heywood［1］利用數(shù)值模擬和ICCD 相機(jī)研究了噴油器晚噴情況下，具有方形截面活塞的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頭部油膜形成情況;Stanglmaier 等［11］在壁面溫度和壓力可調(diào)控的模擬環(huán)境中，研究了Leidenfrost 溫度對(duì)單個(gè)油滴和活塞表面相互作用過(guò)程的影響情況。

然而，在利用LIF 技術(shù)直接對(duì)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面油膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究方面仍然存在一些難以完全克服的技術(shù)障礙。首先，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頭部一般具有較為獨(dú)特的幾何形狀，平面情況較少見(jiàn)，在采用缸內(nèi)直接測(cè)量的情況下，較難考慮活塞頭部獨(dú)特的幾何形狀，所以，一般采用的實(shí)驗(yàn)方案與GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況仍然相差甚遠(yuǎn);其次，在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中，不論發(fā)動(dòng)機(jī)是工作狀態(tài)還是拖動(dòng)狀態(tài)，缸內(nèi)壓力一般變化很大，這將給熒光信號(hào)的采集帶來(lái)一定的困難;再次，無(wú)法研究氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)油膜形成等方面的影響。為此，本文利用LIF 技術(shù)，在GDI 燃燒室模擬裝置上研究了同向近壁氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)壁面油膜形成及演變過(guò)程的影響情況。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 燃燒室模擬裝置

圖1 為燃燒室模擬裝置剖面圖。該裝置可以實(shí)現(xiàn)如下功能:①采用抽吸加導(dǎo)流的方法模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程中的氣流運(yùn)動(dòng)，氣流運(yùn)動(dòng)的方向變化通過(guò)改變導(dǎo)流風(fēng)道來(lái)實(shí)現(xiàn)，氣流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度則通過(guò)調(diào)整裝置真空度來(lái)實(shí)現(xiàn);②燃油油束撞擊的壁面可以更換;③更換蓋板，還可以調(diào)節(jié)噴油器的布置位置。

圖1 燃燒室模擬裝置剖面

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 是光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束、壓縮等光學(xué)過(guò)程之后，在燃燒室模擬裝置中形成片狀激光，油束、飛濺油滴以及油膜在片狀激光的誘導(dǎo)下，發(fā)射出熒光。燃油發(fā)射熒光的過(guò)程則由ICCD 系統(tǒng)記錄下來(lái)。實(shí)驗(yàn)中，圖中采集卡和協(xié)控單元負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)噴油器、激光器和ICCD 系統(tǒng)的動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，噴油器為4 孔孔式;壁面材質(zhì)為透紫外光學(xué)玻璃;激光器為DH712218FPI2MAX COMPex 102，功率20 W，波長(zhǎng)308 nm;ICCD 相機(jī)分辨率為512 ×512;實(shí)驗(yàn)用油為異辛烷和3-戊酮的混合物，其中3-戊酮的體積比為20%。異辛烷和3-戊酮的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

圖2 光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成示意

表1 實(shí)驗(yàn)用油的理化性質(zhì)

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

用沿壁面38°切向方向的導(dǎo)向氣流來(lái)進(jìn)行模擬。由于該氣流方向與沿38°布置的噴油器方向一致，也稱(chēng)為同向剪切氣流對(duì)噴注撞壁過(guò)程中油膜形成與演變過(guò)程的影響。分別對(duì)氣流速度為17.6、24.5、30.5 m/s 情況下的噴注撞壁過(guò)程中油膜形成與演變過(guò)程進(jìn)行LIF 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)?？资絿娪推鱾?cè)向布置，油束與水平方向夾角為38°，噴油壓力固定在0.4 MPa。環(huán)境溫度為16 ℃，大氣壓力為101.325 kPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 油膜區(qū)域劃分

根據(jù)油膜形成特點(diǎn)，噴霧撞壁過(guò)程中油膜區(qū)域可以劃分為2 個(gè):①?lài)娮⑴c壁面直接接觸和首次飛濺所形成的油膜區(qū)域，稱(chēng)之為一次油膜;②飛濺油滴與一次油膜流動(dòng)所形成的油膜區(qū)域，稱(chēng)之為二次油膜。

2.2 靜態(tài)噴射條件下的油膜形成

圖3 為靜態(tài)噴射過(guò)程中的油膜形成情況。靜態(tài)噴射情況下，在垂直于噴注方向的壁面上，燃油油膜呈圓周展開(kāi)。

圖3 靜態(tài)噴油時(shí)的油膜形成情況

可以看出，一次油膜區(qū)域隨噴油過(guò)程逐漸展開(kāi)，大量燃油集中在噴注撞壁區(qū)域。在噴油過(guò)程進(jìn)行到4 ～6 ms 時(shí)，一次油膜區(qū)域的直徑約為撞壁區(qū)域的2 倍;在8 ～10 ms 時(shí)，一次油膜直徑擴(kuò)大為撞壁區(qū)域的2.5 ～3 倍。隨著撞壁區(qū)域燃油的積累，由于燃油黏滯力與表面張力的作用，噴注撞壁時(shí)的反射角逐漸變大。由圖3(a)可以看出，在撞壁初始階段，反射油跡與燃油噴注十分接近，夾角非常小;隨著噴油過(guò)程的進(jìn)行，反射油跡與燃油噴注之間的夾角逐漸變大。這一現(xiàn)象說(shuō)明在現(xiàn)有噴油條件下，燃油在撞壁區(qū)域積累明顯。另外，隨噴油過(guò)程的進(jìn)行，二次油膜也呈輕微增加趨勢(shì)。

2.3 靜態(tài)噴射條件下的油膜演變

圖4 為靜態(tài)噴射條件下，壁面油膜的演變情況。

圖4 靜態(tài)噴油結(jié)束后的油膜演變情況

可以看出，一次油膜隨噴油過(guò)程結(jié)束迅速減少，在噴油過(guò)程結(jié)束4 ms 以后，一次油膜區(qū)域的油膜量已經(jīng)很少，從圖片上已難以發(fā)現(xiàn)。這是因?yàn)?，一次油膜區(qū)域處于燃油噴注的直接作用區(qū)，附于壁面的燃油在后來(lái)噴注的作用下經(jīng)歷二次轉(zhuǎn)移，濺于壁面其他地方。二次油膜隨噴油過(guò)程的結(jié)束呈較慢速度彌散。這是由于二次油膜主要由能量較低的一次油膜流動(dòng)和飛濺油滴形成，噴油過(guò)程結(jié)束以后，附于壁面的油膜彌散主要依賴(lài)于蒸發(fā)過(guò)程，所以二次油膜彌散較慢。從圖4 可以看出，二次油膜在噴油過(guò)程結(jié)束10 ms 以后依然明顯存在。

2.4 同向剪切氣流作用下的油膜形成

圖5、圖6、圖7 為流速分別為17. 6、24. 5、30.5 m/s 三種同向剪切氣流作用下壁面油膜的形成過(guò)程。

圖5 同向剪切氣流(17.6 m/s)作用下油膜形成過(guò)程

圖6 同向剪切氣流(24.5 m/s)作用下油膜形成過(guò)程

可以看出，在同向剪切氣流作用下，一次油膜向氣流下游方向蔓延，隨著氣流運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，一次油膜向下游蔓延越來(lái)越顯著。一次油膜量呈累積、增加趨勢(shì)。在同向剪切氣流作用下，二次油膜的形成受到抑制，并且隨氣流運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，抑制效果越明顯。這主要是由于氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)一次油膜的流動(dòng)起到了阻礙作用。與靜態(tài)噴射相比，一次油膜區(qū)域的燃油附壁明顯減少，減少幅度隨氣流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)而增加。

噴油過(guò)程進(jìn)行到一定時(shí)刻，壁面油膜將維持相對(duì)穩(wěn)定，可以稱(chēng)之為平衡狀態(tài)，此時(shí)，壁面油膜中的燃油量將不再累積。由此，可以簡(jiǎn)單計(jì)算油膜沉積量的多少。主要影響因素有噴油壓力、燃油表面張力、燃油對(duì)壁面的親和力等。

圖7 同向剪切氣流(30.5m/s)作用下油膜形成過(guò)程

2.5 同向剪切氣流作用下的油膜演變

圖8 為同向剪切氣流作用下壁面油膜的演變過(guò)程。

圖8 同向剪切氣流作用下油膜演變過(guò)程

可以看出，在不同氣流運(yùn)動(dòng)條件下，油膜達(dá)到平衡的時(shí)間是有所區(qū)別的。一次油膜隨氣流運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，彌散速度增加，當(dāng)氣流速度達(dá)到30.5 m/s 時(shí)，一次油膜在壁面的保存時(shí)間少于4 ms。二次油膜在氣流運(yùn)動(dòng)達(dá)到30.5 m/s 時(shí)，得到有效抑制，噴油過(guò)程結(jié)束時(shí)，二次油膜存量很少。與靜態(tài)噴射相比，同向剪切氣流運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)二次油膜的彌散，但是二次油膜在壁面的保存時(shí)間依然在10 ms 以上。這說(shuō)明同向剪切氣流可以減少壁面油膜的形成，并且氣流運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，油膜彌散越明顯。

3 數(shù)值模擬

由于壁面油膜形成與演變過(guò)程在量化及全景觀察方面依然存在困難，本文利用KIVA 程序針對(duì)噴油方向、氣流運(yùn)動(dòng)形式、燃燒室環(huán)境(溫度和壓力)、噴油壓力等壁面油膜的形成與演變過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

3.1 計(jì)算方法

3.1.1 模型建立

利用Autocad 2004 建立幾何模型，利用kiva3中的k3prep 前處理器輸入幾何模型中的坐標(biāo)，生成網(wǎng)格。生成網(wǎng)格后導(dǎo)入kiva3 求解器中，在itape5 中輸入邊界條件及其他計(jì)算參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，后處理通過(guò)FIELDVIEW 軟件進(jìn)行。所生成的三維網(wǎng)格如圖9 所示，網(wǎng)格總數(shù)為30 014，節(jié)點(diǎn)數(shù)為32 884。

圖9 燃燒室模擬裝置三維網(wǎng)格視圖

燃油從噴嘴中噴出后，經(jīng)過(guò)了油束霧化、油滴破碎、油滴間碰撞與聚合、燃油撞壁及燃油蒸發(fā)等復(fù)雜的物理過(guò)程。在數(shù)值模擬中，認(rèn)為氣體充量的流動(dòng)狀態(tài)為可壓縮的黏性湍流運(yùn)動(dòng)，湍流模型選用傳統(tǒng)k-ε 模型;噴霧破碎模型采用考慮液滴聚合的KHRT 模型。

3.1.2 計(jì)算參數(shù)及工況設(shè)定

初始參數(shù)見(jiàn)表2。計(jì)算共分3 個(gè)氣流強(qiáng)度，真空度分別為2、4、6 kPa，對(duì)應(yīng)氣流速度分別為17.6、24.5、30.5 m/s;噴油器位置為與水平方向成38°;氣流運(yùn)動(dòng)方式為靜止氣流和同向剪切氣流，也稱(chēng)為逆向滾流(圖9 中逆時(shí)針?lè)较?。主要計(jì)算油膜形成與演變過(guò)程中壁面油膜平均厚度、油膜區(qū)域面積、油膜殘存百分?jǐn)?shù)等參數(shù)的時(shí)間歷程特性。

表2 初始參數(shù)設(shè)置

計(jì)算過(guò)程中取真空度為初始條件，將噴油時(shí)刻定于裝置內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)開(kāi)始穩(wěn)定時(shí)。圖10 為其中一個(gè)工況下裝置內(nèi)氣流動(dòng)量和動(dòng)能的時(shí)間特性，其他工況類(lèi)似?？梢钥闯?，氣流在0.06 s 附近趨于穩(wěn)定，故選擇0.06 s 處為噴油始點(diǎn)，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)最大值為1.0e-5 s。

圖10 裝置內(nèi)的瞬態(tài)氣流運(yùn)動(dòng)特性

3.2 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算靜止氣流和同向剪切氣流2 種氣流運(yùn)動(dòng)方式，同向剪切氣流又分3 個(gè)流速，所以一共有4 種情況。圖11 為靜態(tài)噴射條件下油膜平均厚度、油膜區(qū)域面積和油膜殘存百分?jǐn)?shù)的時(shí)間歷程特性。

圖11 靜態(tài)噴射條件下的壁面油膜特性

可以看出，在噴油過(guò)程結(jié)束以前(0. 06 ～0.08 s)，油膜平均厚度及油膜面積均隨噴油過(guò)程的進(jìn)行而增加。噴油過(guò)程結(jié)束(0.08 ～0.12 s)以后，油膜厚度、油膜區(qū)域面積以及油膜殘存百分?jǐn)?shù)變化均不大。這是因?yàn)?，靜態(tài)噴射條件下，噴注撞壁所形成的壁面油膜只能依靠自然蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)壁面油膜的彌散，所以壁面油膜的彌散過(guò)程較慢。

圖12 為17.6 m/s 同向剪切氣流作用下的壁面油膜特性。可以看出，在燃油噴射階段壁面油膜平均厚度和油膜殘存百分?jǐn)?shù)存在明顯的波動(dòng)現(xiàn)象。在噴油過(guò)程的早期階段，壁面油膜呈現(xiàn)顯著累積現(xiàn)象，油膜厚度和殘存百分?jǐn)?shù)均增加;在噴油過(guò)程的中間階段，由于燃油噴注對(duì)壁面油膜的沖擊作用，以及氣流運(yùn)動(dòng)的輸運(yùn)作用，壁面油膜厚度以及油膜殘存百分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì);但是隨著飛濺油滴的二次附壁，以及氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)大油滴的輸運(yùn)作用減弱，壁面油膜厚度和油膜殘存百分?jǐn)?shù)又顯著增加。隨著噴油過(guò)程的結(jié)束，壁面油膜平均厚度和油膜殘存百分?jǐn)?shù)迅速減少，這說(shuō)明氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)壁面油膜的彌散作用是顯著的。

圖13、圖14 為24.5 m/s 和30.5 m/s 同向剪切氣流作用下壁面油膜特性?？梢钥闯?，與17.6 m/s 同向剪切氣流相比，氣流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)以后，燃油噴射階段壁面油膜平均厚度和油膜殘存百分?jǐn)?shù)波動(dòng)幅度增加，同時(shí)形成階段的油膜厚度和油膜殘存百分?jǐn)?shù)減少。另一方面，噴油過(guò)程結(jié)束以后，在較強(qiáng)氣流運(yùn)動(dòng)的作用下，油膜厚度和油膜殘存百分?jǐn)?shù)下降幅度也增加。以上說(shuō)明，同向剪切氣流可以有效減少壁面油膜的形成，亦可有效促進(jìn)壁面油膜的彌散。

圖12 17.6 m/s 同向剪切氣流作用下的壁面油膜特性

圖13 24.5 m/s 同向剪切氣流作用下的壁面油膜特性

圖14 30.5 m/s 同向剪切氣流作用下的壁面油膜特性

4 結(jié) 論

(1)靜態(tài)噴油條件下，壁面油膜厚度、油膜殘存百分?jǐn)?shù)隨噴油過(guò)程的進(jìn)行不斷累積，并且噴油過(guò)程結(jié)束后，燃油自然蒸發(fā)對(duì)壁面油膜的彌散作用有限。

(2)引入同向剪切氣流后，38°側(cè)向噴油時(shí)壁面油膜厚度、油膜殘存百分?jǐn)?shù)隨噴油過(guò)程的進(jìn)行有明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，但是壁面油膜厚度、油膜殘存百分?jǐn)?shù)的最大值與靜態(tài)噴射相比均呈減少趨勢(shì)，并且隨氣流強(qiáng)度的增加，壁面油膜形成量減少幅度增加。在噴油過(guò)程結(jié)束以后，壁面油膜在氣流運(yùn)動(dòng)的輸運(yùn)作用下迅速減少，說(shuō)明同向剪切氣流對(duì)減少油膜形成、促進(jìn)油膜彌散具有重要的作用。

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