尚勇，金偉

（工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心，北京100846）

中國(guó)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧、燃燒領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究方面比較薄弱，與世界先進(jìn)水平有較大差距，一是在噴霧、燃燒的基礎(chǔ)理論對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究上尚未探明，二是在仿真標(biāo)定與試驗(yàn)驗(yàn)證方面缺乏系統(tǒng)性研究，三是在試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備的測(cè)試精度和可靠性方面存在較大不足。近年來(lái)，隨著節(jié)能和環(huán)保的呼聲越來(lái)越高，以及均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火（HCCI）、可控自燃（CAI）、汽油直噴（GDI）和均質(zhì)混合氣引燃燃燒（HCII）等新型燃燒方式在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越多，發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性改進(jìn)方面面臨著巨大挑戰(zhàn)，對(duì)缸內(nèi)噴霧、蒸發(fā)、混合、燃燒現(xiàn)象和污染物生成過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí)就顯得尤為重要，因此必須進(jìn)行深入的基礎(chǔ)理論研究和創(chuàng)新性探索，加深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)現(xiàn)象的理解和認(rèn)識(shí)。

光學(xué)可視化技術(shù)具有不干擾被測(cè)對(duì)象、測(cè)試精度高、時(shí)間響應(yīng)快、結(jié)果直觀形象等特點(diǎn)，尤其近年來(lái)隨著以激光和CCD技術(shù)為代表的現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展，可視化技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)中的重要手段。目前，歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家越來(lái)越系統(tǒng)地開(kāi)展缸內(nèi)可視化研究，從原來(lái)的單點(diǎn)探測(cè)，逐步發(fā)展為以激光測(cè)試技術(shù)為代表的二維激光片光診斷。中國(guó)近年來(lái)在缸內(nèi)可視化技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展，但和國(guó)際水平還有較大的差距，主要表現(xiàn)為測(cè)試裝置和激光測(cè)試技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用［1］。

激光的前身MASER在1955年由Townes等［2］開(kāi)發(fā)出來(lái)，1960年Maiman［3］用紅寶石制成激光，僅僅通過(guò)短短50多年的時(shí)間，激光測(cè)試技術(shù)在噴霧燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用獲得了巨大發(fā)展［4］。在研究領(lǐng)域上，對(duì)汽／柴油機(jī)噴霧特性的研究也由宏觀領(lǐng)域向微觀領(lǐng)域延伸——從開(kāi)始的對(duì)噴霧幾何形狀的研究，到后來(lái)的噴霧場(chǎng)氣液兩相速度場(chǎng)分布、氣液兩相濃度場(chǎng)分布、噴霧粒徑、溫度場(chǎng)等的分析，都取得了極大發(fā)展。

自從激光被發(fā)明出來(lái)之后，由于其單色性好、方向性好、相干性好和亮度高的特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于直噴系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)。日本廣島大學(xué)的Hiroyasu、Arai于1982年使用激光測(cè)試方法對(duì)在高壓環(huán)境下高速射流的破碎過(guò)程進(jìn)行研究，隨后應(yīng)用到對(duì)汽／柴油噴霧特性的研究［5］。此后在內(nèi)燃機(jī)界，廣大的科研人員開(kāi)啟了內(nèi)燃機(jī)噴霧可視化測(cè)試新時(shí)代。美國(guó)密歇根大學(xué)的Johnson等于2012年利用Mie散射技術(shù)對(duì)高壓柴油機(jī)多孔噴油器的噴霧特性的研究中，發(fā)現(xiàn)燃油霧注發(fā)展過(guò)程符合高斯曲線的分布規(guī)律［6］。LSD測(cè)試技術(shù)即LIF-Mie散射法，其首先由Kenneth［7］提出，由Gal等［8］首先運(yùn)用到噴霧的粒徑測(cè)量中。

國(guó)內(nèi)的天津大學(xué)史紹熙等于1996年率先提出并實(shí)現(xiàn)了LIF-Mie散射法測(cè)得噴霧場(chǎng)中的SMD［9］。西安交通大學(xué)的黃佐華等在2005年使用光學(xué)手段，得到了甲烷煤油穩(wěn)態(tài)噴霧中噴油壓力、噴嘴徑長(zhǎng)比等參數(shù)對(duì)噴霧錐角、貫穿度和SMD的影響［10］。隨后，王金華、黃佐華等利用高速攝影加紋影法，得到了乙醇、天然氣在不同噴油壓力和環(huán)境背景壓力下，射流貫穿度離、射流錐角和射流體積隨時(shí)間變化的規(guī)律［11］。北京理工大學(xué)的孫柏剛、李向榮等在2004年利用粒子圖像測(cè)速（PIV），實(shí)現(xiàn)了電控高壓共軌柴油機(jī)噴霧特性測(cè)試［12］。清華大學(xué)的馬驍?shù)仍?010年利用激光誘導(dǎo)熒光法（LIF）對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的稀燃分層與當(dāng)量比分層策略進(jìn)行了研究［13］。上海交通大學(xué)的張玉銀、許敏等于2009年從試驗(yàn)中得到了多孔噴油器在不同噴油壓力和環(huán)境背景壓力下的噴霧貫穿度和噴霧錐角的變化規(guī)律［14］。2012年，他們采用Mie散射和LIF技術(shù)對(duì)甲醇和乙醇在冷啟動(dòng)條件下的噴霧特性進(jìn)行研究，利用Nd：YAG激光系統(tǒng)同時(shí)產(chǎn)生了波長(zhǎng)為532 nm和266 nm的激光，照射到噴霧得到不同的熒光信號(hào)和Mie散射信號(hào)，并把測(cè)試結(jié)果與汽油噴霧特性進(jìn)行了比較［15］。隨后，曾緯在LIF-Mie的聯(lián)合測(cè)試基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到LIEF-Mie測(cè)試法，并利用其對(duì)直噴液體射流及閃急沸騰噴霧特性和機(jī)理開(kāi)展相關(guān)研究，試驗(yàn)表明，改進(jìn)后的LIEF-Mie可以大大提升噴霧特性的測(cè)試精度［16］。

為研究汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧機(jī)理，本文通過(guò)搭建定容燃燒彈平臺(tái)和激光測(cè)試平臺(tái)，采用LSD測(cè)試方法，對(duì)不同背景壓力和噴油壓力下的噴霧特性進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 激光及試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

1.1 激光測(cè)試系統(tǒng)

激光測(cè)試系統(tǒng)由Nd∶YAG激光器和圖像采集系統(tǒng)組成。

Nd∶YAG激光器可以發(fā)出4種特定波長(zhǎng)的激光，分別為基頻（1 064 nm）、二倍頻（532 nm）、三倍頻（355 nm）和四倍頻（266 nm）。不同波段的激光具有不同的性質(zhì)和作用，根據(jù)具體試驗(yàn)的需要可以適當(dāng)選擇相適應(yīng)的激光波長(zhǎng)。圖1為Nd∶YAG激光器。

圖像采集系統(tǒng)是由德國(guó)LaVision公司提供的慢速瞬態(tài)圖像信息采集系統(tǒng)，包括CCD相機(jī)、增強(qiáng)器及其控制器、紫外鏡頭、雙像器、LIF和Mie光學(xué)濾鏡。圖像采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 Nd∶YAG激光器Fig.1 Nd∶YAG laser

圖2 圖像采集系統(tǒng)Fig.2 Image acquisition system

1.2 容 彈

按照容彈壓力等級(jí)分類，壓力為1.6～10MPa的中壓容器屬于第二類壓力容器。加工制造容彈的單位需具有《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備制造許可證》，并滿足容彈壓力等級(jí)對(duì)應(yīng)的加工制造資質(zhì)要求。

本文所涉及的容彈如圖3所示，其是一款專門用于研究汽／柴油噴霧混合過(guò)程的容彈。該容彈主體為正方體，外形尺寸為160mm×160mm×160mm，厚度為20mm，設(shè)計(jì)壓力為2MPa，設(shè)計(jì)溫度為常溫。

圖3 定容噴霧試驗(yàn)專用容彈Fig.3 Constant volume combustion bomb for spray test

1.3 汽油直噴系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)、蓄壓系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)及臺(tái)架系統(tǒng)可組建為汽油直噴系統(tǒng)，具體技術(shù)參數(shù)為：①汽油直噴系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速、脈寬、壓力、次數(shù)的燃油噴射，并提供三路同步觸發(fā)控制信號(hào)，用于同步控制光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。②汽油直噴系統(tǒng)可匹配容彈系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)光學(xué)測(cè)試。③汽油直噴最高壓力為8MPa。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

需要說(shuō)明的是，與汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中由汽油泵建立高壓噴射的方式不同，本文汽油直噴系統(tǒng)中汽油GDI噴油器的高壓噴射狀態(tài)由高壓氣瓶建立，但測(cè)試結(jié)果可與發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)噴射狀態(tài)對(duì)標(biāo)。

圖4 汽油直噴系統(tǒng)Fig.4 Gasoline direct injection system

1.4 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

基于1.2節(jié)所述容彈，搭建LIF-Mie散射測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)汽油噴霧進(jìn)行激光測(cè)試。通過(guò)對(duì)2種激光測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，可得到汽油噴霧形態(tài)和粒徑SMD相關(guān)信息，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Experimental system

2 汽油直噴宏觀噴霧特性

2.1 試驗(yàn)工況選擇

試驗(yàn)采用北京92＃汽油，主要工況為：容彈保持常溫狀態(tài)不變，分別改變噴油壓力和容彈背景壓力。具體試驗(yàn)變量及噴油方案如表1所示。試驗(yàn)時(shí)保持噴油脈寬1000μs不變，噴油次數(shù)為1次。

LaVision激光器的發(fā)射頻率為10 Hz。ICCD增強(qiáng)相機(jī)的單幀像素為344×520，曝光時(shí)間為4 000μs，光圈系數(shù)為f／2.8。預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，噴油按照10 Hz頻率噴射時(shí)，2次噴油間的影響較大，最終優(yōu)選為1 Hz噴射，ICCD相機(jī)拍攝頻率同為1 Hz，噴射10次取平均得到最終分析圖像。由于噴油脈寬取1 000μs，因此ICCD相機(jī)的單次拍攝時(shí)刻取噴油噴出的200、400、600、800、1 000μs。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Test scheme

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6 LIF拍攝圖片（變噴油壓力）Fig.6 LIF picture（variable injection pressure）

2.2.1 噴油壓力對(duì)宏觀噴霧特性的影響

圖6為不同噴油壓力下的LIF拍攝圖片?？芍?，在同一噴射時(shí)刻下，隨著噴油壓力增加，噴霧貫穿度增加，這主要是由于噴油壓力越大，噴射能量越高，在同一背景壓力下的噴射距離越遠(yuǎn)。

圖7為不同噴油壓力下的Mie散射拍攝圖片?？芍?，Mie散射圖片的規(guī)律與LIF圖片規(guī)律一致，即在同一噴射時(shí)刻下，隨著噴油壓力增加，噴霧貫穿度增加。

根據(jù)圖6和圖7，通過(guò)E-ruler v1.16量圖軟件進(jìn)行圖片分析得到噴霧貫穿度和錐角。由于LIF圖片為黑色背景，對(duì)比度更大，因此下文所測(cè)得的數(shù)據(jù)均來(lái)自LIF圖片。

圖7 M ie拍攝圖片（變噴油壓力）Fig.7 Mie picture（variable injection pressure）

圖8為噴霧貫穿度隨噴油壓力的變化規(guī)律?？芍诓煌瑖娪蛪毫ο?，隨著噴射時(shí)間的發(fā)展，噴霧貫穿度基本呈線性增加的趨勢(shì)。在同一時(shí)刻下，隨噴油壓力的提高，噴霧貫穿度增加，但可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴油壓力達(dá)到7 MPa以上時(shí)，噴霧貫穿度增加的幅度放緩。

圖9為噴霧錐角隨噴油壓力的變化規(guī)律（定義兩束油之間的夾角為噴霧錐角）。由圖9可知，在不同噴油壓力下，隨著噴射時(shí)間的發(fā)展，噴霧錐角基本呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，數(shù)值為38°～50°。在同一時(shí)刻下，隨噴油壓力的提高，噴霧錐角呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，但當(dāng)噴油壓力達(dá)到5MPa以上時(shí)，噴霧錐角幾乎不再變化。

圖8 噴霧貫穿度隨噴油壓力的變化規(guī)律Fig.8 Variation rule of spray penetration with injection pressure

圖9 噴霧錐角隨噴油壓力的變化規(guī)律Fig.9 Variation rule of spray cone angle with injection pressure

2.2.2 背景壓力對(duì)宏觀噴霧特性的影響

圖10為不同背景壓力下的LIF拍攝圖片。可知，在同一噴射時(shí)刻下，隨著背景壓力增加，噴霧貫穿度越短，這主要是由于背景壓力越大，噴射的阻力越高，在同一噴油壓力下的噴射距離越短。

圖10 LIF拍攝圖片（變背景壓力）Fig.10 LIF picture（variable back pressure）

圖11為噴霧貫穿度隨背景壓力的變化規(guī)律?？芍诓煌尘皦毫ο?，隨著噴射時(shí)間的發(fā)展，噴霧貫穿度基本呈線性增加的趨勢(shì)。在同一時(shí)刻下，隨背景壓力的提高，噴霧貫穿度減少。

圖12為噴霧錐角隨背景壓力的變化規(guī)律?？芍?，在不同背景壓力下，隨著噴射時(shí)間的發(fā)展，噴霧錐角基本呈現(xiàn)不斷減少的趨勢(shì)，數(shù)值為38°～50°。在同一時(shí)刻下，隨背景壓力的提高，噴霧錐角呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，這主要是由于背景壓力的提高帶來(lái)噴霧阻力的增加，噴霧向前受阻的情況下只能向外圍擴(kuò)展。

圖11 噴霧貫穿度隨背景壓力的變化規(guī)律Fig.11 Variation rule of spray penetration with back pressure

圖12 噴霧錐角隨背景壓力的變化規(guī)律Fig.12 Variation rule of spray cone angle with back pressure

3 結(jié) 論

本文通過(guò)采用可視化的手段，研究噴油壓力和背景壓力對(duì)噴霧貫穿度和錐角等宏觀參數(shù)的影響，得出如下結(jié)論：

1）隨噴油壓力增加，相同噴油時(shí)刻下的噴霧貫穿度逐漸增加，但當(dāng)噴油壓力達(dá)到7 MPa以上時(shí)，噴霧貫穿度增加的幅度放緩。在同一時(shí)刻下，隨噴油壓力的提高，噴霧錐角呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，但當(dāng)噴油壓力達(dá)到5MPa以上時(shí)，噴霧錐角幾乎不再變化。在不同噴油壓力下，隨著噴射時(shí)間的發(fā)展，噴霧貫穿度逐漸增加，噴霧錐角基本呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，數(shù)值為38°～50°。

2）隨背景壓力增加，相同噴油時(shí)刻下的噴霧貫穿度逐漸減少。在同一時(shí)刻下，隨背景壓力的提高，噴霧錐角呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。在不同背景壓力下，隨著噴射時(shí)間的發(fā)展，噴霧貫穿度逐漸增加，噴霧錐角基本呈現(xiàn)不斷減少的趨勢(shì)，數(shù)值為38°～50°。

需要說(shuō)明的是，本文得出的噴霧特性趨勢(shì)性研究結(jié)論具有普適性，但限于試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試精度和試驗(yàn)環(huán)境的單一性，噴霧定量數(shù)據(jù)僅適用于本文試驗(yàn)測(cè)試。