基于兩段噴射策略的柴油噴霧燃燒特性研究

張士錢，畢慶

(1.龍巖學院物理與機電工程學院，福建 龍巖 364000；2.山東中科先進技術研究院有限公司，山東 濟南 250100)

不同的燃油噴射策略對柴油機排放和燃油經濟性有較大的影響，相關學者開展了廣泛的研究[1]。高壓共軌系統的應用，使得對燃油噴射時刻及噴油量進行精準控制更為方便?，F在主流的燃油噴射策略，一方面采用預噴使主噴燃燒更柔和，以更好地控制缸內溫度和壓力的上升速度，進而降低NOx排放并改善噪聲[2]，另一方面在主噴后增加后噴，以減少未燃烴(Unburned Hydrocarbon，UHC)和炭煙的形成。隨著噴霧軸向動能降低及環境氣體卷吸量增加，在噴油結束后(End of Injection，EOI)，噴油器附近的燃油-空氣混合物會迅速從富油區過渡到貧油區，卷吸作用使氣流減速并停滯在噴油器附近，導致不完全燃燒并產生UHC[3]。后噴將主噴燃燒殘余的稀薄混合氣從噴嘴附近推向下游，較高的當量比和有利的熱環境可實現高效的二次燃燒。研究表明，當后噴時刻及后噴量合理時，后噴技術可以有效降低發動機炭煙生成[4]。

相關學者大多通過兩段噴射來研究多次噴射策略之間相互作用機理的復雜性。針對非燃燒狀態下兩段噴射，Bruneaux[5]和Skeen[6]的研究表明，第二次燃油噴射的氣相進入“滑流”狀態后，貫穿速度比初次噴射會變得更快。Bruneaux通過測量噴射速度發現，兩次噴射之間的相互作用隨噴油間隔期縮短而增強，使得第二次噴射頭部的油氣混合速率增加。對于燃燒噴霧，在以正十二烷為燃料的預燃室內，Skeen對不同環境溫度下的兩段噴射點火過程的研究結果表明，相比于初次噴射，第二次噴射的著火延遲期(Ignition Delay，ID)減少了至少2/3，這是由于燃燒室內殘留了初次噴射的燃燒產物和自由基[7]。Cung等[8]研究了燃油兩段噴射間隔時間對著火延遲期的影響。Noud等[9]使用高速OH*化學發光法測量了兩段噴射中火焰浮起長度(LOL)的變化，在第二次噴射著火后，LOL緩慢地進一步向下游發展，直到噴射結束后才發生燃燒衰退。

如上所述，相關學者對柴油多次噴射的噴霧特性已經做了大量研究，但關于初次噴射是如何影響第二次噴射燃油與空氣混合及燃燒過程仍有許多尚未解決的問題。本研究主要利用光學測量技術詳細分析燃燒條件下燃油噴射間隔、初次噴油量等對第二次噴油特性的影響。通過高速紋影成像獲得兩段噴射的火焰浮起長度(LOL)。此外，通過氣缸壓力導出的放熱率(Apparent Heat Release Rate,AHRR)也可以計算出著火延遲期和燃燒效率，即也可以研究燃燒條件下不同燃油噴射策略如何對著火延遲期、燃燒結構及燃燒效率造成影響。

1 試驗工具

1.1 試驗裝置

試驗在一臺單缸二沖程光學發動機上進行，該光學發動機設計了直徑為45 mm的圓柱形燃燒室，上部有用來觀測噴油器狀態的視窗，四周有4個水平相互垂直的窗口，其中一個是用來安裝壓力傳感器，其他3個為光學視窗。氣缸蓋橫截面見圖1，光學發動機具體參數見表1。發動機運行期間，缸體溫度由外部加熱/冷卻系統控制，進氣溫度和壓力分別由電加熱器和空氣壓縮機調節。為保證缸內沒有上一次燃燒的氣體殘留，缸內環境條件在連續試驗循環中保持一致，活塞每上下運動30個循環進行一次燃油噴射。此外，為更直觀地觀察兩段噴射對噴霧特性的影響，試驗采用了噴孔直徑為0.082 mm的單孔噴油器。

圖1 氣缸蓋剖面圖

表1 光學發動機參數

1.2 光學測試技術

在燃燒反應條件下，紋影技術可用于觀測瞬態噴霧形狀變化和定量測量LOL。紋影法光路布置見圖2。用一個拋物面鏡(f=610 mm)使得點光源氙燈形成的發散光變為平行光以垂直通過燃燒室。然后，通過放置在燃燒室另一側的凸透鏡(f=450 mm)，使光線聚焦在一個傅里葉平面。同時還用了6 mm的隔膜作為紋影光闌，以方便高速CMOS相機(Vision Research Phatron SA-5)來采集光線，相機采集頻率為30 000 fps，分辨率為6.8 pixel/mm，快門時間為0.37 μs。在進行燃燒噴霧的測量時，為消除炭煙輻射光的影響，在相機前設置了帶通濾波器(310～440 nm)。與典型紋影裝置相比，本試驗只使用了一個拋物面鏡，通過大焦距反射鏡提高圖像質量。

圖2 紋影法光路示意

紋影法基于光束從一種介質到另一種介質時不同的折射率而導致偏差，如果考慮連續的非均勻介質，則折射率的變化由梯度表示。被測流場中的折射率梯度正比于流場的氣流密度，利用這一原理實現對氣流邊界層的捕捉。燃油氣相與環境氣體空氣之間存在較大的折射率差和密度差，采用紋影法即可獲得清晰的燃油氣相與環境氣體之間的邊界輪廓曲線。圖像處理過程中，首先應用動態背景法對背景進行校核，然后，將圖片進行二值化處理，動態選取一定閾值來檢測噴霧邊界，最后，獲得噴霧輪廓后，定義輪廓上距離噴嘴出口最遠的點為噴霧貫穿距。此外，除了噴霧貫穿距，還通過分析紋影圖像遠離噴嘴尖端5個像素點之外的每兩個位置之間的噴霧徑向增量，得到了兩次噴射的火焰浮起長度(將徑向增量峰值發生的位置與噴嘴之間的距離定義為火焰浮起長度)。在環境溫度高于800 K，密度為22.8 kg/m3條件下，紋影法已被OH*化學熒光法證實為一種有效檢測火焰浮起長度的工具[10]。圖3示出通過紋影圖像得到火焰浮起長度的一個例子。

圖3 紋影法測量LOL原理

1.3 放熱率計算

根據熱力學第一定律，由高速壓力傳感器采集的氣缸壓力曲線可得出放熱率AHRR[11]，如下式：

式中：p為氣缸壓力；V為燃燒室容積；m為燃油質量；T為氣缸溫度；CV為比定容熱容。計算前首先對缸壓曲線進行了高斯平滑和中值濾波處理。

第一次噴射著火延遲期(ID1)定義為AHRR超過第一個峰值15%的時刻，第二次噴射著火延遲期(ID2)為AHRR從兩個波峰之間的最小值處增加到超過第二個峰值15%[12]的時刻。圖4示出兩段噴射的AHRR和相應的ID1(第一條垂直虛線)和ID2(第2條垂直虛線)，下側矩形區域表示燃油噴射時間。圖4中ID是根據每個循環的AHRR計算的ID的平均值，而不是通過平均的AHRR得到的ID。

圖4 AHRR實例及兩次噴油的著火延遲期

2 試驗方案

表2列出包含6種噴射策略的試驗方案。所有試驗均在缸內上止點溫度870 K，密度22.8 kg/m3的條件下進行，噴射壓力保持在150 MPa，且每個試驗工況點進行3N=30的測試，噴油間隔指的是初次噴射結束到第二次噴射開始之間的間隔。本研究還將噴油持續期為500 μs和1 500 μs的燃油單次噴射的情況作為對比。同時，為了研究噴油間隔對噴霧特性的影響，在保持相同噴油量的條件下進行兩段噴射，分別對噴油間隔為250 μs和750 μs進行了試驗研究，記為D250和D750。在初次噴射燃油量的影響規律研究方面，受電控系統的限制，初次燃油噴射時間不能設定在500 μs以內。初次噴射噴油持續期從500 μs(F500)變化到750 μs(F750)，同時，噴油間隔設置為500 μs，第二次噴射噴油持續期均設置為1 000 μs。

表2 試驗方案

3 結果與討論

3.1 著火延遲期和火焰浮起長度

圖5示出燃燒條件下不同時刻處理后的Single_L(左)和D250(右)紋影圖像。紋影圖像中LOL定義為與靠近噴嘴未燃燒部分相比，徑向寬度突然開始增加的位置。由圖5觀察可知，單次噴射時，763 μs ASOI(After Start Of Injection)時已經著火，準穩態階段的火焰浮起長度穩定在15 mm附近。兩段噴射時，在563 μs ASOI初次噴射即將結束時，初次噴射仍然為未燃燒噴霧，燃燒在763 μs ASOI處開始，即在噴霧開始著火與噴油結束之間存在的噴油間隔會導致更高的UHC[13]。從963 μs ASOI起，第二次噴射已噴入初次噴射產生的高溫燃燒產物中，這就會導致著火延遲期短于初次噴射持續期[14-15]。第二次噴射的LOL比初次噴射的LOL更接近噴油器，同時也比Single_L噴射的準穩態LOL更接近噴油器。

兩段噴射中噴油間隔和初次噴油持續期對著火延遲期及LOL的影響見圖6。其中Single_L作為參考，ID1和ID2分別表示第一次和第二次噴油的著火延遲期，LOL1和LOL2分別表示第一次和第二次噴油的火焰浮起長度。如預期一樣，所有情況下的ID1都非常相似。顯然，在該熱力條件下(870 K，22.8 kg/m3)，初次噴射結束的時間發生在ID1之前(D250，D750和F500)或之后(F750和Single_L)對ID1影響不大。與文獻[16]的結論一致，即在850 K和900 K的溫度條件下EOI對ID沒有影響。對于ID2，隨著噴油間隔的縮短，ID2會有輕微下降，分析有兩種可能：一方面D250和D750之間燃油初次噴射的LOL非常相似(大約15 mm)，燃燒產物由于氣流作用向下游移動很慢；此外，D250的第二次噴射只有在距離燃燒產物下游20 mm后才比D750的貫穿速度更快，處于高溫燃燒產物的下游。因此，兩種工況下的第二次噴射進入高溫燃燒產物區的時間相似。另一方面，即使燃油初次噴射燃燒產物的溫度可以通過卷吸環境冷空氣有所下降，但仍遠高于環境溫度。根據文獻[17]的研究，在高溫高密度條件下，著火延遲期對溫度的敏感性相對較低。在相同噴油間隔下，不同初次噴射時間F500和F750對燃燒產物溫度的影響要比噴油間隔小得多。除了非常相似的LOL1，改變燃油初次噴射量對ID2基本不會造成影響?？偟膩碚f，LOL與ID的變化趨勢是一致的，只是LOL2對噴油間隔的敏感度略高于ID2。

圖5 燃燒條件下不同時刻處理后的紋影圖像

圖6 兩段噴射的ID和LOL隨噴油間隔和第一次噴油持續時間的變化情況

3.2 燃燒效率

根據噴油量及低熱值，對放熱率曲線進行積分，計算了兩段噴射及各個單次噴射的燃燒效率。

式中：φ為燃燒效率；m為燃油噴射質量；LHV為正十二烷的低熱值。

燃油兩段噴射策略的總燃燒效率(φtotal)的積分開始時間為ID1，試驗分析了從3 ms ASOI到5 ms ASOI的時間(步長為0.5 ms)，結果顯示，到4 ms ASOI后φtotal的值基本沒有發生變化，并考慮到燃燒反應的完整性，試驗選擇了5 ms ASOI作為積分的結束時間。初次噴射燃燒效率(φ1)的積分區間為ID1～ID2，第二次噴射的燃燒效率(φ2)的積分區間為ID2～5 ms ASOI。為更好地說明這些積分區間，圖7示出放熱率AHRR(實線)及其對應的積分區間(虛線)，此外，圖中分別給出了Single_S和Single_L作為參考。

圖7 不同噴油間隔和初次噴射時間下的AHRR和積分區間

根據上述定義，表3列出各工況點的燃燒效率和對應的燃油噴射質量。單次噴射的積分區間也是從著火時刻到5 ms ASOI?？偟膩碚f，所有的兩段噴射情況下，φ2總遠大于φ1，可能有兩個原因：第一，初次噴射的燃油直到ID2都沒有完全燃燒，剩余燃料隨著第二次噴射繼續燃燒；第二，燃油初次噴射結束后，第二次噴射由于快速的空氣卷吸作用，可能會將UHC推至噴嘴區域附近，使其在第二階段燃燒過程中燃燒[18]。此外還發現，噴油間隔和初次噴油量的變化都不會改變φtotal。

表3 燃燒效率和噴油量

從不同噴油間隔的角度分析，φ1小于Sinlge_S的φ(0.71，假設完全燃燒)，并在較短噴油間隔期內從0.67減小到0.61。結果證明，燃油初次噴射的部分燃料肯定會在第二階段內繼續燃燒，并且隨噴油間隔期的縮短而增加，更高的當量比和更有利的熱環境會更有助于炭煙形成。對于燃油初次噴射時間，相關研究表明，過量UHC與兩次著火間隔之間存在很強的相關性[5]。F500的著火間隔有利于UHC的生成，而F750的著火間隔不利于UHC的生成。換句話說，F500初次噴射生成的UHC可能遠遠超過F750，這也是F500的φ2比F750稍高的原因。對比F750和Single_L可以發現，適當的兩段噴射策略可以在相同噴油量的條件下提高燃燒效率。

4 結束語

以正十二烷為燃料，采用單缸二沖程光學發動機，研究了不同燃油噴射策略對柴油燃燒噴霧特性的影響。應用紋影法得到不同噴油策略下燃燒噴霧的著火延遲期和火焰浮起長度，根據壓力變化曲線推導出燃燒過程的AHRR，研究了不同噴油間隔和初次噴油量對第二次噴射的燃氣混合及燃燒過程影響。

當噴油間隔較短時，ID2會略有減小。由于初次噴射燃燒產物下游20 mm之前相似的噴霧貫穿速度和火焰浮起長度，D250和D750第二次噴射的燃油進入初次噴射燃燒產物的時間相似。雖然D750的燃燒產物溫度由于卷吸更多空氣的原因比D250的要低，但其溫度依然較高并使第二次噴射在噴入燃燒產物后立即點燃，這使得ID2在高溫下的敏感性很低。不同的噴油間隔條件下，LOL2的變化較ID2更敏感，它隨著噴油間隔的縮短而降低。

ID2和LOL2不會隨著初次噴油持續期的變化而變化，這是由于相似的LOL1和燃燒產物溫度。

第二次噴射的燃燒效率高于初次噴射的燃燒效率，可能有兩個原因造成這種情況：初次噴射的部分燃油隨第二次噴射一起燃燒；初次噴射產生的未燃碳氫化合物在第二次噴射后燃燒。整個噴射過程的總燃燒效率不會隨噴油間隔或初次噴油持續期的變化而變化。對于不同噴油間隔，由于噴油間隔越短，ID2之前初次噴射的燃燒時間越少，所以φ1隨噴油間隔的縮短而減小。對于不同初次噴油持續期，與F750相比，F500的φ1小得多，這是因為兩次噴油的著火間隔小，導致生成更多的UHC。