低温低密度下喷油压力对柴油喷雾火焰特性影响

低温低密度下喷油压力对柴油喷雾火焰特性影响
高浩卜;马玉坡;张峥
【摘要】针对柴油机低温低密度工况着火困难问题,本文在723 K、14 kg/m3环境的定容燃烧弹上,对40、80、120和160 MPa 4组喷油压力试验.高速摄影直拍获取火焰图像,进行蓝、热焰分离和双色法分析.研究发现:低温低密度下,随喷油压力增加,火焰脱体长度增加,温度下降.喷油压力过高,气流\"吹熄\"和蒸发作用增强,不利于燃油稳定燃烧.
【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》
【年(卷),期】2019(040)006
【总页数】6页(P1128-1133)
【关键词】柴油;喷雾;火焰;喷油压力;低温;低密度;定容燃烧装置;双色法
【作者】高浩卜;马玉坡;张峥
【作者单位】中国航空发动机研究院,北京 101304;中国北方车辆研究所,北京100072;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081
【正文语种】中文
【中图分类】V234
当前，柴油机因其高热效率、结构简单的特点，在车辆、船舶、中低速航空领域得到广泛应用[1-4]。

随着技术水平的提高，高压共轨燃油喷射已成为柴油机直喷的重要技术手段[5-7]。

高压共轨技术的引进，使得喷油量不依赖于发动机转速，可
实现更加灵活、合理的喷油策略。

喷油压力是改善喷雾雾化、蒸发和燃烧的重要手段[8]。

在热工况下，喷油压力的提高有利于火焰快速稳定燃烧[9-10]。

但在车用
发动机冷启动工况、高原工况，飞机用活塞发动机的空中低温工况等情况下，缸内温度和空气密度较低，着火困难，火焰发展稳定性较差，喷油压力对火焰发展的影响规律与高温环境时有所不同。

针对目前应用广泛的ω型燃烧室，改进喷油策略，以实现低温环境下快速稳定燃烧是当前柴油喷雾燃烧领域的一个重要研究方向[11]。

但在低温低密度条件下，喷油压力对火焰发展影响规律的深入研究还少有报道。

为研究冷启动、高原、高空等较低温度和背景密度的火焰发展情况，试验背景温度选取接近着火温度的723 K，背景密度选取实际发动机工况中较低的14 kg/m3。

针对40、80、120和160 MPa 4组喷油压力，通过高速摄影直拍，蓝、热焰图
像分离技术，双色法图像处理技术等手段，研究低温低密度条件下，喷油压强对火焰形态发展、低温和高温反应区域分布、高温温度场分布等火焰特性的影响规律。

1 试验装置及方法
试验采用北京比特英泰科技有限公司生产的定容喷雾燃烧装置，如图1所示。

高
压共轨喷油系统可提供160±4 MPa喷油压强。

背景压强最高达到6 MPa，调控
精度±0.03 MPa。

背景温度最高达到800 K，调控精度±3 K。

周向均布4个石英
玻璃视窗，直径100 mm，厚度70 mm，并布置冷却液管路对视窗进行冷却。

加热装置采用10 kW的电热丝底部加热。

孔径0.12 mm的单孔喷油器布置在定容
装置顶部中央处，喷射周期400 ms。

进气和排气口布置在定容装置底部。

定容装置两侧镝灯光照，中间正面拍摄。

采用Phantom V7.3高速摄影机，高速摄影直
拍拍摄频率20 000 Hz、直拍曝光时间20 μs、光圈位置F2.8。

背景气体为空气。

图1 定容装置Fig.1 The constant volume vessel
试验研究发现柴油喷雾着火温度在703 K左右[12]。

为研究冷启动、高原、高空
等较低温度和背景密度的火焰发展情况，试验背景温度选取接近着火温度的723 K，
背景密度选取实际发动机工况中较低的14 kg/m3。

分别对40、80、120和160 MPa 4组喷射压强工况进行试验。

每组采集3次数据。

试验发现，相同工况下，
火焰生成位置和火焰亮度等火焰发展规律一致性较好。

为反应出低温低密度条件下，火焰发展的瞬时波动特性，每个工况选取1组试验结果进行比较。

试验在喷射方向上可观测范围长度为100 mm，已大于一般的车用和飞机用活塞
发动机缸体半径。

本文主要研究有限空间内的火焰发展规律，以贴合ω型燃烧室
空间燃烧的实际情况。

燃油过长距离的运动会发生“湿壁”现象，不利于燃烧，不在本文关注范围。

因此，研究100 mm范围内的火焰发展规律满足实际需求。

试验采用双色法获取大于1 500 K的高温段火焰温度分布，取波长为546.1 nm
的绿色和435.8 nm蓝色可见光进行计算。

标定和计算过程可参考文献[13]。

2 试验结果及分析
2.1 火焰形态发展规律
图2为喷射压强40 MPa下的柴油喷雾燃烧火焰形态。

为方便描述做如下定义：
液相长度指从喷孔位置起沿喷射方向液相燃油达到的最远距离，这里将图像灰度化后，取灰度值大于最大灰度5%的液相油束部分测量获得。

火焰脱体长度指液相油束末端到火焰上游开始位置之间的距离，这里取液相油束末端到火焰亮度大于最大灰度5%的最上游位置之间距离。

非充分燃烧区指火焰存在局部淬熄现象的区域，如图2虚线圈所示。

充分燃烧区指火焰没有发生局部淬熄现象的区域。

图2 火焰形态特征Fig.2 The flame morphology characteristics
图3为不同喷油压力的喷雾燃烧火焰形态发展比较。

本文规定0时刻为各工况出
现亮度大于最大灰度5%的火焰的前一张图像对应时刻。

从图中可以看出，随着喷射压力的增加，在可视范围内火焰亮度逐渐减弱。

喷油压强40 MPa的火焰随时
间增长，非充分燃烧区面积减小，充分燃烧区面积增加，且非充分燃烧区在充分燃烧区的上游。

喷油压强80 MPa的火焰在可视范围内均为非充分燃烧，存在明显
的局部淬熄现象。

喷油压强120 MPa的火焰只在0.7 ms图像喷雾远端出现微弱的光亮。

而160 MPa的图像几乎观察不到火焰光亮。

形成局部淬熄现象的主要原因是在局部范围内燃油蒸汽向下的流动速度大于向上传播的火焰速度。

在低温低密度环境下，火焰传播速度较慢，随着喷油压力的增加，燃油蒸汽流动速度增加，气流的这种“吹熄”作用增强，局部淬熄现象越明显。

图4为不同喷油压力下火焰脱体长度的比较。

从图中可以看出，喷油压强40 MPa 时，火焰脱体长度从开始的接近10 mm逐渐缩小到0，而随着喷油压强的增加火焰脱体长度逐渐增加，喷油压强160 MPa时，火焰脱体长度最大，并在0.2～0.3 ms出现火焰间断现象。

主要原因在于，随喷油压力增加，燃油蒸汽向下流动速度增加，“吹熄”作用增强，同时燃油质量流量的增加，使得蒸发吸热量增加，造成局部温度降低。

当喷油压强升高到160 MPa时，火焰脱体长度进一步增加到50 mm左右，并出现了火焰间断现象。

图3 不同喷油压力下的火焰形态Fig.3 The flame morphology under the different injection pressures
图4 不同喷油压力下的火焰脱体长度Fig.4 The flame take-off length under the different injection pressures
2.2 蓝焰与热焰分布规律
为捕捉较低温度的初期燃烧反应，将图像做增亮处理，即将图像的RGB值均扩大10倍。

通过火焰增亮图与原图对比发现，原图可见火焰亮光周围出现蓝色区域，这里称之为蓝焰，用于表征温度较低的初期燃烧反应。

相应的将黄色火焰定义为热焰，表征较高温度燃烧反应。

编写程序利用颜色和灰度特征，将蓝焰和热焰进行区分，图像处理流程如图5所示。

图6为不同喷油压力下蓝焰与热焰的分布比较。

从图中可以看出，喷油压强40 MPa时，蓝焰零星分布在热焰的边缘位置，随时间增加蓝焰逐渐消失。

喷油压强
80 MPa时，蓝焰面积明显增加，分布在热焰周边，随时间增加，逐步分布在热焰上游边缘。

喷油压强120 MPa时，以蓝焰为主，在0.7 ms图片中在蓝焰中心部
分出现热焰。

160 MPa时，几乎看不到热焰。

图7为不同喷油压力下蓝焰与热焰分布面积的比较。

从图7中可以看出，喷油压强40 MPa时，出现火焰的前0.2 ms内蓝焰面积较大，之后热焰面积以较快速度增长，且远大于蓝焰面积，后期燃烧愈加剧烈，蓝焰基本消失。

喷油压强80 MPa时，热焰面积相比40 MPa时有
明显减小，随时间增加，蓝焰面积只是略小于热焰面积，约为总火焰面积的40%。

喷油压强120 MPa时，蓝焰面积已经大于热焰面积，0.6 ms后约为60%，且热
焰面积出现的时刻也逐渐推迟。

160 MPa时，只是在个别时刻出现了很小面积的
热焰，蓝焰比例几乎100%。

图5 蓝焰与热焰图像处理Fig.5 The image processing techniques of the blue flame and hot flame
图6 不同喷油压力下蓝焰与热焰分布Fig.6 The distribution of blue flame and hot flame under the different injection pressures
由此可以发现，在可视范围内，低温反应的蓝焰主要分布在高温反应的热焰周围或上边缘。

低温低密度环境下，喷油压力过高，在有限空间内不利于产生剧烈的燃烧反应。

2.3 高温火焰温度分布规律
为进一步分析不同喷射压力对高温火焰温度分布的影响规律，利用双色法获取大于1 500 K的高温火焰温度分布数据。

图8为不同喷油压力下火焰温度分布的比较。

从图中可以看出，在可视范围内，随喷油压力的增加，火焰温度总体上逐渐降低。

喷油压强40 MPa时，形成充分燃烧区的温度较高，大部分超过2 000 K。

喷油压强80 MPa时，只有局部火焰温度超过2 000 K。

喷油压力进一步增加，可视范围内火焰高温区域进一步减少，且温度均在2 000 K以下，到160 MPa时，大于1
500 K的高温火焰区域只有零星分布。

由此可见，在低温低密度环境下，喷油压力过高带来的“吹熄”作用和燃油蒸发作用使得在有限空间内火焰高温区面积减小，火焰温度总体降低。

图7 不同喷油压力下蓝焰与热焰分布面积Fig.7 The distribution area of the blue flame and hot flame under the different injection pressures
图8 不同喷油压强下火焰温度分布Fig.8 The temperature distribution under the different injection pressures
图9为不同喷油压力下，不同火焰温度区间占整个高温火焰面积百分比的比较。

从图中可以看出，喷油压强40 MPa时，在大约0.1 ms后，出现大于2 000 K的高温火焰区域，随着时间的增加，大于2 000 K的火焰面积在逐渐增加。

在0.3 ms后，出现稳定的温度大于2 200 K的高温火焰区域，0.5 ms后，大于2 200 K 的火焰面积超过总的高温火焰面积的50%。

在大约0.8～1.2 ms，火焰各温度分布区间所占面积比例趋于稳定，大于2 000 K的高温区域比例达到80%左右，形成稳定且剧烈的喷雾燃烧过程。

喷油压强80 MPa时，超过2 200 K的火焰面积在大约0.5 ms之后间断出现，且只是在1 ms后短时间内达到过总面积的30%左右。

低于2 000 K的面积比例明显增加，在0～0.8 ms，低于2 000 K的火焰面积比例保持在80%以上，火焰温度相比于喷油压强40 MPa时有明显降低。

喷油压强120 MPa时，在0到1.2 ms时间范围内，火焰温度低于2 000 K的面积达到总面积的90%左右。

大于2 000 K的高温火焰面积间断出现，但是，1 800～2 000 K和1 500～1 800 K的较低温度区间的火焰可以稳定出现，且1 800～2 000 K的面积略大于1 500～1 800 K面积。

喷油压强160 MPa时，火焰温度大于2 000 K的高温火焰零星出现，低于2 000 K的面积同样达到总面积的90%以上，但火焰温度在1 500～1 800 K和1 800～2 000 K两段区间上波动，且整个火焰出现间断现象，表现出较大的不稳定性。

图9 不同喷油压力下火焰温度分布面积比例Fig.9 The distribution area fraction of flame temperature under the different injection pressure
3 结论
1)随喷油压力增加，火焰局部淬熄现象更加明显，火焰脱体长度增加；表征低温反应的蓝焰面积比例也随之增加；超过1 500 K的高温火焰面积逐渐减小，反映出温度下降。

2)与热工况下影响机制不同，低温低密度下，喷油压力过高，气流“吹熄”和蒸发作用增强，反而不利于油束稳定剧烈燃烧。

由此，在设计车用发动机冷启动、飞机用柴油机高空飞行等邻近着火工况喷油策略时，喷油压力不宜过高。

【相关文献】
[1] 张龙平, 刘忠长, 田径, 等. 车用柴油机瞬态工况试验及性能评价方法[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2014, 35(4): 463-468.
ZHANG Longping, LIU Zhongchang, TIAN Jing, et al. Experiment and performance evaluation methods for automotive diesel engines under transient operation conditions[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2014, 35(4): 463-468.
[2] 高浩卜, 李向荣, 耿文耀, 等. 双卷流燃烧室与油束夹角匹配对柴油机排放的影响[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2014, 35(2): 216-220, 255.
GAO Haobu, LI Xiangrong, GENG Wenyao, et al. Effects of spray angle on the emissions characteristics of diesel engine matched with double swirl combustion system[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2014, 35(2): 216-220, 255.
[3] 王勤鹏, 杨建国, 余永华. 船用低速柴油机电控系统控制策略试验研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2013, 34(11): 1345-1351.
WANG Qinpeng, YANG Jianguo, YU Yonghua. Control strategy research on the electronic control system of the marine low-speed diesel engine[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2013, 34(11): 1345-1351.
[4] 刘少杰. 压燃式航空活塞发动机电控单元设计[D]. 北京: 清华大学, 2012: 1-4.
LIU Shaojie. Design of ECU for compression-ignition aircraft engines[D]. Beijing: Tsinghua University, 2012: 1-4.
[5] LI Xiangrong, GAO Haobu, ZHAO Luming, et al. Combustion and emission performance of a split injection diesel engine in a double swirl combustion system[J]. Energy, 2016, 114: 1135-1146.
[6] LI Xiangrong, YANG Wei, ZHAO Luming, et al. The influence of pilot-main injection matching on DI diesel engine combustion using an endoscopic visualization system[J]. Fuel, 2017, 188: 575-585.
[7] LI Xiangrong, ZHOU Haiqin, ZHAO Luming, et al. Effect of split injections coupled with swirl on combustion performance in DI diesel engines[J]. Energy conversion and management, 2016, 129: 180-188.
[8] HIROYASU H, ARAI M, TABATA M. Empirical equations for the sauter mean diameter of
a diesel Spray[C]//Proceedings of SAE Technical Paper 890464. Detroit, Michigan, USA, 1989.
[9] 胡江涛, 姚春德, 耿培林, 等. 空气和甲烷/空气氛围中喷油压力对柴油燃烧特性的影响[J]. 内燃机学报, 2017, 35(4): 289-296.
HU Jiangtao, YAO Chunde, GENG Peilin, et al. Effects of injection pressure on combustion characteristics of diesel fuel in air and premixed methane/air mixture atmosphere[J]. Transactions of CSICE, 2017, 35(4): 289-296.
[10] 姚春德, 胡江涛, 银增辉, 等. 喷油压力对高压共轨柴油机燃烧影响的可视化研究[J]. 农业机械学报, 2016, 47(1): 355-361.
YAO Chunde, HU Jiangtao, YIN Zenghui, et al. Visualization on combustion characteristics of common rail diesel engine at different injection pressures[J]. Transactions of the Chinese society for agricultural machinery, 2016, 47(1): 355-361.
[11] 彭海勇, 崔毅, 邓康耀. 柴油机起动倒拖缸内喷雾仿真分析[J]. 内燃机工程, 2015, 36(1): 92-99. PENG Haiyong, CUI Yi, DENG Kangyao. Simulation analysis on fuel spray in diesel engine during cold start cranking[J]. Chinese internal combustion engine engineering, 2015, 36(1): 92-99.
[12] 马玉坡. 低温环境下柴油喷雾与燃烧特性试验研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2015: 119-134. MA Yupo. Experimental study on diesel spray and combustion characteristics under low temperature condition[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2015: 119-134.
[13] 靳森嘉. 喷油策略对柴油机燃烧影响的可视化研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2015: 15-20.
JIN Senjia. Visualization investigation on the influence of injection strategy in the combustion of diesel engine[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2015: 15-20.。