柴油高压共轨柴油喷雾特性

50mpa喷射压力 80mpa喷射压力 100mpa喷射压力 120mpa喷射压力 130mpa喷射压力 150mpa喷射压力
图 7 3.0MPa 背压下不同喷射压力贯穿距随时间变化曲线
就目前的气动雾化机理而言，喷射压力对喷雾的影响是通过改变喷射速度而起作用的。 如图7，3.0MPa背压下不同喷射压力贯穿距随时间变化曲线和图5的喷雾图像所示，其他条 件一定时随喷射压力提高则喷注在同样的喷油持续期内能达到更远的贯穿距离，因为喷射压 力愈高则喷孔处的压力差越大喷注的初速度和具有的动能愈大，贯穿规律曲线越陡即斜率越 大。
图 4 1.0MPa 背压（左）和 3.0 背压（右）,喷射压力 80MPa 下喷雾图（时间间隔 0.35ms）
图 5 3.0MPa 背压,喷射压力 100MP（a 左）和 150MP（a 右）下喷雾图（时间间隔 0.35ms） 作为试验结果示例，图4、图5分别示出1.0mpa背压和3.0背压，80mpa喷射压力环境下喷 雾图（时间间隔0.35ms）；3.0mpa背压100mpa和150mpa喷射压力环境下喷雾图（时间间隔 0.35ms）。基于试验所得图像及软件定量分析并纠正定标及成像误差所得数据，我们分别讨 论背压及喷射压力对喷雾特性的影响。
表 1 GS-1000 高压共轨燃油试验台主要参数
名称 功率 转速范围 冷却方式 燃油工作范围 高压油泵 共轨管 喷油器
参数
11kW ≤4000rpm 强制冷却 40±2℃ 博世 CP3 博世 博世
（2）控制系统
控制系统采用课题组自主研发的开放式ECU和上位机一起组成。控制系统负责采集试验
台上的相关信息并经开放式ECU处理后对喷油器发出指令，控制燃油的喷射，实现共轨压力
关键词：柴油机；高压共轨；燃油喷射；雾化特性
柴油机经过一百多年的发展已经日臻完善，结构和性能有了巨大的提升。目前它已经成 为用量最大、用途最广、热效率最高的动力机械，在国民经济、国防建设和生产生活中发挥
着重要作用 [1] ，但同时它又是最大的环境污染源，所以柴油机的研究一直是低油耗、低排 放和高比功率为目标。燃烧过程的不断完善是实现上述目标的主要途径，直接影响着柴油机 的动力性、经济性和排放特性。
通过摄影照片还可以发现，喷雾体在发展到一定程度后，其边缘变得扭曲褶皱，进而表 现出浓度分布的层次感，造成这种现象的主要原因在于燃油喷射过程中喷雾场与流场之间的 质量与动量交换在喷雾体周围形成了强烈的、不同尺度的湍流运动。喷雾体的不断扩散和空 气的不断卷入，更加剧了这种交换过程对喷雾体的“侵蚀”，加之空气动力学所致的表面波 对喷雾体的“撕裂”。喷雾体表面的扭曲褶皱有利于液滴雾化和气液混合。
4.1 不同背压对雾化特性的影响
如图6所示，根据喷雾图即图4对比也可以看出，当喷射压力相同时，随着背压的增大， 喷雾锥角增大，在同一时刻，喷雾的贯穿距减小。这是由于背压变化不会使喷雾的初速度产 生很大的变化，可以认为喷雾的贯穿距减小的原因在于介质密度的变化。背压增大，介质密
度变大，雾粒与介质间动量交换增加，造成喷注的动能损失增加，迎风阻力增大，造成贯穿 距减小，同时使喷束变粗变短，雾化锥角增大。
选用C#语言对图像进行处理，具体思路为：先将RGB图像先转换为灰度图像，由于油束 颜色较浅即像素灰度值较小，而油束背景较深出现在高灰度值区间，选取合适的油束与背景 相区分的阈值，然后将灰度图像通过阈值将其二值化，输出的二值图像在所有亮度小于给定 阈值像素点处均为0，其余均为1。将输出的二值图像再作反色处理，将像素值突变处的像素 点均定为l，其余均为0。然后利用Robers边缘检测、图像滤波以及哈夫变换检测得到所测贯 穿距和喷雾锥角数值 [3] 。
石英玻璃，用于为定容室内补充光线。实验时，定容压力室内充以高压空气，气源由高压空
气瓶提供。排气阀上装有安全阀，以保证安全。
2 试验方案
表 3 单孔喷雾试验主要参数 试验参数
实验方案
1
喷孔直径（mm）
喷射压力（MPa）
20
定容室压力（MPa）
定容室温度(K)
喷射持续期（ms）
2
3
4
5
6
7
0.25
50
80
大，燃油密度会增加，所以锥角也会相应的减小。但燃油密度随着喷射压力的变化并不大，
所以体现在变化上并不明显。这些结论与本文研究结果相符。
5 结论
a)本研究设计的高压共轨系统燃油喷射雾化高速摄影试验台架可以较好地完成高压喷 雾特性的试验研究，并可以通过自设计的图像分析软件获得雾化特性的相关项目数据，具有 一定的工程实用价值；
的控制。上位机不但要监控开放式ECU的运行状况而且还要控制图像拍摄系统。
（3）图像拍摄系统
图像拍摄系统由Motion Pro X-3高速摄影仪及相关光源等设备构成。表1-2为高速摄影
仪的主要参数。
表 2 高速摄影仪的主要参数
最大分辨率 最大拍摄速度（帧）
感光度(ASA)
最快拍摄快门 传输 存储记忆
1280×11024 （2000 帧时）
高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集
编号：C-100018
高压共轨柴油喷雾特性试验研究
岂斌，周乃君，邢志海，杜志环
（中南大学 能源科学与工程学院 长沙 410083） （联系电话：—0731-88876554 ，E－mail：—njzhou@mail.csu.edu.cn）
摘要: 为了研究柴油机高喷射压力、高背景压力下的喷雾特性，课题组自行设计了喷雾模拟试验装置， 结合GS-1000型高压共轨燃油喷射实验台。利用高速摄影仪进行拍摄，获得了在不同喷射压力和不同背压下 柴油喷雾发展图片，并利用C#语言对喷雾图像进行了处理，测量了不同工况下油束的贯穿距和雾化锥角， 通过试验数据总结分析了不同工况下的喷雾贯穿距、雾化锥角特征。
100
120
130
150
0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0
298
1.5
燃料
0 # 轻柴油
燃油粘度（ mm2 / s ）
2.5
燃油密度（kg/m 3 ） 燃油表面张力（N/m）
845 0.031
为了更直观的观测到不同工况下雾化效果，试验采用了单孔喷油器。本次试验进行了不 同喷油压力和喷射背压下的燃油喷射雾化试验，得到了大量的数据信息，可用来分析高压喷
由自开发软件对喷雾进行定量测量，操作界面如图 3 所示，该图像处理程序为窗口模式， 可对图片进行批处理，所得检测结果可在该界面直接显示并以 txt 格式文档整体保存，便于 后续对数据进行对比分析。
图 3 图像处理软件操作界面
4 雾化特性试验结果分析
通过上述试验台架，测量了不同喷油压力和不同喷射背压下喷雾体的空间发展规律，从 试验结果可以总结出高压喷射燃油雾化的一些规律。
显，略有减小但几乎保持一致。减小的原因除了上面所述观点（2）所提原因，作者分析较
高的喷射压力使得液柱周围产生了较细小的液滴(即雾化较好)，这些液滴很快蒸发也是导致 喷雾锥角变小的原因。同时很多广泛应用的经验公式或理论公式分析，推导得出的关系式是 消除初始速度参数而转化为喷雾锥角与背压气体密度及燃油密度的比值之间的关系，如著名
的广安公式 [6−8] ：
θ
=
83.5⎜⎛ ⎝
L D
⎟⎞ ⎠
−0.22
⎜⎜⎝⎛
D D0
⎟⎟⎠⎞
0.15
⎜⎜⎝⎛
l l
g l
⎟⎟⎠⎞ 0.26
（1）
式中，L和D是喷孔的长度和直径。
限于不同的试验环境和设备，总结的经验公式在形式上会有所不同，但普遍认可在喷孔
一定的前提下，喷雾锥角的大小主要受背压气体密度与燃油密度比值的影响。当喷射压力变
衰减快，所以随着喷油压力的提高，喷雾锥角随之增大，但喷雾贯穿度增大不是很明显 [4] 。 （2）其他条件相同时，喷雾锥角随喷射压力的增大而减小。理由如下：喷束出口动能增
大，液滴离开喷孔时速度很高，非常密集的向下游推进，不易扩展，因而喷射锥角减小 [5] 。 在本文试验研究显示，喷雾锥角在其他条件不变的情况下，锥角随喷雾压力变化并不明
燃油喷射雾化质量直接决定着燃烧来自百度文库程的好坏。无论是排放法规的要求、控制策略的要
求还是喷油系统的要求，都决定了燃油喷射雾化特性研究的必要性 [2] 。由于燃油喷雾在缸 内是一个瞬态的气液两相流，对高压喷射环境下的雾化过程的研究还很少，而柴油机喷雾向 高喷射压力、高背压密度的发展已经成为必然，所以针对高压共轨柴油机进行喷雾特性试验 研究是十分有意义的。本文将在这方面进行初步探索，从工程应用的实际出发，进行对高压 共轨燃油喷射的试验，分析不同工况下喷雾贯穿距及雾化锥角特征，以期取得具有普遍指导 意义的研究结果。
开放式电控单元
高速摄影仪 氮气瓶
共轨
高压油泵
油箱 GS-1000型高压共轨燃油喷射试验台
图 1 试验装置示意图
图 2 实验装置实物图
（1）燃油喷射系统
燃油喷射系统以GS-1000型高压共轨燃油喷射试验台为主体，利用其装配的高压共轨系
统，为燃油系统提供充足的和带有一定压力的燃油。表1为试验台主要参数。
同样，由于密度增大，雾滴场卷吸作用下使得雾束中空气量增多，也使得喷束的扩展更 加明显，尤其是喷雾远场呈更显著的发散状。
0.16
0.14
0.12
贯穿距长度(m)
0.1 0.08 0.06
0.5mpa背压 1.5mpa背压 2.5mpa背压
0.04
0.02
0 0.346
0.692
1.038 1.384 时间(s)
4.2 不同喷射压力对雾化特性的影响
4.2.1 贯穿距
贯穿距长度(m)
0.100000 0.090000 0.080000 0.070000 0.060000 0.050000 0.040000 0.030000 0.020000 0.010000 0.000000
0.346 0.692 1.038 1.384 1.732 2.076 时间(s)
1.730
2.076
图 6 150MPa 喷射压力下不同背压贯穿距随时间变化曲线
因此在实际发动机中，背压的增加有利于提高喷雾混合的质量，加快混合速度，从而提 高燃烧放热率，改善动力性与经济性。由图6还可以看出每条喷雾贯穿距曲线在喷雾初期斜 率较大，表明有较大的速度，这是因为此时喷雾尚未雾化，喷雾与空气的混合速度较慢，喷 雾体的动量扩散速率较低。在进入稳定喷射期后，由瞬态流动造成的强湍动能下降，这时液 滴的动量减少加快，速度降低。
1 试验台的搭建
试验选用的是 GS-1000 型高压共轨燃油喷射试验系统，该系统主要由机械部件和 CRS-1000 测试仪组成。试验系统与普通喷油泵试验台结合，可以满足高压共轨系统及部件 的模拟检测。作者所搭建试验装置分为燃油喷射系统、控制系统、图像拍摄系统和定容压力 室系统四个部分组成。图 1 为整套装置的示意图。图 2 为实验装置实物图。
射燃油的喷雾特性。高压容器内的压力可以达到 3 MPa ，已基本上能模拟非增压柴油机或 低增压柴油机喷油期间的缸内压力，喷油压力可达 150 MPa 。具体试验选用 0 号轻柴油， 该燃油密度为 845 kg / m3 。具体工况如下表 3，喷射压力和背压在不同情况下交叉，共计
42 种工况。
3 喷雾图像的处理
b)在高压喷射下，随着喷射背压的增大，容器室内空气密度变大，燃油喷雾的贯穿度随 之降低，雾化锥角增大；随着喷油压力的提高，喷雾贯穿距增大，雾化锥角有减小的趋势， 但不是很明显，甚至可以忽略。
参考文献 1. 1 刘永长. 内燃机原理[M]. 武汉: 华中理工大学出版社, 1992 2. 2 史绍熙, 苏万华. 内燃机燃烧研究中的几个前沿问题[J]. 内燃机学报, 1990, Vol.8(2):
128,000
1,500ASA 单色 500ASA 彩色
1 微秒
USB2.0 4G
（4）定容压力室系统
定容压力室系统由内径为75mm、有效长度为150mm的圆柱形45号钢整体加工而成，其上
布置安装有进气阀、排气阀、压力表和喷油器等。在圆柱体上开有一个椭圆形的视窗，装以
耐高压的石英玻璃，该视窗用来拍摄高速摄影观测喷雾状况。在压力室底部也装以耐高压的
4.2.2 雾化锥角
将喷雾锥角定义为喷束头部最大截面的外轮廓切点与喷孔连线所夹的角度，对于同背压 条件下喷雾锥角随喷射压力变化的关系，很多学者做过相关研究也提出了很多不同的见解。 目前主要有两种截然不同的结论：
（1）其他条件相同时，喷雾锥角随喷射压力的增大而增大。理由如下：随着共轨压力增 大，喷雾体的初速度增大，燃油的雾化加强，油束边缘区的雾化油滴数目逐渐增多，区域也 向周围空气区不断扩展，喷雾后期，喷雾体速度出现明显的衰减，喷油压力较高的喷射速度