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海拔對柴油噴霧和附壁燃燒過程的影響

2019-12-23 20:30:29·  來源：內(nèi)燃機學(xué)報  
　
目前，高海拔環(huán)境下運行的柴油機常伴隨燒蝕和積碳的問題。為此，國內(nèi)外不少學(xué)者針對不同海拔柴油機噴霧和噴
目前，高海拔環(huán)境下運行的柴油機常伴隨燒蝕和積碳的問題。為此，國內(nèi)外不少學(xué)者針對不同海拔柴油機噴霧和噴霧撞壁過程展開試驗和模擬，結(jié)果表明：海拔會對柴油機燃燒室內(nèi)的噴霧形態(tài)和霧化產(chǎn)生影響，甚至直接導(dǎo)致液相噴霧撞壁的發(fā)生，從而改變?nèi)紵覂?nèi)的燃油分布和燃燒狀態(tài)，對發(fā)動機不同受熱件的熱負荷產(chǎn)生較大影響。目前，對不同海拔柴油機噴霧過程的試驗主要是針對燃油的撞壁和霧化的影響，較少涉及燃油燃燒過程，特別是火焰撞壁后的近壁面燃燒狀態(tài)的研究；另一方面，針對不同海拔的噴霧和燃燒過程的研究，更多是通過數(shù)值模擬的手段，缺少相應(yīng)的試驗驗證。燃燒過程對活塞表面的燒蝕和積碳起到核心作用，因而亟需通過試驗手段了解不同海拔環(huán)境下噴霧和燃燒過程的差異。
 
1、試驗裝置及試驗方法
利用圖1所示的可視化定容燃燒彈試驗裝置系統(tǒng)進行試驗，主要由定容燃燒彈、電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、高速攝影機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)等組成。為了模擬柴油機上止點缸內(nèi)的溫度和壓力環(huán)境，燃燒室內(nèi)的氣體充量還將通過預(yù)燃乙炔的方式進一步提高溫度。在乙炔燃燒結(jié)束后的壓力下降過程中，通過壓電晶體傳感器監(jiān)控燃燒室壓力，并根據(jù)理想氣體方程推算燃燒室內(nèi)氣體溫度，在達到目標(biāo)溫度時噴入燃油。通過這種方法可以模擬高達1200 K 的高溫環(huán)境，且燃燒室內(nèi)氣體環(huán)境的密度和噴油前的氧體積分?jǐn)?shù)也可以通過調(diào)節(jié)乙炔預(yù)混氣中各組分氣體分壓來調(diào)節(jié)。
圖1 可視化定容燃燒彈試驗系統(tǒng)示意
 
研究海拔對燃油附壁燃燒過程的影響，通過改變定容燃燒彈內(nèi)的背景氣體密度來模擬不同的海拔環(huán)境。試驗研究的海拔為 0～4500 m，柴油機滿負荷工況下噴油始點時刻柴油機缸內(nèi)氣體密度和海拔的對應(yīng)關(guān)系由模擬計算獲得。相同負荷時，噴油始點的溫度隨海拔變化不大，始終在800～850K內(nèi)，因而試驗中將背景氣體溫度固定為 800 K，以減少環(huán)境變量。試驗由兩部分組成：非燃燒狀態(tài)(氧體積分?jǐn)?shù)為0)的噴霧蒸發(fā)試驗，研究不同海拔對燃油的噴霧液相長度及濕壁燃油鋪展情況的影響；正常狀態(tài)(氧體積分?jǐn)?shù)為21%)的噴霧和燃燒試驗，研究海拔對噴霧著火及燃燒過程的影響。
試驗中的燃油噴射壓力和噴孔直徑與實際柴油機參數(shù)保持一致。另外，由于定容燃燒彈內(nèi)燃燒室容積遠大于實際柴油機缸內(nèi)容積，且單孔噴油器的噴油量也遠小于實際的多孔噴油器，定容燃燒彈試驗中噴油持續(xù)期長短對試驗結(jié)果已無重大影響，因而選取一個相對較長的持續(xù)期，以保證針閥能夠完全開啟，且噴油動量曲線存在一段準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)區(qū)間。另外，噴霧輪廓的提取采用廣泛使用的灰度閾值法識別噴霧邊界，如下圖所示。
圖2 噴霧輪廓提取
 
2、海拔對燃油附壁的影響
噴油開始后，大約在噴油持續(xù)0.7ms以后噴霧液相長度不再增加，噴油動量進入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段。不同海拔環(huán)境下由于燃燒室內(nèi)氣體對噴霧的阻礙作用不同，會出現(xiàn)兩種不同的情況，一種是噴霧充分發(fā)展后柴油噴霧液相長度小于噴口到擋板的距離；另一種是噴霧充分發(fā)展后柴油液柱前端到達擋板，出現(xiàn)噴霧撞壁現(xiàn)象，形成附壁燃油。為了清晰對比噴霧撞壁現(xiàn)象，筆者選取噴霧充分發(fā)展后準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)期間(噴油開始后1.5ms時刻，簡稱1.5ms ASOI)各個海拔條件下的噴霧圖像對比，如圖3所示。海拔為 0、1000 和 2000 m 時噴霧液柱前端并未到達擋板，只有零星的非連續(xù)液滴撞擊擋板壁面并且會迅速蒸發(fā)。但海拔為3000 m時，噴霧液柱前端已到達了擋板壁面，會形成較明顯的燃油附壁，且隨著海拔進一步升高，噴霧液相在壁面上的鋪展面積更大。
圖3 噴油時刻為1.5ms時不同海拔噴霧液相長度對比
圖4為噴霧液相長度和附壁油膜面積隨海拔的變化。其中各工況的數(shù)值均選取噴霧進入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段后(1～2ms)的平均值。隨著海拔升高，柴油噴霧液相長度增加。當(dāng)海拔達到 3700 m，柴油噴霧液相長度基本處于撞壁狀態(tài)，因而噴霧液相長度不再隨著海拔的升高而增大，穩(wěn)定為 56 mm。海拔為3000m下只有部分時間段液態(tài)油滴發(fā)生撞壁，因而平均噴霧液相長度小于56mm，但十分接近。而在低海拔環(huán)境下，如海拔為0m時，平均噴霧液相長度小于噴孔出口到擋板的距離，基本不發(fā)生噴霧撞壁現(xiàn)象。此外，隨著海拔的升高，噴霧撞壁的液態(tài)油霧增多，當(dāng)海拔高于 3000 m 時，撞壁液態(tài)油霧的油量顯著升高，可以認為此時出現(xiàn)大量附壁燃油。而低海拔環(huán)境下，只有噴霧前端脫離液柱的小團未蒸發(fā)油霧偶爾撞擊壁面，平均油膜面積較小。
圖4 柴油噴霧液相長度和附壁油膜面積隨海拔的變化
 
3、海拔對噴霧和燃燒的影響
圖5為不同海拔環(huán)境下著火時刻的圖像對比。在低海拔環(huán)境下，海拔為0時，噴霧的著火點全部分布在遠離壁面的位置，且大面積的霧化燃油同時著火，火焰明亮，呈球形，燃燒集中在燃燒室中心。海拔為1000m條件下，由于低密度環(huán)境中的更快的噴霧貫穿速度和更長的滯燃期，著火點的位置相對于海拔為 0m 條件，整體向前移動了一段距離，其中最靠前的著火點已經(jīng)接近甚至到達了擋板壁面。隨著海拔的升高，這一傾向越來越明顯。高海拔環(huán)境(4500m)下，由于著火時刻已經(jīng)發(fā)生噴霧撞壁，噴霧前端燃空混合狀態(tài)遠不如低海拔環(huán)境，當(dāng)量比較大。此時，大部分燃油在擋板壁面上徑向鋪展開后才達到著火條件，著火位置貼近壁面。另外，值得注意的是，在海拔為 2000 m 以上時，著火之后短時間之內(nèi)的火焰亮度均較暗；且海拔越高，這一現(xiàn)象越明顯。該現(xiàn)象是由于燃燒室壁面的冷卻作用造成的，這種冷卻作用在實際發(fā)動機中應(yīng)該也存在，因為經(jīng)過壓縮行程后，缸內(nèi)氣體的溫度是高于燃燒室壁面溫度的。
圖5 不同海拔下噴霧著火時刻圖像對比
 
圖6為著火時刻和著火點到壁面的距離隨海拔的變化。其中，著火點到壁面的距離以著火時刻燃油液相前端到擋板壁面的距離計算。隨著海拔升高，噴霧和燃燒的滯燃期增加。在海拔為 0 時，燃油著火燃燒發(fā)生在噴霧開始后約0.7ms時刻，而海拔為4500m時，噴霧著火燃燒發(fā)生在噴霧持續(xù)1.0ms 時刻，延長了 0.3ms。另一方面，隨著海拔升高，著火核心到壁面的距離減小。海拔為0時，當(dāng)發(fā)生噴霧著火， 燃油液相前端到壁面的距離約為16 mm，火焰距離壁面較遠；而海拔為 4500 m 時，著火時燃油液相前端到壁面的距離只有2mm，火焰十分貼近壁面，易導(dǎo)致近壁面附近的溫度梯度較大，壁面熱負荷增加。為了更明顯地對比海拔對近壁面附近燃燒的影響，選取對比度較大的0m和 4500m 海拔進行對比。圖7為高海拔和低海拔燃燒前期的火焰對比。
圖6 著火時刻和著火點距離隨海拔的變化
圖7 不同海拔下燃燒前期對比
低海拔環(huán)境下，燃燒前期會在擋板壁面附近形成一層較暗的邊界層，而在高海拔環(huán)境下則沒有。以往研究的分析結(jié)果表明，試驗拍攝的圖像中火焰發(fā)光主要來自高溫的固體碳煙輻射。黑暗邊界層的出現(xiàn)是低溫碳煙所導(dǎo)致，在海拔為 0m 環(huán)境下，大面積的霧化燃油同時著火，并在到達壁面之前形成大量的高溫碳煙，在圖像中表現(xiàn)為明亮的火焰；這些高溫繼續(xù)向前運動的過程中，遇到溫度較低的擋板壁面，被冷卻為低溫碳煙。這些低溫碳煙不再輻射出明亮的光芒，相反，對背景光形成遮擋，導(dǎo)致黑色邊界層的形成，亮度甚至低于背景亮度。
圖8為不同時刻擋板近壁面低輻射碳煙層厚度 隨海拔的變化。隨著海拔升高，燃燒中期擋板近壁面附近的低輻射碳煙層厚度增加，這是撞壁燃油質(zhì)量隨海拔升高而增加的結(jié)果。隨著燃燒的進行，該層的厚度逐漸減小。在噴油開始后 2.5 ms，此時噴霧已經(jīng)結(jié)束，內(nèi)側(cè)靠近噴霧軸線和擋板壁面的高當(dāng)量比混合氣逐漸暴露出來與新鮮空氣接觸，加速碳煙氧化，因而低輻射碳煙層基本消失，各個海拔下的碳煙層厚度都降到 0.5 mm 以下。
圖8 近壁面低輻射碳煙層厚度隨海拔的變化
 
圖9為不同海拔環(huán)境下火焰層厚度隨時間的變化。低海拔環(huán)境下，燃油霧化較好，燃燒集中在中、前期，因而在噴霧開始后的2.25ms(2.25ms ASOI)前，海拔越低，火焰層厚度越大。高海拔環(huán)境下，后燃嚴(yán)重，燃燒重心后移，2.25ms ASOI 之后，海拔越高，火焰層厚度越大。且海拔越高，火焰層厚度峰值越大，說明在高海拔環(huán)境下，燃燒放熱的重心偏后，這將導(dǎo)致柴油機做功能力減弱，熱效率降低。
圖9 不同海拔下火焰層厚度隨時間的變化
 
4、結(jié)論
（1）隨著海拔升高，柴油噴霧液相長度增加，在海拔為 3000 m 出現(xiàn)少量的噴霧撞壁，而更高海拔則會出現(xiàn)直接的液相燃油撞壁，形成大量附壁燃油，海拔越大，附壁油膜面積越大；隨著海拔的升高，噴霧和燃燒的滯燃期延長，著火點距離壁面更近。
（2）壁面作用在噴霧和燃燒各階段的表現(xiàn)有所不同；燃燒前期，在低海拔條件下，溫度較低的壁面主要對碳煙氧化階段起到了冷卻作用；而在高海拔條件下，這一冷卻效果主要作用于滯燃期之前的蒸發(fā)和焰前反應(yīng)過程；燃燒中期，壁面被噴霧火焰加熱，冷卻作用減弱；低海拔環(huán)境下的噴霧和燃燒過程不在壁面附近形成低溫碳煙層；高海拔環(huán)境下的噴霧過程則由于壁面附近的過濃混合氣燃燒產(chǎn)生大量低溫、低亮度碳煙，且海拔越高，這一低亮度碳煙層越厚。
（3）海拔升高會導(dǎo)致峰值火焰層厚度和最大壁面鋪展范圍增加，燃燒放熱的重心后移，對柴油機做功和熱效率產(chǎn)生不利影響。
 
文獻來源及推薦閱讀
[1] 黃勝,鄭高翔,黃榮華等.海拔對柴油噴霧和附壁燃燒過程的影響[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2019,37(06):522-528.
[2] 張春明，陳文全，羅行，等.噴霧碰壁蒸發(fā)的實驗 [J]. 化工進展，2006，25：244-247.
 
《內(nèi)燃機學(xué)報》是由中國內(nèi)燃機學(xué)會主辦的國家級高級學(xué)術(shù)刊物，是國務(wù)院學(xué)位委員會與研究生教育中文重要期刊，是中國科技論文統(tǒng)計用刊，被工程索引(EI)等多個國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫收錄，多年來一直位居我國“中文核心期刊要目” 能源與動力工程類前列。
 
 
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