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海拔对柴油喷雾和附壁燃烧过程的影响
2019-12-23 20:30:29· 来源：内燃机学报
目前，高海拔环境下运行的柴油机常伴随烧蚀和积碳的问题。为此，国内外不少学者针对不同海拔柴油机喷雾和喷
目前，高海拔环境下运行的柴油机常伴随烧蚀和积碳的问题。为此，国内外不少学者针对不同海拔柴油机喷雾和喷雾撞壁过程展开试验和模拟，结果表明：海拔会对柴油机燃烧室内的喷雾形态和雾化产生影响，甚至直接导致液相喷雾撞壁的发生，从而改变燃烧室内的燃油分布和燃烧状态，对发动机不同受热件的热负荷产生较大影响。目前，对不同海拔柴油机喷雾过程的试验主要是针对燃油的撞壁和雾化的影响，较少涉及燃油燃烧过程，特别是火焰撞壁后的近壁面燃烧状态的研究；另一方面，针对不同海拔的喷雾和燃烧过程的研究，更多是通过数值模拟的手段，缺少相应的试验验证。燃烧过程对活塞表面的烧蚀和积碳起到核心作用，因而亟需通过试验手段了解不同海拔环境下喷雾和燃烧过程的差异。
1、试验装置及试验方法
利用图1所示的可视化定容燃烧弹试验装置系统进行试验，主要由定容燃烧弹、电控高压共轨燃油喷射系统、高速摄影机、数据采集系统和配气系统等组成。为了模拟柴油机上止点缸内的温度和压力环境，燃烧室内的气体充量还将通过预燃乙炔的方式进一步提高温度。在乙炔燃烧结束后的压力下降过程中，通过压电晶体传感器监控燃烧室压力，并根据理想气体方程推算燃烧室内气体温度，在达到目标温度时喷入燃油。通过这种方法可以模拟高达1200 K 的高温环境，且燃烧室内气体环境的密度和喷油前的氧体积分数也可以通过调节乙炔预混气中各组分气体分压来调节。
图1 可视化定容燃烧弹试验系统示意
研究海拔对燃油附壁燃烧过程的影响，通过改变定容燃烧弹内的背景气体密度来模拟不同的海拔环境。试验研究的海拔为 0～4500 m，柴油机满负荷工况下喷油始点时刻柴油机缸内气体密度和海拔的对应关系由模拟计算获得。相同负荷时，喷油始点的温度随海拔变化不大，始终在800～850K内，因而试验中将背景气体温度固定为 800 K，以减少环境变量。试验由两部分组成：非燃烧状态(氧体积分数为0)的喷雾蒸发试验，研究不同海拔对燃油的喷雾液相长度及湿壁燃油铺展情况的影响；正常状态(氧体积分数为21%)的喷雾和燃烧试验，研究海拔对喷雾着火及燃烧过程的影响。
试验中的燃油喷射压力和喷孔直径与实际柴油机参数保持一致。另外，由于定容燃烧弹内燃烧室容积远大于实际柴油机缸内容积，且单孔喷油器的喷油量也远小于实际的多孔喷油器，定容燃烧弹试验中喷油持续期长短对试验结果已无重大影响，因而选取一个相对较长的持续期，以保证针阀能够完全开启，且喷油动量曲线存在一段准稳态区间。另外，喷雾轮廓的提取采用广泛使用的灰度阈值法识别喷雾边界，如下图所示。
图2 喷雾轮廓提取
2、海拔对燃油附壁的影响
喷油开始后，大约在喷油持续0.7ms以后喷雾液相长度不再增加，喷油动量进入准稳态阶段。不同海拔环境下由于燃烧室内气体对喷雾的阻碍作用不同，会出现两种不同的情况，一种是喷雾充分发展后柴油喷雾液相长度小于喷口到挡板的距离；另一种是喷雾充分发展后柴油液柱前端到达挡板，出现喷雾撞壁现象，形成附壁燃油。为了清晰对比喷雾撞壁现象，笔者选取喷雾充分发展后准稳态期间(喷油开始后1.5ms时刻，简称1.5ms ASOI)各个海拔条件下的喷雾图像对比，如图3所示。海拔为 0、1000 和 2000 m 时喷雾液柱前端并未到达挡板，只有零星的非连续液滴撞击挡板壁面并且会迅速蒸发。但海拔为3000 m时，喷雾液柱前端已到达了挡板壁面，会形成较明显的燃油附壁，且随着海拔进一步升高，喷雾液相在壁面上的铺展面积更大。
图3 喷油时刻为1.5ms时不同海拔喷雾液相长度对比
图4为喷雾液相长度和附壁油膜面积随海拔的变化。其中各工况的数值均选取喷雾进入准稳态阶段后(1～2ms)的平均值。随着海拔升高，柴油喷雾液相长度增加。当海拔达到 3700 m，柴油喷雾液相长度基本处于撞壁状态，因而喷雾液相长度不再随着海拔的升高而增大，稳定为 56 mm。海拔为3000m下只有部分时间段液态油滴发生撞壁，因而平均喷雾液相长度小于56mm，但十分接近。而在低海拔环境下，如海拔为0m时，平均喷雾液相长度小于喷孔出口到挡板的距离，基本不发生喷雾撞壁现象。此外，随着海拔的升高，喷雾撞壁的液态油雾增多，当海拔高于 3000 m 时，撞壁液态油雾的油量显著升高，可以认为此时出现大量附壁燃油。而低海拔环境下，只有喷雾前端脱离液柱的小团未蒸发油雾偶尔撞击壁面，平均油膜面积较小。
图4 柴油喷雾液相长度和附壁油膜面积随海拔的变化
3、海拔对喷雾和燃烧的影响
图5为不同海拔环境下着火时刻的图像对比。在低海拔环境下，海拔为0时，喷雾的着火点全部分布在远离壁面的位置，且大面积的雾化燃油同时着火，火焰明亮，呈球形，燃烧集中在燃烧室中心。海拔为1000m条件下，由于低密度环境中的更快的喷雾贯穿速度和更长的滞燃期，着火点的位置相对于海拔为 0m 条件，整体向前移动了一段距离，其中最靠前的着火点已经接近甚至到达了挡板壁面。随着海拔的升高，这一倾向越来越明显。高海拔环境(4500m)下，由于着火时刻已经发生喷雾撞壁，喷雾前端燃空混合状态远不如低海拔环境，当量比较大。此时，大部分燃油在挡板壁面上径向铺展开后才达到着火条件，着火位置贴近壁面。另外，值得注意的是，在海拔为 2000 m 以上时，着火之后短时间之内的火焰亮度均较暗；且海拔越高，这一现象越明显。该现象是由于燃烧室壁面的冷却作用造成的，这种冷却作用在实际发动机中应该也存在，因为经过压缩行程后，缸内气体的温度是高于燃烧室壁面温度的。
图5 不同海拔下喷雾着火时刻图像对比
图6为着火时刻和着火点到壁面的距离随海拔的变化。其中，着火点到壁面的距离以着火时刻燃油液相前端到挡板壁面的距离计算。随着海拔升高，喷雾和燃烧的滞燃期增加。在海拔为 0 时，燃油着火燃烧发生在喷雾开始后约0.7ms时刻，而海拔为4500m时，喷雾着火燃烧发生在喷雾持续1.0ms 时刻，延长了 0.3ms。另一方面，随着海拔升高，着火核心到壁面的距离减小。海拔为0时，当发生喷雾着火， 燃油液相前端到壁面的距离约为16 mm，火焰距离壁面较远；而海拔为 4500 m 时，着火时燃油液相前端到壁面的距离只有2mm，火焰十分贴近壁面，易导致近壁面附近的温度梯度较大，壁面热负荷增加。为了更明显地对比海拔对近壁面附近燃烧的影响，选取对比度较大的0m和 4500m 海拔进行对比。图7为高海拔和低海拔燃烧前期的火焰对比。
图6 着火时刻和着火点距离随海拔的变化
图7 不同海拔下燃烧前期对比
低海拔环境下，燃烧前期会在挡板壁面附近形成一层较暗的边界层，而在高海拔环境下则没有。以往研究的分析结果表明，试验拍摄的图像中火焰发光主要来自高温的固体碳烟辐射。黑暗边界层的出现是低温碳烟所导致，在海拔为 0m 环境下，大面积的雾化燃油同时着火，并在到达壁面之前形成大量的高温碳烟，在图像中表现为明亮的火焰；这些高温继续向前运动的过程中，遇到温度较低的挡板壁面，被冷却为低温碳烟。这些低温碳烟不再辐射出明亮的光芒，相反，对背景光形成遮挡，导致黑色边界层的形成，亮度甚至低于背景亮度。
图8为不同时刻挡板近壁面低辐射碳烟层厚度 随海拔的变化。随着海拔升高，燃烧中期挡板近壁面附近的低辐射碳烟层厚度增加，这是撞壁燃油质量随海拔升高而增加的结果。随着燃烧的进行，该层的厚度逐渐减小。在喷油开始后 2.5 ms，此时喷雾已经结束，内侧靠近喷雾轴线和挡板壁面的高当量比混合气逐渐暴露出来与新鲜空气接触，加速碳烟氧化，因而低辐射碳烟层基本消失，各个海拔下的碳烟层厚度都降到 0.5 mm 以下。
图8 近壁面低辐射碳烟层厚度随海拔的变化
图9为不同海拔环境下火焰层厚度随时间的变化。低海拔环境下，燃油雾化较好，燃烧集中在中、前期，因而在喷雾开始后的2.25ms(2.25ms ASOI)前，海拔越低，火焰层厚度越大。高海拔环境下，后燃严重，燃烧重心后移，2.25ms ASOI 之后，海拔越高，火焰层厚度越大。且海拔越高，火焰层厚度峰值越大，说明在高海拔环境下，燃烧放热的重心偏后，这将导致柴油机做功能力减弱，热效率降低。
图9 不同海拔下火焰层厚度随时间的变化
4、结论
（1）随着海拔升高，柴油喷雾液相长度增加，在海拔为 3000 m 出现少量的喷雾撞壁，而更高海拔则会出现直接的液相燃油撞壁，形成大量附壁燃油，海拔越大，附壁油膜面积越大；随着海拔的升高，喷雾和燃烧的滞燃期延长，着火点距离壁面更近。
（2）壁面作用在喷雾和燃烧各阶段的表现有所不同；燃烧前期，在低海拔条件下，温度较低的壁面主要对碳烟氧化阶段起到了冷却作用；而在高海拔条件下，这一冷却效果主要作用于滞燃期之前的蒸发和焰前反应过程；燃烧中期，壁面被喷雾火焰加热，冷却作用减弱；低海拔环境下的喷雾和燃烧过程不在壁面附近形成低温碳烟层；高海拔环境下的喷雾过程则由于壁面附近的过浓混合气燃烧产生大量低温、低亮度碳烟，且海拔越高，这一低亮度碳烟层越厚。
（3）海拔升高会导致峰值火焰层厚度和最大壁面铺展范围增加，燃烧放热的重心后移，对柴油机做功和热效率产生不利影响。
文献来源及推荐阅读
[1] 黄胜,郑高翔,黄荣华等.海拔对柴油喷雾和附壁燃烧过程的影响[J].内燃机学报,2019,37(06):522-528.
[2] 张春明，陈文全，罗行，等.喷雾碰壁蒸发的实验 [J]. 化工进展，2006，25：244-247.
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