高压燃油诱导激波对喷雾演化规律的影响

李 越，王明雨，张少君，于福临，宋 磊，董 全

(1. 山东交通学院 航运学院，山东 威海 264200； 2. 哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

高压燃油喷射是促进柴油缸内燃油雾化、改善柴油机燃烧和排放的有效措施[1-3]．随着燃油喷射压力不断提高，燃油喷雾速度不断增加，伴随着多次喷射及低温燃烧等技术，柴油机缸内的燃油射流实际上已经进入超声速状态，在燃油喷雾达到超声速后，就会在缸内诱导产生激波．激波的产生和传播会对喷雾的宏观结构(喷雾贯穿距离、喷雾锥角等)以及雾化特性产生影响．但是目前针对超声速燃油喷射诱导激波的研究较少，激波对喷雾特性的影响尚不明确，不利于现代柴油机缸内燃烧过程的精确控制，因而研究高压燃油诱导激波对喷雾演化规律的影响具有重要的意义．

1992年，Nakahira等[4]首次采用纹影法观察到了柴油机燃油喷射过程中的激波结构，指出激波的产生已经成为现代发动机不可避免的现象．Pickett等[5]基于纹影法研究了柴油机内激波的产生条件．随着现代测试技术以及数值模拟技术的不断发展，关于超声速燃油喷射诱导激波的研究也不断深入，Sittiwong等[6]基于阴影法研究了喷嘴结构对激波形状的影响．Huang等[7-8]基于纹影法研究发现，背景气体密度和温度对于激波种类、激波脱体时间都有重要影响．Jia等[9-10]、Wang等[11]基于纹影法研究了超高压柴油喷射过程中前导激波的传播特性，结果表明：前导激波具有两种传播模式．董全等[12]、宋恩哲等[13]和黄涛[14]研究了燃油喷雾的诱导激波特性，分析了激波的演化规律及频率特性．

目前，针对高压燃油喷射诱导激波的研究主要集中于研究激波的结构特征、传播特性，而在发动机设计方面，有必要了解激波对射流结构参数以及混合气形成的影响．基于此，笔者采用纹影法研究高压燃油喷射诱导激波对喷雾演化规律的影响，结合喷油规律测量结果，量化了激波对燃油喷雾宏观结构以及喷雾混合特性的影响．此外，通过研究不同工况条件下喷雾及激波特征参数的演化规律，对激波角和喷雾前锋面马赫数试验结果进行非线性拟合，提出激波角与喷雾前锋面马赫数的计算公式，以期实现激波角的准确预测．

1 试验系统

1.1 试验装置

纹影图像显示的是流场的折射率一阶导数变化，而激波的前、后会出现明显的密度差，因而纹影法在激波测量方面具有明显优势．笔者采用纹影法研究高压燃油喷射的激波现象，图1为试验装置系统 示意．

图1 试验装置布置示意 Fig.1 Schematic of experimental setup

光路呈“Z”字型布置，氙灯光源发出的白光通过 透镜组、狭缝、反射镜以及球面镜后，形成直径为190mm的平行光，平行光通过定容燃烧弹被测流场，将燃油喷雾以及激波等信息通过对称布置的球面镜、反射镜及刀口后输入高速CCD相机，实现喷雾及激波的可视化．试验采用Phantom V7.3高速摄像机，试验拍摄频率为50000帧/s，空间分辨率为 128×264像素．试验中，喷油器控制系统输出24V驱动信号实现喷油器喷油，同时，同步控制系统发送5V的TTL信号输出给相机，实现燃油喷射与可视化拍摄的同步．

试验中选用N2和SF6两种背景工质气体．由于相同燃油喷射压力以及背景气体密度条件下，SF6气体当地声速比N2低很多，因而可以实现SF6环境下产生激波而N2环境下不产生激波，对比喷雾的宏观结构以及混合特性参数实现分析激波对高压燃油喷雾演化规律的影响，试验参数如表1所示．

表1 不同背景气体下试验参数 Tab.1 Experimental parameters under different ambient gases

1.2 喷雾及激波特征参数

图2为燃油喷雾及诱导激波特征参数定义，主要包括喷雾贯穿距离S、喷雾锥角θ、喷雾体积V及激波角β，其中喷雾贯穿距离定义为从喷孔出口到喷雾最前端的距离，喷雾锥角定义为喷雾径向最大的展开角度，喷雾体积的计算是将喷雾看成多个不同直径圆柱的几何体累加，圆柱体的高为一个像素高度，底面直径为喷雾径向展开距离，激波角定义为激波面展开角的一半．

图2 喷雾及激波参数定义 Fig.2 Definition of spray and shock wave parameters

为了有效提取燃油射流结构特性参数以及激波 结构参数，笔者在Matlab环境下开发了图像处理程序，程序能够有效地识别和提取射流边缘，实现射流特征参数高效提取．为了降低试验测量数据误差，每个试验工况点重复拍摄10次，分析特征参数为同工况数据的10组平均值．

2 试验数据分析

2.1 激波对喷雾宏观结构参数的影响

图3为不同工况下喷雾及激波演化．燃油喷射压力pinj分别为60MPa和140MPa、背景压力pb分别为3.00MPa(N2环境)和0.57MPa(SF6环境)，此时背景气体密度为34.5kg/m3．选用燃油喷射压力为60MPa是因为低压燃油喷射条件下可以实现SF6气体环境产生激波、而N2环境不产生激波的试验现象．值得注意的是，背景压力的不同会引起喷孔前、后压差发生改变，为了分析不同背景压力造成的影响，笔者对比了燃油喷射压力及背景压力下的喷油规律及喷雾贯穿距离，可知相较于较大的燃油喷射压力，背景压力改变对压差的影响很小，压差对喷雾贯穿距离的影响程度小于1%，这与Desantes等[15]的研究结论一致．

同时，燃油喷射压力为60MPa时，N2环境下燃油速度并未超声速，无激波产生．而SF6气体由于当地声速较低，可以看到明显的激波结构．燃油喷射压力为140MPa(图3c～3d)下，不同气体环境均产生激波，SF6背景气体下由于当地声速更低，射流的马赫数更大，诱导产生激波引起周围环境的密度梯度也更大．通过对比不同气体工质下的喷雾宏观结构参数可以分析激波对喷雾演化规律的影响．

图3 不同工况下喷雾及激波演化 Fig.3 Evolution of spray and shock waves under different conditions

图4为激波对喷雾贯穿距离的影响．在燃油喷雾发展初期(燃油喷射后时刻tASOI＜0.1ms)，相同燃油喷射压力下，SF6环境下的喷雾贯穿距离小于N2环境下，这是因为在喷雾发展初期，此时燃油射流刚从喷孔喷出，激波与喷雾前锋面处于附体状态，激波消耗了一部分射流的动能，相较于激波不产生或者激波强度比较小的N2环境，SF6环境下的射流发展受到抑制．但随着喷雾发展(tASOI＞0.1ms)，激波对喷雾贯穿距离的发展起到促进作用，激波条件下的喷雾贯穿距离要明显大于非激波条件，燃油喷射压力为60MPa时，tASOI为0.5ms、SF6环境(激波条件)下的喷雾贯穿距离为26.35mm，而N2环境(非激波条件)下的喷雾贯穿距离为23.31mm，激波下的喷雾贯穿距离要比非激波下高13.1%，这是由于激波的传播会导致喷雾前锋面附近的气体向两侧偏转，导致脱体弓形激波后方产生一个低压区[16]，进而使喷雾轴向方向受到的阻力下降，促进了喷雾贯穿距离的发展．在燃油喷射压力为140MPa下，N2和SF6环境下均产生激波，但是SF6环境下的激波更明显，说明激波导致了更大的密度梯度，在tASOI为0.5ms、SF6和N2环 境下的喷雾贯穿距离分别为30.86mm和28.82mm，SF6环境下喷雾贯穿距离比N2环境下的高6.6%．

图4 激波对喷雾贯穿距离的影响 Fig.4 Effect of shock wave on spray tip penetration

图5为激波对喷雾锥角的影响．激波对喷雾锥角的影响规律和喷雾贯穿距离变化规律呈正相反，激波对喷雾径向发展具有一定的抑制作用，但影响程度较小，在燃油喷射压力为60MPa时，SF6环境下的喷雾锥角比N2环境下的喷雾锥角低5%左右，随着燃油喷射压力的增加，当燃油喷射压力为140MPa时，SF6环境和N2环境下的喷雾锥角差距减小，SF6环境下的喷雾锥角比N2环境下小2%．

图5 激波对喷雾锥角的影响 Fig.5 Effect of shock wave on spray cone angle

图6为激波对喷雾体积的影响．可知激波对喷雾体积的发展具有一定的促进作用．在燃油喷射压力为60MPa条件下，SF6环境(激波条件)下的喷雾体积明显大于N2环境(非激波条件)，随着喷雾发展， 在tASOI为0.4～0.8ms时，两条曲线差距不断增加，说明激波对喷雾贯穿距离的促进作用导致激波条件下的喷雾体积快速发展．随着喷雾体积的增加，二者区别减小，这是因为随着喷雾的发展，激波逐渐减弱，且喷雾与周围空气的作用开始占据主导作用，激波影响程度减小．tASOI为0.5ms时，SF6环境下的喷雾体积比N2环境下高47.8%，tASOI为0.8ms时，SF6环境下的喷雾体积比N2环境下高30.7%．燃油喷射压力为140MPa条件下，SF6环境和N2环境下的喷雾体积在喷雾发展初期差距较大，后期二者差距基本趋于一致，tASOI为1.0ms时，SF6环境下的喷雾体积比N2环境下高5.4%．

图6 激波对喷雾体积的影响 Fig.6 Effect of shock wave on spray volume

2.2 激波对喷雾雾化特性的影响

激波作为现代柴油机内的新现象，在掌握了激波对喷雾宏观结构特征的影响规律之后，笔者希望能进一步分析激波对喷雾雾化特性的影响．因此，选用喷雾卷吸空气质量和喷雾平均当量比这两个参数来研究激波对喷雾混合特性的影响．燃油喷雾卷吸周围气体质量可以由喷雾贯穿距离、喷雾锥角和环境气体密度得到，如式(1)所示[17]，喷雾平均当量比计算如式(2)所示．

式中：ma(t)为卷吸空气质量；θ为喷雾锥角；S(t)为喷雾贯穿距离随时间变化；ρa为背景气体密度；φave为喷雾平均当量比；md(t)为累计喷油质量；φ0为理论当量比．为了求得喷雾平均当量比，笔者基于课题组自主开发的动量法喷油规律测量装置，测量了不同燃油喷射压力条件下的喷油规律，如图7所示．

图7 不同燃油喷射压力条件下的喷油规律 Fig.7 Fuel injection law under different fuel injection pressures

图8为不同燃油喷射压力下激波对喷雾卷吸空气质量及喷雾平均当量比的影响．激波对喷雾扩散 具有一定的促进作用，主要反映在喷雾发展阶段．在喷雾发展初期，由于激波对卷吸空气质量的促进作用，导致激波条件下的喷雾平均当量比迅速下降，喷雾与周围空气作用较强，在燃油喷射压力为60MPa、tASOI为0.2ms、SF6环境(激波条件)下的喷雾平均当量比为1.94，而此时N2环境(非激波条件)下的喷雾平均当量比为2.99，SF6环境下喷雾平均当量比比N2环境下低35.1%．可以看到，激波对喷雾发展初期的影响很大．但随着喷雾发展，激波逐渐减弱，喷雾体积的增加也导致喷雾与周围空气的作用增加，随着喷雾的发展，激波的影响逐渐降低，在tASOI为1.0ms、燃油喷射压力为60MPa时，SF6环境和N2环境下的喷雾平均当量比分别为0.39和0.46，差距为15.2%．在燃油喷射压力为140MPa条件下，SF6环境和N2环境均产生激波，tASOI为0.2ms时，SF6环境下的喷雾平均当量比为0.87，而N2环境下的喷雾平均当量比为1.62，SF6环境下喷雾平均当量比比N2环境下低46.2%，随着时间发展，差异逐渐减小；在tASOI为1.0ms时，SF6环境和N2环境下的喷雾平均当量比分别为0.35和0.37，差距仅为5.4%．综上可知，高压燃油喷射的诱导激波现象有助于促进缸内燃油喷雾的发展与雾化，随着激波的发展时间变长，对喷雾的影响程度逐渐减小，为发动机燃烧室设计以及缸内雾化分析提供了新的方向．

图8 激波对喷雾混合特性的影响 Fig.8 Effect of shock wave on spray mixing characteristic

2.3 射流马赫数和激波角的相关性研究

激波的产生和传播特性都与燃油射流的速度特性以及不同试验条件下的声场速度特性有关，而这两个参数的相对变化可以用马赫数这个量纲为1数表征和分析．因而笔者建立了激波特征参数(激波角)与射流马赫数之间的关系．

首先通过可视化试验，在N2和SF6环境下分别获得不同射流马赫数及对应的激波角数据，SF6被用来探究高马赫数条件下的诱导激波特性，这是因为在常温常压下的SF6当地声速为135m/s，相较于空气的当地声速(340m/s)，相同燃油喷射压力条件下，SF6环境下的射流马赫数会更高，大气压力环境下SF6及N2环境的超声速射流及诱导激波可视化图像如图9所示．

图9 常压环境下SF6及N2环境的喷雾可视化图像 Fig.9 Visualization images of the spray under atmospheric pressure with ambient gas of SF6 and N2

图10为不同燃油喷射压力下的燃油射流前锋面马赫数随时间的变化．相较于N2环境，SF6环境下的燃油喷雾前锋面马赫数更大，能够实现高超声速时刻的诱导激波特性研究．同时，随着射流马赫数的增加，激波角逐渐下降，且相较于N2气体环境，SF6气体中的激波角度更小．

图10 不同燃油喷射压力下的喷雾前锋面马赫数 Fig.10 Evolution of spray front Mach number under different fuel injection pressures

图11为不同射流马赫数及对应的激波角度数据．可知激波数据点随射流马赫数上升呈指数下降，且即使试验工况不同，射流马赫数一致时，激波角也是一致的．因而笔者提出了激波角和射流马赫数的数值关系式，如式(3)所示．通过非线性拟合，得到了拟合系数，如表2所示．

表2 拟合系数 Tab.2 Fitting coefficients

式中：A、B和C为拟合系数；Ma为喷雾前锋面马赫数，马赫数由相邻两张可视化图片的喷雾贯穿距离差值除以对应的时间差值以及当地声速求得；β为激 波角．

为了验证拟合公式的准确性，笔者进一步采用拟合优度R2来研究公式拟合精度，拟合优度R2作为反映平均预测值与试验测量值之间拟合吻合程度的常用指标，R2越接近1表明预测模型得到的数值与试验值拟合程度越好．R2的计算公式为

同时，笔者采用了超高马赫数射流激波角数据进行进一步验证[18](图11)．基于笔者拟合公式，代入超高压燃油射流马赫数计算出激波角，并和文献[18]中的超高压激波数据进行对比，计算值和试验值误差如表3所示．

表3 激波角计算值与试验值对比 Tab.3 Comparison of calculated and experimental values of shock wave angle

图11 拟合曲线验证 Fig.11 Verification of fitting curve

可知，虽然笔者试验的射流最大马赫数仅达到 3.3左右，但是拟合曲线同样适用于超高压燃油喷射以及极高马赫数条件 (最高Ma＝5.6)下射流诱导激波角度的预测，射流马赫数为4.1时，激波角预测结果误差为4.98%，在射流马赫数为4.6条件下最小，误差为0.92%，拟合公式具有较好的适用性以及准 确性．

3 结 论

(1) 激波对自由发展下的喷雾贯穿距离具有促进作用，但随着喷雾发展，影响程度下降；激波对喷雾锥角的影响不大，影响程度小于5%．

(2) 激波对喷雾雾化的发展主要集中在喷雾发展初期，激波对喷雾卷吸空气质量具有促进作用，能够使喷雾平均当量比快速下降，但随着喷雾发展，激波逐渐减弱，喷雾体积的增加也导致喷雾与周围空气的作用增加，激波的影响逐渐降低．

(3) 提出了激波角和射流马赫数的经验计算公式，通过对比验证了模型的准确性，能够有效预测不同射流参数下的激波角．