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均质充量压燃发动机高压共轨式喷油器喷射结构和蒸发特征的研究

Graduate School of Hanyang University, Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, 1271 Sa 1 Dong, Sangnok Gu,Ansan, Gyeonggi Do 426-791, South Korea

Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, 1271 Sa 1 Dong, Sangnok Gu, Ansan, Gyeonggi Do, 426-791, Korea Received 9 July 2004; received in revised form 26 March 2005; accepted 26 March 2005 Available online 24 May 2005

摘要：本研究的目的是探讨高压共轨式喷油器的喷射结构和蒸发特性在HCCI（均质压燃）发动机中的运用。在这项研究中，我们根据喷射条件测量出喷射速率以及可视化HCCI喷油器的喷射结构。在通过CFD模拟喷雾和空气燃料混合物形成实际引擎条件的过程中也使用了VECTIS商业代码。从喷雾实验和仿真的结果,我们发现喷雾渗透性是与背压的1/4次方成比例的，该结论与Hiroyasu的实验结果相似。燃料蒸发和空气燃料混合物的结果表明，当燃料在压缩冲程的早期阶段喷射时环境密度对喷雾的冲击的影响大于在进气压力和温度条件下的蒸发率。结果还表明，燃料混合物在早期喷射时间内均匀地分布在燃烧室，同时空气燃料混合物在相对富裕的地区增加。然而，当环境密度保持恒定时，燃料蒸发对进气温度和压力的影响敏感。当燃料在压缩冲程的后期喷射时，燃料倾向于在碗区集中并生成稀的空气燃料混合物。从这些结果可以确认，空气燃料混合物的特性对所喷射的燃料的撞击位置十分敏感。

关键词：均质压燃（HCCI）发动机; 渗透;喷射速率;蒸发速率

1 简介

随着环境问题，如温室效应、臭氧层破坏、酸雨越来越严重，减少废气排放和燃料消耗的技术已成为当下发动机研究的主要课题。美国环境保护署（EPA）和加州空气资源委员会（CARB）提出了严格的规定来减少来自移动式内燃机的废气排放。使汽车发动机达到这些低排放水平并不是一件容易的事情。由于柴油机的高热效率加上低二氧化碳排放,柴油发动机占据运输市场的比例越来越大。但是,在传统的直喷式压缩点火发动机的排气冲程,局部高温区域容易形成氮氧化物(NOx),同时在富燃料区域附近的火焰容易产生烟尘。最近，均质充量压缩点火（HCCI）发动机作为新的低排放发动机概念来应付法规^[1-3]已受到关注。HCCI发动机燃烧产生的污染物排放量的水平极低，同时能够产生类似柴油发动机的效率，从而成为未来内燃机的一个有吸引力的选择。然而，通过控制策略和喷射条件的方法来减少内燃机排放量仍然是需要继续深入探讨的。

HCCI燃烧的概念最初应用于由Noguchi等人研究的二冲程发动机，Onishi^[4,5] 和Najt等人将HCCI燃烧应用于四冲程发动机，同时研究了在HCCI燃烧中低温和高温燃烧产生的化学反应^[6]。HCCI燃烧可分为三个阶段：着火阶段,急燃期和后燃期。在传统的发动机中，由于不可避免的燃料分层现象以及燃料/空气混合过程的不均匀性，大量的燃料在着火阶段燃烧，随后剩余的燃料和空气失去爆燃火焰的传播而进行扩散燃烧，这是发生在火花点火式（SI）发动机的燃烧。相反，均质充量压缩着火发动机有望通过着火阶段使得燃烧自发和完全的进行。然而，当直接喷射被用于在发动机燃料混合物的制备时，复杂的缸内流场和有限的混合时间可能会导致空气燃料混合物的不均匀性，使得这类HCCI发动机的缸内混合气的形成现象更加难以被理解。

为了避免少量不均匀的混合物直接喷入发动机,燃料的喷射可以采用早期喷射。当燃料通过高压柴油喷射器在早期压缩冲程期间喷射，过多的缸壁冲击不仅恶化混合物的质量和排放特性，同时也增加了气缸内现象的复杂性。因此，有必要优化燃料喷射条件，以避免燃料与缸壁的撞击，并促进燃料的蒸发和空气混合，以限制颗粒物和HC的排放。

目前的研究侧重于通过数值模拟和实验理解在HCCI发动机中高压喷油器的喷雾特性，特别强调喷射条件所导致的影响。本研究旨在探讨（a）喷射速率的特性，以及在不同环境压力下的喷雾模式（假设为燃烧室压力）；（b）实际发动机的状况中燃料的分布。因此，我们试图提出一个HCCI发动机在运转状态中的最佳喷射时间和空气燃料混合气的分布。

2 实验仪器和数值分析方法

2.1 实验仪器

2.1.1 喷射速率的实验装置

我们通过HCCI发动机共轨喷油器实验中得到的燃料喷射量和实际喷射持续时间来测量喷射速率。图1显示出喷射速率的测量系统图。

图1 喷射射速率的实验仪器

喷射速率的测量使用Zeuch的方法.在Zeuch方法中^[7]，方程（1）满足喷射燃料的相对体积，V和压力的增量的关系（ge;P，燃烧室中的燃料）。

（1）

因此,喷射速率dV / dt是由微分方程（1）对时间t所定义的，如下所示。

（2）

实验装置由六个部分组成：燃料供给系统、喷射控制系统、流量控制系统、数据采集系统、控制系统和压力室。GDI发动机的低压喷油器的作用是喷射燃料到燃烧室中并维持燃烧室内的压力。

在实验中使用的喷油器的喷嘴形状为五孔喷油器（直径：0.158毫米，D / L：6）。在实验中所使用的燃料是柴油，燃料体积的弹性模量通过喷射燃料的总量计算得到。

2.1.2 喷雾可视化系统

图2显示出喷雾的可视化系统。环境压力通用高压室从0.1变为2.5MPa。氙灯作为光源，通过使用ICCD照相机获得喷射器的喷雾图像。脉冲发生器（DG535）用于同步喷雾图像捕捉信号和喷油器触发信号。此外，喷雾的图像是通过安装在燃烧室底部的反射镜获得的。

图2 喷雾可视化实验装置

2.2 喷雾的模拟

共轨喷油器喷雾的数值模拟使用了Vectis3.7程序(Ricardo有限公司)进行^[8]。我们假设计算域是直径为200毫米、高度为200毫米的圆柱。为了防止汽缸壁碰撞我们选择50000个计算网格。喷射速度和流量系数通过喷射率的结果计算，初始的SMD值假设一个喷嘴直径，一个X方分布。我们还使用了 Liu-Mather-Reitz模型^[9]开发的雾化模式。使用表面波雾化喷射液体。通过Kelvin-Helmhotlz表面张力波理论得出,增长最快的波的波长和频率表示如下:

（3）

（4）

新形成的液滴大小被假定为正比于上述Kelvin-Helmhotlz波长。

（5）

（6）

常数设置为0.6。Kelvin-Helmhotlz雾化液滴的周期为

（7）

其中，雾化时间常数为10。

2.3 HCCI发动机喷雾和蒸发特征

在前面的章节中介绍分析喷雾模式和蒸发特性时需要使用喷雾模型，喷雾在燃烧室内进行计算，其模拟实际HCCI发动机的几何形状进行。发动机的几何压缩比为17.5，孔径为91毫米，行程为96毫米。我们还选择关闭进气阀和排气阀的220°对应于计算开始时间和选定TDC对应于发生燃烧的计算结束时间。另外，发动机运转状态是1800rpm，进气口产生的涡流比为2.0。

为了评价燃料的蒸发，计算中包含了热传递和温度。方程（8）和（9）表示液滴的质量温度^[8]。

（8）

（9）

通过Gosman等人提出的喷雾撞击模型来评估喷雾特性。根据缠、粘、反弹、蔓延、以及喷雾撞击后发生飞溅情况。燃烧室粗糙度产生的影响可以忽略^[8，10]。

3 结果与讨论

3.1 喷射速率的特征

图3将实际的喷射持续时间与喷油器驱动器的喷射信号进行了比较。该试验中使用100MPa和1.0毫秒分别作为喷射压力和持续时间。我们发现，该喷射信号由0.4毫秒的峰值电流（20 A）和0.6毫秒的恒定电流（10A）构成。这一结果表明，存在0.3毫秒的喷射延迟，喷射在喷射信号末端的0.7毫秒内完成。

此外，恒定电流下降之后喷射速率增大。根据这种现象可以推断,在共轨喷油器中由于针阀的运动使得燃料体积的压力波动发生在开启和关闭时间里[^11，12]。因此，造成这个结果的原因被认为是针阀开闭斜坡面影响喷射速率^[13]。

图3 喷射信号和喷射速率的比较

3.2 比较各种喷射情况下的喷雾可视化图形

图4显示出在不同环境条件下喷雾的显影过程。该模拟结果与喷雾可视化结果良好的吻合，这两个结果表明，当环境压力增加时喷雾渗透降低。

图4 喷雾显影过程的比较（a）实验结果（X，Y:96 mm）;

（b）仿真结果（X，Y:96mm）

喷雾渗透显示喷射在0.2毫秒后开始有快速上升的趋势。由这个结果可以得出，喷射器的针阀开启时间似乎可以在喷射的开始时间内影响喷雾的渗透。

图5显示出在喷射压力和环境压力下喷雾渗透的比较。结果表明,喷雾渗透正比于喷射压力反比于环境压力。Dent等人^[14]坚持认为是正比于1 /4倍的环境密度。Hiroyasu等人^[15]通过实验获得雾化的程度可以分为不完全喷射和完全喷射。在不完全的喷雾区域，喷液通过一个相对缓慢的崩解过程从喷嘴中喷射出来。另一方面，在完整的喷雾区域，只要液体喷射就会出现崩解过程。类似于Hiroyasu的实验，Naber and Siebers ^[16]获得的喷雾渗透通过渗透长度()和时间()比例绘制区分短时间限制和长时间限制。在短时间限制区域，流速系数和喷油器开启时间一定时喷雾渗透受到喷油器顶端设计的影响。

图5 喷雾渗透率的比较（a）喷射压力的影响;（b）环境密度的影响

我们重新设计公式（11）和（12）。它们是由环境压力，喷射压力，和喷孔直径等组成。从Hiroyasu的结论方程（10）中获得雾化时间，经验方程在此雾化时间的基础上被划分。图6显示出在不同喷射速度下雾化的程度。一条雾化程度是由方程（10）计算出的雾化时间得到的。一条雾化程度随喷射速度几乎不变，但是与环境压力成反比。因此，本实验的结论是能够确认Hiroyasu提出的完全喷射。

图6 实验结果与Hiroyasu提出的经验方程比较

如方程（11）和（12）所示，喷雾渗透在雾化时间之前与燃料密度的平方根成反比，在雾化时间之后与环境密度的1/4次方成反比。在前面的部分我们已经指出，因为它是一个完全喷射，喷射的第一阶段受燃料的特征和喷油器的几何形状影响，但在雾化时间后喷射与所述环境条件有关。方程（11）的系数是0.2057。这个数值是由以下事实——在本研究中的喷油器直径比Hiroyasu实验中的小所确定的。Sieber坚称此数值被用作流速系数。方程（12）的系数为2.423，这类似于Hiroyasu实验的结果。此值适用于大气密度。

图7显示出渗透距离与Hiroyasu经验方程的比较。Hiroyasu的结果与我们目前的研究结果一致，但渗透距离有小的差异。该差异是由于喷油器喷喷孔直径的区别所导致的，这种现象会影响雾化特性因为喷雾渗透程度被改变如方程（11）和（12）所示。

（10）

（11）

（12）

图7 喷雾模拟结果（ASOI 10°）

3.3 HCCI发动机燃烧室喷雾特性

图7和图8显示出在喷射时间内不同的进气温度和压力条件下喷雾形状的计算结果。在前面的章节中说明的喷雾模型和喷射速率的结果被用来模拟喷雾形状。如这些图所示，当喷射时间被推迟超过280°时在测试中喷油器喷射的喷雾撞击燃烧室室壁。另一方面，在300°喷射时撞击发生在活塞表面外部，当喷射时间延缓超过320°时喷雾撞击在活塞碗区域。Yoshinori等人坚持认为在HCCI燃烧中喷雾特性影响自动点火特性^[2]。因此，控制喷射时间是HCCI燃烧控制的关键参数，因为根据喷射时间撞击位置与燃料量的特性影响空气 - 燃料混合物的分布，特别是对OH自由基的分布有一个很大的影响，由此可以评估自燃在HCCI燃烧的特性。

图8 喷雾仿真结果

喷雾渗透表明对早期喷射

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