康佳明,王 谦,邵长胜,黄英杰,芮 璐
柴油引燃天然气发动机天然气射流特性
康佳明,王 谦,邵长胜,黄英杰,芮 璐
(江苏大学能源与动力学院,镇江 212013)
在定容弹上利用纹影法开展了不同喷射压力和喷射间隔下的天然气/柴油双燃料喷射中天然气射流特性研究,并结合PIV试验得到的天然气射流环境流场探讨了天然气射流和柴油喷雾相互作用过程.结果表明:天然气射流头部、中部、底部周围空气有不同的运动状态;天然气射流在贯穿柴油喷雾时会受其阻碍,使得射流贯穿距和锥角均减小;天然气喷射压力的提高会减弱柴油喷雾对天然气射流的影响;随着喷射间隔增大,柴油喷雾与天然气射流的相互作用减弱,柴油喷雾对天然气射流贯穿距和锥角的影响也随之减小.
天然气发动机;双燃料;粒子图像测速法(PIV);纹影法;射流特性
为应对汽车产业高速发展所带来的能源短缺与环境污染等问题,天然气能源作为一种内燃机替代燃料,因其燃烧清洁、储量丰富、价格低廉的优势而受到广泛的关注[1-2].传统的天然气发动机采用类似汽油机的进气道低压喷射、火花塞点火的工作方式,由于压缩比不高,燃气所占容积较大,造成充量系数下降,使得发动机输出功率降低,动力性不足.而缸内高压直喷天然气柴油微引燃技术(high pressure direct injection,HPDI)能够改善动力性能的缺陷,同时还可降低NO和碳烟排放[3].对于采用HPDI技术的天然气发动机而言,主燃料天然气的喷射射流特性对燃烧室内混合气的形成具有很大影响,而天然气和引燃柴油的混合及相互作用过程在很大程度上决定了燃烧特性和排放性能.
目前,对于天然气单燃料高压喷射射流特性国内外学者已开展了大量试验研究和数值模拟工作[4-8],但涉及天然气/柴油双燃料喷射中天然气射流特性及双燃料相互作用的研究很少.White[9]基于一种天然气/柴油组合式喷射系统,利用纹影法研究了双燃料喷射过程,并基于试验研究继续开展了数值模拟工作,探讨了喷射率和喷孔直径的影响.但该研究的试验部分并未对双燃料喷射中天然气射流特性进行定量分析.张州榕等[10]利用数值模拟手段研究了天然气/柴油双燃料缸内同轴喷射的喷射特性,探讨了双燃料喷孔几何位置对双燃料喷射及混合过程的影响.其结果表明,柴油喷雾贯穿距与喷孔高度、喷孔交角等因素相关,而柴油喷雾贯穿距对其雾化效果有明显影响.在各因素中,双燃料喷孔相对交角对柴油喷雾和天然气射流混合过程的影响最为显著.谭小强[11]在定容弹内利用纹影法定量地分析了天然气/柴油双燃料喷射过程中不同天然气喷射压力和背压下柴油喷雾对天然气射流特性的影响.但该试验中所用的组合式双燃料喷射器存在不足,天然气通过适配器上加工的垂直微孔喷入定容弹内,与实际同轴喷射器存在差异.
本文首先在定容弹中利用粒子图像测速法(PIV)、纹影法分析了天然气射流与环境气体相互作用过程,随后结合高速纹影法,在不同喷射压力和喷射间隔下开展了天然气/柴油双燃料喷射工况下天然气射流特性的试验研究,揭示了天然气射流与柴油喷雾间相互混合及作用规律.
图1为双燃料喷射可视化的试验系统,其中主要装置包括定容弹系统、柴油高压共轨喷射系统、高压天然气喷射系统、PIV激光测试系统、高速纹影系统和电控单元(ECU)控制系统.试验中所用定容弹的高度和直径均为700mm,内径650mm,四周壁厚25mm,底部和顶部壁厚50mm,视窗直径165mm.定容弹内填充空气以作为环境气体,气体状态保持常温和常压.柴油高压共轨系统可以提供最高可达250MPa的稳定喷油压力.高压天然气罐内储存着压力为12MPa的高压天然气,可通过调节减压阀以将气体压力降至所需喷射压力.天然气管道的压力传感器则可实时监测气体状态.
图1 双燃料喷射可视化试验系统
本文设计了一种双燃料组合式喷射器来模拟天然气/柴油同轴喷射器的工作过程,其结构如图2所示.主要部件包括:天然气和柴油喷射器、天然气导管、油管转接头、火花塞(用于传输ECU电信号至喷射器)、定容弹适配器和柴油喷射器支架.柴油喷射器安装在喷射器支架上,其位置可以灵活调节.天然气喷射器竖直向下,两个喷射器喷孔间的垂直距离为4mm,水平距离为6mm.试验中所用的柴油和天然气喷射器均为单孔,其中柴油喷孔直径为0.16mm,天然气喷孔直径为1mm.调节柴油喷射器位置使得柴油喷孔竖直朝下而天然气喷孔角度为10°,这样的布置使得天然气射流与柴油喷雾轴线的夹角为10°,天然气射流能够贯穿柴油喷雾区域区域,模拟实际双燃料喷射器的喷射过程.双燃料喷射组合器通过定容弹适配器安装在定容弹上端中央,如图3所示.
通过双燃料喷射ECU可以实现双燃料喷射器、PIV系统以及纹影系统的协同工作.通过调节喷射间隔、喷射频率、喷射脉宽等参数,可以实现不同的喷射策略.PIV系统产自美国TSI公司,主要部件包括数码相机、激光发生器、信号同步器、电脑端控制系统等.高功率激光器能产生波长为532nm的单色激光,配套有INSIGHT3G图像后处理分析软件,数码相机最高拍摄频率为15Hz.本文选取柴油液滴作为PIV示踪粒子,经过前期的标定试验后发现,设定柴油喷射压力为120MPa时,喷雾液滴同时具有良好的跟随性和成像性,从而能够利用PIV获得天然气喷射过程中其周围环境气体的速度场及运动状态.高速纹影系统采用Z字形双反射式光路[12],主要部件包括两面球面反射镜、LED点光源、两面小反射镜、刀口、高速数码相机等.纹影试验中采用的高速数码相机型号为Photron公司的FASTCAM SA-Z型,根据试验需要将其拍摄速度设定为10000帧/s,拍摄所得的图像分辨率为1024×1024.
图2 双燃料喷射组合器示意
图3 双燃料喷射组合器安装位置示意
表1显示了试验中所采用的各项参数,每组试验均重复5次,取平均值为最终结果以保证结果的准确性.
表1 试验参数设置
Tab.1 Setting of experimental parameters
本文基于MATLAB软件开展喷雾图像后处理.图像处理过程主要是选择合理的阈值对图像进行二值化处理,再进行腐蚀、膨胀等处理,从而得到理想的射流图像,并基于图像提取射流特性参数.单燃料射流的图像处理过程如图4所示,双燃料图像处理与之类似,只需在二值化中选择合理的阈值,消除柴油图像,仅提取天然气图像[11].
图4 天然气射流图像处理过程
本文将利用天然气射流贯穿距和射流锥角来描述天然气射流特性,图5为天然气射流贯穿距和射流锥角的定义.
图5 射流参数定义
从天然气喷孔出口到天然气射流顶端的垂直距离定义为射流贯穿距.由于天然气射流头部形状不规律,故而设定从距离天然气喷孔2mm处到0.6倍的处为锥角的计算区域[8, 13].在天然气射流发展过程中,射流侧面会出现褶皱和凸起结构,轮廓参差不齐,所以本文计算出每张射流图像每一行像素位置处的射流锥角,然后将所得的多个射流锥角取平均值,定义所得的平均值为这张射流图像中的天然气射流锥角,从而确保结果的准确.计算公式见公式(1):
式中:l和r分别为左半锥角和右半锥角;为射流锥角;表示像素点所在行数(以喷孔处像素点所在位置为第一行).
为研究天然气/柴油双燃料相互作用过程,本文首先结合纹影法和PIV研究天然气单燃料射流混合过程.进行PIV试验时,适量柴油被预先喷射到定容弹内,静置一段时间后,定容弹内大量悬浮的柴油液滴则为示踪粒子.由于天然气射流速度发展很快,进入其内部的示踪粒子很少,因而射流内部速度场的PIV结果并不准确,而天然气射流轮廓处与周围环境的示踪粒子浓度较大,所以本文仅分析射流轮廓处和其周围环境的PIV结果.
图6是天然气喷射压力为4MPa、1.5ms时刻的天然气射流纹影图像和PIV图像处理结果.通过对比天然气射流纹影图像和射流周围空气速度场可以发现,天然气射流与空气的交界面上的空气运动速度很快,并且不同区域的空气呈现出不同的运动状态.
从图6(b)可以看出,天然气射流头部周围的空气被射流所带动而向外运动,但运动速度远低于天然气射流的贯穿速度.如图6(b)所示,该部分空气最大速度仅为3.7m/s,所以射流头部会不断将周围空气混合入其内.从图6(d)可以看出,射流头部周围的湍流强度较大,表明在天然气喷射过程中,射流头部高速冲击着周围的环境空气,该区域发生着较强的湍流运动.
图6(b)显示射流中部的环境空气呈现比较规律的涡旋运动状态,空气运动方向先指向射流外侧而后向上,最后又指向射流内侧,形成漩涡.射流侧面中部的气体如被“卷起”一般,旋转运动一周后又重新回到射流主体.图6(c)显示天然气射流中部两侧流场存在着大小相近、方向相反的涡量场.分析认为,射流发展过程中射流侧面与周围空气间较大速度差会在射流侧面形成了一个剪切力,该剪切力会将天然气“卷起”,从而形成较强的涡旋,这种涡旋的运动状态会促进天然气与环境空气的混合作用,带动其卷吸入天然气射流内,因此天然气射流中部周围的空气呈现出了较强的涡旋运动.
从图6还可以看出,天然气射流底部周围空气运动方向均指向射流底部.因为射流底部靠近喷孔出口处,天然气从喷孔出口喷入定容弹低压环境后在出口处会发生膨胀过程,且流动速度很快,从而在射流底部形成低压区域,使得射流底部周围空气向射流主体运动.
图6 喷射压力为4 MPa、1.5ms时天然气射流PIV图像
图7为喷射间隔0.5ms时,天然气喷射压力对双燃料喷雾发展过程的影响.引燃柴油被先喷入定容弹内,由于其喷射压力仅为40MPa,且喷射持续期较短,所以柴油喷雾喷射结束后很快便扩散并与周围空气混合.如图7所示,将天然气喷射始点作为0ms,在0.6ms时,柴油喷雾在纹影图像中已经逐渐难以分辨.0.6ms时,天然气射流已经开始与柴油喷雾接触,随后贯穿柴油喷雾区域.天然气射流头部在向前发展过程中与周围空气不断混合,使得轮廓外形不规律.在天然气喷射期内,射流底部因靠近喷孔出口,流速很快,得以保持着稳定的射流锥角,其轮廓外形也较为清晰.1.6ms时天然气已经停止喷射,射流仅依靠惯性向前发展,射流头部聚积较多的气体,其轮廓较清晰,而天然气底部气体不断扩散并与周围空气混合,轮廓逐渐开始模糊.喷射结束后,射流头部的天然气浓度和动能相对较大,得以维持较快的运动速度向前发展,而射流底部已经逐渐扩散,使得射流整体不断拉长,体积逐渐增大.
图7 不同天然气喷射压力下各时刻的双燃料喷雾图像
图8和图9分别是喷射间隔0.5ms、不同天然气喷射压力下单燃料和双燃料工况的天然气射流贯穿距和锥角变化规律.从图中可以看出,双燃料工况下射流贯穿距和锥角的发展趋势和单燃料工况下基本一致.单燃料工况中,随着喷射压力的提高,天然气初始动能增大,天然气贯穿距随之增大,而射流锥角随之减小[3],双燃料工况下的天然气射流也符合该规律.双燃料喷射工况下的天然气射流贯穿距及射流锥角均低于相同喷射压力下单燃料喷射工况.
图8 单燃料和双燃料工况中不同天然气喷射压力下天然气射流贯穿距对比
图10对比了单燃料和双燃料工况的纹影图像. 可以看出,双燃料工况下的天然气射流在发展过程中会贯穿柴油喷雾与空气混合区域,该区域平均密度相对较大,天然气射流流经该区域时会受到更大的阻力.其次,由2.1节可知,天然气射流头部会冲击周围环境,而双燃料工况下天然气头部冲击的则是平均密度较大的柴油喷雾区域,因此会受到更大的阻碍作用,使得天然气射流头部发生更强的湍流运动,同时湍流耗散也越大,导致射流动能减小.再者,在天然气射流穿过柴油喷雾区域时,天然气射流头部会混合入一部分柴油,此时柴油喷雾速度相对天然气运动速度而言较低,所以双燃料工况下天然气射流会携带部分低速柴油向前发展,使得其射流贯穿能力进一步衰减.在上述三种原因的共同作用下,双燃料工况的天然气贯穿距小于单燃料工况下天然气贯穿距.
图9 不同天然气喷射压力下单燃料工况和双燃料工况天然气射流锥角对比
图10 0.5ms时刻单燃料工况和双燃料工况射流纹影图像对比
双燃料工况下天然气射流会携带部分柴油喷雾向前发展,这部分柴油喷雾不仅影响了射流贯穿距,也影响了射流锥角.由2.1节可知,天然气射流侧面中部气体存在着较强的涡旋运动,这种涡旋运动会将射流周围空气卷吸入射流内,如图11所示.单燃料工况下,天然气射流侧面与周围的空气间速度差所形成的一个剪切力会产生较强的涡旋运动,增强射流与空气的混合作用,将环境空气卷吸入其中.在卷吸过程中,部分天然气无法重新回到射流主体,从而在射流侧面形成许多褶皱和凸起结构,这种结构会导致天然气射流锥角增大.而在双燃料工况下,天然气射流在贯穿柴油喷雾时难以避免地会携带一些柴油喷雾,相比而言,这部分柴油喷雾密度较大而运动速度低,会减弱天然气射流的贯穿能力,造成射流贯穿速度下降,因而天然气与周围空气间速度差减小,由速度差所导致剪切作用也随之减弱.同时,天然气射流会与之携带的柴油喷雾不断地发生能量与动量的传递,使得天然气射流体各部分的运动速度都会受到影响,射流周向的扩散运动也随之减弱.在上述因素的共同作用下,双燃料工况中,天然气射流侧面的运动减弱,卷吸强度降低,所以天然气射流锥角小于单燃料工况.
图11 天然气射流卷吸作用
图12是在喷射压力5MPa、不同喷射间隔工况下在0.5ms时刻的双燃料喷射纹影图像对比.喷射间隔为0ms时,在0.5ms时刻天然气射流下方仍存在较浓的柴油喷雾.随着喷射间隔从0ms扩大至2ms,天然气射流下方的柴油喷雾浓度逐渐减小,直至其轮廓在纹影图像中已难以分辨.随着喷射间隔的变化,天然气射流和柴油喷雾的接触面积也有所变化.如图12所示,喷射间隔为0ms时,0.5ms时刻天然气射流与柴油喷雾有较大面积的接触;当喷射间隔为0.5ms时,0.5ms时刻柴油喷雾主体距离天然气射流头部更远,射流头部与柴油喷雾仅有很少的接触.而随着喷射间隔从0.5ms增大至2ms,尽管在纹影图像中难以分辨,不过仍可推断在0.5ms时刻天然气射流与柴油喷雾接触面更小,甚至没有接触,柴油喷雾距离天然气射流更远,柴油喷雾浓度更低.
图13及图14分别是喷射压力5MPa、不同喷射间隔下单燃料工况和双燃料工况的射流贯穿距、锥角的变化.所有工况下天然气射流贯穿距、射流锥角的随时间的变化规律基本一致,只是在数值大小上存在差异.从图中可以看出,喷射间隔对天然气射流贯穿距和锥角都有一定的影响,双燃料工况的天然气贯穿距、锥角低于单燃料工况,喷射间隔越小时差距越明显.当喷射间隔为0ms时,柴油喷雾对天然气射流的影响最为明显.整个喷射过程中中,尤其是喷射后期,双燃料喷射间隔为0ms时的天然气射流贯穿距和射流锥角均明显低于其他喷射间隔的天然气射流贯穿距和锥角.
图12 不同喷射间隔0.5ms时刻双燃料喷雾图像
图13 不同喷射间隔下天然气射流贯穿距的变化
图14 不同喷射间隔下天然气射流锥角的变化
图15是喷射压力5MPa下单燃料工况和喷射间隔0ms时双燃料工况喷射的纹影图像对比.通过对比单燃料工况和双燃料工况的射流发展过程,展示了喷射间隔为0ms时天然气射流与柴油喷雾间的相互作用.在0.4ms时,双燃料工况中天然气射流开始与柴油喷雾接触并受到柴油喷雾对天然气射流的阻碍作用,天然气射流发展过程受到影响,射流贯穿距小于同时刻单燃料喷射下的天然气射流.随着喷射过程的发展,天然气射流与柴油喷雾的接触面积更大,受其影响也更大.0.6ms时刻,从图15可以看出,双燃料工况下天然气射流头部形状与单燃料工况已经有明显的区别,双燃料工况下射流冲击柴油喷雾而受到阻碍作用,射流头部在轴向的发展受到限制而在径向的膨胀加强,头部形状更近似于圆形.0.7ms时刻,双燃料工况下天然气射流已经贯穿了大部分的柴油喷雾区域,头部侧面出现了明显的凸起结构.0.8ms时刻,受柴油的影响,双燃料工况下天然气射流头部膨胀不均匀,射流头部小于单燃料工况下的天然气射流头部.由图13发现,在0.5ms时刻,除喷射间隔为2ms工况外,其他喷射间隔工况下天然气射流贯穿距均开始低于单燃料工况的天然气贯穿距,而喷射间隔为2ms工况的射流贯穿距与单燃料工况相比没有明显变化.
图15 喷射间隔为0ms时,单燃料工况和双燃料工况纹影图像对比
综合上述分析并结合2.2节可知,双燃料工况下,由于天然气携带了较多的柴油,其轴向和径向的运动都受到了限制,射流贯穿距和锥角都将减小.在喷射间隔为0ms时,天然气射流冲击相对较浓的柴油喷雾,天然气射流的运动受到的柴油喷雾阻碍和扰动作用最强,天然气射流贯穿距和射流锥角与单燃料工况的差值最大.而随着双燃料喷射间隔从0ms增大至2ms,柴油喷雾区域逐渐远离天然气射流头部,天然气射流与柴油喷雾接触面积减小,柴油喷雾对射流发展的影响也随之减小.当喷射间隔为2ms时,双燃料工况下天然气射流贯穿距和锥角相比单燃料工况已经没有明显差距.
(1) 天然气射流头部、中部、底部周围空气呈现出不同的运动状态:天然气射流头部冲击周围的空气,发生较强的湍流运动;天然气射流侧面发生涡旋运动,将周围空气卷吸入天然气射流内;而天然气射流底部靠近喷孔出口,流速较大,会产生低压区将周围空气吸入射流内.
(2) 双燃料工况下,天然气射流在贯穿柴油喷雾区时会受到柴油喷雾的阻碍和扰动,并会携带部分低速柴油喷雾继续向前发展,使得天然气射流整体的运动受到限制,降低射流对周围空气的卷吸强度,天然气射流贯穿距和射流锥角均减小.天然气喷射压力的提高会增大射流初始动能,能够减弱柴油喷雾对天然气射流的阻碍作用.
(3) 在双燃料工况下,喷射间隔为0ms时,柴油对天然气射流的影响最强,导致天然气射流贯穿距和射流锥角与单燃料工况的差值最大.随着喷射间隔的增大,天然气射流与柴油喷雾接触面减小,天然气射流受柴油喷雾的阻碍和扰动作用减弱,天然气射流贯穿距和射流锥角受柴油喷雾的影响也随之减小.
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Natural Gas Jet Characteristics of Diesel Pilot Direct Injection Natural Gas Engine
Kang Jiaming,Wang Qian,Shao Changsheng,Huang Yingjie,Rui Lu
(School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)
The natural gas jet characteristics of natural gas/diesel dual-fuel injection under different natural gas injection pressures and different injection intervals were studied in a constant volume vessel using the schlieren imaging method.Combined with the natural gas jet flow field obtained by particle image velocimetry(PIV),the interaction between natural gas jet and diesel spray was discussed.Results show that the air around the head,middle and bottom of the natural gas jet had different movement states.Under the dual-fuel injection condition,the natural gas jet was disturbed by the diesel spray through which it passed,so that the jet tip penetration and jet cone angle were both reduced.With the increase in natural gas injection pressure,the effects of diesel spray on the natural gas jet decreased.With the increase in the injection interval between natural gas and diesel,the interaction between diesel spray and the natural gas jet was weakened,and the effects of diesel spray on the natural gas jet tip penetration and jet cone angle also decreased.
natural gas engine;dual-fuel;particle image velocimetry(PIV);schlieren method;jet characteristics
TK431
A
1006-8740(2019)05-0431-08
10.11715/rskxjs.R201812022
2018-12-22.
国家自然科学基金资助项目(51876083).
康佳明(1993—),男,硕士研究生,kangjiaming1993@outlook.com.
王 谦,男,博士,教授,qwang@ujs.edu.cn.