Murad Ismailov,
美国先进可替代柴油喷射系统有限公司
Jean-Bernard Blaisot
CNRS UMR 6614 – CORIA,法国
Jean-Baptiste Dementhon
Tech’Value SA, 瑞士
Copyright © 2007 SAE International
摘要：
为了进一步改善柴油发动机燃油效率和尾气排放，我们进行了评价一新近设计的柴油喷射剪应力喷嘴（DISSAN），它的分别形成两条喷射流，最后在喷嘴的出口汇聚。传输和纹影摄影及多普勒技术被用来量化瞬态喷雾和蒸发动力学。喷嘴喷出的近似均匀燃料喷雾,它喷雾锥角高达68°而细雾滴尺寸小于22微米。燃油液滴的密度比传统的柴油喷雾低多达2个数量级。 这种喷雾方式会导致较高的混合和蒸发速率，从而最大限度地减少了烟尘和氮氧化物排放到该发动机汽缸。
介绍：
最近， HCCI发动机的研究取得了显著进展，尽管如此，HCCI满负荷高速运动的研究仍然极富挑战性。还有许多工作需要去确定作为2010年的排放战略的HCCI发动机的生产的可行性[参] 。先进柴油发动机作为道路和非道路用机械的动力资源必须要有长远的生存能力[参] 。
理想的情况下，为了实现更好地柴油HCCI发动机在高速和满负载的控制，燃油系统需要一个提供燃料均匀分配的喷油器。HCCI发动机，也需要在燃烧反应前使燃料完全蒸发。均匀的混合气的组成和热力学条件在整个反应期都是应该不变的[参] 。
反应开始时，热力条件足以启动分支反应，反应速率和持续时间是动态控制的。该压缩燃烧效率主要是由喷油来控制[4-5]，它的时速图如图1所示。
图1 柴油燃烧控制的基础上，缸内压力曲线和燃料剧烈燃烧曲线。
传统柴油燃烧过程中具有强烈燃油分层喷射的主要部分可以形容为扩散燃烧。一旦喷入的燃料喷雾与空气混合达到燃烧极限，燃烧立即发生[6]。当浓混合气造成碳烟生成，而化学计量比或稍微稀薄混合气造成的高火焰温度使氮氧化物排放增加（如图2所示），局部相同的速率动态的从浓混合气向稀混合气改变。大部份的形成的烟尘将氧化在后燃阶段氧化，但有些还会留下来。
图2 D12C柴油机在启动，活塞上止点与后燃阶段的分层燃烧的KIVA 三维建模基础上的动态的F-t图
为了更好更灵活的控制柴油喷射和HCCI燃烧过程，以显著降低烟尘和氮氧化物的排放，
我们进行了开发和实验评价了一个新设计的柴油剪应力喷嘴（DISSAN） 。在这个专利的新型喷射的概念中[专利]，取代了喷嘴单一的喷射出一股燃料，两股甚至更多股的燃料分层的同时的喷入特别设计的几何喷嘴，充分利用在高压的燃油流动中几乎所有可利用的湍流流动能量的累积。当只有两股燃料时，这喷嘴称为双喷射喷油器（TJI） 它由中心喷射（CJ）和四周喷射（PJ）构成。
不同的发展和预测代码（ DP代码） 已用Octave, FORTRAN 和AMESim的软件编写用来模拟发生在喷油器中的液压和机械动态变化，及在DISSAN喷嘴中的燃料流和喷雾的主要特点。DP代码首次应用于设计两组流速与燃料流动累积动能的有效比不同的喷嘴。然后DP代码通过一系列测量数据及调整进行了验证以预测这次研究中实验部分的动态时间
为了评估和量化的DISSAN/TJI产生喷雾及蒸发动力学，我们在法国里昂的科里亚进行了一系列实验，在当地的空气条件下，在一个5升的容器中并保持背压和温度接近压缩行程结束的初始阶段的柴油燃烧室内的情况。高速传输摄影用于动态捕捉喷雾形态。多普勒技术应用于判断不同位置连续时间内的液滴大小，高速条纹照相技术用于区分液体和蒸汽状态，并把DISSAN / TJI测量数据与一个传统共轨喷油器产生的分层喷射进行了比较。
这篇文章共有5节内容。首先是创新的燃油喷射概念简述，其次是根据不同的流速及中心和四周流动之间的能量损失，强调各种设计策略的DP代码的特点。第三，用于证明DISSAN/ TJI的概念的一些在当地条件下的实验数据。在第四部分侧重于介绍在5升容器内蒸发情况的测量，最后一部分是由几个主要结论组成。 DISSAN/TJI 喷油器 概念
一个新的喷射概念发展的主要目的是在相对较低的柴油喷射压力P inj及常规柴油喷射系统下流速下（几百微秒）产生一个好的燃料喷射（Sauter平均直径-几微米SMD）。通常的，喷射流的动态情况取决于喷嘴中的喷油压降与喷孔处表面张力造成的毛细管现象产生的能
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量之比。这种关系通过韦伯数We=ρUD/ σ，其中ρ 表示燃油密度，U表示喷油嘴的出流速度，D表示喷孔直径，σ表示燃油表面张力。液滴大小与基本时间的关系见图3。
图 3 液滴破裂时间τbr与液滴大小韦伯数We的关系
传统喷油设备在喷油压力1600-2000bar，We=10-10，1微秒内产生大小为20-40的液滴。为了进一步缩短破碎时间和减小液滴大小，必须增加常规喷射压力[参] 。结合减少喷孔直径（ 80-120微米）和增加喷孔数目和排数， 柴油喷射技术变得非常复杂。
该DISSAN/ TJI喷嘴是设计用来对各种液体喷雾不增加现有水平的喷射射压力（ 800 - 1600bar）的情况下产生有细小的液滴的近似均匀喷雾[8]。这个系统由高压燃料和能提供这种高压燃料的喷嘴组成。这种喷嘴应被设计成至少能喷出两股不同喷射参数的燃料，它们在紧密相邻的位置并以表面相互分界，从而达到好的喷射效果。这种射流的破裂时间大大缩短，液滴尺寸大为降低。
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6
图 4 TJI喷管流动机构和喷雾发展以及形象的典型TJI喷雾模式。
该TJI喷嘴的剪切应力作用是基于两股燃料射流进入喷管的之间的超干扰，即像图4中形象描绘的由中心流动和四周流动引起的。最初，中心流和四周流喷雾尖端有不同的喷射速度。由于相互不断的粘性摩擦，PJ同轴的围绕CJ流动，使外部激发轴向和径向传播并引起喷雾的破裂。中心流和四周流流动之间的比例由[8]中描绘的喷嘴控制。这个喷管由放电加工（EMD）和一个标准的P型柴油喷嘴制成。最后TJI被提高到更高的液压并成为共轨喷油器（CR）的一部分。
喷射动力学和喷雾模型
几种物理模型建立了DP代码。通过对该喷油器的硬件性能（大小，质量，刚度，摩擦阻尼系数），水力参数，螺线电磁作用时间及其他物理量的测量获得的数据对每个模型进行了调整从而精确模拟喷射动能和燃料流速。喷雾形状是根据喷油压力，缸内背压模拟的并可以决定破裂的时间，穿透长度和喷嘴出口锥角。
许多模型被应用于[ 9-13 ]解决动态喷射，并与实验数据对比[参]。这有三个物理子系统-液压学,力学，电磁学。用来描述燃料流动的连续性和压缩方程通过压降和流速来求解。类似的为喷油系统的动态模拟使用AMESim[14][参]（模拟高级建模环境），而使用流场代码进行流体的顺态流场分析（CFD）并用压控振荡器测定喷油器喷嘴。
完整的喷油器流体动力学模型被用于分析整个发生在喷油器动态过程。这种复杂的分析需要精确的工作流体（燃料）建模。其中的一个主要输出是总燃料给予量（质量或体积百分数），可用质量守衡原理验证。图5中是一分别些喷油器的基本构件和AMESim模型。图6中是喷油器的的每个组成部分的相等模拟，为说明模型的输出喷油器动力学（针阀位移，每个喷孔的平均出流速度和总流量）被模拟在喷射压力分别为500，700和1200bar。
图 5 标准共轨喷油器机械和液压示意图（博世型）和AMESim模型
图 6 喷油器动力学-针阀升程，单股喷射出口速度和排放量-在变化的喷射压力下1.0毫秒的喷射时间内
两股燃料流的校准通过使用标准型博世第二代共轨喷油器，它被指定在1600bar喷油压力下工作。它拥有7个150µm直径的喷孔，The Normafluid Shell ISO 4113这个标准已经被
02020
用在了这些规则里，这种液体20C的密度为821.8 kg/m，动态粘度在20C时3.9mm/s，40C
2
时为2.6mm/s
第一个模拟特意在最小喷射压力下在最短喷射时间内做校准。比较实验数据使我们仔细调整该基于AMESim的动态模型的关键动态参数。图7通过模拟数据表明了第一个实验的结果。无论是实验和建模数据都显示了当喷射时间极端减少即少于300µs时压力双曲线的上升。仿真数据曲线在短的时间区域内急剧的曲线，当喷射时间超过500µs是曲线变得平缓。
图 7 最低喷射启动压力与可变喷射持续时间
第二次测量数据得自在不同喷射压力500-1200bar下，喷射时间分别为500，1000，1500和2000µs的条件下，且流体的质量流速超过500strokes。图8通过模拟数据表明了这个实验的结果。实验与模拟值之间对所有喷射持续时间的情况有6 ％的误差，除了极限喷射的500µs。并且在更低压力500-700bar内，两者的误差更小，数值更一致。
图 8 在0.5，1.0，1.5和2.0ms喷射时间内 平均喷射流量超过500strokes
在调整模型参数的基础上，它被应用模拟有TJI喷嘴的喷油器的动态情况，如图9所示。所有喷嘴以上的喷油器构件都保持与标准喷油器一致。喷嘴部分模拟为四周有7个直径为150µm的喷孔和一个直径为228µm的中心孔。四周的喷射流进入一个锥形界面聚集成单一一股喷射流包围着中心喷射流流过400µm的孔口。
图 9 TJI喷嘴和动态模拟模型
为了比较两种分别来自标准7孔的博世喷油器和拥有中心和四周喷射流的TJI两者的喷射，TJI动态模拟用来计算分离的两部分，中心与四周喷射流量及总流量。所有流量的结果在图10上描绘。根据这一模拟，TJI喷油器比其原博世喷油器降低3%的油耗。
图 10 博世与TJI喷嘴之间总体喷油量的比较
TJI动力学特性
TJI的动态模拟被用做评价瞬态和稳定状态发生在喷油器内的动力学情况 。在图11中可以看到TJI的中心流和四周流的仿真结果。通过初步评价平均流速，流动速率，动能，得出了在这些评价中的最终比例。
正如人们可以看到，中心流流速明显高很多，比四周流大1.5倍。但是速率则明显小，比四周流小2倍。不过TJI喷嘴的主要的初步设计思想是匹配动能之比接近1。图12表达了在不同的喷射压力下比较这些特点。
图 11 中心流和四周流的流速，流动速率，动能和它们之间的比例
图 12 TJI流速不同，在不同喷射压力下的所有流动速率和动能
动态喷雾
这部分DP代码对于特定的TJI喷油器可以用来计算最初破裂时间和液滴尺寸，它在不同的喷油压力下， TJI喷雾通过高速可视化和相位多普勒测速法在喷油器顶端下游不同位置的测量来对实验获得的数据进行检查。相反，一旦物理模型进行了调整，它可用于设计和优化不同应用的TJI喷嘴，就像下面描述的。
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为验证实验通过使用柴油燃料动力学特性模拟普通柴油# 2.它的密度ρfuel = 880 kg/m
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（柴油密度ρfuel=820-860kg/m），运动速度vfuel = 2.52e-6 m/s（柴油vfuel =2.5m/s），表面张力σfuel=4.0e-6N/m（柴油σfuel= 2.9-3.0e-6 N/m）。环境压力pairamb = 1 bar，温度为T 3 2
airamb=300K，标准状况空气为ρairamb=1.067 kg/mvairamb = 2.52e-6 m/s。
分离的中心流。中心流的喷孔的直径为孔径280mm且孔长Lcore /d core= 5。表示在细喷管内有效喷油速度，这个柴油喷油器的喷嘴的大小大约Cdcore =0.66。中心流孔占总流量的一部
分，为 ，其中是中心流流动速率的一个影响因素（全部πdcore/4mm，流动速率，喷射压降和射
22的百分之几十），已知的中心流孔的面积Acore流速度如下
在这种条件下，如果中心流喷入缸内空气(自由射流边界条件)，基本终止时间和喷射角，根据[15]是
在自由射流终止以后的正常的液滴的大小是通过与CJ相关流动雷诺数和韦伯数确定的。
分离的中心流。从PJ喷嘴最初的设计开始 它的喷管的长度因素被设定dperiph/ dcore。部分四周流动速度仍是总流动速率的一部分。V PJ ,V inj ,V CJ。相同的，已知的中心流孔的面积
，流动速率，喷射压降和射流速度如下：
被分离的PJ流的主要终止时期和喷射角类似CJ流，使用PJ流流过喷嘴的几何学、速度和压力等数据。
CJ 和PJ流的相互作用。两种流动，中心和四周流动之间的相互作用主要有两个因素。首先两者有不同的流速，CJ流有高流速，PJ流则较低。因此速度上的不同，把TJI流速称做相对速度： 第二个重要因素是CJ流动在外边界与其他液体（不是空气）相互作用，显著改变了所有基本的喷流特征，着导致了PJ流密度，粘度的改变。TJI的基本终止时间和喷射锥角改变：
特别的，对这个TJI，几何锥角为46deg，与之后讨论的实验数据十分接近，在自由流终止后的液滴大小由流压降见图13。
和
决定。重要的CJ
图 13 TJI喷嘴平均体积流量 基本终止时间和液滴大小模拟
TJI喷雾的实验评价
喷雾的高速摄相
见图14所示，在20~200MPa的范围内，Normafluid ISO 4113标准的燃料液体从一个气动力学泵中喷出。用来控制喷射剖面的电控单元是EFS公司的IPOD 8232，为了测量，安装了光学诊断仪，喷油器被装在一个可平移的立体结构上。
图14 在大气环境下高速可视化喷雾的液压和光学装置
Vision公司产的Phantom V9照相机被用来高速视频摄相整个动态喷雾过程。其分辨率是1600 × 1200 像素及记录速度为1000帧/秒，提高成像速度到18450张/秒，其像素下降至240x240。该脉冲光源是一个高速摄影系统制成的毫微级装置，其脉冲持续时间是10纳秒，
频率可以达到20千赫兹。最后喷雾成像使用的是索尼的CCD相机，它可以在观察阶段准确的延迟同步信号。每个喷射阶段六个图像被捕捉到用来做周期间的变化分析。
模拟TJI产生的喷雾和常规分层柴油喷雾的图象，分别在不同的喷射压力400~1200bar下，喷射时间在增加的时间100微秒情况下从0.4到2.0毫秒。图15表示了可应用到数据处理的测量范围。每个喷雾动态一个画面一个换面的显示，从一开始喷射流从喷嘴喷出（实际喷射的开始）到喷雾完全离开喷嘴（实际喷射的结束）。为了评价TJI喷雾的质量，喷雾周期内许多喷雾特性被提取，例如喷雾尖端穿透长度L [毫米] ，最大横截面直径D [毫米]，喷雾尖端轴向传播速度Ua[米/秒]，用来估计基本破裂时间，喷雾径向膨胀速度Ur[米/秒]，喷嘴出口处的射流锥[度]。
图 15 在100微秒时间分辨率下测得的TJI喷雾与传统柴油喷雾
穿透长度和锥角，在常压Patm下，TJI的穿透长度小于60毫米，更低的喷射压力(Pinj <500 bar)时，在同样的动态时间内，TJI的穿透长度比博世的CR少超过2倍，如图16所示。在压力为400-1200bar下穿透长度循环变动标准偏差为每6循环百分之三的偏差。
图 16 动态TJI喷雾穿透长度与传统柴油喷射的比较
TJI的喷射角度比博世大许多倍，并且这一比例随喷射压力的增大增大，异常地，像图17描绘的，TJI产生有均匀横截面积的郁金香一样的稳定的喷雾。TJI在400bar时喷射锥角为67.7度，在1200bar时46.3度。一般，博世提高喷射压力增加喷射，并使在300bar时，角度为6.4度，1200bar时9.5度。
图 17 动态喷雾锥角
TJI横截面直径（面积）比传统的博世CR喷雾大好几倍。由于郁金香效应，这种比例随压力升高而增加，TJI的相交部分直径为400bar时12.52毫米，1200bar时50.85毫米。作为比较，博世的CR喷射直径为300bar时4.28毫米，1200bar时18.95毫米。
图 18 动态TJI喷雾截面直径
雾滴大小的PDA测量
图19 Dantec制造的相位多普勒流速仪用来同时在不同空间位置测量雾滴速度和大小。雾滴二维速度和大小，分别用博世和TJI喷雾在喷嘴30和60毫米的下游测量。博世喷雾在中心线及绕最大喷雾厚度+/-2毫米处测量。TJI喷雾在中心线和绕其+/-4毫米处测量。图20是典型的Dantac系统的使用步骤。
图 19 PDA测量位置
图 20 Dantac系统的使用步骤
为了对统计的喷射周期测量数据做解析分析，所有的循环阶段数据每0.5度进行分类分组以获得平均速度的量化信息，每个角度的液滴大小和速度数据（浓缩），见图21。这种处理程序允重构允许通过雾滴速度，大小和任意位置浓度作为测量数据重建动态情况。
图21 PDA的数据整理和过程算法
这些测量结果--喷射期内喷射压力100bar时从中心喷射流轴线获得的雾滴速度，大小，浓度在图20中表述。从中可看出，TJI 与CR博世喷雾的液滴尺寸很相似，但每个单位空间内的雾滴浓度是不同的两个数量级。这使得燃料和热加压空气混合时，可以接触每一滴液滴，并且使蒸发过程发生在燃烧室里。
图 22 TJI喷雾液滴速度，大小，浓度和传统博世CR喷雾比较
蒸发和TJI喷雾
纹影摄像光学技术，见图23，用来观察动态液体和蒸发过程，及变成TJI喷雾。加压
O
到20bar，加热到210C，把空气装入一个有40毫米石英窗口的5升恒容容器，在压缩期间模仿的最初阶段柴油燃烧室的条件。一束激光束穿过喷雾并返回接受光源，在这个过程，它穿越了空间，以辨别喷雾中的液态（黑白图像） ，以及汽态区（白图像）。
图 23纹影摄像光学技术用于观察5升燃烧室中的TJI喷雾的液相和蒸汽相
图 24 完全汽化柴油的图象
一系列详细的测量用来在喷射压力为700bar下获得射出的燃料完全蒸发的时间并测量喷出的燃料质量。在图25中是喷入气缸的燃油质量与完全蒸发时间的关系。就像我们所见，有一个低的指数适用于TJI蒸发过程，即喷入的燃料越多，每单位燃料所需完全蒸发时间就越短。
图 25 开始喷射200微秒后柴油充分汽化 结论
DISSAN燃油喷射技术允许高度分层喷射变到近似均匀喷射，这种DISSAN喷嘴射出的喷雾锥角高达68度而雾滴尺寸小于22 微米。液滴浓度比传统分层柴油喷雾低3个数量级，即混合压缩热空气从喷射开始在任何时间空间包围所有的液滴。这些喷雾模式使得燃料较好的混合和高蒸发率，从而控制柴油发动机汽缸内尾气排放。
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