武奎，李雯霖，张叶娟，董德磊，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

纯柴油喷雾特性试验研究

武奎，李雯霖，张叶娟，董德磊，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

采用高分辨率单反数码照相机和马尔文激光粒度分析仪分别在20MPa、24MPa和28MPa喷油压力下对纯柴油的喷雾特性进行了试验研究。结果表明随着喷油压力的逐渐增大，燃油喷雾锥角逐渐增大，索特平均直径逐渐减小，说明增大喷油压力可以提高燃油的雾化质量。

喷雾特性；喷雾锥角；索特平均直径；雾化质量

引言

内燃机的性能主要取决于燃烧室形状、缸内空气运动和喷油压力三者之间的配合[1]，燃料燃烧是否充分对内燃机的动力性、排放性、经济性等都有着非常巨大的影响，然而内燃机的燃烧特性直接受到燃料雾化质量的影响，其中喷油压力是燃料雾化质量的重要影响因素，随着环境污染的加剧，一系列节能环保的法案相续出台，对影响燃料雾化质量因素的研究显得愈发重要。本试验在机械喷油泵喷雾质量分析系统试验台上，采用闪光摄影法和马尔文法，分别从宏观和微观两个角度对不同喷射压力下柴油的喷雾特性进行了试验研究，从而分析随着喷油压力的变化燃油雾化质量的变化规律。

1 喷雾特性试验

本试验的目的是为了分析不同喷射压力下燃油的喷雾特性，喷雾特性又分为宏观喷雾特性和微观喷雾特性，对于宏观喷雾特性主要是喷雾锥角和贯穿距离，由于本试验选用的喷油器与之配套的发动机正常工作时，喷雾油束总是直接喷射到气缸壁面上，所以贯穿距离总是大于1的，因此本试验只对喷雾锥角进行测量分析。对于微观喷雾特性主要是雾化液滴尺寸分布，其中平均直径是微观喷雾特性的重要评价指标，雾化液滴的平均直径表示方法很多，最常用的是索特平均直径[2]，因此本试验主要对雾化油滴的索特平均直径进行测量并分析喷油压力对柴油雾化质量的影响。

1.1 宏观喷雾特性试验

试验采用闪光摄影法建立宏观喷雾特性实验系统对柴油的喷雾形态进行拍摄，试验系统布局如图1所示。由图可知本系统装置主要由数码相机、实验台、油泵、喷油器和背景板组成。为了能够精确的模拟实际发动机的喷雾情况，本试验选用喷油器为质量较好的德国博世公司生产的道依茨BF6M1013柴油发动机喷油器，6孔喷油嘴，喷孔直径为0.280mm。喷油器中燃料的压力通过机械喷油泵手柄进行建立，通过增减喷油器调压垫片实现对喷油压力的控制，燃油直接加注到机械喷油器的储油筒里，油罐通过接头连接到机械喷油泵，再通过高压油管与喷油器相连。成像采用800万像素、高分辨率CCD的佳能EOS30D单反数码照相机，分别在20MPa、24MPa和28MPa喷油压力下对纯柴油的喷雾形态进行拍摄。采用数码相机拍摄便捷、可靠性高，易于对拍摄位置和参数进行调整，图像清晰，实验成本低，便于读取和处理，该方法适用于拍摄整个雾化场[3]。试验采用黑色作为背景以增强背景与喷雾油束的区分度；由于拍照时光照不均而造成的亮度不均会影响图像的二值化，从而使最终测量结果与实际存在偏差，因此需要针对亮度不均进行校正，以便正确地分离出目标液滴[4]，因为试验为高速瞬态喷射，拍摄时相机选用常规模式照片成像效果较差，因此选用运动模式，因为使用运动模式相机本身有较高的感光度和快门速度，可以较好地捕捉高速运动的物体。试验时相机在连续拍摄模式下进行拍摄，每个工况拍摄多张图片从中选取效果较好的五张图片进行处理测量并求其平均值。由于试验的目的是对柴油的喷雾特性进行试验研究, 并且喷嘴附近的油束紧密, 浓度太高,无法得到分散的燃料颗粒图像，因此试验选用燃料喷射进入大气环境中的试验方案。

图1 宏观喷雾特性系统

1.2 微观喷雾特性试验

微观喷雾特性试验采用马尔文法对喷雾油滴的尺寸进行测量，测量系统如图2所示，测试系统主要由马尔文激光粒度分析仪和装有马尔文控制软件的计算和喷射系统组成；马尔文激光粒度分析仪由英国马尔文仪器有限公司制造，采用激光衍射技术对喷入激光束中的粒子进行采集并测量雾场中粒子的直径，粒径测量范围为2~2000μm，最大可测量2500μm的粒子，采用750 mm透镜，光源为632.8 nm、5 mW氦氖激光器，能够实时、准确的对喷雾粒子的微观特性参数进行测量。喷射系统采用和前文宏观喷雾特性试验同样的喷射系统，对分别在20MPa、24MPa和28MPa喷油压力下对纯柴油的索特平均直径进行测量。试验由喷射系统喷射柴油，马尔文控制软件控制马尔文激光粒度分析仪发射激光束，接收喷入激光束中的粒子，经计算机进行分析计算获得喷雾场中粒子的索特平均直径D32。

图2 微观喷雾特性系统

2 实验结果与分析

2.1 喷雾锥角

数码相机拍摄的喷射油束图片如图3所示，喷雾锥角边缘不很清晰，不能准确的测量喷雾锥角，为了获得边缘清晰的图像，精确的测量油束锥角，需采用数字图像处理技术利用相应的图像处理软件进行处理，然后进行喷雾锥角的测量。本实验采用Matlab 和Photoshop 两种图像处理软件对所拍摄喷雾油束图片进行处理及测量喷雾锥角，首先使用Matlab图像处理功能对所拍摄的图片进行灰度处理、对比度增强、滤波处理、边缘检测以及图像二值化处理，经上述方法处理后的图片如图4所示，喷雾油束与背景区分明确，油束边界轮廓清晰，能较为完整而精确的显示出油束轮廓，然后利用 Photoshop软件中的标尺工具精确测量油束的喷雾锥角。喷雾锥角测量结果如表1所示。由表中结果可知，随着喷油压力的增大，喷雾锥角逐渐增大，这是因为随着喷射压力的增大，喷油速度增大，油气之间的相对速度增大，油气之间的作用力也将增大，致使油滴更容易碎裂，因此燃油喷雾锥角增大。说明在实验压力范围内，通过提高喷油压力能够使燃油的雾化质量得到改善。

图3 由摄像机拍得图片

图4 经软件处理后的图片

表1 喷雾锥角

2.2 雾化油滴的索特平均直径

利用马尔文激光粒度分析仪直接测得不同压力下的雾化油滴微观尺寸，并记录索特平均直径如表2所示。从表中可以看出，随着喷油压力的增大，雾化油滴的索特平均直径逐渐减小，雾化油滴中小颗粒油滴增多大颗粒油滴减少，燃油雾化质量变好， 说明在实验压力范围内提高喷油压力可提高燃油雾化质量；这与宏观喷雾特性试验所得结论是一致的。

表2 雾化油滴的索特平均直径

3 结论

（1）随着喷油压力的逐渐增大，喷雾锥角逐渐增大，燃油雾化质量变好。

（2）随着喷油压力的逐渐提高，雾化油滴的索特平均直径逐渐减小，燃油雾化质量提高。

（3）提高喷油压力可有效改善燃油的雾化质量。

[1] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社.2010.8.

[2] 曹建明.液体喷雾学[M].北京：北京大学出版社.2013.7.

[3] 韩国栋.雾化效果检测技术研究进展[J].化工自动化及仪表，2010，37（6):1~4.

[4] 简林莎，张田昊.喷雾液滴图像亮度不均的校正方法[J].计算机工程,2006,32（7）：180.

Experimental Study on Spray Characteristics of pure Diesel

Wu Kui, Li Wenlin, Zhang Yejuan, Dong Delei, Cao Jianming
( Automobile Faculty, Chang'an University, Shannxi Xi'an 710064）

The spray characteristics of pure diesel were tested at high pressure high resolution digital camera and Spraytec laser particle size analyzer at 20MPa, 24MPa and 28MPa injection pressure respectively. The results show that with the increase of the injection pressure, the taper angle of the fuel spray increases gradually, and the average diameter of the Sauter decreases gradually, which indicates that increasing the fuel injection pressure can improve the atomization quality of the fuel.

Spray characteristics; spray cone angle; Sauter average diameter; atomization quality

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-212-03

U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-212-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.069

武奎（1992-），男，长安大学硕士研究生，主要研究方向为流体机械及工程。