重油空气辅助喷射研究进展及展望_郑登霖.pdf

2 0 2 3年第5期产业研究重油空气辅助喷射研究进展及展望郑登霖(重庆交通大学交通运输学院,重庆 4 0 0 0 7 4)摘 要:重油发动机缸内燃空混合是攸关发动机燃烧效能的关键环节,燃油雾化作为燃烧过程的初始阶段,其特性对发动机的燃烧效能有重大影响。研究重油的雾化特性和机理已成为重油活塞点燃航空发动机发展中最为重要的课题。空气辅助喷射能在低压条件下实现重油的良好雾化且对燃料种类不敏感,因此被广泛运用于各工业领域。本文主要介绍了空气辅助喷射技术的研究进展,展望了该技术的发展趋势,为其后续的研发及优化设计提供参考。关键词:空气辅助喷射;研究现状;发展趋势 中图分类号:U 4 6 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 1 0 2-0 3R e s e a r c hP r o g r e s sa n dP r o s p e c t o fH e a v yO i lA i rA s s i s t e dI n j e c t i o nZ h e n gD e n g-l i n(C o l l e g eo fT r a f f i c&T r a n s p o r t a t i o n,C h o n g q i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g,4 0 0 0 7 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h e c o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo f h e a v yo i l e n g i n e d e p e n d s o n t h em i x i n go f f u e l a n d a i r i n t h e c y l i n d e r.A s t h ei n i t i a l s t a g eo f t h e c o m b u s t i o np r o c e s s,f u e l a t o m i z a t i o nh a sas i g n i f i c a n t i m p a c to nt h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo f t h ee n-g i n e.R e s e a r c ho n t h e a t o m i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n dm e c h a n i s mo f h e a v yo i l h a s b e c o m e t h em o s t i m p o r t a n t s u b j e c t i n t h ed e v e l o p m e n t o f h e a v yo i l p i s t o n i g n i t i o na e r o e n g i n e.A i r a s s i s t e d i n j e c t i o n c a na c h i e v e g o o d a t o m i z a t i o no f h e a v yo i l u n d e rl o wp r e s s u r e a n d i s i n s e n s i t i v e t o f u e l t y p e s,s o i t i sw i d e l yu s e d i nv a r i o u s i n d u s t r i a l f i e l d s.T h i s p a p e rm a i n l y i n t r o d u c e st h e r e s e a r c hp r o g r e s so f a i r a s s i s t e d i n j e c t i o n t e c h n o l o g y,l o o k s f o r w a r d t o t h ed e v e l o p m e n t t r e n do f t h i s t e c h n o l o g y,a n dp r o v i d e s a r e f e r e n c e f o r i t s f o l l o w-u pr e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o nd e s i g n.K e yw o r d s:A i ra s s i s t e d i n j e c t i o n;R e s e a r c hs t a t u s;D e v e l o p m e n t t r e n d作者简介:郑登霖(1 9 9 8),男,重庆城口人,工程硕士在读,研究方向为载运工具运用工程。0 引言燃料雾化是一种外力破坏燃料分子之间表面张力的过程1,燃油喷射系统是指在一定的压力下,利用喷油器将一定数量的燃料直接喷入气缸或进气道内的燃油供给装置,是决定燃油效率和排放的关键技术2-4。空气辅助喷射,也称为燃油夹气喷射,是近年来发展起来的一种低压喷射技术手段,它利用辅助介质与液体的相互作用来强化液滴的破碎,可以在较低的喷雾压力下产生细小的油滴分布,是最典型的低压雾化技术1 1,1 2。综上所述,为满足以航空煤油为燃料的二冲程航空发动机对煤油雾化要求,改善发动机的经济性和排放性,研究二冲程航空发动机重油空气辅助喷射系统具有十分重要的意义。本文主要对空气辅助喷射技术做了介绍,并从空气辅助喷射技术的分类、发展历程和研究现状三个方面进行了综述,指出了空气辅助喷射技术的发展趋势,对指导今后气辅喷射技术的研发具有现实意义。1 空气辅助喷射技术的分类在空气辅助雾化系统中,液相和气相之间发生相互作用之前,液体燃料将首先与空气进行预混合,为燃油雾化做好前期准备。如图1所示,先将燃油和空气注入喷油器,在预混腔内进行初步混合后,打开空气喷嘴,利用高压空气离开喷嘴时的动力克服油液表面张力从而促进液滴破碎,以得到较为均匀的混合气,从而在较低的喷油压力下获得更小的喷雾粒径1 3。根据空气和液体混合的位置,该技术可分为内部混合和外部混合1 4。一般而言,内部混合模型可以为气液混合提供相对完善的时间和空间条件。因此,它被视为最常用的低压雾化技术1 1。图1 空气辅助喷射器原理图当内部混合室中产生的燃料/空气气泡或液滴通过空气辅助喷射器的喷嘴时,将迅速膨胀,拉伸气泡周围的液膜,使液滴或液滴变薄甚至破裂。有研究表明,空气辅助喷射器的设计,包括混合室的尺寸和曝气孔的数量等因素,对燃料/空气相互作用都有较大影响1 4,1 5。同时,内部混合室中气液的形成也对空气辅助喷雾雾化质量有显著影响。如图1所示,根据气-液流体的混合行为,空气辅助雾化器通常被分为以下四种类型:(a):Y型射流、(b):外部气体(O I G)、(c):外部液体(O I L)和(d):C F T(以发明201DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.025内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n人C h i nF e r r e i r a等和T a m a k i等的名字命名)1 5。(a)(b)(c)(d)图2 四种雾化器示意图空气辅助雾化最初在发动机上的应用大多局限于连续燃烧模型,如燃气涡轮机发动机和超音速燃烧冲压发动机。近年来,它在二冲程航空内燃机上的推广应用,主要归功于其良好的重油雾化性能,通过利用空气在拉法尔喷口处的膨胀效应,对燃油低压喷雾再次雾化1 3,1 6。有试验表明,采用空气辅助喷射系统的喷雾液滴粒径明显小于无空气辅助喷射系统,能实现重油低压喷射下的微米级雾化效能1 7。2 空气辅助喷射技术的发展历程空气辅助喷射系统的发展历经如下三个阶段阶段:第一阶段:上世纪八十年代,空气辅助喷射系统首先应用于二冲程汽油机上,利用排气管中的压力波效应来增强气动喷射,从而提高喷雾质量、降低发动机充量损失,提高燃烧效率和降低排放1 8。包括大众汽车股份有限公司研发的A F I(A i r-F o r c e dI n j e c t i o n)系统,该系统使用简单的化油器 技 术,在 进 气 道 内 通 过 压 缩 空 气 实 现 燃 油 雾化1 9;法国石油研究所开发的I A P A C(I n j e c t i o nA s s i s t e dP a rA i rC o m p r i m e)系统,利用压缩空气进行扫气,关闭排气孔后,在气动力作用下将燃油喷进气缸2 0;澳大利亚的轨道发动机有限公司提出的轨道燃烧过程O C P(O r b i t a lC o m b u s t i o nP r o c e s s)小 型 发 动 机 燃 油 喷 射 系 统S E F I S(s m a l lE n g i n eF u e l I n j e c t i o nS y s t e m),实现了高度分层的稀薄燃烧,喷雾液滴索特平均直径(S MD)达到5m2 2。第二阶段:由于空气辅助喷射器在二冲程机型上的成功,有学者开始尝试将其应用于早期的电喷四冲程汽油机。澳大利亚的轨道发动机有限公司研究发现,甚至无需改善进气气流特性,仅需直接将空气辅助喷射器用于传统的四冲程发动机上,便可以实现非常稀薄的分层燃烧,极大程度改善发动机的经济性和排放性2 3。第三阶段:空气辅助喷射技术的研究愈发深入,并且在四冲程发动机上成功应用,开始将此技术推广到L P G发动机,而国内也开始对该领域逐渐重视起来,对气辅喷嘴在二冲程重油航空发动机上的应用展开了试验和仿真研究。3 空气辅助喷射技术研究现状低压空气辅助喷射系统最初的目的是改善二冲程汽油机的经济性与排放性,但随着技术的不断发展,其适用机型与研究领域也持续拓展,从二冲程发动机到四冲程发动机,从汽油燃料到航空重油,有不少学者对空气辅助喷射技术进行了试验研究。白洪林等2 4研究了喷油压力对A A I喷雾特性的影响规律:指出提高喷油压力会增大喷雾的贯穿距离和喷雾锥角。高宏力等2 5,2 6为了研究喷雾脉宽对A A I喷雾形态的影响规律,指出:在喷油压力不变时,循环油量随喷油脉宽的增加而增加,同时喷雾宽度增加、喷雾贯穿距减小、扩散面积略微增加。这是因为在相同喷气脉宽下,高压压缩空气携带的燃油量增加,总体气动力削弱,油束的动能减小,导致油束沿喷孔方向贯穿的能力减弱,喷雾滴的纵向动量减小,横向动量增加,从而使喷雾宽度增加,喷雾贯穿距减小。随着喷油脉宽的增加,S M D(索特平均值)也随之增加,这是因为喷油量的增加,气体雾化介质动能减小,削弱了压缩空气膨胀破碎液滴的能力2 7,同时,由于喷雾场中燃油浓度高、液滴分布较密集,液滴更容易相互碰撞结合,不利于雾化。喷气压力和喷气脉宽决定了混合气的气动力大小,关系油液被冲破后的液滴粒径,直接决定了混合气初出喷嘴时的喷雾形态,葛少成2 8、杨青海等1 3基于多相流理论,建立了A A I二次雾化数学模型,对空气辅助喷雾技术进行数值研究。发现:空气与一次雾化液滴的相对速度是影响A A I喷雾特性最主要的因素。喷嘴出口处空气与液体的相对速度越大,喷雾角越大,雾滴破碎更剧烈,雾滴速度也越大。雾滴粒径S MD随相对速度的增加而减小,雾滴破碎粒径与空气速度的1.1 4次方成反比;液滴粒径随相对速度的增加分布更均匀,即随速度差的增大均匀性提高。但喷雾达到一定距离后,小粒径的雾滴无法再进行破碎,反而相互碰撞聚合。B r u n o2 9等基于此,提出通过空气质量流量调控来实现喷雾平均液滴大小控制的A A I雾化方法。环境背压对喷雾雾化也有一定的影响。发动机在工作过程中缸内压力不断变化,研究不同环境背压下的喷雾特性对发动机喷雾的影响可为AA I喷射定时提供指导。W u等3 0采用了背光成像技术,研究了在0.5-3.5b a r的燃烧室压力下的燃油喷雾性能。结果表明:随着环境压力的提高,喷雾纵向延伸能力减弱,横向扩张能力增强;喷雾宽度随着环境压力的升高而变宽;喷雾沿喷孔方向贯穿的动量被大幅度削弱,贯穿距变小,喷雾的扩散面积也呈现明显减小的趋势。这是因为随着背压的升高,喷嘴前后压差变小,压缩空气气动力减小,喷雾发展被限制,贯穿动能减小,速度降低,从而致使喷雾宽度变宽,贯穿距变小,扩散面积也明显减小。随着环境压力的提高,液滴初始速度减小、喷雾动能减小,削弱了压缩空气辅助破碎液滴的能力,导致S MD逐渐变大,由此可见,过高的环境压力降低了喷雾雾化质量,因此在发动机工作过程中应该控制好喷油正时,维持空气辅助喷射压力与缸压间的压差。喷雾环境温度也是喷雾发展的重要影响因素。二冲程航发运行高度跨度较大,海拔高度的变化会显著改变发动机运行的温度条件。H u等3 1在定容弹内,研究了不同温度条件下的A A I重油喷雾形态。指出:在环境温度从4 0 0 K变化到5 0 0 K时,喷雾贯穿距离没有明显的变化,这是因为煤油的沸点高,但实验中的温度太低,不利于煤油的蒸发,因此本实验中提高环境温度对煤油的蒸发和雾化影响不大。燃油温度对A A I喷雾也有影响,G h a s e m i等3 2则探究了不同燃油温度对喷雾形态的影响规律。发现随着燃油温度的升高,喷雾穿透度均略有增加。这是因为燃油温度越高,燃油液滴的破碎和蒸发越明显,促进了燃油与空气的相互作用。在喷雾发展过程中,液滴尺寸越小,空气阻力越小,速度越快,喷雾宽度减小,喷雾角相应减小,S M D也随之减小。4 总结本文综述了空气辅助喷射技术的研究现状,主要介绍3012 0 2 3年第5期了不同喷射件对喷雾特性的影响规律,影响燃油喷雾雾化效果的因素主要有:喷油压力、喷气压力、喷油脉宽、喷气脉宽、环境压力、环境温度等。在喷油参数不变的情况下,环境压力的升高会抑制喷雾的扩散,雾化效果变差;环境温度的提高则有利于燃油液滴的蒸发、破碎;环境条件不变时,减小喷油脉宽、增大喷气脉宽可以提升高压空气所携带的动能,从而促进液滴膨胀破碎。目前学者们的研究主要集中在空气辅助喷射器针阀打开后的喷雾形成和发展过程,因此,在未来有必要扩展对空气辅助喷射器研究在时间和空间上的宽度,进一步探索形成喷雾之前空气辅助喷射系统的喷射计量以及预混室内燃油和空气的初步耦合情况,研究空气辅助雾化喷嘴的前期预混情况及其对液滴喷雾发展的影响。参考文献:1H i r o y a s uH.S p r a yb r e a k u pm e c h a n i s mf r o mt h eh o l e-t y p en o z z l e sa n di t sa p p l i c a t i o n sJ.A t o m i z a t i o na n dS p r a y s,2 0 0 0,1 0(3-5):5 1 1-5 2 7.2S i r i g n a n oWA,M e h r i n gC.R e v i e wo f t h e o r yo f d i s t o r-t i o na n dd i s i n t e g r a t i o no f l i q u i ds t r e a m sJ.P r o g r e s si n E n e r g ya n d C o m b u s t i o n S c i e n c e,2 0 0 0,2 6(4):6 0 9-6 5 5.3S o kR,K u s a k aJ.F u e l-r e f o r m i n ge f f e c t so nag a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o ne n g i n eu n d e ral o w-t e m p e r a t u r ec o m-b u s t i o nm o d e:E x p e r i m e n t a l a n dk i n e t i c sa n a l y s e sJ.E n e r g yC o n v e r s i o na n dM a n a g e m e n t,2 0 2 2,2 5 5:1 1 5 3 0 4.4Z h a n gK,H u a n gX,X i eZ,Z h o uM.D e s i g na n do p t i-m i z a t i o no f an o v e l e l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e dh i g hp r e s s u r ef u e l i n j e c t i o ns y s t e mf o rh e a v yf u e la i r c r a f tp i s t o ne n-g i n eJ.C h i n e s e J o u r n a l o fA e r o n a u t i c s,2 0 1 8,3 1(9):1 9 2 0-1 9 2 8.5S o v a n iS D,S o j k aP E,L e f e b v r eAH.E f f e r v e s c e n ta t-o m i z a t i o nJ.P r o g r e s s i nE n e r g ya n dC o m b u s t i o nS c i-e n c e,2 0 0 1,2 7(4):4 8 3-5 2 1.6 严红,陈福振.航空发动机燃油雾化特性研究进展J.推进技术,2 0 2 0,4 1(0 9):2 0 3 8-2 0 5 8.7 杨海青,陈茂杰,黄丽萍,胡春明.夹气喷嘴瞬态喷雾的C F D仿真及试验J.航空动力学报,2 0 1 5,3 0(1 2):2 8 9 7-2 9 0 3.8Z a r e m b aM,W e i L,M a lM,W e n s i n gM,J e d e l s kJ,J c h a M.L o w-p r e s s u r e t w i n-f l u i d a t o m i z a t i o n:E f f e c to fm i x i n gp r o c e s so ns p r a y f o r m a t i o nJ.I n t e r-n a t i o n a l J o u r n a l o f 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