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1、3 1 2 十日内燃m 台2 0 0 8 印 术q 会g 率机* o 女月= 学术年会论i 集 空气流速对附壁油膜分布影响的试验研究 程用胜陆振华邓康耀杨延平 上海史通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海2 0 0 2 4 0 摘；采用澈诱导荧光拄术研究T 女气漉建对燃m 壁形成的附壁油膜厚度= 维讣布的# 响。同时采月 c c “机E 录T 由膜m 状* 度H 职变化。结果表明随着 气流速的增m 油麒形状从图形变成椭目形， 目目月度m m 、i 气m 建的增，乖直f $ 气* 自A 自m K 度# m 。当孛气m 建低fI Om ， ”m 女i 气m A 的增加* 空气流动方自L m *
2、 m m ，腆日a 碱小。但当气漉遣镕壤增加“ I 一s “L W * # i m 自j 向j 。瞻k 膜m H # e # 聋气m 建增 口m * ， * 键：浦膜厚度；喷射q 气流a 进气道喷射汽油机玲启动时，油膜附着在进 气道、进气阀、活塞和缸套的缝隙中会造成燃烧不 完全，导致H C 排放高。喷射参数( 包括喷射距 离、喷射角度、喷油脉宽等) 、壁面温度、进气涡流 速度等都会影响附壁油膜的厚度。国内外学者在 相盖领域做过大量的研究。 周外方面，蜘n d a 等采用激光诱导荧光技j ；1 之研 究r 不同喷射参数对半板附壁油膜厚度二维分布 的影响。A l m k v i a t 等采用激光
3、诱导荧光技术直接 在汽油机的进气道上测量了附壁油膜的厚度。他 们发现，汽油机温度较低时，附壁油膜厚度框大。 当冷却液温度从3 0 升到9 0 时。油膜厚度会 下降5 0 以上。5 - h e n 和H a u g 在模型进气管里 观察了有空气流速时附壁油膜的发展过程。他们 发现，随着进气流速增加，附壁油膜的最会下降。 S t e i n b r e n n e r 等测量了不同空气流速下水膜厚度的 发展过程。他们发现，水膜的厚度随空气流速的 增加非线性F 降。M n 等研究了空气流动对燃 油喷雾特性的影响| S t a n t o n 和R u t l a n d 8 a i 和 C , o
4、s m a n 以及H a r t 和x u 都采用油膜模型数值研究 了燃油碰壁后的附壁油膜。 国内方面，息树和等以及何旭等研究了空气 运动对柴油油束碰壁过程的影响。作为真实汽油 机上油膜附壁过稗的一个基础研究，上海交通大 学采用激光诱导荧光技术研究了不同喷射参数下 平扳附壁油膜的发展过程及附壁油膜厚度的二维 分布规律。 率艾是在文献丁作的基础上研究空气流动 对平板附蛙油膜二维分布的影响，为汽油机冷启 动时，通过进气流速米减少附壁油膜从而改善尾 气排放进行一些基础性的研究探索。 1 实验装置 在文献采用激光诱导荧光技术测量平板附壁油 膜厚度光略装置的基础上，增加了吹风装置。实验装 置光路罔如阿
5、1 所示，吹n 0 装置如图2 所示。 圈1 宴验装路目 在吹“ 【装置巾，风机输出的风速水平从左向 右，风向与喷油方向垂直。整个风道分为测量段、 收缩段和稳定段。在删置段内，通过热电偶测量 风道内空气的温度。通过u 形管测最节流件前后 的压差，从而可以求出风道内的流量。收缩段起 着趴测量段过渡到稳定段的作用。在稳定段安装 有蜂窝器和整流网。蜂窝器对气流起导向作用 减小气流偏角，降低气流的横向湍流度。整流网 作者简介：& 用( 1 9 7 4 ) ，男，博十* ；究方自：动机n 能与排放控制 空气流速对附壁油膜分布影响的试验研究 3 1 3 可以衰减漩涡，降低气流的轴向湍流度，并且可以 均匀气
6、流流速。通过改变风机上变压器的电压， 可以调节风机的流量，从而调节空气流速。 图2 风道示意图 2 实验结果与分析 2 1 空气流速对油膜厚度分布的影响 喷嘴向平板垂直喷射异辛烷和3 一戊酮所组 成的混合溶液。异辛烷与汽油的物理性质相近， 3 一戊酮是一种荧光剂。不同温度下，3 一戊酮与 异辛烷的蒸发压力相似。喷嘴离石英平板的垂直 距离为3 0m m ，喷油脉宽4I l l s ，喷油压力为3 0 0 k P a 。图3 给出了风速分别为5m s ，1 0 m s ，1 5 m s 时的平板附壁油膜厚度分布。测量时刻为喷 油结束后1 0m s 。 图3 中横坐标X 轴平行于风向，纵坐标l ，轴
7、 垂直于风向。横坐标和纵坐标显示了距离喷油中 心点的水平距离和垂直距离。图中等值线上的无 量纲数值代表了油膜厚度，单位为微米。 从图3 可以看出，当风速为5m s 时，油膜中 较厚区域靠近喷油中心，略微向风向的下游移动 了一点。油膜厚度分布较为集中，在油膜较厚区 域以外，油膜厚度很小。当风速增加到1 0m s 时，油膜较厚区域沿着风向移向下游，远离喷油中 心。和风速为5m s 时相比较，油膜较厚区域扩 大，油膜厚度减小。当风速继续增加到1 5m s 时，油膜几乎全部分布在喷油中心右侧风向下游 处。油膜较厚区域的范围更加扩散，油膜厚度 更小。 从图3 不同风速下附壁油膜厚度二维分布可 以看出，空
8、气流动对油束喷雾和碰壁后飞溅的燃 油有很强的吹拂和吹散作用。空气流动使大量油 滴飞离喷雾油束，并且加快了燃油的蒸发，从而使 附壁油膜厚度减小。 图4 给出了不同风速下喷油中心点油膜厚度 X I - l 帆 ( a ) g 姜 X t m m ( b ) 五m m ( c ) 图3 不同风速下附壁油膜厚度二维分布 ( a ) 风速：5m s ；( b ) 风速i 1 0m s ；( c ) 风速：1 5m s ； 及最大油膜厚度。从图4 可以看出，随着风速的 增加，油膜厚度减小的趋势在加快。这是因为风 速增加后，燃油粒子与空气之间的相互作用加强， 燃油蒸发加剧。受周围空气风速加大影响，燃油 粒子
9、速度也随之增大。韦伯数取与速度的平方 成正比，韦伯数增大得更快，从而加剧了燃油粒子 与壁面之间的碰撞和燃油粒子的飞溅，燃油二次 3 1 4十目f q # m 学22 0 a 8 年学术年仑g 功率* ；田g 丹2 M = 幔g 卉 m 午会t 女集 霹化加强。E 溅后的燃油粒子破加大后的风速吹 散月，使附壁油膜厚度加速减小。 22 空气流速对油膜中心位置的影响 同5 给出了不同风速下油膜巾心的横坐标位 置。从凹5 可以看，随着风速的增加，油膜中心 沿风向下游移动得越来越远汕膜中心移动的速 度越来越快，这是因为，随着风速的增加碰壁燃 f | 1 的二状雾化加剧。E 溅后油滴受加大风速的吹 拂作辟
10、l 加强沿M 向下游移动，距喷油巾心越来越 远移动越来越快， H i ，f m 5 H 遣f m 膜中。横标 23 空气流速对油膜形状的影响 罔6 给出了不同风速下南C C D 摄像机所拍 摄的油膜阿像。肖风速为0 m s 和5m s 时讷膜 固像近似成圆形。当风速增加到1 0m s 以上时， 油膜图像近似成椭圆形。沿风向油膜长度较大 而垂直于风向油膜长度较小。从不同风速下的讷 膜图像也可看出空气流动对油柬和附壁油膜的吹 拂作用。 油束碰壁后，滑平板壁面扩展的射流受到摩 擦力和周罔窄气的卷吸作用，建度减慢。环境气 用F F l r 节 j 苫：+ 、0 翻l I I 簟 ( d ) 目6f 目
11、风建T 的油瞄目像 ( 8 ) m 4 ：ot l 5 ( b ) 风建：5m z ( c ) 风4 ：1 0m s ；( d ) 风磕- 1 5r o s 24 空气流速对油膜长度的影响 图7 给出了不同风速下油膜长度随时间的发 黼_ 夏瑞= 空气流速对附壁油膜分布影响的试验研究 3 1 5 展历程。图中横坐标。蝴，一t 是指喷油结束后的 时间。其中，t A S O I 是指喷油开始后的时问，t 为喷 油脉宽。从图7 可以看出，喷油结束后，随着平板 上燃油量的堆积，油膜长度逐渐增大。到喷油结 束8m s 后，空间上的油束已经全部堆积于石英平 板上。此后，油膜长度不再增加。相反，由于燃油 的蒸
12、发作用，油膜长度略有下降。 在垂直于风向上，随着风速的增加，燃油雾化 和蒸发加强，油膜长度减小。在沿着风向的方向 上，当风速小于1 0m s 时，随着风速的增加，油膜 长度减小。但当风速增加到1 5m s 时，油膜长度 不再继续减小，相反地，油膜长度开始增大。可 见，当风速增大到一定程度时，由于空气流动对附 壁油膜的吹拂作用较大，克服了石英平板对附壁 油膜的粘附以及油膜的表面张力，使得油膜长度 顺风向增大。 E 世 业 毯 察 02J 嚏681 0 t A sO I t I n j ，mS ( a ) 0 2 4681 0 t As O I 。f h j ，ms ( b ) 图7 不同风速下油
13、膜长度随时间的发展历程 ( a ) 垂直于风向的油膜长度；( b ) 沿风向的油膜长度 2 5空气流速对油膜面积的影响 图8 给出了不同风速下油膜面积随时间的发 展历程。图8 中的横坐标为喷油结束后的时间。 从图8 可以看出，喷油结束后，随着油束喷向石英 平板，油膜面积逐渐增大。在喷油结束8m s 后， 空间上没有油束，平板上的附壁油膜面积不再增 加，相反，由于燃油的蒸发作用，油膜面积随时间 略微减小。 当风速小于1 0m s 时，随风速的增加，燃油雾化 和蒸发加强，附壁油膜面积减小。但当风速增加到 1 5m s 以上时，风速对油膜的吹拂作用克服了石英 平板对油膜的粘附作用以及油膜的表面张力，
14、油膜沿 风向长度增加，相应地，油膜面积也增加。 N E 娶 喧 摧 震 O 2 t A I I m s 图8 不同风速下油膜面积随时间的发展历程 3 结论 本文采用激光诱导荧光技术测量了不同风速 下油雾碰壁后平板附壁油膜的二维分布，得出了 以下一些结论。 ( 1 ) 随风速增加，平板上附壁油膜较厚区域顺 风向移向下游，同时油膜较厚区域面积增加，油膜 厚度减小； ( 2 ) 随风速增加，油膜厚度减小得越来越快， 油膜中心顺风向下游移动越来越快； ( 3 ) 随风速增加，油膜形状从圆形过渡到椭圆 形；燃油二次雾化加强，有利于燃油与空气的 掺混； ( 4 ) 随风速增加，垂直于风向上的油膜长度 减小
15、： ( 5 ) 当风速小于1 0m s 时，油膜面积和沿风 向的油膜长度随风速增加而减小。当风速增加到 1 5m s 以上时，油膜面积和沿风向的油膜长度随 风速增加而增大。 佰 佗 伸 8 6 4 2 o E山越半毯樱 佰 住 伯 8 6 2 o 3 1 6 中国内燃机学会2 0 0 8 年学术年会暨大功率柴油机分会六届二次联合学术年会论文集 参考文献 1 S e n d aJ ，O h n i s h iM ，T a k a h a s h iT ，e ta 1 M e a s u r e m e n t a n dm o d e l i n go nw a l lw e t t e df
16、u e lf i l mp r o f i l ea n dm i x t u r e p r e p a r a t i o ni ni n t a k ep o r to fS Ie n g i n e S A EP a p e r1 9 9 9 - 0 l - 0 7 9 8 ，1 9 9 9 2 A l m k v i s tG ，D e n b r a t tI ，J o s e f s s o nG ，e ta 1 M e a s u r e m e n t so ff u e lf i l mt h i c k n e s si nt h ei n l e tp o r to fa nS Ie n s i n eb yl a s e
