GDI噴油器高溫汽油的近場射流特性

楊淵博，裴毅強，任源，王志東，劉懿，呂剛

(天津大學(xué) 內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津，300072)

隨著全球機動車保有量不斷增加，石油資源短缺問題變得日益嚴(yán)峻，為提高燃油利用效率，GDI(gasoline direct injection)發(fā)動機迅速發(fā)展，直噴汽油機噴油器的噴霧特性也受到關(guān)注[1]。近年來，為改善燃油霧化效果，噴油壓力被不斷提高，在目前較先進的GDI汽油機中，噴油壓力可以達到25 MPa[2]。但是因高噴油壓力而發(fā)生的燃油“濕壁”和“池火”現(xiàn)象令GDI汽油機碳煙和顆粒物的排放較傳統(tǒng)PFI(port fuel injection)發(fā)動機更加嚴(yán)重[3]。為解決上述問題，利用高溫燃油實現(xiàn)過熱閃沸噴霧甚至超臨界射流的方法得到重視[4]。目前，對高溫汽油射流特性的研究在國內(nèi)外剛剛起步，BONAR等[5]利用陰影法研究了20 MPa噴射壓力下溫度為100~300 ℃的汽油噴入常溫常壓環(huán)境中射流的宏觀形態(tài)，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，噴霧貫穿距變小，進入超臨界態(tài)后射流表面存在劇烈的兩相擴散，蒸發(fā)速率更高，剪切層處的湍流混合更明顯。但人們沒有對近場射流特性進行深入研究。在中低溫汽油射流特性的研究中，ALEIFERIS等[6]利用激光照明陰影法在15 MPa噴射壓力下對比研究了20~180 ℃汽油分別噴入常溫常壓和常溫 0.05 MPa背壓環(huán)境中射流的遠場和近場特性，研究顯示在120 ℃和0.05 MPa的環(huán)境壓力下，宏觀上噴油器各孔噴霧尖端開始聚集，并出現(xiàn)噴霧“塌縮”現(xiàn)象。另外，在近場觀測中，發(fā)現(xiàn)液滴的蒸發(fā)速率變快，且液滴粒徑明顯變小。而對于溫度在 120 ℃以下的過冷汽油液體射流和過熱閃沸射流，張高明[7]運用雙相激光誘導(dǎo)熒光、雙色測溫法和平面激光米氏散射等技術(shù)對射流霧化和蒸發(fā)機理進行了研究，何邦全等[8]量化了單孔噴油器常溫汽油的近場噴霧特性參數(shù)。人們對噴霧馬赫盤的研究主要集中在航空航天領(lǐng)域，對于汽油領(lǐng)域的噴霧馬赫盤研究方向，目前國內(nèi)外均尚未開展。LIN等[9]通過試驗研究了高溫甲烷、乙烯混合物噴入到氮氣環(huán)境中的噴霧激波結(jié)構(gòu)及燃料在噴嘴內(nèi)部和噴孔下游的相變特性；GAO等[10]用紋影法研究了航空煤油馬赫盤位置、尺寸隨壓力和溫度的變化規(guī)律，并認(rèn)為高溫燃油射流更接近可壓縮氣體高度欠膨脹射流的特點。目前，對于超過200 ℃的高溫汽油射流特性的研究極少且集中于遠場特性。因此，本文作者針對一款商用5孔GDI直噴噴嘴，運用米氏散射技術(shù)對其進行噴霧試驗，并用微距鏡頭和高速相機細(xì)致觀測了高溫汽油射流的近場形貌，結(jié)合圖像處理技術(shù)分析高溫汽油射流馬赫盤特性。

1 試驗系統(tǒng)及方法

整個試驗系統(tǒng)如圖1所示，包括定容彈、燃油噴射系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和電控單元等，噴霧圖像由日本 Photron公司生產(chǎn)的 Fastcam SA5高速攝像機及sigma公司生產(chǎn)的微距鏡頭所拍攝，分辨率為384像素×368像素，拍攝頻率為36 000幀/s。在定容彈四周分別安裝了直徑為100 mm的圓柱形石英窗口，定容彈頂部垂直安裝了大眾集團型號為04E906036C的5孔GDI噴油器。圖2所示為用空間分辨率1 μm的X線探測器掃描得到的噴嘴結(jié)構(gòu)圖和各噴孔參數(shù)。

圖1 高溫汽油射流可視化系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of high temperature gasoline jet visualization

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖及參數(shù)Fig. 2 View and specifications of injector orifices

表1 試驗參數(shù)Table 1 Experimental specifications

試驗條件如表1所示。燃油壓力由蓄能器提供，噴油壓力范圍為0~20 MPa。加熱圈套在噴油器周圍用于加熱燃油，通過二次儀表對加熱圈的供電電壓進行PID調(diào)節(jié)來實現(xiàn)燃油溫度的精確控制。溫度傳感器黏附在噴油器頂端，每次燃油噴射后加熱保溫5~10 min，使試驗中噴油器達到熱傳導(dǎo)動態(tài)平衡，即認(rèn)為噴油器內(nèi)壁的溫度和噴油器中燃油的溫度相同。定容彈中的環(huán)境為常溫常壓。

在圖像采集過程中，為了減小噴油過程中近場噴霧圖像的隨機誤差，對每一個試驗點進行10次拍攝。利用自編的Matlab圖像處理程序，對單次噴油過程中得到的每幅圖像進行處理，首先去掉圖像的背景，通過對比判斷出合適的閾值，再將噴霧圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖。在此基礎(chǔ)上，把圖像中孤立的油滴去除，并利用最大灰度變化率提取出噴霧邊界，最后計算噴霧相關(guān)參數(shù)。

分析時采用噴油后計時 ASOI(after start of injection)方式，即將記錄的第1幅燃油噴出圖像記作ASOI為 28 μs，將其前一幅圖像記作噴油始點SOI(start of injection)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同條件下噴霧發(fā)展

當(dāng)ASOI為1 389 μs即噴霧發(fā)展中期，不同噴射壓力和燃油溫度下的噴霧形態(tài)如圖3所示。由圖3可以看出：在同一噴射壓力下，噴霧在常溫時各噴孔噴霧形狀能明顯區(qū)分，整體噴霧表面“凹凸不平”；隨著燃油溫度升高直至170 ℃，各孔噴霧形狀不再能明顯區(qū)分，整體噴霧表面變得“光滑明亮”。這是由于燃油溫度升高使得液體內(nèi)部發(fā)生相變過程，大量氣泡在連續(xù)液體內(nèi)部產(chǎn)生；當(dāng)氣泡離開噴嘴后，處于自由狀態(tài)的氣泡將急速長大，產(chǎn)生微爆現(xiàn)象(micro-explosion)[7]，劇烈的微爆讓噴霧中的液滴粒徑變小，且由于油滴粒徑變小，噴霧整體具有更強的光散射能力，因而這一階段的噴霧表面會變得“光滑明亮”。

另外，在170 ℃下，從圖3可以觀察到噴霧整體在噴嘴出口處發(fā)生明顯的膨脹現(xiàn)象。而在噴霧圖像的末端，各噴孔油束逐漸向中央?yún)R聚，噴霧整體開始“坍塌”。這是因為溫度升高令燃油閃沸效應(yīng)加強，使得各噴孔油束在噴嘴出口處膨脹變寬，且發(fā)生相互作用，整個噴霧變成結(jié)構(gòu)封閉的實心噴霧。而噴霧內(nèi)部壓力要低于外部環(huán)境壓力，令液滴向噴霧中心移動，表現(xiàn)為噴霧“坍塌”[11]。

當(dāng)燃油溫度升高到245 ℃以上后，可以觀察到液相燃油數(shù)量明顯減少，噴霧圖像部分區(qū)域顏色變淡，且產(chǎn)生了明顯的馬赫盤現(xiàn)象；當(dāng)溫度達到280 ℃時，液相燃油量進一步減少，散射光強度大幅度降低。這是因為更高的燃油溫度令液體內(nèi)部的相變過程更加劇烈，部分燃油被快速蒸發(fā)，汽油的表面張力和潛熱消失，射流接近于氣相噴射。

在同一燃油溫度下，隨著噴射壓力升高，整體噴霧表面“凹凸不平”的現(xiàn)象更加明顯，在 170 ℃時，5 MPa噴射壓力下各孔噴霧形態(tài)已經(jīng)無法區(qū)分，噴霧整體變得“光滑明亮”，但 15 MPa噴射壓力下噴霧的“凹凸不平”仍然清晰可見。另外在245 ℃和280 ℃時，可以觀察到高噴射壓力下的噴霧液態(tài)燃油量要明顯多于低噴射壓力下的噴霧液態(tài)燃油量。

為了更加清楚地觀測燃油溫度升高對射流粒徑的影響，將同為10 MPa噴射壓力下不同溫度的噴射結(jié)束階段噴霧圖像進行對比，如圖4所示。從圖4可見：常溫時，噴嘴出口處清晰可見斷裂的油束和較大的油滴，燃油溫度升高后，噴霧結(jié)束段的噴霧變得連續(xù)，油滴粒徑明顯變小。

圖3 不同條件下近場噴霧圖像(ASOI為1 389 μs)Fig. 3 Near filed spray images under different situations at ASOI of 1 389 μs

圖4 10 MPa噴射壓力不同溫度下近場射流圖像(噴射結(jié)束階段)Fig. 4 Near filed spray images under 10 MPa injection pressure at different temperatures (the end of injection phase)

這一現(xiàn)象與 BONAR等[5]在高溫汽油粒徑測量實驗中得到的結(jié)果一致，并且可以推斷：提高燃油溫度能夠解決由噴油器燃油尾噴帶來的內(nèi)燃機排放問題。

2.2 不同條件下噴霧膨脹角變化

對上述提到的噴嘴出口處射流膨脹現(xiàn)象進行定量分析，膨脹角定義，示意圖如圖5所示。在提取噴霧圖像和噴油器的邊界曲線后得到交點A和C并作出2條噴霧邊界曲線的切線AB和CD，則這2條直線間的夾角即為該時刻的噴霧膨脹角。

圖5 近場噴霧膨脹角定義Fig. 5 Definition of near filed spray expansion angle

圖6所示為噴霧中期(ASOI為1 389 μs)不同噴射壓力和燃油溫度下噴霧膨脹角和膨脹率。為便于分析，根據(jù)噴霧膨脹角的變化特征，將燃油溫度分為低溫區(qū)(25~85 ℃)、中溫區(qū)(85~170 ℃)和高溫區(qū)(170~245 ℃)。

圖6 不同條件下的膨脹角和膨脹率(ASOI=1 389 μs)Fig. 6 Expansion angle and expansion rate under different situations at ASOI of 1 389 μs

從圖 6(a)可以看出：不同噴射壓力下的噴霧膨脹角整體變化趨勢均為在低溫區(qū)基本保持不變，穿過中溫區(qū)時急速增加，到高溫區(qū)后逐漸趨于平緩。噴霧膨脹角在中溫區(qū)體現(xiàn)快速增長的變化趨勢主要是因為氣泡微爆的發(fā)生。由于燃油液體內(nèi)部相變產(chǎn)生的氣泡在噴孔出口處長大并發(fā)生微爆，加強了液滴與周圍介質(zhì)氣動作用，液滴獲得徑向動量并向外擴散，整體噴霧邊緣向外膨脹[12]。從圖6(b)同樣可以看出：中溫區(qū)間內(nèi)膨脹率在125 ℃達到峰值，3種噴射壓力下的膨脹率峰值依次為39.0%，37.1%和42.7%。

根據(jù)燃油所處的熱力學(xué)狀態(tài)在壓力?溫度相圖中對各區(qū)域的射流過程進行示意，如圖7所示。從圖7可見：低溫區(qū)汽油在整個射流過程中的壓力要始終高于其飽和蒸氣壓，不發(fā)生相變過程，則不存在氣泡微爆效應(yīng)為噴霧提供動量，因此，低溫區(qū)的噴霧膨脹角基本維持常溫汽油噴霧錐角不變。低溫區(qū)的膨脹率曲線也在膨脹率為0附近輕微波動。

圖7 不同條件下射流過程在相圖中的示意圖Fig. 7 Schematic phase diagram of injection processes under different situations

當(dāng)燃油溫度進入高溫區(qū)后，氣相汽油含量快速增長，雖然會一定程度增加氣泡微爆效應(yīng)，但由于噴嘴流道的液態(tài)汽油減少，使得噴孔處的靜壓力也快速變小，當(dāng)燃油噴出后，噴霧邊緣向內(nèi)收縮來平衡靜壓力的變化，膨脹角會有減小的趨勢[13]。這種現(xiàn)象令噴霧膨脹角快速增長的變化趨勢變慢，逐漸趨于平緩。同樣的特性在圖6(b)中的膨脹率曲線有所反映。

另外，在中溫和高溫區(qū)，處于同一溫度時，較高噴射壓力下的噴霧會有更大的膨脹角，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因同樣是因為高噴射壓力令噴孔處的靜壓力變大，噴霧膨脹角會隨著噴射壓力的提高而增大。

2.3 不同條件下噴霧馬赫盤變化

試驗中，在燃油溫度升高到一定值后，各個噴射壓力下的射流在噴孔下游均出現(xiàn)了明顯的馬赫盤現(xiàn)象。為了更加清楚地說明本實驗得到的結(jié)果，通過高度欠膨脹自由射流的近場流動結(jié)構(gòu)示意圖[8]對本實驗馬赫盤結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)進行定義，如圖8所示。馬赫盤是超聲速射流在發(fā)展過程中產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，射流在擴散至低壓的大氣中后形成膨脹波，膨脹波擴散至射流邊緣并反射較微弱的壓縮波，這些壓縮波匯聚在射流內(nèi)部形成攔截沖擊，將其定義為桶狀激波。在距噴孔一定距離處產(chǎn)生輕微的弧狀激波稱之為馬赫盤，它與射流軸線基本垂直并與桶狀激波相交，產(chǎn)生2道斜向的反射沖擊，將其定義為斜激波。

圖8 欠膨脹射流結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 8 Schematic of under expanded jet

為了避免噴油器各束噴霧間的互相干擾，詳細(xì)分析馬赫盤形態(tài)結(jié)構(gòu)并深入研究馬赫盤隨溫度壓力等因素的變化規(guī)律。本實驗將噴油器側(cè)置安裝，使用金屬黏合劑改造5孔噴油器得到單孔噴油器，其余參數(shù)與原5孔噴油器完全相同，并重新進行圖像采集。圖9(a)所示為在10 MPa噴射壓力，275 ℃燃油溫度時得到的單孔噴霧馬赫盤圖像，從圖 9(a)可以看到馬赫盤、桶狀激波和2道斜激波。所涉及的馬赫盤參數(shù)定義示意圖如圖 9(b)所示，包括噴孔直徑DI、馬赫盤弧長LM以及馬赫盤到噴孔的距離XM。為了消除不同噴孔尺寸對實驗結(jié)果的影響，對馬赫盤弧長LM和馬赫盤到噴孔的距離XM分別進行量綱一化處理，并定義量綱一馬赫盤大小L=LM/DI、量綱一馬赫盤位置X=XM/DI。

圖9 單孔噴霧馬赫盤圖像(10 MPa，275 ℃)及其參數(shù)定義示意圖Fig. 9 Mach disk spray images of single injector at 10 MPa injection pressure, 275 ℃ gasoline temperature and its definition of Mach disk parameters

圖10所示為在10 MPa和15 MPa 2種噴射壓力下，燃油溫度對量綱一馬赫盤大小L的影響。從圖10可以看出：2種噴射壓力下量綱一馬赫盤大小整體上均隨著燃油溫度升高而增大。這是因為在相同的噴射壓力下，燃油溫度提高，不斷增強的氣泡微爆效應(yīng)令射流的擴散性同樣增強，射流邊緣向外膨脹，馬赫盤相應(yīng)變大。

在燃油溫度相同的條件下，量綱一馬赫盤大小隨著噴射壓力的增大而增大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著噴射壓力的提高，噴嘴出口的靜壓力提高，使得射流膨脹能力更強，射流邊緣向外擴張，馬赫盤因此變大。

圖10 不同條件下的量綱一馬赫盤大小(ASOI=1 389 μs)Fig. 10 Dimensionless Mach disk size under different situations at ASOI of 1 389 μs

圖11所示為在3種噴射壓力下，燃油溫度對量綱一馬赫盤位置X的影響。從圖11可以看出：在3種噴射壓力下，隨著燃油溫度升高，量綱一馬赫盤位置均在小范圍之間波動變化，這說明量綱一馬赫盤位置與燃油溫度無關(guān)，這與LIN等[14]研究甲烷/乙烯混合物噴射到氮氣環(huán)境中得到的實驗結(jié)果一致。

在溫度相同下，射流的量綱一馬赫盤位置隨著噴射壓力的增大而增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在相同的燃油溫度下，噴射壓力增加，噴嘴出口處的靜壓力增加，射流邊緣必須向外延伸來平衡內(nèi)部壓力的提高，這樣，馬赫盤的位置必然會遠離噴嘴出口。

圖11 不同條件下的量綱一馬赫盤位置(ASOI=1 389 μs)Fig. 11 Dimensionless Mach disk position under different situations at ASOI of 1 389 μs

3 結(jié)論

1)隨著燃油溫度升高，噴嘴出口處的燃油射流向外膨脹，射流中段向內(nèi)塌縮；當(dāng)燃油溫度達到一定數(shù)值后，在噴嘴附近的射流出現(xiàn)馬赫盤現(xiàn)象。高溫汽油射流受內(nèi)部相變產(chǎn)生的氣泡微爆效應(yīng)影響，與常溫汽油射流相比油滴粒徑更小。

2)在相同噴射壓力下，低溫區(qū)汽油射流膨脹角基本與常溫射流錐角保持不變，在進入中溫區(qū)后快速增大，到高溫區(qū)逐漸趨于平緩；膨脹率隨燃油溫度變化曲線呈現(xiàn)單峰特性。在相同燃油溫度下，膨脹角隨著噴射壓力的提高而增加。

3)在相同噴射壓力下，量綱一馬赫盤大小均隨著燃油溫度的升高而增加；量綱一馬赫盤位置受燃油溫度的影響不太明顯。在相同燃油溫度下，量綱一馬赫盤大小、量綱一馬赫盤位置均隨著噴射壓力的升高而提高。

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