燃油噴射壓力對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴霧特性的影響

錢丁超，段加全，劉耀東，王振喜，陳海娥，宮艷峰

(中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司研發(fā)總院，吉林 長(zhǎng)春 130011)

缸內(nèi)直噴技術(shù)由于在降低燃油消耗和控制排放物方面具有很大的潛力，被廣泛應(yīng)用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]。無論是氣流引導(dǎo)還是噴霧引導(dǎo)的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃油噴射過程都是混合氣形成的重要組成部分，決定了缸內(nèi)混合氣的形成質(zhì)量與分布，從而進(jìn)一步影響燃燒過程的組織[3-4]。

圍繞汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射過程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程人員已經(jīng)開展了大量研究工作。N. Mitroglou等[5]使用激光多普勒(Phase Doppler Anemometry，PDA)技術(shù)在高壓定容彈內(nèi)對(duì)多種結(jié)構(gòu)形式的多孔缸內(nèi)直噴噴油器的貫穿距、液滴速度和粒徑分布等噴霧特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，定容彈背壓對(duì)油滴直徑有顯著的影響，隨著背壓的增大，油束貫穿距變小，油滴直徑變大；當(dāng)燃油噴射壓力從8 MPa提高到12 MPa，再提高到20 MPa時(shí)，噴霧液滴速度變大，液滴直徑減小。Graham Wigley[6]等采用LDA/PDA和圖像分析方法對(duì)某旋流噴油器噴孔附近區(qū)域的噴霧流場(chǎng)進(jìn)行了研究，燃油噴射壓力為5 MPa，噴油持續(xù)期為0.85 ms。結(jié)果表明，在不同的時(shí)間段燃油噴霧展現(xiàn)出不同的特性，0.58 ms后噴霧錐角開始形成，0.98 ms后噴霧各測(cè)量方向的速度達(dá)到最大值，1.4 ms后噴霧開始坍縮，1.5 ms后噴霧開始從噴嘴分離。范錢旺等[7]采用高速陰影攝像技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術(shù)研究了撞壁距離與撞壁角度對(duì)撞壁噴霧索特平均直徑(Sauter Mean Diameter，SMD)、壁面油膜厚度以及壁面油膜面積的影響。結(jié)果表明，撞壁距離與撞壁角度對(duì)撞壁噴霧影響顯著，存在最佳的撞壁距離與撞壁角度。陳海娥[8]等通過模擬計(jì)算的方法對(duì)某缸內(nèi)直噴汽油機(jī)進(jìn)行噴霧標(biāo)定，并研究了噴霧錐角、噴孔布置對(duì)混合氣均勻性的影響。結(jié)果表明，調(diào)整噴霧錐角與噴孔布置可以使直噴汽油機(jī)缸內(nèi)混合氣分布更加均勻，減少HC排放與循環(huán)間扭矩變動(dòng)。

目前，市場(chǎng)上量產(chǎn)直噴汽油機(jī)的最大燃油噴射壓力大多在20 MPa以下[9]，針對(duì)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧的研究也大多采用20 MPa以下的噴射壓力。而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的更新，燃油噴射壓力有不斷提高的發(fā)展趨勢(shì)[10-11]，因此有必要對(duì)更高噴射壓力下的噴霧特性與缸內(nèi)混合氣形成情況，以及噴射壓力提高帶來的影響變化進(jìn)行研究。本研究采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法，建立了定容燃燒彈內(nèi)的自由噴霧模型和發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)冷態(tài)燃油噴射模型，對(duì)不同噴射壓力下的噴霧特性以及缸內(nèi)噴霧發(fā)展、混合氣形成過程進(jìn)行了研究。該研究結(jié)果可以為汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)值計(jì)算模型

1.1 研究方法

本研究基于計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CD，分別建立了定容彈和發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)冷態(tài)流動(dòng)下的兩種燃油噴射過程模型。定容彈數(shù)值計(jì)算模型的模擬環(huán)境和邊界條件與噴霧特性測(cè)試相同，可用于噴霧模型的驗(yàn)證，且在定容彈內(nèi)不存在活塞壓縮和進(jìn)排氣造成的湍流運(yùn)動(dòng)、溫度和壓力的變化，適于進(jìn)行噴霧過程基礎(chǔ)特性的研究。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃油噴射過程的數(shù)值計(jì)算模型根據(jù)一維CFD軟件的計(jì)算結(jié)果來設(shè)置邊界條件和初始條件，以獲得實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)混合氣形成過程的相關(guān)參數(shù)。

本研究首先建立定容彈內(nèi)冷態(tài)自由噴霧模型，利用噴霧特性測(cè)試對(duì)噴霧仿真模型進(jìn)行校核與模型有效性驗(yàn)證。通過噴霧特性測(cè)試獲得噴油器流量特性、貫穿距、噴霧圖像、粒徑分布等宏觀和微觀特性，以此作為噴霧模型標(biāo)定的初始條件和參照。進(jìn)行噴霧數(shù)值模擬時(shí)建立與試驗(yàn)環(huán)境條件相同的定容彈模型，將仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，反復(fù)調(diào)整噴霧相關(guān)模型設(shè)置，直至模擬所得噴霧的基本特征與測(cè)試結(jié)果接近，其誤差在可接受范圍內(nèi)時(shí)即認(rèn)為此時(shí)噴霧模型參數(shù)設(shè)置可以最為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際噴霧。隨后基于經(jīng)過驗(yàn)證的噴霧模型，在定容彈內(nèi)無噴霧撞壁的條件下仿真分析噴油壓力對(duì)噴霧形態(tài)、貫穿距和索特平均直徑等宏觀和微觀參數(shù)的影響。最后考慮發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，結(jié)合噴霧模型和缸內(nèi)流動(dòng)仿真，研究無點(diǎn)火情況下的燃油噴射和混合氣形成動(dòng)態(tài)過程。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

在模擬自由噴霧時(shí)，使用的定容彈模型幾何尺寸和實(shí)際噴霧特性試驗(yàn)所用定容彈相近，并作適當(dāng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后模型見圖1a。為兼顧計(jì)算精度與計(jì)算速度，更便于缸內(nèi)計(jì)算，噴霧區(qū)域采用1 mm網(wǎng)格尺寸，其余區(qū)域采用2 mm網(wǎng)格尺寸。定容彈頂面定義為絕熱邊界，定容彈側(cè)面和底面定義為壓力邊界，定容彈內(nèi)初始?jí)毫?.1 MPa，空氣溫度為293 K，燃料溫度為296 K。在進(jìn)行缸內(nèi)流動(dòng)噴霧模擬時(shí)，使用某2.0 L缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)來進(jìn)行研究，其網(wǎng)格模型見圖1b。使用GT-Power軟件的計(jì)算結(jié)果來設(shè)定壁面溫度,進(jìn)排氣的流量、溫度和壓力等邊界條件和初始條件。為了減小進(jìn)氣量的計(jì)算誤差，進(jìn)氣道入口采用質(zhì)量流量動(dòng)態(tài)邊界，排氣道出口采用壓力動(dòng)態(tài)邊界。進(jìn)排氣道的動(dòng)態(tài)邊界見圖2。

在進(jìn)行CFD仿真時(shí)需要合理地選擇模型及其相關(guān)設(shè)置參數(shù)。選擇κ-ε/RNG模型模擬湍流流動(dòng)，選擇拉格朗日多項(xiàng)流模型處理氣液兩相計(jì)算問題，其中初次破碎子模型使用Hiroyasu模型， 二次破碎子模型使用Schneider-obermeier模型，液滴撞壁子模型采用Bai模型。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格模型

圖2 模擬計(jì)算動(dòng)態(tài)邊界

2 噴霧模型標(biāo)定與驗(yàn)證

2.1 噴霧特性評(píng)價(jià)參數(shù)

本研究使用噴霧錐角、噴霧貫穿距、索特平均直徑這3個(gè)參數(shù)來定量地評(píng)價(jià)噴霧特性。

在油束形狀相對(duì)穩(wěn)定后，獲取某時(shí)刻噴霧圖像，將噴霧輪廓單側(cè)上距離出油點(diǎn)垂直距離5 mm和10 mm的點(diǎn)進(jìn)行連線，兩側(cè)輪廓連線的夾角即定義為該視圖下的噴霧錐角。由于該多孔噴油器油束并非中心對(duì)稱布置形式，故對(duì)兩個(gè)角度視圖的噴霧錐角進(jìn)行測(cè)量(見圖3)。噴霧貫穿距定義為噴霧輪廓在噴油器軸線方向最遠(yuǎn)處與噴油器出油點(diǎn)間的垂直距離，圖4中z即為噴霧貫穿距。

圖3 噴霧錐角參數(shù)定義

圖4 貫穿距參數(shù)定義

索特平均直徑(SMD)用以量化地分析燃油霧化程度，其物理意義是油滴群總體積與總表面積的比值，表達(dá)式如下[12]：

(1)

式中：Ddi為油滴群中第i個(gè)油滴的直徑；Ni為直徑為Ddi的油滴數(shù)。

2.2 噴霧模型標(biāo)定結(jié)果

本研究使用15 MPa噴射壓力下的噴霧特性測(cè)試試驗(yàn)獲取的自由噴霧形態(tài)發(fā)展圖像、噴霧貫穿距隨時(shí)間的變化以及距離出油點(diǎn)30 mm平面處的SMD數(shù)值對(duì)噴霧模型設(shè)置進(jìn)行校核。由于定容彈視窗在噴霧發(fā)展方向的長(zhǎng)度為50 mm，在噴油過程后期，油束前端超出了視窗范圍，因此僅對(duì)噴油開始后0.8 ms內(nèi)的噴油過程進(jìn)行校核。

考慮到噴油器打開過程存在機(jī)械延遲，將噴油器出油時(shí)刻定為0時(shí)刻，噴霧時(shí)刻以ASOF(After start of fuel)表示。取0.8 ms ASOF時(shí)刻的噴霧圖像測(cè)量噴霧錐角，該時(shí)刻下試驗(yàn)噴霧圖像和仿真所得噴霧形態(tài)分別如圖5a和圖5b所示，噴霧錐角數(shù)值如表1所示。經(jīng)對(duì)比可見，仿真所得噴霧各個(gè)油束的發(fā)展情況以及噴霧的外形輪廓都與實(shí)際圖像較為接近，且如實(shí)地模擬出了單個(gè)油束中間油滴密集、外圍油滴分布稀疏的分布規(guī)律。

圖5 0.8 ms ASOF時(shí)刻噴霧形態(tài)

噴霧錐角α1/(°)α2/(°)試驗(yàn)值57.941.9仿真值61.440.7

15 MPa噴射壓力下油束貫穿距隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖6。由圖可見，隨著燃油噴射過程的進(jìn)行，油束貫穿距呈迅速增大的趨勢(shì)，噴射初期仿真所得貫穿距略高于試驗(yàn)值，但在后期與試驗(yàn)值逐漸趨于一致，說明標(biāo)定后的噴霧模型仿真所得的貫穿距與試驗(yàn)值基本吻合。對(duì)噴油持續(xù)期內(nèi)距離出油點(diǎn)30 mm處的SMD數(shù)值取平均值，將仿真結(jié)果和噴霧特性測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真值為17.6 μm，試驗(yàn)值為17.0 μm，誤差為3.5%，兩者較為接近。

圖6 油束貫穿距對(duì)比

通過以上分析可以看出，仿真結(jié)果的噴霧形態(tài)、噴霧貫穿距和SMD這些參數(shù)與噴霧特性測(cè)試實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，說明此噴霧數(shù)值計(jì)算模型可以模擬實(shí)際燃油噴射過程。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 燃油噴射壓力對(duì)自由噴霧特性的影響

為了研究燃油噴射壓力對(duì)噴霧特性的影響，分別模擬了定容彈內(nèi)燃油噴射壓力為5 MPa，15 MPa，25 MPa和35 MPa的燃油噴射過程，噴油持續(xù)期均為3 ms。

圖7示出了燃油噴射壓力對(duì)噴霧貫穿距的影響。由圖可見，噴油壓力越大，相同時(shí)刻下的噴霧貫穿距越大，這是由于噴油壓力越高，從各個(gè)噴孔流出燃油的初始速度越大，噴霧的動(dòng)量也越大，有利于噴霧的快速發(fā)展。當(dāng)燃油噴射壓力從5 MPa增加到25 MPa時(shí)，同一時(shí)刻下的貫穿距增加較為明顯，而當(dāng)噴油壓力繼續(xù)增加到35 MPa時(shí)貫穿距增加幅度變小。這是由于噴射壓力繼續(xù)增大時(shí)，環(huán)境氣體對(duì)噴霧的阻力也大大增加，抵消了一部分噴油壓力增高帶來的作用。

圖7 噴射壓力對(duì)自由噴霧貫穿距的影響

圖8示出不同燃油噴射壓力下油束SMD隨時(shí)間的變化。由圖可見，噴油壓力越高，噴霧的索特平均直徑越小，這是由于噴油壓力越高，初始的噴射速度就越高，油滴與空氣間的相對(duì)速度越大，液滴與周圍氣體的相互作用越劇烈，促進(jìn)了液滴破碎。這說明較高的噴射壓力可以促進(jìn)燃油液滴的霧化破碎。圖9示出不同噴射壓力下離噴孔出口30 mm平面處SMD隨時(shí)間的變化，噴油持續(xù)一段時(shí)間后SMD趨于穩(wěn)定，這是由于此時(shí)噴霧貫穿距已遠(yuǎn)大于30 mm，靠近出油孔附近的噴霧已發(fā)展到較為穩(wěn)定的階段，主要是噴霧末端還在繼續(xù)發(fā)展。

圖8 噴射壓力對(duì)油束整體索特平均直徑的影響

圖9 噴射壓力對(duì)出油點(diǎn)30 mm處索特平均直徑的影響

圖10示出噴霧遠(yuǎn)端速度。由圖可見，噴油初始階段的噴霧遠(yuǎn)端速度較大，隨后逐漸降低，這是由于燃油液滴在缸內(nèi)受到空氣阻力的作用，遠(yuǎn)端噴霧的動(dòng)量逐漸降低。噴油壓力越高，初始階段噴霧遠(yuǎn)端速度越大，速度下降幅度也越大，說明射流和空氣間的相互作用更加劇烈。

圖10 噴射壓力對(duì)噴霧遠(yuǎn)端發(fā)展速度的影響

3.2 燃油噴射壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成的影響

選擇某型號(hào)2.0 L四缸缸內(nèi)直噴汽油機(jī)作為仿真研究平臺(tái)，對(duì)其1 500 r/min、全負(fù)荷工況下的缸內(nèi)燃油噴射過程進(jìn)行研究，燃油噴射壓力仍分別為5 MPa，15 MPa，25 MPa和35 MPa，并以相同工況下無噴油的冷態(tài)流動(dòng)仿真結(jié)果作為對(duì)照。以壓縮上止點(diǎn)為0°，計(jì)算從270°開始，到760°結(jié)束，噴油時(shí)刻為420°。

3.2.1對(duì)缸內(nèi)噴霧特性的影響

在相同工況下每缸每工作循環(huán)的燃油噴射量相同，噴油壓力越高，燃油噴射速率就越大，相應(yīng)的噴油持續(xù)期就越短。燃油噴射量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化見圖11。當(dāng)燃油噴入氣缸后明顯受到缸內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)的影響，呈現(xiàn)出與定容彈內(nèi)自由噴霧不同的形態(tài)。圖12示出不同噴油壓力下的燃油噴射過程，燃油噴入氣缸后貫穿距持續(xù)增大，噴霧前端液滴隨著滾流運(yùn)動(dòng)迅速擴(kuò)散。當(dāng)噴油壓力較小時(shí)，缸內(nèi)噴霧如圖12a和圖12b所示，由于進(jìn)氣沖程活塞下行，且油束貫穿距增長(zhǎng)速度較慢，油束液核部分沒有直接與活塞和缸壁發(fā)生撞壁，燃油主要隨著缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)順時(shí)針擴(kuò)散，運(yùn)動(dòng)到氣缸底部后再擴(kuò)散到進(jìn)氣側(cè)的缸壁。當(dāng)噴油壓力較大時(shí)，燃油撞壁現(xiàn)象更明顯(見圖12c和圖12d)，油束前端分別由于氣流運(yùn)動(dòng)朝進(jìn)氣側(cè)活塞頂面擴(kuò)散、由于燃油撞壁反彈而朝排氣側(cè)缸壁擴(kuò)散。

圖11 不同噴射壓力下的燃油噴射量

圖12 不同噴射壓力下的燃油噴射過程

缸內(nèi)燃油撞壁情況見圖13和圖14。其中，圖13b和圖14b分別為圖13a和圖14a的局部放大圖。由3.1節(jié)研究可知，燃油噴射壓力越大，相同時(shí)刻下的燃油貫穿距也越大，因此在缸內(nèi)燃油噴射過程中燃油著壁時(shí)刻也越早，缸壁和活塞頂面的燃油撞壁量峰值相位也越靠前。由圖13可見，隨著噴油壓力的增大，缸壁燃油撞壁量峰值呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，由于氣流運(yùn)動(dòng)與噴油持續(xù)期配合較好，15 MPa時(shí)缸壁撞壁燃油質(zhì)量最小。由圖14可見，隨著噴油壓力的增大，活塞頂面的燃油撞壁量隨之顯著增大。結(jié)合圖12所示的缸內(nèi)噴油過程來分析原因，主要是由于較大的噴油壓力使得油束貫穿距變大，燃油更容易接觸到缸壁和活塞頂面，從而附著到壁面上形成油膜。在較大噴射壓力下，燃油液滴撞壁是不可避免的，但可以通過多次噴射的控制策略或調(diào)整噴油時(shí)刻來減少附壁油膜的生成，通過合理組織氣流運(yùn)動(dòng)來促進(jìn)油氣混合。

圖13 噴射壓力對(duì)缸壁燃油撞壁質(zhì)量的影響

圖14 噴射壓力對(duì)活塞燃油撞壁質(zhì)量的影響

缸內(nèi)燃油的索特平均直徑見圖15。剛開始噴油時(shí)SMD迅速變小，隨后緩慢減小。這是由于在燃油噴射過程中大的燃油液滴不斷破碎成更小的燃油液滴，小的燃油液滴不斷地吸熱蒸發(fā)，因此在燃油噴射持續(xù)期內(nèi)油束SMD的減小幅度沒有噴油初期明顯，在噴油過程結(jié)束后缸內(nèi)殘留少量粒徑較大的液滴，因此SMD的數(shù)值較大。燃油噴射壓力越大，油束的索特平均直徑越小。這是由于燃油噴射壓力越大，燃油噴射速度就越大，油束與缸內(nèi)氣體的相互作用就越強(qiáng)烈，促進(jìn)了油滴的破碎。當(dāng)噴油壓力從5 MPa提高到15 MPa時(shí)，SMD明顯降低，燃油壓力繼續(xù)升高時(shí)SMD也在降低，但降低幅度在變小。如圖16所示，燃油蒸發(fā)量在燃油噴射初期上升較快，隨后逐漸變緩，當(dāng)噴油持續(xù)期結(jié)束后又迅速上升。這是由于直徑越小的油滴面容比越大，有利于吸熱蒸發(fā)，因此噴射壓力越大，燃油蒸發(fā)速度也越快，留給燃油蒸氣與空氣進(jìn)行混合的時(shí)間也越充分。由圖15和圖16可以看出，燃油噴射壓力越高，燃油霧化程度越好，燃油蒸發(fā)速度也越快。

圖15 噴射壓力對(duì)缸內(nèi)SMD的影響

圖16 噴射壓力對(duì)燃油蒸發(fā)的影響

3.2.2對(duì)缸內(nèi)流場(chǎng)的影響

通過以上研究可發(fā)現(xiàn)，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)顯著地影響噴霧發(fā)展，而同時(shí)噴霧運(yùn)動(dòng)也使得缸內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生了改變。圖17直觀展現(xiàn)了噴霧運(yùn)動(dòng)對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)的影響。噴霧過程使得缸內(nèi)速度場(chǎng)分布、滾流中心都發(fā)生了明顯的改變，對(duì)于活塞頂面附近的流速影響較為明顯，較高的噴油壓力降低了活塞頂面附壁氣流的流速。圖18和圖19分別示出了噴射壓力對(duì)缸內(nèi)滾流比和湍動(dòng)能的影響。在燃油噴射過程開始前，各組的滾流比和湍動(dòng)能曲線是重合的。由圖18可見，冷態(tài)流動(dòng)時(shí)缸內(nèi)滾流比呈雙峰的變化規(guī)律，分別在進(jìn)氣沖程和壓縮沖程出現(xiàn)一個(gè)峰值，而進(jìn)行燃油噴射時(shí)滾流比曲線出現(xiàn)了3個(gè)峰值，分別在420°，480°和640°附近。噴油過程開始后，滾流比逐漸降低，燃油噴射壓力越大，滾流比降低越明顯，相應(yīng)地在480°附近滾流比的第2個(gè)峰值也越低。但較高的噴射壓力有利于后期缸內(nèi)滾流比的維持，當(dāng)滾流比在壓縮沖程開始上升時(shí)，噴射壓力越大，滾流比上升幅度也越大，由圖可見35 MPa時(shí)第3個(gè)峰值的數(shù)值雖然是最小的，但較第2個(gè)峰值的增長(zhǎng)幅度最為明顯。結(jié)合圖17分析原因，這主要是由于缸內(nèi)滾流的中心位置在氣缸中心附近，噴油初期油束運(yùn)動(dòng)破壞了滾流運(yùn)動(dòng)，且噴油壓力越高，油束發(fā)展速度越大，對(duì)滾流的影響也越大，所以使得440°左右時(shí)的滾流比有所降低。而隨著活塞下行滾流中心也隨之下移，燃油的噴射方向不再與滾流的運(yùn)動(dòng)方向干涉，當(dāng)噴油持續(xù)期較長(zhǎng)時(shí)油束運(yùn)動(dòng)反而促進(jìn)了氣流運(yùn)動(dòng)作用，因此在640°附近除噴油壓力35 MPa外的滾流比峰值均高于冷態(tài)流動(dòng)的峰值。由圖19可見，燃油噴射壓力越高，缸內(nèi)湍動(dòng)能的增長(zhǎng)越明顯，這是由于噴油壓力越高油束的動(dòng)能就越大，對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)更加強(qiáng)烈。

圖17 噴射壓力對(duì)缸內(nèi)流速分布的影響

圖18 噴油壓力對(duì)滾流比的影響

圖19 噴油壓力對(duì)湍動(dòng)能的影響

3.2.3對(duì)混合氣形成的影響

700°時(shí)各過量空氣系數(shù)下混合氣質(zhì)量分布百分比見圖20。分析可知燃油噴射壓力增大時(shí)，缸內(nèi)燃空當(dāng)量比分布范圍基本呈逐漸變小的趨勢(shì)，圖20中的曲線也較為瘦高，說明缸內(nèi)混合氣分布比較均勻。這是由于噴射壓力較高時(shí)燃油霧化程度較好，蒸發(fā)較快，且噴油持續(xù)期短，燃油與空氣混合時(shí)間更為充分。但燃油噴射壓力為15 MPa時(shí)燃空當(dāng)量比的分布最為均勻，這可能是由于相對(duì)較低的噴射壓力來說，15 MPa的噴射壓力大大促進(jìn)了燃油的霧化蒸發(fā)，提供了較長(zhǎng)的混合氣形成時(shí)間，而相對(duì)于更高的燃油噴射壓力來說，15 MPa時(shí)噴油持續(xù)期與氣流運(yùn)動(dòng)配合較好，壓縮沖程的滾流比和湍動(dòng)能較高，缸壁燃油撞壁量小，彌補(bǔ)了霧化蒸發(fā)速度的劣勢(shì)。圖21示出700°時(shí)缸內(nèi)燃空當(dāng)量比分布云圖。燃油噴射壓力較低時(shí)，燃油濃區(qū)集中在噴油器附近，有部分晚噴的燃油沒有足夠的時(shí)間與空氣充分混合，隨著氣流運(yùn)動(dòng)和活塞的擠壓集中到該區(qū)域。燃油噴射壓力較高時(shí)，燃油主要集中在排氣側(cè)壁面，這主要是由于活塞接近上止點(diǎn)后缸內(nèi)流速逐漸降低，在排氣側(cè)形成流動(dòng)死角，燃油運(yùn)動(dòng)到此處后難以擴(kuò)散?？傮w來說提高燃油噴射壓力有利于燃油與缸內(nèi)空氣的混合。

圖20 噴射壓力對(duì)700°時(shí)混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的影響

圖21 700°時(shí)各噴射壓力下缸內(nèi)混合氣分布云圖

4 結(jié)論

a) 燃油噴射壓力對(duì)自由噴霧的噴霧特性有顯著的影響，燃油噴射壓力越大，相同時(shí)刻下的燃油貫穿距越大，SMD越小，噴霧遠(yuǎn)端速度越大；

b) 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)冷態(tài)噴霧特性和定容彈內(nèi)自由噴霧特性有所差異，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)有利于油束擴(kuò)散；噴油壓力越高，燃油撞壁量越大，SMD越小，燃油蒸發(fā)速度越快；

c) 噴射壓力越高，噴油開始后滾流比相較于無噴油時(shí)下降越大，但湍動(dòng)能有所增加，燃油噴射速度也使得缸內(nèi)滾流中心和流速分布有所變化；

d) 燃油噴射壓力較大時(shí)噴油持續(xù)期較短，燃油霧化蒸發(fā)較好，混合氣形成時(shí)間長(zhǎng)，缸內(nèi)混合氣分布較為均勻，噴油壓力為15 MPa時(shí)混合氣分布最為均勻，說明較好的噴油持續(xù)期與氣流運(yùn)動(dòng)的配合可以促進(jìn)燃油與空氣的混合。