压电晶体外开式汽油喷油器喷雾形态研究

宋东先　李文彬　耿　　路　姜兴洪　赖海鹏　高定伟（1-长城汽车股份有限公司技术中心　河北　保定　071000　2-河北省汽车工程技术研究中心）

压电晶体外开式汽油喷油器喷雾形态研究

宋东先1，2李文彬1，2耿路1，2姜兴洪1，2赖海鹏1，2高定伟1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

摘要：采用激光阴影的方法，在喷雾定容弹试验台上研究了不同边界条件对压电晶体外开式汽油喷油器的喷雾形态的影响，压电晶体外开式汽油喷油器的应用主要是针对喷雾引导分层燃烧，试验边界条件依据分层燃烧的实际缸内条件设定。研究结果表明压电晶体喷油器喷雾形态呈现明显的油线结构，随着喷雾的发展，清晰的油线边界逐渐模糊。喷油压力和环境背压的增加都会使贯穿距曲线中喷雾破碎雾化的拐点提前，有利于燃油的雾化。高环境背压使喷雾形态中产生明显的涡流回旋区，将破碎的小粒径燃油输送到喷雾的上方，使火花塞附近形成易于点燃的混合气。环境温度的升高会导致涡流回旋区在0.4ms时发生坍塌，不利于分层燃烧的实现，因此利用压电晶体喷油器实现喷雾引导分层燃烧时，晚喷的喷油脉宽不宜过长。燃料温度的升高对于前期喷雾形态影响不大，0.6ms之后，高温燃料的喷雾发生明显坍塌，贯穿距和喷雾锥角明显减少。

关键词：压电晶体外开式喷油器汽油喷雾贯穿距喷雾锥角阴影法

引言

喷雾引导分层稀薄燃烧是降低汽油机油耗的有效技术之一[1-2]，该技术利用喷油器的喷雾特性在压缩末期制备分层混合气，实现分层燃烧，因此喷油器的喷雾特性是该技术的核心，目前量产的喷雾引导分层燃烧系统的汽油直喷发动机（宝马N53[3]，奔驰M274[4]等），均采用了压电晶体外开轴针式喷油器。

与多孔汽油直喷喷油器相比，压电晶体外开式喷油器喷雾呈现较低的贯穿距，较大的喷雾锥角和更小的索特平均直径[5]。另外，精准的轴针升程使压电喷油器具有很高的动态范围，即使很小的油量也可以准确控制，在分层工况下，可以采用小油量多次喷射的方式改善雾化，在火花塞附近形成易于点燃的混合气。研究结果表明[6]，外开轴针式喷油器在不同的喷射压力和背压下，喷雾锥角变化很小。喷雾锥角对于火花塞与喷油器的位置关系非常重要，稳定的喷雾锥角在提高点火稳定性的同时，也可以减少火花塞直接接触液态燃油的风险，延长火花塞的使用寿命。大连理工大学董全等人[7-8]采用可视化测量技术，对压电晶体外开式喷油器的喷雾锥角、喷雾贯穿距、喷雾速度特性和粒径特性等诸多方面进行了全面的研究，研究结果表明外开轴针式喷油器的圆锥状喷雾实际上由许多细小的油线组成，油线结构及喷雾外表面出现的大涡流都对喷雾特性有明显影响。

本文在喷雾定容弹装置中采用激光阴影可视化技术，研究了压电晶体外开式喷油器在不同边界条件下的喷雾形态，边界条件主要根据分层稀薄燃烧发动机实际缸内环境设定，包括喷射压力，环境背压，环境温度以及燃料温度，用于指导基于压电晶体喷油器的分层稀薄燃烧的燃烧系统设计。

图1　定容弹测试系统图

1　试验设备与方法

1.1定容弹测试系统

图1为定容弹测试系统概图，系统主要包括高温高压定容容器，环境背压温度控制系统，供油系统，燃油温度控制系统和光学测量系统。

高温高压定容容器顶部用于安装喷油器，侧面安装有四块石英玻璃窗口，为光学测试提供光学通道。定容容器的压力由高压氮气系统和真空泵控制，可以提供0.01~6MPa的环境背压，并可以通过控制容器内部的电热丝控制容器的环境温度。

高压氮气瓶与液压的活塞式蓄压器连接，为供油系统提供喷射压力，最大燃油喷射压力可达20 MPa。喷油器通过法国EFS压电喷油器驱动单元进行驱动。恒温水箱用来控制喷油器水套温度，保证各测试工况下具有相同的燃油温度。光学测试系统采用德国LaVision的SprayMaster测试系统。Nd：YAG脉冲式激光器作为光源产生532 nm波长的激光，激光器前端装有漫射匀光器，可以将圆形激光光斑扩展成为均匀的圆柱形光束，由于激光脉冲时间非常短，可以有效“冻结”喷雾动作，在光源对面采用CCD相机可以得到清晰的喷雾阴影图片。

1.2试验方法

试验中利用时序控制器控制喷雾时刻与拍摄时刻，从喷雾始点开始，每隔0.1ms设定一个喷雾时刻，由于CCD相机频率较低（每秒2帧图片），每个喷雾过程值只拍摄一个喷雾时刻的喷雾图片。CCD相机的曝光时间为40μs，图像分辨率为1376 x 1040，调节镜头距窗口距离使其能够拍到整个窗口图像，试验中镜头焦距为85mm，光圈值为1.8。

为了减少每次喷油的偶然误差，每个喷雾时刻下拍摄10张喷雾图片，分别进行去背景处理，之后进行集总平均处理，得到该时刻的最终喷雾图片。试验中采用正庚烷（99.7%）作为汽油的替代燃料进行试验，燃料特性见表1。

表1　汽油和正庚烷的燃料特性

2　试验结果与分析

2．1喷雾贯穿距和喷雾锥角的定义

喷雾贯穿距和喷雾锥角是分析喷雾特性常用的两个参数，根据SAE-J2715标准对于喷雾锥角的定义，在处理数据时应用距离喷嘴下方5mm及15mm处两条直线与喷雾图像交点来定义为A，B，C，D四点，如图2所示。定义AC与BD直线所成夹角为喷雾锥角。以喷雾始点为原点，以半径为r画圆，能够刚好把所有液态喷雾都涵盖的圆周半径R定义为贯穿距，即喷嘴到最远喷雾末端的距离R为贯穿距。文中对喷雾测量压力边界条件的表示采用喷射压力/环境背压的方式，例如20MPa/0.1MPa表示喷射压力为20MPa，环境背压为0.1MPa。

图2　喷雾贯穿距和喷雾锥角的定义

2．2压电晶体外开式喷油器喷雾形态

图3是压电晶体喷油器在4MPa和10MPa喷射压力以及0.1 MPa喷射背压下8个喷油时刻TASOI（Time After Startof Injection）的喷雾形态图片。

压电晶体外开式喷油器喷雾形态以喷嘴为顶点呈锥形，图中可以明显看到压电晶体喷油器喷雾呈现一条一条的线状分布，称为“油线”。Nouri等[9-10]认为，油线结构是由于出口附近上下表面的气泡造成的，这些气泡在轴针向下打开时从外部进入喷口内部并且附着在出口的附近。以喷射压力为4MPa为例，在喷雾发生发展过程中油线结构明显，且油线数量稳定。在0.2ms时可以看到在喷雾末端每束油线存在明显间隙，0.3ms时，末端燃油的油线间隙逐渐被破碎的液滴填满。在0.5ms时，喷雾形态明显呈现两部分（图中虚线），在虚线以上的部分，可以看到明显的油线结构，油线之间间隔清晰。而在虚线以下位置，燃油逐渐破碎，油线明显变粗，且界限模糊。当喷雾发展到0.8ms时，从放大的喷雾形态图中（图4）看到，喷雾射流脱离喷嘴油线区后，射流速度减慢，喷雾射流与空气间的相对运动产生的表面张力使液滴产生破碎，由于4MPa压力下射流速度较低，初始破碎的油滴粒径较大，在喷雾形态的中部可以观察到明显液体颗粒。

当喷射压力从4MPa增加到10MPa后，燃油喷雾射流速度增加，使喷射燃油与周围空气的相互作用增强，在0.3ms时可以看到在锥状喷雾外表面形成了明显的气体涡流，但是整个喷雾形态下的油线结构非常清晰。0.5ms时，喷雾贯穿距显著增加，在喷雾中部存在涡流回旋结构，涡流结构所在的位置正是油线清晰与模糊的分界线。当喷雾发展到0.8 ms时，由于喷射压力的增加，射流速度增加，降低了喷雾破碎的颗粒粒径，喷雾中不存在类似图4中的明显的大粒径液体颗粒。

图3　喷射压力为4MPa和10MPa的喷雾形态图

图4　喷射压力4　MPa，TASOI=0.8ms喷雾形态放大图

2．3喷射压力对喷雾特性的影响

图5是不同喷射压力下喷雾贯穿距的变化趋势。可以看出喷射压力对喷雾贯穿距影响明显。拍摄窗口内贯穿距的最大值约为55mm。当喷射压力为20MPa时，如图7a）所示，喷雾射流的初始速度高，液态喷雾快速发展，在0.5ms时喷雾就几乎布满整个拍摄窗口。因此图5中的贯穿距大于55mm的视为无效点，不在图中显示。

图5　不同喷射压力下贯穿距随喷油时刻变化规律

喷雾贯穿距的曲线可以看做是由两条斜率不同的直线组成[11]，曲线的拐点可以看作是出现明显破碎雾化的时间点，环境背压为0.1MPa时，喷射压力为20MPa，该拐点时刻是0.4ms，随着喷射压力的降低，拐点位置逐渐推迟。当喷射压力为6MPa时，拐点位置已推迟至0.7ms，因此喷射压力的增加有利于燃油的雾化。当环境背压提升到0.7MPa后，喷雾贯穿距明显缩短，喷射压力为20MPa时，贯穿距曲线的拐点位置为0.2ms，而喷射压力为10MPa时，拐点位置为0.3ms，与环境背压为0.1MPa的工况相比，拐点位置明显提前，说明高喷射压力和高的环境背压都有利于喷雾雾化。

图6是喷雾锥角随喷射时刻的变化规律，各种喷射压力和环境背压下的喷雾锥角在0.3ms之前相差不大，从图7的喷雾图像中也可以看出，虽然贯穿距差别明显，但是喷雾发生发展的过程喷雾锥角非常稳定。在0.4ms时，20MPa/0.1MPa工况下的喷雾图像中部出现了明显的涡流回旋结构，随着时间的推移，这种涡流结构越来越明显，根据本文中喷雾锥角的定义，这种涡流结构会造成喷雾锥角的增加，这也是在0.4ms后喷雾锥角相差较大的主要原因。环境背压为0.7MPa时，0.4ms之后的喷雾锥角的明显增加也是因为涡流结构半径的增大。这种气体涡流是高速射流与容弹内环境气体相互作用的结果，高喷射压力下或者高环境背压下，射流速度的增加或者环境密度的增加，促进了油气混合，使得喷雾与周围气体之间的动量交换速度加快，这样就在距离喷嘴不远处产生了不同程度的气体涡流结构[11]。董全等[8]认为，空气作用于喷雾表面并进入喷雾内部，会形成旋转方向相反的两个涡流，而目前采用阴影法拍摄到的涡流区域，是由喷雾外侧的涡流形成的油气再流通区域。

图6　不同喷射压力下喷雾锥角随喷油时刻变化规律

2．4环境背压对喷雾特性的影响

由于采用压电晶体喷油器晚喷实现分层稀薄燃烧工况时缸内压力的范围约为0.7MPa~1.3MPa。因此20MPa的喷射压力下，选取环境温度为25℃，环境背压为0.1MPa，0.7MPa，1.3MPa研究环境背压对压电晶体喷雾特性的影响。

如图8所示，在0.1MPa的环境背压下的喷雾贯穿距明显高于0.7MPa和1.3MPa的高背压工况，环境背压的增加缩短了喷雾贯穿距，环境背压从0.7 MPa升高到1.3MPa时，贯穿距变化不明显。图7b）中，喷雾从0.2ms在喷雾四周就产生了明显的涡流结构随着喷雾过程的发展，涡流结构愈发明显。对于分层稀薄燃烧技术而言，压缩末期的喷雾通过涡流结构将燃油输送到喷雾的中上游，该部分燃油雾化后在涡流区边缘形成易于点燃的空燃比氛围，而火花塞通常会处于涡流区的边缘。

图7　不同边界条件下的液态喷雾图像

图8　不同环境背压下喷雾贯穿距随喷油时刻变化规律

如图9所示，将产生涡流回旋结构的上边缘的直线定义为L1，将喷雾出口所在的水平直线定义为L2，L1和L2之间的距离d定义为涡流距离，将环境背压值作为d的下标来体现不同环境背压下的涡流距离。d值的大小反映了涡流回旋结构的纵向距离。图10是不同背压下的d值的变化规律，可以看到d0.1的值远大于d0.7和d1.3，说明低环境背压下，涡流形成的区域在喷雾中部，涡流无法将速度较小的小粒径喷雾输送到喷雾上方。而在高背压情况下，d0.7和d1.3差距不大，说明在压缩末期缸内不同的压力条件下，压电晶体喷雾产生的涡流区的纵向位置是比较稳定的。而1.3MPa的环境背压下，环境空气的阻力较大，大量破碎液体颗粒在大的摩擦阻力下卷曲回旋至喷雾上部，使得d1.3值略小于d0.7。

2．5环境温度对喷雾特性的影响

在喷射压力为20MPa，环境背压0.1MPa，燃料温度25℃工况下，将环境温度设定为25℃和250℃，研究环境温度对喷雾特性的影响。边界条件模拟实际分层燃烧的高背压高背温环境，图11是不同环境温度下贯穿距随喷射时间的变化趋势，高环境温度下的贯穿距略小于低环境温度，随着喷油时刻的逐渐加长，贯穿距的差距逐渐增大。因此喷雾过程前期，环境温度对压电晶体喷油器的贯穿距影响不大，随着喷油时刻的增加，温度对燃油的蒸发作用逐渐凸显，高环境温度下的贯穿距明显缩短。

图9　涡流距离定义示意图

图10　涡流距离随喷油时刻变化规律

图12是喷雾锥角的变化规律，在T=0~0.3ms时，两种环境温度下的喷雾锥角基本相同，从T=0.4 ms开始，高环境温度下的喷雾锥角迅速减少，从喷雾图像中（图7d））可以看出，T=0.4ms时，原来产生的涡流结构已经消失。环境温度的升高加快了喷雾雾化的速度，因此涡流回旋区的液态喷雾迅速雾化导致涡流区消失。随着喷雾的进一步发展，高环境温度的喷雾结构呈现坍塌的形态特征，虽然贯穿距和低环境温度下基本相同，但是喷雾的横向范围有很大不同。这说明在利用压电晶体喷油器实现喷雾引导分层燃烧时，晚喷的喷油时刻不宜过长，过长的喷油脉宽会导致喷雾的涡流回旋区消失，无法保证燃油及时输送到既定位置，而采用短脉宽的多次喷射，可以保证每次喷射都形成稳定的涡流回旋区，从而提高分层燃烧的稳定性。

2．6燃油温度对喷雾特性的影响

发动机实际工作时，燃油经过高压油泵，温度会有所升高，同时受到发动机其他部件的加热作用，实际喷入缸内的燃油温度并不是常温。在环境背压1.3 MPa，环境温度250℃，喷射压力20MPa工况下，燃油温度设定为25℃和80℃来研究燃料温度对喷雾特性的影响。

图13中，不同燃料温度的喷雾在T=0~0.5ms范围内贯穿距基本相同，从喷雾图像（图7e））中也可以看出，在这段时间内两种喷雾形态基本相同，但燃料温度较高的喷雾末端透明度更高，说明更多的燃油发生了蒸发雾化。从0.6ms开始，高燃料温度的液态喷雾贯穿距明显缩短，可见燃料温度的升高对于燃料的雾化有积极的作用。从图14中的喷雾形态在该阶段发生了更为明显坍塌。

因此在喷雾引导分层燃烧工况的边界条件下，燃料温度对前期的喷雾形态影响不大，对0.6ms之后的喷雾形态有明显的影响，在使用压电晶体喷油器实现喷雾引导分层燃烧时，即使燃油温度较高，仍可以采用短脉宽的多次喷射策略来形成稳定的涡流回旋区，以保证在火花塞附近形成易于点燃的浓区。

从喷雾锥角变化规律可以看出，在0.4ms时喷雾锥角迅速降低，两种燃料温度的变化规律是相同的，从0.6ms开始，高燃料温度的喷雾锥角明显低于低燃料温度的喷雾锥角，在喷雾图像中可以明显看到，高燃料温度下的喷雾形态在该阶段发生了更为明显坍塌。

图11　不同环境温度下喷雾贯穿距随喷油时刻变化规律

图12　不同环境温度下喷雾锥角随喷油时刻变化规律

因此在喷雾引导分层燃烧工况的边界条件下，燃料温度对前期的喷雾形态影响不大，对0.6ms之后的喷雾形态有明显的影响。在使用压电晶体喷油器实现喷雾引导分层燃烧时，即使燃油温度较高，仍可以采用短脉宽的多次喷射策略来形成稳定的涡流回旋区，以保证在火花塞附近形成易于点燃的浓区。

图13　不同燃油温度下喷雾贯穿距随喷油时刻变化规律

图14　不同燃油温度下喷雾锥角随喷油时刻变化规律

3　结论

1）压电晶体喷油器喷雾形态呈现明显的油线结构，喷雾末端油线随时间推移逐渐雾化，油线界限逐渐模糊。在4MPa喷射压力下，在喷雾发展到0.8ms时，喷雾中部存在明显的大粒径喷雾颗粒，而喷射压力升高到10MPa后，射流速度增加，类似大粒径颗粒消失。

2）喷油压力的增加和环境背压的增加都会使贯穿距曲线中喷雾破碎雾化的拐点提前，有利于燃油的雾化。高环境背压使喷雾形态中产生明显的涡流回旋区，将破碎的小粒径燃油输送到喷雾的上方，使火花塞附近形成易于点燃的混合气。

3）高背压下环境温度的升高会导致涡流回旋区在0.4ms发生坍塌，因此利用压电晶体喷油器实现喷雾引导分层燃烧时，晚喷的喷油脉宽不宜过长，过长的喷油脉宽会导致喷雾的涡流回旋区消失，无法保证燃油及时输送到既定位置。

4）燃料温度的升高有利于燃料的蒸发雾化，但对喷雾前期的形态影响不大，喷雾发展到0.6ms之后，喷雾形态发生明显变化，贯穿距和喷雾锥角明显减少。

参考文献

1GrimaldiF,GervaisD,Marchal A,etal.Single-cylinderexperiments for downsizing-oriented SI concept:GDI and VVL thermodynam ic comparison[C].SAE Paper 2007-24-0013

2Tim Lake,John Stokes,Richard Murphy,etal.Turbocharging concepts for downsizing DI gasoline engines[C].SAE Paper2004-01-0036

3Schwarz C,Schunemann E,Durst B,et al.Potentials of the spray-guided BMW DIcombustion system[C].SAE Paper 2006-01-1265

4Guido Vent,Christian Enderle,Norbert Merdes,et al.The new 2.0L turbo engine from the Mercedes-Benz 4-cylinder engine family[C].2nd Aachen Colloquium China,2012|

5Martin D,Pischke P,Kneer R.Investigation of the influence ofmultip le gasoline direct injections on macroscopic spray quantitiesatdifferentboundary conditionsbymeansofvisualization[J].Int JEngine Res,2010,11(6)：439-454

6MarchiA,Nouri JM,Arcoumanis C.Internal flow and spray characteristics of pintle-type outwardsopening piezo injectors for gasoline direct-injection engines[C].SAE Paper 2007-01-1406

7董全，隆武强，田江平，等.直喷汽油机压电晶体控制外开轴针式喷油器的喷雾可视化研究[J].内燃机学报，2012，30（5）：415-422

8董全，隆武强，田江平，等.直喷汽油机压电晶体控制外开轴针式喷油器的喷雾场速度特性[J].内燃机学报，2012，30（6）：531-537

9Nouri JM,Hamid M A,Yan Y，etal.Spray characterizaiton of a piezo pintle-type injector for gasoline direct injection engines[C].In proceedingsof the 3rd International Conferenceon Optical and Laser Diagnostics,ICOLAD 2007,City University,London,2007

10 Nouri JM,Ham id M A,Abo-Serie E,et al.Internal and near nozzle flow characteristics in an enlarged model of an outward opening pintle-type gasoline injector[C].Proceedings of 3rd International Conference on Optical and Laser Diagnostics,ICOLAD 2007,City University,London,2007

11 Sazhin SS,KaplanskiF,FengG,etal.A fuelspray induced vortex ring[J].Fuel,2001,80(13):1871-1883

中图分类号：TK413.8+4

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）05-0031-07

收稿日期：（2015-05-12）

作者简介：宋东先（1982-），男，博士，主要研究方向为内燃机燃烧过程测量与分析。

A Study on Spray Pattern of Piezo Outward-Opening Injector for Gasoline

Song Dongxian1,2,LiW enbin1,2,Geng Lu1,2，Jiang Xinghong1,2,
LaiHaipeng1,2,Gao Dingwei1,2
1-Technical Center,GreatWallMotor Co.Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China)
2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：The spray characteristics of gasoline piezo outward-opening injector was studied at different boundary conditions in spray constant volume chamber by shadow method.The boundary condition was set according toactual in-cylinder condition with stratified combustion.The resultsshow that the spray consists ofmany fuel strings and the string becomes blur as the spray developswith time.The increase of injection pressure and back pressure advances the spray breakup turning point on penetration distance curve.The spray structure would produce swirl region which would transfer fuelwith small diameter to upper part to form rich mixture around spark plug,but the increase of back temperature can disappear the swirl region from 0.4mswhich is harmful to stratified combustion.Asa result,when the piezo injector is used to realize spray-guided stratified combustion,the pulsewidth of late injection should be shorter.Fuel temperaturehas little influence on spray pattern at earlier stage and the high temperature fuelwould occurmore obvious collapse after 0.6mswhich results in the decrease of spray penetration distance and spray angle.

Keywords：Piezo outward-opening injector,Gasoline,Spray penetration distance,Spray angle,Shadow method