喷嘴孔数及其布置对汽油直喷喷嘴闪沸喷雾-环境气体相互作用影响的研究

佟斯日古楞， 许敏， 吴胜奇

(上海交通大学机械与动力工程学院汽车电子控制技术国家工程实验室, 上海 200240)



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喷嘴孔数及其布置对汽油直喷喷嘴闪沸喷雾-环境气体相互作用影响的研究

佟斯日古楞， 许敏， 吴胜奇

(上海交通大学机械与动力工程学院汽车电子控制技术国家工程实验室, 上海 200240)

为了区分火花塞点火式缸内直喷(SIDI)发动机喷雾和环境气体两相流场，将优化后的高速双色PIV(Particle Image Velocimetry)技术应用于多孔直喷喷油器的喷雾和环境气体速度的测试。此双色PIV系统由一个特殊的示踪和滤波系统组成，可同时对燃油喷雾及其环境气体的速度场进行测量。本研究采用该双色PIV方法研究不同环境压力和燃油温度的条件下，喷嘴孔数及其布置情况对燃油喷雾和环境气体的相互作用的影响。在此研究中，对3个汽油直喷喷嘴做了详细的研究，包括1个6孔喷嘴，1个3孔喷嘴及1个2孔喷嘴。研究结果表明，随着燃油温度的提高或者环境气体压力的降低，喷雾雾化增强，燃油颗粒粒径减小，导致喷雾油束变宽，喷雾与环境气体接触面积变大，喷雾和环境气体的两相流场的作用变强。不同孔数和布置的喷油器在冷态及闪沸条件下油束间干扰作用的强度不同，导致喷雾传递给环境气体的动能不同。较强的油束间的干扰作用加强了燃油喷雾与环境气体之间的动量交换过程，进而增强了环境气体的动能。

燃油喷雾； 燃油雾化； 速度计量

对于缸内直喷汽油机来说，燃油喷雾和环境气体能否良好混合影响着发动机性能及排放，提高缸内直喷发动机的燃烧效率以及稳定性的前提是缸内具有高质量的可燃混合气[1-3]。

国内缸内直喷发机动技术的研究还处在初期阶段，在燃烧系统开发过程中会遇到各种问题，很多问题都与燃油喷雾联系非常紧密。例如，由于喷雾碰壁导致发动机机油稀释以及活塞顶部积炭，燃烧过程不稳定，废气排放中颗粒物超标等[4-5]。解决以上问题的关键在于改善发动机燃油喷雾特性。减小燃油喷雾贯穿距离，增大喷雾角度，改善燃油雾化及分布是解决以上问题的关键。目前，燃油喷雾主要是依靠高喷射压力来提高燃油的雾化和蒸发性能，但高喷射压力也会导致更长的贯穿距离，因此有局限性。高压喷射系统成本很高，喷雾贯穿距过长会导致燃料喷射到气缸壁或者活塞上，造成润滑油稀释或者活塞积炭，喷雾角度小、喷雾粒径大等缺陷会造成燃油和空气混合不均匀。

因此不少专家提出通过改变燃油温度或背压获得闪急沸腾喷雾来提高雾化质量。闪沸喷雾可以在较低喷射压力的条件下获得更短喷射贯穿距、更大喷雾角、更小喷雾粒径及更快的蒸发速度。闪急沸腾喷雾是液体燃料因压力瞬间减小至燃料的饱和蒸气压以下发生剧烈的燃油喷雾相变而产生的[6]。闪沸喷雾中，在液态燃油中产生大量的气泡，气泡的快速膨胀及破碎大大加速燃油的破碎、雾化和蒸发过程，促进缸内混合气的形成[7-13],提高缸内直喷汽油机的着火稳定性。

一些学者对闪沸喷雾做了很多研究，包括不同的燃油温度和环境背压对喷雾形态结构以及贯穿距离的影响[8]，燃油喷雾速度场的测试[9-10]，喷雾浓度场的分布[11-12]，喷孔布置对喷雾油束之间的相互影响，喷油器近场微观形态以及宏观的喷雾结构等[13]，但是对喷嘴孔数及其布置情况对燃油喷雾及其环境气体之间的能量交换作用的研究非常少。

目前汽车市场主要采用对称结构的多孔直喷喷油器,6孔喷油器喷雾由于受到相邻燃油束的影响而在闪沸区域内出现喷雾束坍塌在喷油器轴线处的现象，为了更好地研究相邻燃油喷雾束对燃油喷雾形态的变化及气液两相流场的影响，选择结构参数相同、喷孔数及布置不同的3孔和2孔喷油器与6孔喷油器进行定量的对比分析。

PIV测试技术已经广泛应用于发动机缸内流场、喷油器喷雾周围环境气体流场等测试研究领域。从刚开始利用固体作为示踪粒子来标记环境气体运动[14]到后来的激光诱导荧光技术(Laser Induced Fluorescent, LIF)，可以很好地分开气液两相流场。但是测试中利用多台相机和光源，光路比较复杂，成本比较高[15-17]，并且由于硬件的限制无法同时兼顾喷雾和环境速度等级差造成的瞬态响应。

针对上述局限，张铭等[18]利用单个相机和激光光源对喷雾和环境气体分别使用两个不同的帧间时差dt1和dt2，开发双色PIV测试技术，对应其喷雾和环境气体运动速度等级的差别，并且测试出燃油温度对喷雾和环境气体两相流场的影响。

本研究在前期研究的基础上，利用双色PIV测试技术分析不同孔数以及喷孔布置的喷油器在不同的燃油温度和环境背压下的两相流场，测量喷雾传递给环境气体的动能，并对试验结果作了定量分析，解明了其影响机理。

1 试验系统及测试工况

1.1 试验测试系统原理

高速双色PIV测试系统见图1。此系统包括燃油供给、环境气体背压控制、燃油温度控制、图像采集及后处理五大部分。燃油供给部分利用高压氮气瓶通过蓄能器保证燃油的喷射压力。燃油温度控制部分利用恒温水浴连接喷油器外围的水套，保证每次喷射燃油温度恒定不变。环境气体背压控制部分利用真空泵连接常温高压容器，保证容器里面的环境气体背压的变化。图像采集及后处理部分由高速相机、高速激光器、电脑以及驱动器等组成。

图1 双色PIV测试系统原理

本试验采用Nd：YLF双脉冲激光器(Litron，波长527 nm，光脉冲宽度170 ns，脉冲能量22 mJ@1 kHz)作为光源，每次触发会发出两个脉冲激光束，经过一系列光学透镜，最终形成大约1 mm厚的片状光源(见图2)。

图2 双脉冲式高速激光器

试验采用phantom V7.3高速相机，此相机能在双帧全画幅(1 280×800像素)模式下达到6 350 Hz的采集频率，安装了紫外线镜头，为了实现利用单个相机对喷雾和环境气体两相流场的同时测量，在高速相机镜头前端装了一个图像分离器，可以区分喷雾和环境气体信号。

本试验的示踪粒子发生器是6孔雾化器，将示踪粒子罗丹明6G溶于聚乙二醇400，利用6孔雾化器将溶液雾化进容器里。6孔雾化器有6个雾化出口，可以选择不同孔数来满足不同背压下荧光粒子的浓度要求。示踪粒子接收到527 nm波长的激光时会诱导出其他波长的荧光(615 nm波长)，利用这个荧光信号记录环境气体的运动，喷雾则利用本身散射光的信号作为示踪信号，再利用不同的滤镜分别采集喷雾和环境气体的示踪信号来达到同时测量的目的。试验所用容器为定容弹(见图3)，其环境背压可以从20 kPa到2 MPa变化。

图3 常温高压容器

由于发动机燃油喷射过程中喷雾和环境气体的运动速度相差较大，因此利用两个帧间时差dt1,dt2来解决这个问题。本试验中喷雾时间帧差dt1取10 μs，关联两张喷雾运动图片；环境气体时间帧差dt2取200 μs，关联两张环境气体运动图片。每张图片大小为52 mm(宽)×70 mm(高)，取20组图片的平均值确保测试结果准确可靠，利用DG-645同步控制高速系统。采用标准的PIV算法预处理PIV图片数据，采用32×32的互相关算法，设定相邻寻访窗口重叠50%，用MATLAB来分析和处理数据。

1.2 测试工况及喷油器

城市是一个永远没有完结的工地，其中的发展变化个人无法预料。2017年3月，二哥居住的小区成为政府规划重点拆迁对象，不到10年且逐渐完善的大面积生活区必须尽快夷为平地，执行总体布局。二哥没有费太多的麻烦与等待，按政府要求第一批签约腾了房，有了暂住房。

本试验中利用正己烷(97%)作为燃料，试验工况及正己烷的物理属性见表1和表2。待测喷油器安装在高压容器顶部，利用高压力蓄能器提供稳定的喷射压力，利用可调范围宽广的(-20～95 ℃)恒气温水槽精确控制燃油温度，每次燃油喷射之前，示踪粒子被充入容器内，静止后开始测试。

表1 测试工况

表2 正己烷参数

所用2孔、3孔、6孔缸内直喷发动机喷油器为阶梯孔，三款喷油器的孔径参数全部相同，只有孔数和布置情况不同，两个对称孔角度为60°，喷孔长度L=0.3 mm，直径D=0.2 mm，长径比(L/D)为1.5(见图4)。燃油过热度(Superheat degree, SD)定义为燃油油温与当时环境背压下沸点之差。环境气体分为卷吸区、回流区和外推区[9-10,20]。

图4 试验所用喷油器喷孔分布和结构

2 研究结果分析

2.1 燃油温度对气液两相流场变化的影响

图5示出6孔、3孔、2孔喷油器在0.8 ms ASOI时刻喷雾形态，环境背压为恒定40 kPa，燃油温度从45 ℃增加到85 ℃。在45 ℃时，6孔喷油器喷雾虽然受到左右相邻两束油的作用，但喷雾形态没有很明显的变化，单个燃油油束宽度较窄，喷雾颗粒主要沿着喷孔设计轴线方向运动，油束边缘蒸发不明显，大部分是液态喷雾。3孔喷油器只有1个相邻的油束，所以在形态上只有一点变化，喷雾前端较宽，离喷油器喷孔较近的地方油束较窄，燃油油束沿着喷孔轴线运动。2孔喷油器没有受到相邻油束的干扰，形态变化不大，比3孔喷油器的的油束要窄一点，雾化不明显，主要部分还是液体喷雾。

图5 不同燃油温度下3款喷油器喷雾形态(喷射后 0.8 ms)

随着燃油温度升高至65 ℃，6孔喷油器燃油油束宽度变大，喷雾前端蒸发明显，喷雾颗粒变小，所受空气阻力变大，喷雾形态有明显变化。燃油喷雾开始向喷油器轴线处聚集靠拢并且在喷孔附近已经有明显互相连合的现象，燃油喷雾前段雾化效果明显。3孔喷油器油束比45 ℃时变得更宽，而且喷雾前端蒸发雾化较明显，但并没有出现像6孔喷油器一样跟其他油束相连的现象，也没有向喷油器轴线处聚拢。2孔喷油器油束相比45 ℃时变宽了，但明显比3孔喷油器油束要窄，因为没有受到相邻油束的影响。

当燃油温度增加到85 ℃时，6孔喷油器燃油的蒸发膨胀更加明显，导致燃油喷雾开始往喷雾油气轴线处坍塌，形成钟形形态，内部形成未受环境气体影响的液体核心[9]。3孔喷油器油束持续膨胀变宽，在喷孔附近已经出现了各个油束相连的现象，油束整体变得比较宽。2孔喷油器喷孔附近的油束膨胀比较明显，但没有出现各个油束相连的现象，这些燃油喷雾形态随燃油温度的变化过程与之前测试结果相符合[7-8,19]。

分析不同燃油温度下喷雾-环境气体两相流场的相互影响可以解释燃油喷雾形态发生变化的同时环境气体的变化。以0.8 ms ASOI为例，如图6所示，在燃油温度为45 ℃时，燃油喷雾速度比较快，为90 m/s至95 m/s，燃油喷雾几乎都是沿着喷孔轴线方向运动。基于文献[6]对涡旋中心的定义，在这个过程中6孔、3孔、2孔喷油器燃油喷雾内外两侧边缘都产生了强度比较微弱的环境气体卷吸，环境气体运动的涡旋中心离喷油器轴线较远，6孔喷油器喷雾前端环境气体速度约为3 m/s，其他区域的气体速度相比喷雾前端的外推区的环境气体速度要小一些；3孔喷油器喷雾外推区环境气体速度约为2 m/s，而且燃油喷雾内侧气体速度明显要比6孔的小，涡旋运动区域也比6孔的要小；2孔喷油器喷雾涡旋运动更加微弱，涡旋中心与6孔和3孔喷油器喷雾涡旋中心差不多，但是涡旋运动所涉及的区域更小。当燃油温度提高到65 ℃时，6孔喷油器喷雾峰值有所降低，环境气体速度有所提高，并且喷油器喷孔附近的环境气体卷入速度提高到3.5 m/s左右，环境气体涡旋运动变强，涡旋中心位置离喷油器轴线更近，而且油束内侧的涡旋运动已不存在，反而在燃油喷雾和环境气体的接触边缘出现了一些杂乱的运动现象，在燃油喷雾的推动作用下，在喷油器轴线方向开始出现了微弱的向外运动速度(约1 m/s)。3孔喷油器燃油喷雾峰值变化不大，但油束变宽，喷雾边缘的环境气体速度有明显增加，燃油喷雾内外侧涡旋运动变强，但是燃油喷雾内侧涡旋运动变得比较杂乱，离喷孔比较近的卷吸区速度比6孔喷油器的卷吸速度小，而且环境气体涡旋运动所涉及的区域比6孔喷油器小。2孔喷油器燃油边缘的环境气体速度增加也较为明显，涡旋运动没有3孔喷油器涡旋运动强，涡旋位置基本不变。当继续提高燃油温度至85 ℃时，6孔喷油器喷雾由于形成未受扰速度核而燃油速度明显增大，导致对喷雾油束前端的环境气体产生强烈的推动力，使得燃油前端环境气体的运动速度增大至4 m/s，而且涡旋中心离喷油器轴线更加接近，已经进入到喷雾轮廓线以内，使喷雾和环境气体的涡旋运动重叠，卷吸区域范围也比65 ℃时明显增大。3孔喷油器喷雾由于燃油的蒸发破碎使油束变得更宽，导致喷孔附近的燃油油束之间开始相连，增加了燃油与环境气体的作用面积，对喷雾前端以及喷雾油束内侧的环境气体产生很强的推力，传递更多动能，使气体速度明显提高。2孔喷油器油束相比65 ℃时变得的更宽，对喷雾边缘的环境气体，尤其对前端的环境气体产生更大的推力，使其运动速度变大，涡旋运动变强。

在每个工况下燃油喷射之前环境气体都是处于静止状态，所以环境气体的动能都为0。当定容弹体积不变，背压不变，且气体质量恒定，则可以用环境气体速度的平方来评估燃油喷雾-环境气体两相流场之间的动能传递过程。随着燃油开始喷射，动能由燃油喷雾传递给环境气体，环境气体的动能随着燃油温度的升高不断增加，定量分析结果见图7。而且随着燃油温度的提高，燃油颗粒粒径尺寸不断减小[7]，燃油喷雾油束逐渐变宽，导致6孔喷油器油束互相连接并且聚拢在喷油器轴线处，形成未受扰核，使气液两相的接触面积不断扩大，燃油动能传递效率提高，从而环境气体的动能增大，每个温度下动能增加30%左右。3孔喷油器油束在45 ℃和65 ℃时增长不大，但85 ℃时由于喷孔附近的喷雾相连使环境气体动能增加15%左右。2孔喷油器喷雾形态没有太大改变，每个温度下增加9%左右。

图7 不同油温下气液两相流场动能传递过程

2.2 环境背压对燃油形态及两相流场的影响

为了进一步研究影响燃油喷雾形态及两相流特征的因素，对不同环境背压下燃油喷雾形态及两相流场特征进行了研究。由图8可知，在恒定的油温下(85 ℃)，开始喷射0.8 ms(ASOI)后，当环境背压减小时，6孔喷油器燃油喷雾形态结构变化比较明显。当背压为100 kPa时，单个燃油喷雾独立并且宽度相对较窄，沿着喷孔方向运动，速度比较快，近喷孔处出现微小的油束相连现象。3孔喷油器喷雾比6孔的要窄一点，而且喷孔附近没有出现燃油油束相连现象，喷雾前端部分比喷孔附近宽一些。2孔喷油器与3孔喷油器在形态上没有太大区别，整体比3孔喷雾要窄一些，也没有出现燃油油束相连的现象。继续减小环境压力，当减小到60 kPa时，6孔喷油器燃油喷雾油束逐渐变宽，燃油喷雾从非过热工况到过渡工况，燃油油束相连区域变得更大，燃油喷雾上半部分相连明显并且收缩，下半部分比较扩散，燃油喷雾中间部分出现明显的弯折现象。3孔喷油器油束上半部分比100 kPa时有明显膨胀，与喷雾前端部分差不多宽，没有出现很明显相连的情况，但是蒸发雾化的燃油有了轻微相连的趋势。2孔喷油器油束比100 kPa时整体有了膨胀，但是喷孔附近的油束依然比前端喷雾要窄一些，没出现相连现象。随着环境背压减小到20 kPa，6孔燃油喷雾完全收缩，开始喷射后很快形成内部未受扰液体核心，速度瞬间加快，对喷雾前端气体产生很强的

图8 不同环境背压下3款喷油器燃 油喷雾形态(喷射后 0.8 ms)

推力，涡旋现象更加明显。3孔喷油器喷孔附近油束继续膨胀，导致在喷孔近处已经形成相连现象，蒸发雾化比60 kPa时更加明显，增大了与环境气体接触的面积。2孔喷油器油束虽然持续膨胀，并且喷孔近处与前端喷雾几乎变得一样宽，但是没有出现油束之间相连的现象，蒸发雾化效果很明显。

从两相流场图(见图9)可以看出，当环境背压100 kPa时，6孔、3孔、2孔喷油器喷雾油束速度都较大且宽度相对较窄，喷雾油束内外两侧有非常微弱的涡旋运动，由于喷雾前端部分的推力作用，环境气体外推区域的速度明显比喷孔附近卷入区域大，此时喷雾传递更多的动能给外推区域的环境气体。6孔喷油器环境气体的运动明显相比于3孔和2孔喷油器要大，而且喷雾油束内外两侧的涡旋运动最强，所涉及的涡旋区域最大；3孔喷油器喷雾诱导的环境气体运动速度大于2孔喷油器喷雾诱导的环境气体运动，而且喷雾边缘的环境气体速度明显大于其他区域；2孔喷油器环境气体速度最小，涡旋运动强度也最弱。当环境背压减小至60 kPa时，燃油喷雾颗粒更容易破碎，粒径更小，喷雾流场范围变宽，与环境气体的接触面积变大，更容易诱导环境气体与其一起运动。6孔喷油器各燃油油束之间相互连接更加严重，燃油油束外侧的涡旋运动明显变强，涡旋位置离喷油器中心更近，燃油喷雾内侧涡旋运动逐步变弱，出现一些杂乱的现象，但是外推区域环境气体在喷油器轴线方向的速度明显提高，喷孔近处环境气体速度也有所提高，导致喷孔附近喷雾被环境气体影响，被推向喷油器轴线处，导致燃油喷雾油束中间部分出现弯折现象。3孔喷油器油束由于快速膨胀雾化，在喷孔近处喷雾流场出现轻微的相连趋势，膨胀的油束带动更得多的环境气体与其一起运动，导致整体环境气体流场速度比100 kPa时大，而且喷雾油束内侧涡旋运动逐渐消失，出现杂乱的流场，喷雾油束外侧涡旋运动变强，涡旋位置变化不大。2孔喷油器喷雾流场相比于100 kPa时形态上没有什么区别，只是变得更宽，带动了喷雾周围的环境气体运动，加强了喷雾油束内外侧的涡旋运动，涡旋位置几乎不变。环境背压减小到20 kPa时，6孔喷油器所有燃油油束完全相连，诱导环境气体运动变得更强，环境气体3个区域速度都有提高，所涉及的范围也变得更大，涡旋运动变得更强，涡旋中心离喷油器轴线更近了，已经进入喷雾轮廓之内且与喷雾涡旋运动中心重叠在一起。这个进一步被加强了的环境气体涡旋运动强度可以与燃油喷雾运动相抗衡，可以影响其运动，使其完全坍塌在喷油器轴线处，变成形似“钟”形的单个大油束。3孔喷油器油束由于高燃油温度和低环境背压导致刚出喷孔就快速膨胀，蒸发和雾化，在喷油器近处出现了很明显的相连现象，而且相连区域的喷雾速度明显要小于喷孔轴向方向的喷雾速度，相连的喷雾速度场加剧了对环境气体动能的传递，喷雾油束外侧的涡旋运动增强，喷雾油束没有像6孔喷油器喷雾那样完全坍塌在喷油器轴线处，喷雾油束内侧还存在环境气体运动，但是涡旋运动已消失，出现一些杂乱的现象。2孔喷油器喷雾相比60 kPa时变得更宽，但2孔喷油器油束流场之间没有像3孔喷油器油束那样产生相连的现象，膨胀的喷雾流场给周围环境流场产生了更强的推力，在喷雾油束流场周围的环境气体增加明显，尤其是喷雾前端的外推区的环境气体速度快速增长，导致喷雾油束内外侧的涡旋运动变强，且所涉及的面积更广。

图9 不同环境背压下3款喷油器 两相流场(喷射后 0.8 ms)

定量分析结果见图10。当环境背压从100 kPa减小到20 kPa时，燃油喷雾形态的变化以及燃油喷雾粒径的变小，使得喷雾和环境气体的接触面积变得更大，所以环境气体的速度随着环境背压的减小而增大。当环境背压为100 kPa时，由于压力较高，喷雾破碎雾化比较困难，而且不会出现油束之间明显的相连趋势，喷雾油束宽度较窄，所以诱导的环境气体速度比较低，6孔喷油器环境气体速度大于3孔和2孔喷油器的环境气体速度，但差别不是很大。

图10 不同背压下环境气体速度平方

当环境气体背压减小到60 kPa时，环境压力减小，喷雾容易破碎膨胀，导致6孔喷油器油束出现很明显的油束相连并且聚集在轴线处，对环境气体产生较大的推力，环境气体速度增长幅度明显，但 3孔和2孔喷油器环境气体速度增长幅度不大。当环境气体背压减小到20 kPa时，环境压力变小，喷雾刚出喷孔立刻破碎膨胀，导致6孔喷油器喷雾所有油束全部坍塌在喷油器轴线处，很快形成未受扰液核，速度快速增长，对周围气体产生强有力的推动力，速度增长幅度非常明显。3孔喷油器喷雾扩张出现油束相连现象，加强了喷雾对环境气体的推动力，环境速度增大明显，但比6孔喷油器环境气体速度增长小很多。2孔喷油器油束只是油束膨胀变宽，并没有出现相连趋势，所以环境气体速度增长也不是很明显。由于容器体积不变，环境气体的密度会随着环境背压的减小而线性减小，所以在容器里所含的气体质量也会减小(见图11)。

图11 不同环境背压下气体的密度

以燃油温度85 ℃，环境背压100 kPa的环境气体的动能为基础，归一化处理其他工况下的环境气体动能，定量分析结果见图12。 由于试验开始时环境气体是静止的，动能为零，所以环境气体的动能全部由燃油喷雾传递而来。在低环境背压时，由于燃油喷雾达到了过热状态，6孔喷油器油束聚拢、坍塌，并在喷油器轴线处聚集；3孔喷油器油束达到完全过热时喷孔附近油束出现相连的现象，但没有坍塌在喷油器轴线处；2孔喷油器油束膨胀变宽，但是没有油束相连的现象。过热工况时，燃油颗粒较小，且此时环境气体密度也小，导致喷雾瞬间诱导环境气体开始运动并且速度比较大。但是从动能公式1/2 mv2可知，环境气体动能涉及到气体速度和质量，由于环境密度的减小，环境气体质量也会随之减小，导致最终环境气背压从100 kPa减小到20 kPa时，燃油喷雾传递给环境气体的动能减小。

图12 不同背压下归一化的环境气体动能

3 结论

a) 通过研究6孔、3孔和2孔等三款喷油器喷雾和环境气体两相流场相互影响的复杂关系，发现有两个相邻油束，有一个相邻油束和没有相邻油束的喷雾传递给环境气体的动能是不一样的，相邻喷雾油束会影响喷雾形态结构，导致喷雾和环境气体两相流场的变化；

b) 随着燃油温度的提高，6孔喷油器油束坍塌在轴线，喷雾和环境气体两相流场作用面积变大，环境气体动能增幅比较大，为30%左右；3孔喷油器油束没有坍塌，但是出现了油束相连的现象，环境气体动能增幅小于6孔喷油器，为15%左右；2孔喷油器只是油束膨胀变宽，并没有出现相连趋势，环境气体动能增长9%左右；喷雾传递更多的动能给环境气体，使环境气体运动变强，环境气体运动反过来影响喷雾运动，体现出气-液两相流场复杂的关系；

c) 当环境气体背压减小时，三款喷油器喷雾形态都发生了膨胀和相连的变化，由于环境背压的减小，喷雾更容易诱导环境气体使其速度提高，因此随着环境背压的减小，环境气体的速度增大，但由于环境密度减小，气体质量减少，导致燃油喷雾传递给环境气体的动能减少。

致谢：

感谢国家自然科学基金(51376119/E060502)及美国通用汽车对本研究的支持。

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[编辑: 李建新]

Effects of Nozzle Hole Number and Distribution on Interaction between Flash Boiling Spray and Ambient Gas of Gasoline Direct-injection Injector

TONG Sriguleng, XU Min, WU Shengqi

(National Engineering Laboratory for Automotive Electronic Control Technology, School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240， China)

In order to investigate the two-phase flow fields of fuel spray and ambient air of spark ignition direct injection (SIDI) engine, the optimized high speed two-color particle image velocimetry ( PIV) technology was applied to the velocity measurement of fuel spray and ambient air. PIV system consisting of special trace and filter system could measure the velocity of fuel spray and ambient air simultaneously. Effects of nozzle hole number and distribution on interaction between fuel spray and ambient air under different ambient pressures and fuel temperatures were studied based on three direct-injection injectors including one 6-hole injector, one 3-hole injector and one 2-hole injector. The results showed that the interaction between fuel spray and ambient air strengthened due to the better spray, the smaller fuel particle size and their produced wider spray beam and larger contact area with the increase of fuel temperature or the decrease of ambient pressure. Different interference intensity between spray beams for multi-hole injectors under normal and flash boiling conditions led to different kinetic energy transfer from fuel spray to ambient air. The momentum exchange between fuel spray and ambient air was enhanced by the stronger interference effect between beams, and thus the kinetic energy of ambient air increased.

fuel spray; fuel atomization; velocity measurement

2015-11-30;

2016-05-16

国家自然科学基金(51376119/E060502)

佟斯日古楞(1988—)，男，硕士，主要研究方向为发动机喷雾与气液两相流场；xiaotongnihao@126.com。

许敏(1962—)，男，教授，主要研究方向为发动机喷雾与燃烧、节能环保技术等；mxu@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.002

TK421.43

B

1001-2222(2016)03-0006-08