车用直喷汽油机喷雾特性研究

朱敏思， 熊锐， 杜锡涛， 曾繁武

(广东工业大学机电工程学院， 广东 广州 510006)



车用直喷汽油机喷雾特性研究

朱敏思， 熊锐， 杜锡涛， 曾繁武

(广东工业大学机电工程学院， 广东 广州 510006)

利用高速摄影在定容弹内对缸内直喷汽油机多孔喷油器进行喷雾特性试验研究，揭示了直喷高速液体射流的喷雾特性(贯穿距、喷雾锥角)与无量纲数(韦伯数、雷诺数及气液密度比)之间的关系。结果表明，韦伯数和气液密度比对喷雾宏观特性有显著的影响，雷诺数对喷雾特性的影响不明显。

喷雾特性； 韦伯数； 雷诺数； 气液密度比

缸内直喷汽油机(GDI)相比于传统的进气道喷射汽油机具有燃油经济性好、污染物排放低等方面的优势，随着国家排放法规不断升级以及政府对车企平均燃油消耗量的限制，缸内直喷汽油机逐渐得到关注和使用。燃油喷雾特性是决定缸内直喷汽油机燃烧和排放优劣的关键因素之一，同时发动机燃烧室形状设计与喷雾贯穿距和喷雾锥角匹配对于燃烧系统的开发也是必须考虑的因素。因此，研究喷雾特性对发动机燃烧优化有着至关重要的作用。近年来，国内外学者对直喷汽油机的喷雾特性进行了大量的研究。一般而言，直喷汽油机燃油喷射时，取决于不同的环境与运转工况，燃油温度为-10～100 ℃，环境压力在20 kPa～0.5 MPa或者更高[1]，基于此燃油温度及环境压力范围，对应于不同的燃料，直喷火花点火发动机多孔喷雾主要表现为高速液体射流喷雾[2]。

对于高速液体射流破碎，已有的研究大多基于光学定容喷雾试验，用特定的汽油或柴油等燃料，得到描述控制参数(如喷射压力、燃油温度、环境压力等)与喷雾特性(贯穿距、喷雾锥角等)的关系[3-5]。然而这些研究直接建立喷雾控制参数与喷雾特性之间的关系式大多较为复杂，且控制参数与喷雾特性只能从现象学上分析，无法反映物理机理，只适用于特定的燃料系统和喷油系统，通用性一般。曾纬[6]用物理方法基于液体射流受力用喷雾图像分析无量纲数与喷雾特性的关系。本研究通过分析液体射流分裂与雾化过程中受到的惯性力、黏性力、表面张力和气动力相对大小，用表征这4个力相对大小的无量纲数——韦伯数、雷诺数及气液密度比结合试验数据来分析液体射流破碎喷雾特性。

1 液体射流破碎机理

为了揭示不同热力学条件下液体射流的雾化机理，须从喷雾控制参数入手，分析控制参数与控制作用力之间的关系，然后用表征控制作用力相对大小的无量纲数——韦伯数、雷诺数及气液密度比来分析液体射流破碎喷雾特性。具体分析过程见图1。

图1 液体射流破碎机理分析过程

1.1 控制作用力与控制参数之间的关系

1.1.1 惯性力

惯性力是由液体相对于环境气体具有较大的质量和速度引起的。喷射压力直接决定了射流的运动速度，从而影响到惯性力。喷孔的几何结构(喷孔直径、喷孔长径比)主要影响射流的初始流动状态，从而影响到惯性力。

1.1.2 黏性力

黏性力是由液体的黏度对其形变的阻碍引起。燃油温度、种类和属性将极大地影响到黏性力。液体的黏度系数通常随温度的升高而减小，不同的液体燃料具有不同的黏度系数，而流体的黏性对喷嘴内部流动的影响是十分复杂的。

1.1.3 表面张力

表面张力是由液体和气体的界面效应引起。喷雾使连续的液体破碎成为细小的液滴，液滴的稳定取决于液体的表面张力，它阻止液滴表面的变形，雾化所需要的最小能量就等于表面张力系数乘以液体表面积的增加量。对于大多数置于空气中的液体，其表面张力系数要随温度的升高而减小。燃油温度、种类和属性将极大地影响到表面张力。

1.1.4 气动力

气动力是指液体燃料与空气作相对运动时作用在液体燃料上的力。由于气体的可压缩性较大，改变气体压力来控制环境气体密度，并最终影响射流破碎过程中受到的气动力。环境压力越高，射流在高速运动过程中受到的气动力就越大，液体的形变就越剧烈，最终导致连续液柱的存在时间较短。

1.2 无量纲数与控制作用力的关系

1.2.1 雷诺数

雷诺数是惯性力和黏性力的比值，代表的是惯性力与黏性力的相对作用。雷诺数的计算公式为

(1)

式中：ρL为液体燃料的密度；d为喷油器喷孔直径；v为燃料射流出口速度；vL为液体燃料黏度。

燃料射流出口速度v用伯努利方程进行计算：

(2)

式中：CD为喷孔流量系数；Δp为燃料喷射压力与环境压力之差。

CD应用Asihmin经验方程[7]计算：

(3)

式中：L为喷孔长度；D为喷孔直径。

1.2.2 韦伯数

韦伯数是惯性力和表面张力的比值，代表的是惯性力与表面张力的相对作用。韦伯数的计算公式为

(4)

式中：σ为液体表面张力。

1.2.3 气液密度比

气液密度比为环境气体密度与液体燃料密度的比值。气液密度比Ra=ρa/ρL代表气动力的大小。ρa为环境气体密度。

1.3 喷雾特性与无量纲数的关系

先进行喷雾试验，从试验结果分析喷雾特性与无量纲数之间的关系。本次喷雾试验在高温高压定容弹系统内进行。定容弹本体满足10～100kPa的真空压力试验需求，其最大使用压力为6MPa，最高使用温度为800K；定容弹油路系统能提供的燃油压力为0.4 ～20MPa；燃油温度能在-20～90 ℃内调节。试验设备布置见图2 。

1—定容弹；2—高速相机；3—操作台；4—燃油温度控制装置；5—喷油器；6—高压蓄油稳压容器；7—高压氮气瓶；8—进气系统；9—白光源；10—排气系统图2 试验设备布置示意

试验使用的喷嘴为一款6孔直喷喷油器，其喷孔直径为160μm，喷孔长度为250μm。为了扩大无量纲数范围以及消除单一燃料对试验结果的影响，试验中使用了3种液体燃料，分别为92号汽油、乙醇(分析醇)和异辛烷。喷雾试验前先测量3种燃料在不同温度下(以5 ℃为间隔，测量范围为10～60 ℃)的密度、黏度及表面张力。密度测量仪采用阿基米德原理与现代电子技术结合；燃料黏度通过应用乌氏黏度计获得；表面张力使用气泡压力法张力仪测量。在喷孔尖端距离喷孔出口1mm处钻一个小孔，深度距离喷孔流道小于0.5mm，将热电偶粘在孔内。由于热电偶距离喷孔流道很近，可认为此温度测量值为喷射流体的温度。

试验中通过改变燃料的温度、喷射压力和环境背压达到所需的无量纲数要求，其中燃料温度的变化会同时改变燃料的密度、黏度、表面张力。试验开始前用标定尺固定在容弹内拍照进行标定，为后处理做好准备。先进行雷诺数、韦伯数、气液密度比3个无量纲数相近时的喷雾试验。然后通过改变1个无量纲数并保持另外2个无量纲数不变，分别进行变雷诺数、变韦伯数、变气液密度比喷雾试验。试验前预喷500次，试验中拍摄记录喷雾50次，每次喷雾拍摄的曝光步长为0.5ms。图3示出了不同的喷射条件下，无量纲数相近时汽油、异辛烷、乙醇在喷油开始后1.5ms时刻喷雾形态。图4示出了雷诺数不同时的喷雾形态。图5示出了韦伯数不同时的喷雾形态。

图3 无量纲数相近时喷雾图像对比

图4 雷诺数不同时喷雾图像对比

图5 韦伯数不同时喷雾图像对比

因液体的密度变化幅度小，要想大幅度地变动气液密度比须改变气体的密度。气体密度跟温度和压力有关，温度变动的幅度小且加热气体难度相对较大，因此采用调节气体压力的方式改变气液密度比。气体的压力变化涉及气体在真空状态、标准大气压、高于标准大气压3种状态。在这3种状态下，气体有不同的物理特性，为了更清楚地了解液体在3种状态下的喷雾形态，排除燃料性质对试验的影响，仅使用汽油进行变气液密度比试验。在喷油开始后1.5ms时刻的喷雾形态见图6。

图6 不同气液密度比下的喷雾情况

2 试验结果分析

对每个工况喷油开始后1.5ms时刻喷雾图像用DaVis软件进行后处理：先对每个工况50个循环的1.5ms时刻喷雾图像平均化，再对平均化的喷雾轮廓和背景进行反色处理以凸显喷雾形态，最后基于SAE—J2715标准[8]对每张图片进行相同的灰度调节算出喷雾锥角和贯穿距。表1至表4分别示出不同无量纲数时的喷雾锥角和贯穿距对比。

表1 无量纲数相近时喷雾锥角和贯穿距对比

表1的试验结果表明，不同燃料在不同的喷射控制条件、相近的无量纲数下，可以得到相似的喷雾形态，说明液体射流的分裂与雾化是液体受到惯性力、黏性力、表面张力和气动力的共同作用的结果。4个力的相对大小决定液体破碎的形态和机理，用表征4个力相对大小的雷诺数、韦伯数和气液密度比能完整且准确地描述高速液体射流喷雾的宏观形态。惯性力和气动力是射流破碎和雾化的促进力量，它们能将连续的流体撕裂、破碎成为液带和液滴；而黏性力和表面张力则对液体射流的形变具有阻碍作用，阻碍射流破碎和雾化，使射流恢复到初始形状。

表2 雷诺数不同时喷雾锥角和贯穿距对比

表2的试验数据表明韦伯数和气液密度比恒定，改变雷诺数的大小对喷雾的形态无明显的影响。在试验工况的雷诺数范围内，惯性力克服黏性力的作用并不是影响射流特性的主要因素。

表3 韦伯数不同时喷雾锥角和贯穿距对比

表3的试验数据表明雷诺数和气液密度比恒定,改变韦伯数的大小将明显改变喷雾的结构。随着韦伯数的增大，喷雾的贯穿距显著变大，这说明惯性力克服表面张力的作用是决定射流特性的主要因素之一。韦伯数增大表明惯性力克服表面张力的作用增强，这将使得喷雾获得的动量明显增大，导致一个较大的喷雾贯穿距。韦伯数的增大对喷雾的锥角并没有显著的影响，说明惯性力在克服表面张力的过程中，连续液体射流破碎成离散液滴的能力有限。

表4 气液密度比不同时喷雾锥角和贯穿距对比

表4的数据表明，当气液密度比发生变化，喷雾形态将发生显著的变化，喷雾贯穿距随气液密度比的增大而减小，喷雾锥角随气液密度比的增大先减小后增大，当气液密度比为0.001 6时(环境压力为100kPa)出现一个最小值。气动力的增强，使得喷雾的动量明显减小，导致喷雾贯穿距离减小。在高环境压力状态及真空状态时，气液密度比对喷雾锥角的影响存在区别，表明在这两种状态时，喷雾雾化所涉及到的机理存在区别。当环境压力高于100kPa(即标准大气压力)时，喷雾及环境空气的相互作用是决定卷吸气流强度的主要原因，因此射流破碎的过程受到气动力影响。在高气液密度比时，存在一个较强的喷雾与环境空气的相互作用，使得燃油分布变广进而喷雾锥角增大。当环境压力小于100kPa，即属于部分真空状态时，随着环境压力的降低，喷雾与环境空气的相对作用由于空气密度的降低而被削弱，因此，气动力对喷雾的影响减弱，使其不再是影响喷雾雾化的主要因素。此时，由于液体表面各部分不规则的速度波动使得液体本身的湍动逐渐成为影响射流破碎的主要因素之一。当压力不断降低时，速度波动逐渐增强，环境空气的密度逐渐减弱，使得喷雾的分布再次变广。

3 结论

a) 缸内直喷汽油机喷雾特性(喷雾锥角、贯穿距)与无量纲数(雷诺数、韦伯数、气液密度比)之间有紧密的联系，用无量纲数可以较准确地分析喷雾特性;

b) 无量纲数相近时，喷雾锥角和贯穿距相近；韦伯数和气液密度比相近时，喷雾锥角和贯穿距不随雷诺数的变化而变化;

c) 雷诺数和气液密度比相近时，贯穿距随韦伯数的增大而增大，喷雾锥角和韦伯数的依存性不明显;

d) 韦伯数和雷诺数相近时，贯穿距随气液密度比的增大而减小；喷雾锥角随气液密度比的增大先减小后增大，在标准大气压时喷雾锥角最小。

[1]AleiferisPG，Serras-PereiraJ，RomundeZV，etal．Mechanismsofsprayformationandcombustionfromamulti-holeinjectorwithE85andgasoline[J].Combust．Flame，2010,157:735-756．

[2]ZengW，XuM，ZhangG，etal．Atomizationandvaporizationforflash-boilingmulti-holesprayswithalcoholfuels[J].Fuel，2011,95:287-297．

[3]DumouchelC．Ontheexperimentalinvestigationonprimaryatomizationofliquidstreams[J]．ExperimentsinFluids,2008，45：371-422．

[4] 刘俊杰，吴志军，范钱旺，等.直喷汽油机中乙醇汽油宏观喷雾特性的试验研究[J].汽车工程，2011，33(10):860-864.

[5] 范钱旺，李理光，胡宗杰，等.直喷汽油机的喷雾特性及其对气体运动的影响[C]//重庆：中国内燃机学会燃烧、节能、净化分会2010年学术年会，2010，8:24-27.

[6] 曾纬.直喷液体射流及闪急沸腾喷雾的特性及机理研究[D].上海：上海交通大学，2012.

[7] Lefebvre A H．Atomization and Sprays[M]．USA：Hemisphere Publishing Corporation,1989.

[8] Hung L S D．SAE—J 2715 Surface Vehicle Recommended Practice[S].USA：SAE international，2007．

[编辑： 姜晓博]

Spray Characteristics of Vehicle Gasoline Direct Injection Engine

ZHU Minsi, XIONG Rui, DU Xitao, ZENG Fanwu

(School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China)

A constant volume container and high-speed photographic technology were utilized to study the spray characteristics of multi-hole injector for gasoline direct injection engine in order to reveal the relationship between spray characteristics such as spray penetration and spray cone angle of high speed liquid jet flow and dimensionless coefficients such as Weber number, Reynolds number and air-to-liquid density ratio. The results show that Weber number and gas-liquid density ratio have a significant impact on the macroscopic characteristics of spray. The influence of Reynolds number on spray characteristics is unobvious.

spray characteristics; Weber number; Reynolds number; air-to-liquid density ratio

2017-03-22；

2017-04-28

广东省科技厅省部产学研结合基金项目(2013B090400002)

朱敏思(1991—)，男，硕士，主要研究方向为发动机子系统试验；15521188128@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.007

TK413.8

B

1001-2222(2017)03-0038-04