GDI喷油器高温汽油的近场射流特性

杨渊博，裴毅强，任源，王志东，刘懿，吕刚

(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津，300072)

随着全球机动车保有量不断增加，石油资源短缺问题变得日益严峻，为提高燃油利用效率，GDI(gasoline direct injection)发动机迅速发展，直喷汽油机喷油器的喷雾特性也受到关注[1]。近年来，为改善燃油雾化效果，喷油压力被不断提高，在目前较先进的GDI汽油机中，喷油压力可以达到25 MPa[2]。但是因高喷油压力而发生的燃油“湿壁”和“池火”现象令GDI汽油机碳烟和颗粒物的排放较传统PFI(port fuel injection)发动机更加严重[3]。为解决上述问题，利用高温燃油实现过热闪沸喷雾甚至超临界射流的方法得到重视[4]。目前，对高温汽油射流特性的研究在国内外刚刚起步，BONAR等[5]利用阴影法研究了20 MPa喷射压力下温度为100~300 ℃的汽油喷入常温常压环境中射流的宏观形态，发现随着温度升高，喷雾贯穿距变小，进入超临界态后射流表面存在剧烈的两相扩散，蒸发速率更高，剪切层处的湍流混合更明显。但人们没有对近场射流特性进行深入研究。在中低温汽油射流特性的研究中，ALEIFERIS等[6]利用激光照明阴影法在15 MPa喷射压力下对比研究了20~180 ℃汽油分别喷入常温常压和常温 0.05 MPa背压环境中射流的远场和近场特性，研究显示在120 ℃和0.05 MPa的环境压力下，宏观上喷油器各孔喷雾尖端开始聚集，并出现喷雾“塌缩”现象。另外，在近场观测中，发现液滴的蒸发速率变快，且液滴粒径明显变小。而对于温度在 120 ℃以下的过冷汽油液体射流和过热闪沸射流，张高明[7]运用双相激光诱导荧光、双色测温法和平面激光米氏散射等技术对射流雾化和蒸发机理进行了研究，何邦全等[8]量化了单孔喷油器常温汽油的近场喷雾特性参数。人们对喷雾马赫盘的研究主要集中在航空航天领域，对于汽油领域的喷雾马赫盘研究方向，目前国内外均尚未开展。LIN等[9]通过试验研究了高温甲烷、乙烯混合物喷入到氮气环境中的喷雾激波结构及燃料在喷嘴内部和喷孔下游的相变特性；GAO等[10]用纹影法研究了航空煤油马赫盘位置、尺寸随压力和温度的变化规律，并认为高温燃油射流更接近可压缩气体高度欠膨胀射流的特点。目前，对于超过200 ℃的高温汽油射流特性的研究极少且集中于远场特性。因此，本文作者针对一款商用5孔GDI直喷喷嘴，运用米氏散射技术对其进行喷雾试验，并用微距镜头和高速相机细致观测了高温汽油射流的近场形貌，结合图像处理技术分析高温汽油射流马赫盘特性。

1 试验系统及方法

整个试验系统如图1所示，包括定容弹、燃油喷射系统、图像采集系统和电控单元等，喷雾图像由日本 Photron公司生产的 Fastcam SA5高速摄像机及sigma公司生产的微距镜头所拍摄，分辨率为384像素×368像素，拍摄频率为36 000帧/s。在定容弹四周分别安装了直径为100 mm的圆柱形石英窗口，定容弹顶部垂直安装了大众集团型号为04E906036C的5孔GDI喷油器。图2所示为用空间分辨率1 μm的X线探测器扫描得到的喷嘴结构图和各喷孔参数。

图1 高温汽油射流可视化系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of high temperature gasoline jet visualization

图2 喷嘴结构简图及参数Fig. 2 View and specifications of injector orifices

表1 试验参数Table 1 Experimental specifications

试验条件如表1所示。燃油压力由蓄能器提供，喷油压力范围为0~20 MPa。加热圈套在喷油器周围用于加热燃油，通过二次仪表对加热圈的供电电压进行PID调节来实现燃油温度的精确控制。温度传感器黏附在喷油器顶端，每次燃油喷射后加热保温5~10 min，使试验中喷油器达到热传导动态平衡，即认为喷油器内壁的温度和喷油器中燃油的温度相同。定容弹中的环境为常温常压。

在图像采集过程中，为了减小喷油过程中近场喷雾图像的随机误差，对每一个试验点进行10次拍摄。利用自编的Matlab图像处理程序，对单次喷油过程中得到的每幅图像进行处理，首先去掉图像的背景，通过对比判断出合适的阈值，再将喷雾图像转换为灰度图。在此基础上，把图像中孤立的油滴去除，并利用最大灰度变化率提取出喷雾边界，最后计算喷雾相关参数。

分析时采用喷油后计时 ASOI(after start of injection)方式，即将记录的第1幅燃油喷出图像记作ASOI为 28 μs，将其前一幅图像记作喷油始点SOI(start of injection)。

2 试验结果与分析

2.1 不同条件下喷雾发展

当ASOI为1 389 μs即喷雾发展中期，不同喷射压力和燃油温度下的喷雾形态如图3所示。由图3可以看出：在同一喷射压力下，喷雾在常温时各喷孔喷雾形状能明显区分，整体喷雾表面“凹凸不平”；随着燃油温度升高直至170 ℃，各孔喷雾形状不再能明显区分，整体喷雾表面变得“光滑明亮”。这是由于燃油温度升高使得液体内部发生相变过程，大量气泡在连续液体内部产生；当气泡离开喷嘴后，处于自由状态的气泡将急速长大，产生微爆现象(micro-explosion)[7]，剧烈的微爆让喷雾中的液滴粒径变小，且由于油滴粒径变小，喷雾整体具有更强的光散射能力，因而这一阶段的喷雾表面会变得“光滑明亮”。

另外，在170 ℃下，从图3可以观察到喷雾整体在喷嘴出口处发生明显的膨胀现象。而在喷雾图像的末端，各喷孔油束逐渐向中央汇聚，喷雾整体开始“坍塌”。这是因为温度升高令燃油闪沸效应加强，使得各喷孔油束在喷嘴出口处膨胀变宽，且发生相互作用，整个喷雾变成结构封闭的实心喷雾。而喷雾内部压力要低于外部环境压力，令液滴向喷雾中心移动，表现为喷雾“坍塌”[11]。

当燃油温度升高到245 ℃以上后，可以观察到液相燃油数量明显减少，喷雾图像部分区域颜色变淡，且产生了明显的马赫盘现象；当温度达到280 ℃时，液相燃油量进一步减少，散射光强度大幅度降低。这是因为更高的燃油温度令液体内部的相变过程更加剧烈，部分燃油被快速蒸发，汽油的表面张力和潜热消失，射流接近于气相喷射。

在同一燃油温度下，随着喷射压力升高，整体喷雾表面“凹凸不平”的现象更加明显，在 170 ℃时，5 MPa喷射压力下各孔喷雾形态已经无法区分，喷雾整体变得“光滑明亮”，但 15 MPa喷射压力下喷雾的“凹凸不平”仍然清晰可见。另外在245 ℃和280 ℃时，可以观察到高喷射压力下的喷雾液态燃油量要明显多于低喷射压力下的喷雾液态燃油量。

为了更加清楚地观测燃油温度升高对射流粒径的影响，将同为10 MPa喷射压力下不同温度的喷射结束阶段喷雾图像进行对比，如图4所示。从图4可见：常温时，喷嘴出口处清晰可见断裂的油束和较大的油滴，燃油温度升高后，喷雾结束段的喷雾变得连续，油滴粒径明显变小。

图3 不同条件下近场喷雾图像(ASOI为1 389 μs)Fig. 3 Near filed spray images under different situations at ASOI of 1 389 μs

图4 10 MPa喷射压力不同温度下近场射流图像(喷射结束阶段)Fig. 4 Near filed spray images under 10 MPa injection pressure at different temperatures (the end of injection phase)

这一现象与 BONAR等[5]在高温汽油粒径测量实验中得到的结果一致，并且可以推断：提高燃油温度能够解决由喷油器燃油尾喷带来的内燃机排放问题。

2.2 不同条件下喷雾膨胀角变化

对上述提到的喷嘴出口处射流膨胀现象进行定量分析，膨胀角定义，示意图如图5所示。在提取喷雾图像和喷油器的边界曲线后得到交点A和C并作出2条喷雾边界曲线的切线AB和CD，则这2条直线间的夹角即为该时刻的喷雾膨胀角。

图5 近场喷雾膨胀角定义Fig. 5 Definition of near filed spray expansion angle

图6所示为喷雾中期(ASOI为1 389 μs)不同喷射压力和燃油温度下喷雾膨胀角和膨胀率。为便于分析，根据喷雾膨胀角的变化特征，将燃油温度分为低温区(25~85 ℃)、中温区(85~170 ℃)和高温区(170~245 ℃)。

图6 不同条件下的膨胀角和膨胀率(ASOI=1 389 μs)Fig. 6 Expansion angle and expansion rate under different situations at ASOI of 1 389 μs

从图 6(a)可以看出：不同喷射压力下的喷雾膨胀角整体变化趋势均为在低温区基本保持不变，穿过中温区时急速增加，到高温区后逐渐趋于平缓。喷雾膨胀角在中温区体现快速增长的变化趋势主要是因为气泡微爆的发生。由于燃油液体内部相变产生的气泡在喷孔出口处长大并发生微爆，加强了液滴与周围介质气动作用，液滴获得径向动量并向外扩散，整体喷雾边缘向外膨胀[12]。从图6(b)同样可以看出：中温区间内膨胀率在125 ℃达到峰值，3种喷射压力下的膨胀率峰值依次为39.0%，37.1%和42.7%。

根据燃油所处的热力学状态在压力−温度相图中对各区域的射流过程进行示意，如图7所示。从图7可见：低温区汽油在整个射流过程中的压力要始终高于其饱和蒸气压，不发生相变过程，则不存在气泡微爆效应为喷雾提供动量，因此，低温区的喷雾膨胀角基本维持常温汽油喷雾锥角不变。低温区的膨胀率曲线也在膨胀率为0附近轻微波动。

图7 不同条件下射流过程在相图中的示意图Fig. 7 Schematic phase diagram of injection processes under different situations

当燃油温度进入高温区后，气相汽油含量快速增长，虽然会一定程度增加气泡微爆效应，但由于喷嘴流道的液态汽油减少，使得喷孔处的静压力也快速变小，当燃油喷出后，喷雾边缘向内收缩来平衡静压力的变化，膨胀角会有减小的趋势[13]。这种现象令喷雾膨胀角快速增长的变化趋势变慢，逐渐趋于平缓。同样的特性在图6(b)中的膨胀率曲线有所反映。

另外，在中温和高温区，处于同一温度时，较高喷射压力下的喷雾会有更大的膨胀角，出现这种现象的原因同样是因为高喷射压力令喷孔处的静压力变大，喷雾膨胀角会随着喷射压力的提高而增大。

2.3 不同条件下喷雾马赫盘变化

试验中，在燃油温度升高到一定值后，各个喷射压力下的射流在喷孔下游均出现了明显的马赫盘现象。为了更加清楚地说明本实验得到的结果，通过高度欠膨胀自由射流的近场流动结构示意图[8]对本实验马赫盘结构及相关参数进行定义，如图8所示。马赫盘是超声速射流在发展过程中产生的一种现象，射流在扩散至低压的大气中后形成膨胀波，膨胀波扩散至射流边缘并反射较微弱的压缩波，这些压缩波汇聚在射流内部形成拦截冲击，将其定义为桶状激波。在距喷孔一定距离处产生轻微的弧状激波称之为马赫盘，它与射流轴线基本垂直并与桶状激波相交，产生2道斜向的反射冲击，将其定义为斜激波。

图8 欠膨胀射流结构示意图Fig. 8 Schematic of under expanded jet

为了避免喷油器各束喷雾间的互相干扰，详细分析马赫盘形态结构并深入研究马赫盘随温度压力等因素的变化规律。本实验将喷油器侧置安装，使用金属黏合剂改造5孔喷油器得到单孔喷油器，其余参数与原5孔喷油器完全相同，并重新进行图像采集。图9(a)所示为在10 MPa喷射压力，275 ℃燃油温度时得到的单孔喷雾马赫盘图像，从图 9(a)可以看到马赫盘、桶状激波和2道斜激波。所涉及的马赫盘参数定义示意图如图 9(b)所示，包括喷孔直径DI、马赫盘弧长LM以及马赫盘到喷孔的距离XM。为了消除不同喷孔尺寸对实验结果的影响，对马赫盘弧长LM和马赫盘到喷孔的距离XM分别进行量纲一化处理，并定义量纲一马赫盘大小L=LM/DI、量纲一马赫盘位置X=XM/DI。

图9 单孔喷雾马赫盘图像(10 MPa，275 ℃)及其参数定义示意图Fig. 9 Mach disk spray images of single injector at 10 MPa injection pressure, 275 ℃ gasoline temperature and its definition of Mach disk parameters

图10所示为在10 MPa和15 MPa 2种喷射压力下，燃油温度对量纲一马赫盘大小L的影响。从图10可以看出：2种喷射压力下量纲一马赫盘大小整体上均随着燃油温度升高而增大。这是因为在相同的喷射压力下，燃油温度提高，不断增强的气泡微爆效应令射流的扩散性同样增强，射流边缘向外膨胀，马赫盘相应变大。

在燃油温度相同的条件下，量纲一马赫盘大小随着喷射压力的增大而增大，产生这种现象的原因是随着喷射压力的提高，喷嘴出口的静压力提高，使得射流膨胀能力更强，射流边缘向外扩张，马赫盘因此变大。

图10 不同条件下的量纲一马赫盘大小(ASOI=1 389 μs)Fig. 10 Dimensionless Mach disk size under different situations at ASOI of 1 389 μs

图11所示为在3种喷射压力下，燃油温度对量纲一马赫盘位置X的影响。从图11可以看出：在3种喷射压力下，随着燃油温度升高，量纲一马赫盘位置均在小范围之间波动变化，这说明量纲一马赫盘位置与燃油温度无关，这与LIN等[14]研究甲烷/乙烯混合物喷射到氮气环境中得到的实验结果一致。

在温度相同下，射流的量纲一马赫盘位置随着喷射压力的增大而增大。产生这种现象的原因是在相同的燃油温度下，喷射压力增加，喷嘴出口处的静压力增加，射流边缘必须向外延伸来平衡内部压力的提高，这样，马赫盘的位置必然会远离喷嘴出口。

图11 不同条件下的量纲一马赫盘位置(ASOI=1 389 μs)Fig. 11 Dimensionless Mach disk position under different situations at ASOI of 1 389 μs

3 结论

1)随着燃油温度升高，喷嘴出口处的燃油射流向外膨胀，射流中段向内塌缩；当燃油温度达到一定数值后，在喷嘴附近的射流出现马赫盘现象。高温汽油射流受内部相变产生的气泡微爆效应影响，与常温汽油射流相比油滴粒径更小。

2)在相同喷射压力下，低温区汽油射流膨胀角基本与常温射流锥角保持不变，在进入中温区后快速增大，到高温区逐渐趋于平缓；膨胀率随燃油温度变化曲线呈现单峰特性。在相同燃油温度下，膨胀角随着喷射压力的提高而增加。

3)在相同喷射压力下，量纲一马赫盘大小均随着燃油温度的升高而增加；量纲一马赫盘位置受燃油温度的影响不太明显。在相同燃油温度下，量纲一马赫盘大小、量纲一马赫盘位置均随着喷射压力的升高而提高。

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