背景气密度对GDI喷雾特性的影响*

2020-06-29李钦伟侯志刚张景宇李雁飞帅石金

汽车工程 2020年6期

李钦伟，侯志刚，张景宇，李雁飞，帅石金

（1.烟台大学机电汽车工程学院，烟台 264005； 2.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）

前言

缸内直喷（GDI）技术是当代汽油机的主流技术［1］。多孔GDI喷油器可通过较小的喷油脉宽和贯穿距来获得更好的混合气质量，进而被广泛应用到GDI发动机。但由于环境条件和喷油器喷孔结构等条件的不同，会对喷雾结构产生影响，进而对汽油机的性能和排放产生重要的影响。同时，更严格的排放法规对喷雾及其混合气质量提出了更高的要求。因此，需要对GDI喷油器的喷雾特性进行深入研究。

许多学者对GDI喷雾特性进行了研究［2-18］，不少研究发现多孔GDI喷油器在非闪沸条件下会发生喷雾坍塌现象［15-18］。通常认为喷雾坍塌是由于在喷雾发展过程中喷雾内部形成的低压区造成的，对于非闪沸条件下喷雾内部低压区的形成机理许多研究都给出了解释。Heilmann等［19］认为喷雾内部的低压区是由于高速运动的射流带动油束周围气体以较高的速度运动，而气流高速运动在喷雾中心会产生一个低压区。Guo等［20］将在环境压力较高时由于高速射流与空气相互作用产生的低压区引起的喷雾坍塌定义为射流诱导坍塌。

对于非闪沸条件下喷雾特性的影响因素国内外已经展开了大量研究。李雁飞等［6］研究了背压对喷雾特性的影响，发现在高背压的工况下，喷雾油束有向喷油器轴线方向移动的趋势。丁海春等［7］研究表明，较高背压会使油束间的相互作用增强，造成近喷嘴区域的喷雾挤压现象。Dahlander等［21］研究了非闪沸条件下的油束落点，结果表明，较小的油束间距会使油束间产生相互作用，造成燃油空间分布的不均。Nishada等［17］研究了双喷孔喷嘴的喷孔夹角对喷雾气液相浓度分布的影响，结果表明夹角越小，喷雾中心与喷雾外侧的压差越大，油束越向喷油器轴线靠拢。Khan等［22］对喷雾进行模拟仿真指出，喷雾内部近喷嘴端向下的气流与远端向上的气流相碰撞会产生径向的速度，导致喷雾的径向扩张。

可见，在非闪沸条件下，增加背压可增加油束与环境气体之间的相互作用，使喷雾内外压差进一步增大，导致坍塌增强；但增加背压的同时，背景气密度同样发生了改变。因此，对于非闪沸条件下喷雾坍塌的影响因素需进一步解析。本文中利用3种不同的背景气体（He、N2、CO2）来解耦背压和背景气密度，通过对比分析非闪沸条件下背压和背景气密度对喷雾特性影响的差异，进一步确定影响非闪沸条件下喷雾坍塌的主要因素。

1 试验装置与图像处理方法

1.1 试验装置

图1为试验装置示意图。试验在一定容弹内完成，GDI多孔喷油器安装于容弹顶部，石英视窗左右对称布置，高速相机和LED光源分别固定在容弹左右两侧。喷油器通过带有高压油腔的压台固定，油腔周围均匀布置加热棒和热电偶，通过PID控制，可实现对油温实时的测量和控制。喷油器油压由高压氮气驱动的气液增压泵控制。背压用高压气源（He、N2和CO2）和离心真空泵进行控制，并通过O-mega高精度数字压力表对背压实时监控，高压气源还同时用于每轮试验后容弹内的清洁扫气。试验所用相机为 Photron SA X2高速相机，拍摄速率为20 000 fps，图片分辨率为 1024×1024。

图1 试验装置示意图

采用非对称布置的5孔GDI喷油器，喷孔直径为0.18 mm，长径比为0.93。10 MPa喷射压力、0.10 MPa背压下该喷油器的落点如图2所示。

图2 喷油器油束落点图

1.2 试验条件

试验工况如表1所示。喷射压力恒定为10 MPa，背压为 0.04～1.10 MPa，背景气体为 He、N2和CO2，燃油选用正己烷，燃油温度为30～90℃，喷射脉宽为3 ms。表2为环境温度20℃时各背压对应的背景气密度。

表1 试验条件

表2 测试条件下的背景气密度

1.3 图像处理

采用Matlab程序对喷雾原始图像进行处理。图像处理过程如图3所示。通过选择合适的阈值对原始图像进行一系列处理，最终求解出合适的结果。原始图像见图3（a），图3（b）为减掉背景图并增强对比度后的图像，图3（c）为对上一过程进行二值化处理后的图像，图3（d）为提取二值化后的图像轮廓。喷雾宽度定义为位于喷嘴下方某一轴向距离处喷雾轮廓的最左端至最右端的水平距离。贯穿距定义为喷嘴至喷雾最远前锋面之间的轴向距离。每个试验条件下重复10次试验，采用平均值来保证结果的可靠性。

2 试验结果和分析

2.1 背景气密度的影响

图3 图像处理过程

图4 为在3种背景气体条件下，背景气密度不同时的喷雾形态。燃油温度为30℃，所选时刻为喷雾开始后1.6 ms。从图4中可以观察到，在He中，背景气密度较低时，可以观察到单独的油束，且各个油束沿着名义轴线方向发展。随着背景气密度的增加，各油束逐渐向喷油器轴线方向偏移，油束间的间隙逐渐减小，贯穿距减小。在高背景气密度下近喷嘴区域的喷雾宽度显著减小，表明发生了喷雾坍塌现象。同时，背景气密度为0.10 kg·m-3时喷雾形态更为透明，表明喷雾中的液滴更少，液相分布更均匀。在N2和CO2中，随着背景气密度的升高，喷雾油束在近喷嘴区域受挤压程度增加，贯穿距减小，在喷雾远端出现漩涡结构。

对比同一背压下的喷雾形态可以发现，喷雾形态有着较大的差异。背压为0.06 MPa时，He中喷雾的各个油束之间的间隙较大，可以观测到单独的油束，N2中的喷雾可以隐约观察到油束之间的间隙，而密度较大的CO2中油束的间隙进一步缩小。表明随着背景气密度的增加，喷雾受挤压程度增加。背压为1.10 MPa时，在近喷嘴区域，3种背景气体下喷雾油束间的间隙基本消失，N2和CO2中的喷雾受挤压程度要比He中严重。另外，N2和CO2中的喷雾贯穿距相差不大，但要比He中小的多。

图4 不同背景气密度下的喷雾形态（T fuel＝30℃）

图5 相同背景气体下背景气密度对喷雾宽度和贯穿距的影响（T fuel＝30℃）

图5 为相同背景气体环境下背景气密度对喷雾宽度和贯穿距的影响。喷雾宽度随轴向距离的变化情况选取时刻为喷雾开始后1.6 ms。由图5（a）可见，背景气体为He时，随着背景气密度的升高，轴向距离2 mm之前的喷雾宽度相对稳定；而在轴向距离2 mm之后的喷雾宽度逐渐减小。由图5（c）可见，背景气体为N2时，随着背景气密度的升高，轴向距离2 mm之前的喷雾宽度相对稳定；而轴向距离2至8 mm区域的喷雾宽度逐渐减小。同时，当背景气密度升高至10.36 kg·m-3继续升高时，喷雾宽度趋于稳定；轴向距离8 mm之后的喷雾宽度显著增加，这是由于位于喷雾尖端外侧的卷吸区域距离喷嘴较近所致。由图5（e）可见，当背景气体为 CO2时，当背景气密度的升高至9.28 kg·m-3后继续增加时，喷雾宽度趋于稳定。由于卷吸位置更靠近喷嘴，喷雾宽度的显著增加发生在轴向距离6 mm之后。3种背景气体下，随着背景气密度的增加，喷雾受到的空气阻力增大，导致喷雾贯距减小；同时N2和CO2中的喷雾贯穿距的减小幅度相比于He中的大，这是由于N2和CO2同等背压下密度要大，从而喷雾发展所受到的阻力也较大。

图6为在3种背景气体环境下背压相同时背景气密度对喷雾宽度和贯穿距的影响，喷雾宽度随轴向距离的变化情况选取时刻为喷雾开始后1.6 ms。由图6（a）可见，背压为0.06 MPa时，当背景气密度从0.10升至1.07 kg·m-3，轴向距离2 mm之后的喷雾宽度逐渐降低。由图 6（b）可见，背压为1.1 MPa时，当背景气密度从1.80升至12.67 kg·m-3，轴向距离2 mm之后的喷雾宽度逐渐降低，当背景气密度继续升至21.14 kg·m-3时，喷雾宽度不再降低，基本维持稳定。同时，在轴向距离6 mm之后，由于卷吸的影响导致喷雾宽度显著增加。由图6（c）可见，在同一背压下，N2和CO2中的喷雾贯穿距相对增加缓慢，这是由于N2和CO2具有更大的密度，会加大对喷雾液滴的阻碍作用，导致液滴动能更大的损失［10］。

2.2 燃油温度的影响

图7为在3种背景气条件下，不同燃油温度时的喷雾形态。背压为0.3 MPa，所选时刻为喷雾开始后1.6 ms，喷雾均处于非闪沸状态。在He中，随着燃油温度的上升，喷雾各个油束的宽度减小，说明喷雾中液相更多的转变为气相，这是由于燃油温度上升导致液滴蒸发的加剧，会使液滴的寿命缩短［11］。在N2和CO2中，随着油温的上升，喷雾末端由于卷吸作用的增强［12］，导致在远端喷雾外侧漩涡尺度有略微的增加。

图8为在3种气体条件下，不同燃油温度对喷雾宽度和贯穿距的影响，喷雾宽度随轴向距离的变化情况选取时刻为喷雾开始后1.6 ms。由图8（a）-图8（c）可见，在同种背景气体环境下，随着燃油温度的增加，喷雾宽度均没有发生较大的改变，这说明在非闪沸条件下，多孔GDI喷雾宽度对于燃油温度的敏感程度较低。由图8（d）可见，随着燃油温度的增加，在喷雾发展初期，贯穿距有略微增加，这是由于油温增加会降低燃油密度、粘度和表面张力等物性参数，燃油离开喷嘴后的初始速度增加所致。

2.3 讨论

图6 背压相同时背景气密度对喷雾宽度和贯穿距的影响（T fuel＝30℃）

图7 不同燃油温度下的喷雾形态（p amb＝0.3 MPa）

由2.1节结果可知，在同种背景气体环境下，随着背景气密度（背压）的增加，喷雾宽度减小，坍塌增强，这与之前的研究结果相一致［5，7］。同时，当背景气密度较高时，喷雾宽度不再随背景气密度的增加发生改变。当背景气体不同时，在同一背压下，背景气密度最大的CO2中的喷雾宽度最小，说明在同一背压环境下，背景气密度越大，坍塌越强烈。此时可以说明背压相同时背景气密度的变化对喷雾宽度有影响，但并不能说明背景气密度相同时背压的变化是否会对喷雾宽度产生影响。

为进一步解耦背压和背景气密度对喷雾宽度的影响，给出了3种背景气体环境下，不同轴向位置处喷雾宽度随背景气密度的变化趋势，如图9所示。此时燃油温度为30℃，选取时刻为喷雾开始后1.6 ms，图示所有工况点的喷雾均处于非闪沸状态。由图9可见，喷雾宽度与背景气密度有较好的相关性。在轴向距离2 mm处，喷雾宽度不随背景气密度的增加发生变化，基本维持稳定；在轴向距离5 mm之后，喷雾宽度随背景气密度的增大有一个先降低后趋于稳定的趋势，转折位置位于4 kg·m-3左右；当背景气密度较大时，在轴向距离20 mm处，喷雾宽度急剧上升，这是由此位置出现的喷雾卷吸作用引起的。

分析图9可以发现，在转折位置之前，当3种气体的背景气密度相近时，喷雾宽度同样相差不大，而此时的背压不相同，可见喷雾宽度对背压的敏感程度较小。由此可以说明背景气密度是影响非闪沸状态下喷雾宽度发生变化的主要因素。

当油束高速运动时，油束两侧会产生负压，外侧压力很快与周围气体平衡，而内侧低压区由于受到周围油束的隔离限制了外侧气体向内补充，形成稳定低压区，导致喷雾坍塌［20］。随着背景气密度的增加，单个油束宽度增加［23-25］，导致喷雾各个油束之间的间隙减小，进一步阻碍喷雾外侧气体向内补充，喷雾内外压差增大，坍塌程度增强。当背景气密度大于4 kg·m-3时，喷雾各油束之间的间隙消失，喷雾内外的气体交换被阻断，喷雾内外压差趋于稳定，喷雾坍塌程度趋于稳定。