高温燃油喷雾静态质量流量的实验

2020-12-11刘双寨徐宏昌潘浩星

实验室研究与探索 2020年11期

刘双寨，徐宏昌，潘浩星

（上海交通大学汽车电子控制技术国家工程实验室，上海 200240）

0 引言

火花点燃直接喷射技术（SIDI）已成为汽油发动机的主流技术，因为它的发动机瞬态响应更快，并且燃油效率比进气道喷射发动机更高。这些优点很大程度上依赖于高压喷射，高压喷射可以精确控制喷油量，并实现理想的雾化［1-2］。但是，这些优点是有限的，因为当喷射压力很高时，进一步增加喷射压力便不再有益。此外，高压喷射还存在一些缺点，由于其喷雾贯穿距较长，液体燃油喷雾对气缸壁或活塞顶部的撞击更为明显。这会导致润滑剂稀释和燃油粘附，后者会导致池火，使未燃碳氢化合物和碳烟排放上升。因此，需要替代技术来解决这些问题。有鉴于此，Xu等［3］对多孔直喷喷油器产生的闪沸喷雾进行了表征，并证明了相比高压喷射，闪急沸腾为SIDI燃烧系统提供了一种更易于实现和更好的方法来生成理想喷雾。因此，闪沸喷雾已受到人们的关注。

学者们已经开展了大量工作来研究闪沸喷雾的机理。实验研究和数值模拟均表明，单孔喷油器闪沸喷雾具有更宽的喷雾锥角、更短的喷雾贯穿距和更小的液滴索特平均直径（SMD）［4-5］。在多孔喷油器上进行的实验表明，闪沸喷雾会发生坍塌，即多束喷雾射流坍塌成单束［6］。其他关于闪沸喷雾的研究包括使用平面双相激光诱导荧光（LIEF）进行内部结构测量［7］；使用高速粒子图像测速法（PIV）测量二维喷雾流场［8］；使用LIEF研究闪沸喷雾的蒸汽浓度和液相分布［9］；使用无量纲分析方法系统分析燃油类型、燃油性能、燃油压力、燃油温度和环境压力对喷雾宏观特性的影响［10-11］，然而，根据文献［12-13］中的观察，由于喷嘴内部会产生气泡，喷嘴内部液体流通截面积减小，预计这会影响喷射流量，但尚未有相关的实验研究。燃油喷射量是影响直喷发动机燃烧的重要参数［14-15］，因此有必要研究闪沸喷雾的喷射流量。

在大范围的过热工况下，本文研究了燃油温度、环境压力和过热度对喷射流量的影响。用统计学方法对流量进行了测量和推导。结合先前对闪沸喷雾和光学喷嘴内部过热流动的研究，综合分析了喷射流量的变化规律。在非过热工况下，流量保持不变。在过热工况下，流量和当量流通截面积随过热度和温度的升高而降低。

1 实验方法及测试工况

图1 给出测量喷射流量的实验装置示意图。实验在定容弹中进行，压缩氮气和真空泵控制环境压力在20～100 kPa之间（绝对压力），喷油器周围的热交换器将燃油温度控制在20～60 ℃之间。水浴是热交换器的热源。利用填充有压缩氮气的蓄压器控制燃油喷射压力为5 MPa。

图1 实验装置示意图

研究中测试的喷油器是一个带有阀盖喷孔（VCO）阶梯型喷嘴的八孔电磁阀喷油器，每个孔的直径D ＝0.15 mm，长径比L／D ＝2。如图2 所示，喷油器的公称角度为60°，燃油为正戊烷。过热度（即环境压力与燃油饱和蒸气压的比值pa／ps））取决于燃油温度和环境压力，pa／ps值越低意味着过热度越高。

图2 八孔VCO阶梯型喷嘴的横截面示意图

当前大多数平均喷射流量的测量是在燃油从喷嘴排出后进行，通过收集和称重喷射的燃油来实现的。但是，使用这种方法测量闪沸喷雾流量并不可靠，因为部分燃油会迅速蒸发从而无法收集。因此，在燃油供应管线中安装了科里奥利流量密度计，以测量静态质量流量，它记录了跨越数百个脉冲的总燃油量。此外，科里奥利流量密度计还用于测量不同温度下的燃油密度。

图3 给出了每个脉冲的质量流量与喷射脉宽／喷射持续期之间的关系。从图3 可以看出，每个脉冲的平均动态流量（mg／pulse）随着喷射脉宽的增加而线性增加，斜率便是静态质量流量（g／s）。

图3 每个脉冲的平均质量流量与喷射持续期的关系

基于伯努利方程，液态燃油的初始射流速度，

式中：u为液态燃油的初始喷射速度；Δp 为燃油与环境空气之间的压力差；ρl为液态燃油的密度；CD为喷嘴的排放系数。因此，质量流量，

Asihmin提出了如下的经验公式来估算CD，即

在L／D ＝2～5 且Re ＝100～150 000 范围内，预期精度为1.5%。预计过热度越高，即pa／ps值越低的燃油汽化速度越快，闪沸效果越强。如表1 所示，通过在20～60 ℃之间调节燃油温度，在20～100 kPa 之间调节环境压力，本文研究了pa／ps在0.09～1.75 之间的喷射流量。

2 结果及讨论

当燃油温度从20 ℃升高到60 ℃，正戊烷的黏度和密度分别降低约28.3%和6.4%。相应地，Re在27 209～35 845之间变化，这意味着惯性力远大于黏性力。因此，黏度的影响可忽略不计。另外，根据式（3），CD在该雷诺数覆盖的范围内几乎不变。图4 展示了环境压力对燃油质量流量的影响。当环境压力从100 kPa降低到20 kPa，20～60 ℃间相同的燃油温度下，质量流量降低不到5%。图5 显示了燃油温度对燃油质量流量的影响。当燃油温度从20 ℃升高到60℃，在20～100 kPa间相同的环境压力下，质量流量降低不到12%。

表1 不同燃油温度和环境压力下的燃油过热度（pa／ps）

图4 正戊烷的黏度和密度与温度的关系

图5 环境压力对燃油质量流量的影响

这些影响与式（2）一致。当环境压力从100 kPa降低到20 kPa，压差增加了80 kPa（从5 MPa 到5.08 MPa），这导致燃油质量流量增加了0.5%。同时，降低环境压力会增强喷雾的闪沸，从而降低燃油质量流量。当燃油温度从20 ℃升高到60 ℃，燃油密度最多降低6.4%，这导致燃油质量流量降低了约3.25%。同时，升高燃油温度会增强喷雾的闪沸，从而进一步降低燃油质量流量（见图6）。

图6 燃油温度对燃油质量流量的影响

图7 展示了每个脉冲（喷油脉宽2 ms）的平均质量流量和静态质量流量与过热度的关系。这些数据涵盖了20～60 ℃的燃油温度和20～100 kPa 的环境压力，对应于0.09～1.75 的pa／ps。从图5 中可以看出，平均质量流量和静态质量流量与pa／ps的关系相似。特别地，在相同温度下，平均质量流量和静态质量流量在液态下（pa／ps＞1）几乎保持恒定。当pa／ps从1.0降至0.3 时，平均质量流量和静态质量流量均降低了约10%。pa／ps＜0.3 时，平均质量流量和静态质量流量仅有微小变化。此外，燃油温度升高导致燃油密度降低，从而平均质量流量和静态质量流量降低，这与式（2）一致。值得注意的是，温度，环境压力和过热度对质量流量的影响涉及它们对密度和压差的影响。为了排除密度和压差的影响，引入了归一化当量流通截面积（Ae／A0），其中A0是液相当量流通截面积。

图7 质量流量与过热度的关系

图8 给出了归一化当量流通截面积与pa／ps的关系。可以看出，在液相（pa／ps＞1）中，归一化当量流通截面积保持在约1.0。当pa／ps从1.0 降低到0.3 时，归一化当量流通截面积迅速减小了8%。当pa／ps低于0.3 时，归一化当量流通截面积仅随pa／ps的减小而略有减小。图8 还显示，在相同的pa／ps下，温度越高，归一化当量流通截面积越小。Wu等［14］的工作解释了这一现象，如图9 所示。该图展示了在不同燃油温度和过热度下，二维透明喷嘴内近出口处过热流动的图像。蒸汽气泡沿喷嘴壁生成并向中心发展。气泡的大小表征喷嘴内部的蒸发强度。一方面，蒸发随着pa／ps的降低而增强；另一方面，在pa／ps值相似时，燃油温度越高，喷嘴内蒸发强度越大。由于喷嘴内气泡的积聚，当量流通截面积减小。因此，即使在相同的pa／ps下，燃油温度越高，归一化当量流通截面积越小。这些数据表明，过热燃油的闪急沸腾会影响喷射质量流量。具体地说，由于当量流通截面积的减小，具有较低pa／ps的更强烈的闪急沸腾喷雾将降低喷射质量流量。另外，在恒定的环境压力（pa）下，较高的燃油温度（较高的ps）也会降低燃油密度，从而降低喷射质量流量。