分段喷射闪沸喷雾特性实验研究

徐青林，孙 哲，李雪松，许 敏

分段喷射闪沸喷雾特性实验研究

徐青林，孙 哲，李雪松，许 敏

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

分段喷射在直喷发动机中获得了广泛的应用，但在闪沸工况下研究较少．该研究采用米氏散射高速摄影法获取分段喷射闪沸喷雾宏观形态，采用光流法估算喷雾速度，综合分析了分段喷射闪沸喷雾的宏观特性．研究发现，相较于单次喷射，在相同喷油量下分段喷射闪沸喷雾能够有效降低喷雾总贯穿距；由于残留流场，分段喷射的第2段喷雾运动会受到第1段喷雾的影响，贯穿更快．该影响主要与喷射间隔时间和闪沸程度相关，时间间隔越大、闪沸程度越低，影响越小．

分段喷雾；闪沸；直喷；喷雾；光流法

内燃机因为其在能量密度、热效率、燃料灵活度、市场占有率以及加工技术等方面具有绝对优势，在未来相当长的时间内仍将作为汽车的主要动力来源[1]．近年来，缸内直喷技术(GDI)以其优秀的油耗、性能表现在市场逐渐普及．在GDI发动机中，燃油直接喷射到发动机缸内，燃油雾化、蒸发和油气混合时间有限[2]，因此直喷喷雾过程是GDI发动机研发中的关键之一．

目前，高压喷射技术为工业界优化直喷喷雾性能的主要技术路线．能够满足“国六b”排放法规的直喷压力普遍为35MPa，头部喷油器制造商已经展开对50MPa及以上的高压喷射技术的研发，最新研究成果显示继续提升喷射压力仍能有效优化雾化粒径和改善燃烧性能[3]．另一方面，学术界提出了闪沸喷雾过程，即通过加热燃油或者降低背压使得燃油喷射后处于过热非平衡状态，随后经历快速剧烈气化回到平衡态的过程．通过大量研究，闪沸喷雾的宏微观特性已经被充分掌握[4-6]，并被证明在优化雾化粒径[7]、加强油气混合[8]、改善燃烧质量和减少PN排放等[9]方面具有显著成效．然而，在优化喷雾及燃烧过程的同时，高压喷雾和闪沸喷雾在某些工况下都存在贯穿距长的问题，增大了喷雾撞壁的可能性，而喷雾撞壁是池火、碳烟等燃烧劣化的主要诱因．

分段喷射技术在柴油机应用普遍[10]，在GDI直喷发动机中也逐渐成为标配，并为解决GDI喷雾的长贯穿距的问题提供了新的思路．Desantes等[11]通过光学发动机研究了分段喷射喷雾的特性，发现第2段喷雾的贯穿速度比第1段喷雾快，且影响随喷射间隔时间增加而减弱．Sun等[12]在定容弹和发动机中分别研究了分段喷射对喷雾、混合和燃烧特性的影响，发现在相同喷油量下，应用分段喷射能够在保证相同雾化质量的同时有效减小喷雾贯穿距，避免喷雾撞壁，并降低污染物排放．此外，在喷雾闪沸工况下，Wang等[13]在定容弹中利用单孔柴油喷油器观察了分段喷射的宏观和微观形态特性，研究发现分段喷射对于闪沸喷雾液相的影响较弱，而对喷雾气相的影响较强，并且与普通冷态喷雾一致，喷射间隔时间对第2次喷射的影响明显．

对于实际GDI喷油器分段喷射闪沸喷雾，相关研究数据非常有限，对其过程、特性的理解尚不充分．为了解决这些困惑，本研究采用了一款“国六b”GDI多孔喷油器，在发动机常见闪沸工况下，研究分段喷射对闪沸喷雾的特性影响，评估分段喷射闪沸喷雾的性能．

1 研究方法

1.1 试验设备和方法

如图1所示，喷雾试验设备主要由环境控制系统和光学测试系统两部分组成．气动液压泵为燃油供给系统的核心，能为喷油器提供稳定的高压燃油，本研究中使用的喷射压力固定为35MPa，与目前主流直喷发动机一致．试验采用电加热装置对喷嘴进行加热实现燃油加热，燃油温度与加热丝温度在试验前进行过标定，试验中通过PID控制器控制加热丝温度来控制燃油温度．考虑到安全性，试验在定容压力容器上进行，系统采用氮气作为环境气体，背温为室温，保持在25℃．高压气瓶为气源，真空泵为负压源，通过电磁阀控制进排气可以实现背压的精确调节．该研究试验中油温为20℃、60℃和90℃，背压为30kPa、60kPa和100kPa，能够实现冷态喷雾、过渡闪沸喷雾和完全闪沸喷雾．试验使用正庚烷作为测试燃料，其密度、黏度等物性与汽油近似，常作为GDI喷雾测试代用燃料，能够较好地反映实际汽油喷雾的行为．

图1 试验装置

本试验采用米氏散射高速摄影获取喷雾的宏观形态．试验采用实际GDI发动机使用的6孔喷油器，喷油器从压力容器顶部安装，高强度LED光源从一侧照亮喷雾，高速相机在与光源垂直的方向进行数据采集．喷油器喷射策略由可编程ECU设定．同步系统用于产生到喷油器驱动、光源驱动和相机的逻辑信号．试验中，喷射频率为1Hz，相机采样频率为50kHz，即每张喷雾图像的时间间隔为20μs．对于每个工况，测试重复20个循环．此外，环境温度由实验室空调系统控制，稳定为25℃，在试验进行过程中无明显波动．试验条件和参数总结在表1中．

表1 试验条件和参数

Tab.1 Test conditions and parameters

1.2 图像处理方法

由于小间隔分段喷射会出现第2段喷雾与第1段喷雾重叠的情况，为了更准确地提取其形态特征，图像处理方法需要在常规喷雾图像处理的基础上稍作修改．如图2所示，首先将原图减去背景图片，可以得到干净的喷雾图像，然后本研究中采用了OTSU双阈值分割方法在图像直方图中确定两个阈值，分别可以获得第1段喷雾和第2段喷雾的边界，进而根据常规方法分别计算出各自的贯穿距．

图2 分段喷射喷雾图像处理

本研究同时采用了光流法估算喷雾速度，该方法经过Cai等[14]改进，可以很好地适用于湍流速度计算．该光流法基于Horn & Schunck(HS)稠密光流方法，能够通过两帧图像计算三维速度矢量在成像平面上的投影．在帧率很高的情况下，计算得到的速度场可以认为是瞬时速度．对于喷雾速度测量，该方法时间分辨率没有PIV法高，无法捕捉小尺度高速流动．但是对于我们更关注的喷雾的大尺度流动，运用该方法测量更加准确、可靠[15]．HS光流法基于亮度恒定假设，可得：

式中：(，)为坐标；为对应光强；为时间．

对式(1)进行Taylor展开，得到光学数字约束项：

HS方法引入作为控制全局平滑项和光流约束方程权重的参数，可建立误差指标泛函：

利用最小变分法可以求解式(2)，经拉普拉斯算子近似后，整理可得：

通过迭代法即可得到全局的速度场估计．具体推导过程参考文献[15]．

2 试验结果和分析

2.1 单次喷射和分段喷射喷雾对比

图3展示了单次喷射喷雾和分段喷射喷雾的对比，单次喷射喷雾的逻辑脉宽为500μs，分段喷射为两次喷射，两段脉宽都是300μs，喷射间歇为300μs，两种喷射策略的总喷油量一致．图3(a)展示了在两种喷射策略下产生的喷雾在不同时刻的对比，第1行为单次喷射产生的喷雾图像，第2和第3行为分段喷射产生的喷雾图像，分别对应第1段喷射的喷雾和第2段喷射的喷雾．图中时刻以对应每段喷雾的出油时刻为0时刻．对比单次喷射喷雾和第1段分段喷射喷雾，在第1段分段喷射喷雾断油前(300μs)，两者几乎一样．结合图3(b)所示贯穿距曲线，在300μs之前，单次喷射喷雾和第1段分段喷射喷雾的贯穿距曲线几乎重合．在第1段分段喷射断油后，由于缺少后续动量补充，喷雾速度衰减较快，因此在贯穿距曲线上，单次喷射喷雾贯穿距和分段喷射喷雾贯穿距出现分离，在喷雾图像上，也可以看到分段喷射喷雾的贯穿距更短．断油后约300μs，分段喷射喷雾的第2段喷雾开始出现．从贯穿距曲线上看，第2段喷雾的贯穿速度比第1段喷雾略快，最大贯穿距也比第1段喷雾更大，但是仍然没有单次喷射喷雾的贯穿距大．另外，第2段喷雾贯穿距在1000μs时与第1段喷雾贯穿距重合，说明第2段喷雾尖端在此时追上了第1段喷雾，在图3(a)中也可以看到这个现象，第1段喷雾的残留液滴逐渐被第2段喷雾追赶、覆盖．对于分段喷射喷雾，第2段贯穿速度比第1段更快的原因是显而易见的，第1段喷雾在贯穿过程中造成了环境气体的协流，因此在第2段喷雾贯穿过程中，受到的阻力就要比第1段喷雾更小，因此第2段喷雾运动地更快、更远．该研究还通过使用光流法估算了第2段喷雾喷射前的环境流场情况，如图3(c)所示，第1段喷雾运动过后，环境中仍然残留一定量的速度场，验证了前面的猜想．

通过该观察可以发现，在相同的喷油量下，闪沸喷雾分段喷射具有降低总贯穿距的作用，可以有效降低喷雾撞壁的可能性．因为分段喷射使得每段喷射的脉宽较短，其喷雾贯穿距也相应变短，使得液相喷雾能够到达的最远距离下降，进一步降低碰壁概率．此外，由于残留流场，第2段分段喷射喷雾会受到第1段分段喷射喷雾的影响，贯穿更快．

图3 单次喷射喷雾与分段喷射喷雾对比

2.2 第1段喷射脉宽对第2段喷雾的影响

图4比较了在分段喷射策略下不同的第1段喷射脉宽对第2段喷射喷雾的影响．喷射间隔都固定为300μs，第2段喷射脉宽均为300μs，第1段喷射脉宽分别是300μs、500μs和1000μs．图4(a)展示的是它们第2段喷雾的贯穿距曲线对比，以第2段喷雾的出油时刻为0时刻，3个喷射脉宽下的贯穿距曲线几乎重合在一起，说明第1段喷射脉宽对第2段喷雾的影响有限．考察3种情况下第2段喷雾喷射前的环境流场，如图4(b)所示，显然喷射脉宽更长对环境流场的影响范围就越大．考察不同轴向位置的流场速度情况，在喷嘴远场，脉宽越大速度越大，但是，当轴向位置越靠近喷嘴，3种情况下的流场速度越为接近．这说明了喷嘴近场的残余速度对第2段喷雾的运动发挥主要影响作用，而远场的速度场影响有限.

图4 不同第1段喷射脉宽比较

2.3 喷射间歇时间对第2段喷雾的影响

图5比较了在分段喷射策略下不同喷射间隔对第2段喷雾运动的影响．第1段喷射脉宽都为1000μs，第2段喷射脉宽都为300μs，喷射间隔时间分别为300μs、600μs和1500μs．图5(a)比较了对应喷雾的贯穿距曲线，同时加入了脉宽为300μs的单次喷射喷雾的贯穿距曲线一起进行比较．容易发现，随着喷射间隔脉宽的增加，喷雾贯穿距速度更慢，距离也更短．其原因在于间隔时间越长，残留流场的速度耗散也就越多，第2段喷雾喷出时环境阻力也就越大．这可以在图5(b)展示的速度场中得到验证．第2段喷雾出油时，当喷射间隔时间为300μs时，流场仍然存在很大的速度残留；当喷射间隔时间为600μs时，流场速度残留显著降低；当喷射间隔时间为1500μs时，流场几乎没有速度残留．在图5(a)所示的贯穿距对比中，单次喷射喷雾和喷射间隔为1500μs的第2段喷雾贯穿距曲线几乎重合，说明了这个时间间隔足够使得流场速度耗散完成，第1段喷雾对第2段喷雾几乎没有影响．

图5 不同喷射间隔时间比较

2.4 不同闪沸程度分段喷射喷雾对比

图6展示了不同闪沸程度下分段喷射喷雾的对比．它们的第1段脉宽、第2段脉宽和喷射间隔都为300μs．通过贯穿距曲线可以看出，冷态工况时，第1段喷雾和第2段喷雾的贯穿距几乎完全重合，说明第1段喷雾对第2段喷雾影响不大．而在过渡闪沸和闪沸工况时，第2段喷雾明显比第1段喷雾运动速度更快也贯穿得更远，其中完全闪沸的第1段和第2段喷雾的差别更为明显．这说明了闪沸程度越高，第1段喷雾对第2段喷雾的影响也就越大．

从流场图上可以看出导致这种现象的原因．对于冷态喷雾，第2段喷射开始时，第1段喷雾的残留流场速度很小，几乎快要消失．而在过渡闪沸工况时，流场流动强度显著增强，第2段喷射贯穿过程受到阻力将会减小，能够贯穿得更快更远．对于完全闪沸工况，第1段喷射残留流场强度更大，喷雾贯穿距也就越大．这是因为闪沸能够加强雾化和空气混合，因此带动了更大环境气体流场．

图6 不同闪沸程度比较

3 结 论

该研究通过高速摄影，结合光流法速度场估算，研究了分段喷射闪沸喷雾的宏观特性，得出结论  如下：

(1)在相同的喷油量下，分段喷射闪沸喷雾的贯穿距比单次喷射喷雾更小，可以有效降低由于高压喷射和闪沸坍塌造成的喷雾撞壁风险．

(2)闪沸喷雾分段喷射的后段喷雾较前段喷雾贯穿更快，这是由于前段喷雾运动后存在残留的流场，导致后段喷雾在运动过程中受到的阻力更小，速度衰减更慢．

(3)分段喷射的前段喷雾脉宽对后段喷雾的运动影响不大，后段喷雾的运动主要与喷射间隔时间相关，时间间隔越大，前段喷雾的残余流场耗散越多，对后段喷雾的影响越小，后段喷雾速度衰减越快；闪沸程度越高，前段喷雾残余流场越强，对后段喷雾影响越大．

［1］ 苏万华，张众杰，刘瑞林，等. 车用内燃机技术发展趋势[J]. 中国工程科学，2018，20(1)：97-103.

Su Wanhua，Zhang Zhongjie，Liu Ruilin，et al. Development trend for technology of vehicle internal combustion engine[J].，2018，20(1)：97-103(in Chinese).

［2］ 杨志伟，谢 辉，陈 韬. PFI/DI喷射对米勒循环汽油机燃烧特性的影响[J]. 燃烧科学与技术，2019，25(1)：52-59.

Yang Zhiwei，Xie Hui，Chen Tao，et al. Effects of PFI/DI injection on combustion characteristics of Miller-cycle gasoline engine[J].，2019，25(1)：52-59(in Chinese).

［3］ Piock Walter F，Hoffmann Guy，Spakowski Joseph G，et al. Delphi Technologies Next Generation GDI-System-Improved Emissions and Efficiency with Higher Pressure[R]. Bascharage Luxembourg：Delphi Technologies，2019.

［4］ 郭恒杰，李雁飞，张 周，等. 丙烷多孔闪沸GDI喷雾坍塌特性的实验研究[J]. 工程热物理学报，2018，39(11)：119-124.

Guo Hengjie，Li Yanfei，Zhang Zhou，et al. Collapse of propane flash boiling spray from multi-hole GDI injector[J].，2018，39(11)：119-124(in Chinese).

［5］ 李天云，许 敏，孔令逊，等. 关于直喷喷雾液相温度分布的研究[J]. 工程热物理学报，2015，36(9)：2045-2049.

Li Tianyun，Xu Min，Kong Lingxun，et al. Study of liquid temperature distribution of direct injection spray[J].，2015，36(9)：2045-2049(in Chinese).

［6］ 李天云，许 敏，张高明. 乙醇与汽油的喷雾及蒸发特性研究[J]. 工程热物理学报，2014，35(7)：1434-1438.

Li Tianyun，Xu Min，Zhang Gaoming. Study of spray evaporation of ethanol and gasoline fuel[J].，2014，35(7)：1434-1438(in Chinese).

［7］ Xu Min，Zhang Yuyin，Zeng Wei，et al. Flash boiling：Easy and better way to generate ideal sprays than the high injection pressure[J].，2013，6(1)：137-148.

［8］ Yang Jie，Xu Min，Hung David L S，et al. Influence of swirl ratio on fuel distribution and cyclic variation under flash boiling conditions in a spark ignition direct injection gasoline engine[J].，2017，138：565-576.

［9］ Dong Xue，Yang Jie，Hung David L S，et al. Effects of flash boiling injection on in-cylinder spray，mixing and combustion of a spark-ignition direct-injection engine[J].，2019，37(4)：4921-4928.

［10］ 冀雯霞，李 昂，朱 磊，等. 多段喷射对低速二冲程船舶柴油机燃烧与排放的影响[J]. 燃烧科学与技术，2020，26(2)：139-145.

Ji Wenxia，Li Ang，Zhu Lei，et al. Effects of multiple injection on the combustion and emissions of marine low-speed two-stroke diesel engine[J].，2020，26(2)：139-145(in Chinese).

［11］ Desantes J M，García-oliver J M，García A，et al. Optical study on characteristics of non-reacting and reacting diesel spray with different strategies of split injection [J].，2019，20(6)：606-623.

［12］ Sun Yao，Yu Xiumin，Dong Wei，et al. Effect of split injection on particle number (PN) emissions in GDI engine at fast-idle through integrated analysis of optics and mechanics [J].，2018，165：55-67.

［13］ Wang Ziman，Badawy Tawfik，Wang Bo，et al. Experimental characterization of closely coupled split isooctane sprays under flash boiling conditions [J].，2017，193：199-209.

［14］ Cai Shengze，Mémin Etienne，Dérian Pierre，et al. Motion estimation under location uncertainty for turbulent fluid flows [J].，2018，59(1)：8.

［15］ Barone Mario，Lombardi Simone，Continillo Gaetano，et al. Application of the optical flow method for the experimental analysis of turbulent flame propagation in a transparent engine [C]//. Athens，Greece，2016：110002.

Characteristics of Flash-Boiling Spray with Split Injection

Xu Qinglin，Sun Zhe，Li Xuesong，Xu Min

(School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

Split injection has been widely used in direct injection engines，but the studies related to flash-boiling conditions are very limited. Through capturing the Mie scattering high-speed images of flash-boiling spray with split injection and estimating the spray velocity by the optical flow algorithm，this study comprehensively analyzed the macroscopic characteristics of flash-boiling spray with split injection. It was found that，compared to the single injection，the split injection under flash-boiling regime can effectively reduce the total spray tip penetration. Due to the residual flow field，the spray from the second injection was affected by the first injection，with faster penetration. The impact was mainly related to injection interval time and flash-boiling intensity，and a larger time interval and a lower flash-boiling intensity usually led to smaller impact.

split injection；flash boiling；direct injection；spray；optical flow

TK11

A

1006-8740(2021)03-0249-06

10.11715/rskxjs.R202103030

2021-02-25．

国家自然科学基金资助项目(52006140).

徐青林（1991—  ），男，博士研究生，andyxuql@sjtu.edu.cn.

许 敏，男，博士，教授，mxu@sjtu.edu.cn.

(责任编辑：梁 霞)