音圈电机喷油器的喷雾特性试验

2022-03-23章振宇张付军高宏力

内燃机学报 2022年2期

武浩，章振宇，张付军，高宏力

(1. 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2. 北京航天时代飞鸿技术有限公司，北京 100094)

近年来，无人机(UAV)凭借成本低、操作灵活以及可重复使用等优点，在军用和民用领域都取得了广泛应用[1]．在动力系统方面，活塞式内燃机具有结构可靠、功/重比高、制造成本低以及维护方便等特点，因而更满足中、低空无人机的动力需求，并已逐渐成为当前无人机应用的主流动力和研究热点[2]．

汽油缸内直喷(GDI)是提高发动机性能的关键技术之一．采用GDI发动机可以精确地控制喷射正时、灵活切换燃烧模式、提高发动机的压缩比、改善排放及燃油经济性[3]．传统的缸内直喷技术通过建立较高的喷射压力来实现更好的燃油雾化效果，从而增大燃油小液滴与空气的接触面积，促进燃油的蒸发以及可燃混合气的形成．然而，过高的喷射压力带来的高射流动能也可能导致喷雾撞壁，进而造成缸内油气混合不均匀、燃烧不充分、机油稀释及排放恶劣等问题[4-5]．此外，研究发现[6]，随着喷射压力的进一步增加，其对改善喷雾特性的效果逐渐减弱．目前，GDI已经在车用动力系统方面取得广泛应用，但在无人机动力系统特别是小排量、高功率密度动力系统方面，传统GDI的结构和控制均较为复杂，很难满足实际要求．

音圈电机(VCM)喷油器是一种喷油压力在其内部建立，且喷油压力在喷射过程中不断变化的喷油器，可以实现不依赖于外部高压油泵和油轨的高压喷射，简化燃油系统，在无人机动力方面有较大的应用潜力．VCM喷油器源于FICHT公司早期开发的全电控自增压直喷系统，HC排放可以降低80%～90%，而燃油经济性可以提高25%～35%[7]．随后，BRP公司通过将喷射系统内部的螺线管升级为音圈电机而开发出全新的E-TEC(evinrude-technology)喷射系统，提高了喷射压力，满足了更高的发动机转速和排放要求[8]．Strauss等[9-10]对燃烧室结构和缸内气流组织进行优化，并与E-TEC系统结合后发现发动机排放可以进一步降低50%．Winkler等[11]对比了在相同发动机上采用音圈电机喷油器和普通低压喷射系统的发动机性能差异，结果表明：采用音圈电机喷油器可以实现发动机部分负荷下的更高性能．Gao等[12-13]针对音圈电机的电磁特性开展了研究，发现音圈电机喷油器的电磁力会受到多重因素的影响．

音圈电机喷油器采用轴针式喷嘴．不同于传统GDI孔式喷嘴产生的柱状射流，轴针式喷嘴通过环形流道形成空心锥状液膜[14]．在固定的流量下，空心锥状液膜具有更大的气/液接触面积．喷雾表面更容易受到空气的作用力，有助于喷雾二次雾化[15]．此外，这种空心锥状液膜在发展过程中通常会在较大的空间范围内扩展．由于小型活塞式发动机的尺寸较小，单缸排量有限，缸径和活塞行程相对也较小．因而小型活塞式发动机采用缸内直喷技术更容易出现喷雾撞壁，并进一步影响混合气的均匀性、燃烧稳定性和排放[16]．对于小型航空活塞发动机，有效避免喷雾撞壁对发动机功率的稳定、持续且高效输出至关重要．综上可知，对音圈电机喷油器外部宏观喷雾特性的研究将为燃烧室的设计和喷油器与火花塞的合理布置提供重要参考．

笔者以音圈电机喷油器为研究对象，对比不同环境压力、燃油温度及喷射脉宽下的喷雾外部宏观特性．主要特性参数包括喷雾贯穿距离、喷雾宽度、喷雾扩散面积比和稳定液膜表面积，并对不同喷雾形态的产生机理进行分析，以期为改善发动机燃烧与性能提供参考．

1 试验装置与图像处理方法

1.1 试验系统与测试条件

图1为试验系统示意．喷雾过程在密闭的定容燃烧弹内进行．定容燃烧弹的两侧设有光学通道，并分别安装可视范围直径为90mm的石英视窗．压缩空气瓶和真空泵分别通过气阀连通至定容燃烧弹内部，以改变定容燃烧弹内压力并扫净废气．音圈电机喷油器通过适配体安装在定容燃烧弹顶部．燃油通过低压油泵(0.3MPa)泵入燃油加热器，并被加热到合适温度．温度控制器采集加热器出口的燃油温度并实现对油温加热的闭环控制．采用功率为1200W的镝灯从一侧视窗照亮喷雾，在另一侧采用高速相机(Phantom V7.3)对喷雾图像进行捕捉和记录．曝光时间为50µs，拍摄频率为10000帧/s，分辨率为512×512像素．采用专用的电子控制单元(ECU)输出喷油器的驱动信号以及相机的同步触发信号．上位机可以对ECU的控制程序进行实时修改，以调整输出信号，存储机可存储不同工况下高速相机拍摄的喷雾图像．

图1 试验系统示意 Fig.1 Schematic of experimental system

图2为VCM喷油器的结构[17]．燃油通过进油口流入喷油器后分成两部分，一部分通过单向球阀进入柱塞腔，另一部分流经音圈电机并对线圈进行冷却．音圈电机由永磁体、导磁体、磁轭、电磁线圈以及线圈保持架组成．驱动信号通过改变流过电磁线圈的驱动电流以改变通电线圈受到的安培力．当线圈中通入正向电流时，线圈在磁场中受到的安培力通过保持架作用在柱塞上．柱塞内部安装一个单向小球阀．在柱塞开始竖直向下运动初期，球阀由于柱塞腔内燃油的挤压呈开启状态，柱塞腔内的燃油得以通过小球阀流入VCM腔．此时，由于液力对柱塞运动的阻力较小，柱塞得以快速运动．随着柱塞的进一步运动，球阀压缩弹簧后会堵住燃油流入VCM腔的入口．此后，柱塞对柱塞腔的燃油开始压缩，并迅速建立燃油压力[17]．当燃油压力升高到超过蓄压腔单向阀的开启压力时，燃油进入蓄压腔．此时柱塞继续压缩燃油，燃油压力继续增加，当达到针阀的开启压力时，针阀开启实现喷油．针阀的头部为圆锥状，并与阀座形成环形流通截面，以保证初始喷射的燃油形成空心锥状液膜．

图2 音圈电机喷油器结构示意 Fig.2 Schematic of structure of voice coil motor injector

VCM喷油器通过快速运动的柱塞冲击并挤压有限体积的燃油，从而迅速建立较高的喷射压力．Strauss等[9-10]指出，实际喷油压力是由建立压力的柱塞运动与释放压力的喷嘴共同决定的．不同于传统GDI和高压共轨所采用的近似稳压喷射办法，VCM在喷射过程的实际喷射压力呈先迅速增加而后逐渐降低的变化趋势．Gao等[12-13]研究发现，在VCM物理结构不变的前提下，实际的喷油压力主要受电磁能量转换的影响．作为影响电磁能量转换的关键因素之一，励磁电流在达到磁饱和之前所产生的实际电磁力随着电流强度的增加而线性增加．单向驱动音圈电机时，不同驱动电压下流过音圈电机的励磁电流如图3所示．电流大小满足

式中：iL为励磁电流；Us为驱动电压；RL为线圈电阻；τ为时间常数，τ=L/RL，L为线圈电感．由图3可以看出，通电时间为1.84ms时，励磁电流已经达到饱和电流maxi的90%．在2.00ms以后，不同电压下的线圈电流都已接近饱和．饱和电流的大小为imax=Us/RL．

图3 VCM单向驱动电流 Fig.3 VCM unidirectional drive current

表1为试验条件．笔者在Us=40V 、喷射脉宽为2.0ms工况条件下研究音圈电机喷油器的喷雾特性．可知，喷雾的液膜形态相对稳定．随后，将驱动电压升至60V，喷雾液膜在更靠近喷嘴端处就已经发生明显破碎．在喷油器结构参数都不变的前提下，单纯改变驱动电压值，可认为仅存在一个自变量，即驱动电压，且喷射压力可视为因变量，并与驱动电压一一对应．试验时保持驱动电压不变，同时忽略喷射脉宽的变化对驱动压力的影响，并将喷射脉宽视为单一变量．试验选用异辛烷作为测试燃料，其相关物理性质如表2所示．

表1 试验条件 Tab.1 Test conditions

表2 40℃条件下异辛烷的物理性质 Tab.2 Main physical characteristics of isooctane at 40℃

1.2 图像处理方法

笔者重点关注VCM喷油器的外部宏观喷雾特性．为了表征喷雾在横向和纵向的发展规律、喷雾的空间扩散能力及液膜外表面的气/液接触面积，选定的喷雾特性参数包括喷雾贯穿距离、喷雾宽度、喷雾扩散面积比及稳定液膜表面积．采用Matlab程序对相同工况下的连续图像进行批处理．其中的关键处理步骤包括图像去背景、RGB—灰度图转换、对比度调整、图像二值化和边缘检测，如图4所示．喷雾贯穿距离为喷雾头部距离喷嘴出口的轴向距离，喷雾宽度为喷雾轴线下方距离喷嘴不同位置处的喷雾左右边缘距离．喷雾扩散面积比为二值化喷雾图像中的白色像素(像素值为0，代表喷雾区域)数量与整体像素数量(喷雾图像被统一裁剪为420×380像素)的比值．喷雾液膜表面积为喷雾外侧的稳定锥状液膜与空气的接触面积．在计算时，采用边缘检测算法识别锥状液膜的外边缘，依次计算不同轴向位置的液膜边缘等效圆直径以及单像素高度下的侧面积，再沿稳定液膜的竖直轴向距离积分得到锥状液膜总侧面积．

图4 喷雾图像后处理过程 Fig.4 Spray image processing procedure

Wu等[18]研究发现，图像二值化的阈值选取对计算得到的喷雾特性会存在影响．当阈值选取的越小，喷雾可被识别的区域越大，喷雾宽度和面积也随之变大．在图像的处理过程中，笔者根据Otsu[19]算法(最大类间方差法)计算得出的图像全局阈值对喷雾图像进行二值化处理．笔者选取的Otsu阈值为0.1，并根据该阈值与255的乘积作为实际像素划分阈值对得到的喷雾灰度图像进行二值化处理[19]，以保证程序可以对各测试条件下的喷雾图像进行较好地识别与轮廓提取．Wu等[20]研究发现，上述算法对多次试验数据的处理结果最大误差不超过6%，可以认为该图像处理方法的误差基本满足工程需求．

2 结果与分析

2.1 环境压力对喷雾的影响

在喷射脉宽为2.0ms、音圈电机的驱动电压为40V和燃油温度为50℃时，不同环境压力下喷雾随时间的形态演变如图5所示．

图5 不同环境压力下的喷雾形态演变 Fig.5 Evolutionof the spray morphology images under different ambient pressure

可知，当环境压力≤100kPa时，喷雾的形态呈规则圆锥状．随着环境压力从20kPa逐渐增加到100kPa，相同喷射时刻的喷雾颜色逐渐加深，与Wang等[21]针对轴针式GDI喷油器空心锥状喷雾试验现象相同．这是由于更高的环境压力下，液膜中靠近气/液界面液体会在空气拖拽力的作用下脱离连续液膜，形成离散液滴并悬浮在喷雾周围，对光线产生吸收与折射所导致的．当环境压力高于100kPa时，更高的环境压力会产生更高的环境空气密度，喷雾发展过程将受到更大的空气阻力．在高密度空气作用下，喷雾的主体受到挤压而失去圆锥状，喷雾头部逐渐向四周扩散而出现大尺度的对称漩涡(CRV)[22]．图6为不同环境压力下的喷雾贯穿距离、喷雾宽度、喷雾扩散面积比和稳定液膜表面积．图6a中，在环境压力分别为20、60和100kPa的工况条件下，相同喷射时刻的喷雾贯穿距离随着环境压力的增加而减小，但是这3种工况下的喷雾贯穿距离差别很小．这是因为相同条件下，喷雾的形态较为接近．较低的环境压力下，空气对于喷雾的阻力较小．而当环境压力为300kPa和500kPa时，喷雾贯穿距离明显低于环境压力为20、60和100kPa的工况条件．高环境压力下喷雾受到了较强的空气阻力．

图6b中，当环境压力≤100kPa时，喷雾的宽度沿着喷嘴下的轴向距离近似呈线性分布．在60kPa和100kPa条件下，可以看到在喷雾中部出现凸起，这是由于逐渐增大的空气拖拽力导致喷雾表面的液滴发生脱离．当环境压力为300kPa和500kPa时，喷雾宽度在靠近喷嘴端低于其他工况，而在远离喷嘴处出现急剧增加．说明高环境压力下，喷雾周侧产生的对称漩涡可以明显增大喷雾在横向的扩散，同时减小喷雾在纵向的喷雾贯穿距离．

图6c中，相同时刻下，环境压力为20、60以及100kPa下的喷雾扩散面积比差异很小．随着喷射时间的增加，均呈先增加后不变再略有减小的趋势．这是因为环境压力≤100kPa时，环境空气的阻力较小，喷雾的贯穿速度较快，喷雾在1.5ms左右就到达视窗底部(图6a)．此后，由于视窗内喷雾保持稳定的锥状形态，其喷雾面积在1.5～2.0ms内基本保持不变．在2.0ms以后，喷嘴关闭，喷油停止，喷雾面积开始逐渐降低．在环境压力为300kPa和500kPa下，高密度空气阻力导致喷雾的发展过程缓慢，喷雾扩散面积随着喷射时间增大呈持续增加的趋势．在2.2ms之前，高压、高密度环境空气对喷雾形态的压缩导致喷雾的扩散面积小于低环境压力条件．在2.2ms之后，由于高环境压力下的喷雾外侧大尺度对称旋涡的充分发展，其喷雾扩散面积继续增加，同时，由于低环境压力的扩散面积下降，两种因素的共同作用导致高环境压力下的喷雾扩散面积在2.2ms之后反超了低环境压力条件下的喷雾扩散面积．

图6d中，在计算具有对称旋涡的喷雾液膜表面积时，忽略了喷雾头部的对称旋涡结构，且只考虑了近似锥状的喷雾主体．在喷射环境压力≤100kPa时，由于液膜均呈标准锥状形态，计算得到液膜表面积基本一致．当喷射时间超过2.0ms以后，由于喷嘴的关闭导致液膜表面积开始逐渐减小．当环境压力为300kPa和500kPa时，锥状液膜主体受到高压环境气体的压缩而向内塌陷，失去锥状结构，相应的液膜表面积也随之减小．

图6 不同环境压力下的喷雾贯穿距离、喷雾宽度、喷雾扩散面积比和稳定液膜表面积 Fig.6 Spray axial penetration length，spatial-resolved width，dispersion area ratio，and stable liquid film surface area under different ambient pressure

2.2 燃油温度对喷雾特性的影响

在喷射脉宽为2.0ms、环境压力为40kPa和100kPa下，笔者选择燃油温度为30、50和70℃进行对比．图7为不同燃油温度下的喷雾贯穿距离、喷雾宽度和喷雾扩散面积比．

图7a中，所有工况下的喷雾贯穿距离随喷射时间的增加都呈近似线性增加．而且当环境压力相同时，不同燃油温度下的喷雾贯穿距离差异不明显．

图7b中，相同环境压力下的喷雾宽度差异较小．不同燃油温度下的喷雾中部宽度的凸起程度较为接近，说明不同燃油温度下喷雾中部由于空气拖拽力导致的液滴脱落现象也较为接近．

图7 不同燃油温度和环境压力下的喷雾贯穿距离、喷雾宽度和喷雾扩散面积比 Fig.7 Spray axial penetration length，spatial-resolved width，and dispersion area ratio under different fuel temperature and ambient pressure

图7c中，喷雾扩散面积比的变化呈先增大后不变再略减小的趋势，与上文结果相同．且相同环境压力、不同燃油温度的喷雾扩散面积比差异较小．综上可知，对于采用轴针式喷嘴产生的空心锥状喷雾，一定范围内的燃油温度对喷雾宏观特性的影响效果不明显．

2.3 喷射脉宽对喷雾特性的影响

由2.1节的试验可知，当驱动音圈电机喷油器的电压为40V时，所形成的锥状液膜在试验可视范围内保持稳定且连续的锥状结构．为了对比其在更高喷射压力下的喷雾特性，将VCM的驱动电压升高到60V，并设置不同的喷射持续期．图8为不同喷射脉宽下的喷雾形态变化．

图8 不同喷射脉宽下的喷雾形态演变 Fig.8 Evolutionof the spray morphology images under different injection duration

相比于驱动电压为40V，提高的喷射压力会导致喷雾在近口端依旧保持相应的空心锥状，而在远离喷嘴的喷雾下游，可以看到液膜迅速失稳、坍塌和破碎．这主要是由更高的喷射压力下喷雾液膜的不稳定性导致的，类似的试验结果与Rhim等[23]针对不同喷射压力的喷雾破碎长度(breakup length)的结果一致．其中喷射脉宽为1.5ms下，喷油量相对较小，而随着喷射脉宽的增加，喷油量逐渐增加．对于喷射脉宽大于3.0ms的工况，在喷雾后期(tinj＝1.7ms以后)喷雾形态变化较小．可以看出，当喷射脉宽从3.0ms增加到5.0ms，喷雾末端的破碎状态较为一致．而喷射脉宽为1.5、2.0及3.0ms工况下，喷雾的形态差异较明显．

喷射脉宽为1.5ms工况下，喷雾过程持续时间较短．喷射时间为1.4ms以后可以看到喷雾过程接近结束，喷雾过早地失去射流动能，而更容易受到空气阻力的扰动．在喷射时间为1.1～1.4ms内，喷雾下游出现明显坍塌，而在喷射脉宽为2.0ms的工况下，较为明显的坍塌主要出现在1.7ms．其他工况条件下，喷雾末端坍塌现象并不明显，而喷雾末端破碎现象更加明显，持续的喷射过程导致喷雾维持一个较为稳定的破碎过程．在喷雾的下游可以看到大量破碎的液滴形成的云状喷雾．因而相同条件下，较低的喷射脉宽很大程度上更容易出现喷雾坍塌现象，而较大的喷射脉宽更容易形成稳定的破碎过程．

图9为不同喷射脉宽下的喷雾贯穿距离、喷雾扩散面积比和稳定液膜表面积．图9a中，不同的喷射脉宽下，喷雾在超出视窗边界之前，其喷雾贯穿距离差异较小．随着喷射时间的增加，喷雾贯穿距离均呈现近似线性增加的趋势．当喷射脉宽为1.5ms时，喷射的持续期最短，实际喷射的燃油量也最小．喷雾还没有充分发展成稳定形态时，由喷射压力建立起来的射流动能便已经中断，此时(大约1.1ms)喷雾很快失去保持其形态稳定的能力而发生向内坍塌．由于喷雾的迅速失稳、向内坍塌，导致喷雾前端更集中地沿着喷雾中心线发展．而其他喷射脉宽条件下，喷雾基本沿着偏离喷雾中心线的倾斜轨迹发展，因而在喷雾贯穿距离上稍滞后于喷射脉宽为1.5ms时．

图9b中，在喷射时间为1.2ms以前，不同喷射脉宽下的喷雾扩散面积比差异不明显．而在喷射开始1.2ms以后，喷射脉宽为1.5ms条件下，喷雾的扩散面积比相比于其他工况开始减小，这主要是由于喷射脉宽较低时喷油量相对较小，喷射过程很快结束导致的．对比其他4个工况可知，其喷雾扩散面积比随喷射时间的变化趋势几乎一致．在喷射时间为2.0ms以后，喷雾均维持在一个较为稳定的扩散面积比．

图9c中，在喷射脉宽为1.5ms时，液膜的表面积大小在喷射结束以后开始逐渐降低．这是由于喷嘴的关闭导致射流动能的消失，液膜失去继续发展的能力而迅速失稳坍塌，液膜表面积迅速降低．喷射脉宽为2.0ms的工况下，液膜表面积的突变点也因此位于2.0ms左右的喷射时刻．

图9 不同喷射脉宽下的喷雾贯穿距离、喷雾扩散面积比和稳定液膜表面积 Fig.9 Spray axial penetration length，dispersion area ratio，and stable liquid film surface area under different injection duration

2.4 喷雾形态分析

由于VCM喷油器在不同工况条件下产生的空心锥状喷雾形态可能会存在明显差别．在较低的环境压力下，喷雾会维持正常的空心锥状喷雾，而在较高的环境压力下，大尺度的对称漩涡在喷雾下游出现．此外，当提高音圈电机的驱动电压时，喷射压力的提高会导致喷雾下游出现喷雾坍塌．3种特殊形态的喷雾模型如图10所示．

图10a为较低环境压力下出现的空心锥状喷雾．在这种形态的喷雾中，由于环境压力在100kPa以下，较低的环境空气密度对射流喷雾产生的阻力效果较小．喷雾的结构在很大程度上取决于喷嘴的几何结构．由于VCM喷油器的喷嘴采用了轴针式结构，喷嘴内流道为锥形环状．射流在出口处以环状液体薄膜形式喷出．在VCM所产生的较高喷射压力作用下，射流的初速度较高．在喷雾的表面可以看到沿着射流方向排布的细丝状结构(流线结构)，这种结构在高压轴针式喷嘴所产生的空心锥状喷雾中十分普遍，其产生的原因是由于高速射流在出口处诱导产生的强气流运动导致出口处液膜的厚度变得不均匀，同时，在液体本身表面张力的作用下，液膜厚度的不均匀性会进一步提高[24]．Befrui等[25]认为这种流线结构的产生是流体动力学不稳定造成的，而且在较高的雷诺数和韦伯数条件下，流线结构的产生已经超越了Kelvin-Helmholz破碎机理．

图10b中，当环境压力从100kPa逐渐增加到300kPa时，喷雾形态从锥状变为对称旋涡状．为了突出这一转捩过程，在环境压力为100kPa和300kPa之间进一步选取不同环境压力下的喷雾形态，如图11所示．当环境压力为100kPa时，喷雾基本上呈现圆锥状．随着环境压力的逐渐增大，相同喷射时刻下的喷雾形态逐渐转变成对称旋涡状．由于液膜-环境气体的动量传递主要发生在靠近液膜表面的环境气体中，而远离气/液界面的环境空气基本处于静滞状态．因而从气/液界面到水平方向的远端静滞空气可以形成逐渐降低的气流速度梯度．在这一速度梯度的作用下，喷雾周围的气流运动易形成对称旋涡．而环境压力的增加会提高喷雾周围的环境空气密度，其对液膜射流动能的消耗也会随之增加，液-气之间的动量传递也会进一步增加，会形成更加明显的气流旋涡[26]．同时，这种对称漩涡的出现会在喷雾的周围引起强烈的气流运动，在气流本身的夹带作用下，液体粒子被输运到喷雾四周，一部分空气会卷流到喷雾上部并对喷雾主体产生进一步的挤压[27]．

图11 锥状喷雾-大尺度对称旋涡状喷雾的转捩 Fig.11 Transition from hollow-cone spray to large-scale counter-rotating vortex spray

图10c中，由于提高了驱动音圈电机的电压，喷油器实际的喷油压力大于可产生普通空心锥状喷雾的喷油压力．喷雾在近口端为连续的锥状液膜，而喷雾远口端出现了明显的坍塌现象，并伴随着由于液膜表面不稳定性造成的液膜进一步破碎．这一破碎过程在喷雾的下游经空气扰动的作用进一步加强．这一破碎的结果导致喷雾的破碎长度明显减小．在喷雾的初始阶段，空心锥状喷雾内部静滞的空气随着射流的运动而被推动，使得喷雾内部的压力低于喷雾外部．而且由于喷射压力的提高，液膜的射流速度会明显增加，喷雾的射流动能也随之增加，喷雾在细微扰动下维持稳定形态的能力也会降低．在这种情况下，空心锥状喷雾在液膜内、外空气压差的作用下产生末端坍塌．