噴油壓力對GDI積碳噴嘴噴霧特性的影響

宛仕棖，黃豪中，劉　勰，楊　升，王　騰

(廣西大學(xué)機械工程學(xué)院， 廣西南寧530004)

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噴油壓力對GDI積碳噴嘴噴霧特性的影響

宛仕棖，黃豪中，劉勰，楊升，王騰

(廣西大學(xué)機械工程學(xué)院， 廣西南寧530004)

摘要：噴油器積碳是直噴汽油機(GDI)面臨的主要問題之一，提高噴油壓力可以改善直噴汽油機的噴霧特性和燃燒特性。在自行設(shè)計的定容燃燒彈內(nèi)，研究了兩種噴油壓力(4 MPa和7 MPa)對3支積碳程度不同的直噴汽油機噴油器噴霧錐角和貫穿距的影響。結(jié)果表明，噴油壓力從4 MPa提高到7 MPa時，所有噴油器的噴霧錐角均增大，但增加的幅度有所不同，積碳嚴(yán)重的噴油器在噴油過程中噴霧錐角增加的幅度最大，大約增加了25°，積碳較少的噴油器和無積碳噴油器增加幅度相差不大，大約增加了7°。隨著噴油器積碳程度的增多，噴霧錐角呈增大的趨勢。燃油噴射結(jié)束后，噴霧錐角變化不大，主要是由于此時受環(huán)境背壓的影響。噴油壓力較小時，積碳噴油器噴霧錐角變化的波動范圍較大，而噴油壓力較高時，積碳噴油器噴霧錐角波動范圍變化則較小。積碳噴油器貫穿距增長幅度在噴霧發(fā)展過程中受噴油壓力和積碳程度的影響較小。噴霧的發(fā)展速度在各階段是不同的，低噴油壓力時，積碳噴油器的貫穿距均大于無積碳貫穿距，較少積碳噴油器的貫穿距大于最多積碳噴油器的貫穿距，隨著噴霧的發(fā)展這一趨勢并未改變。高噴油壓力時，積碳會抑制噴霧貫穿距的增長，較少積碳噴油器的貫穿距始終大于最多積碳噴油器的貫穿距，無積碳噴油器的起始貫穿距小于另兩支噴油器，但最后無積碳噴油器的貫穿距大于另兩支噴油器貫穿距。

關(guān)鍵詞：噴油壓力；直噴汽油機；噴嘴積碳；噴霧錐角；貫穿距

0引言

汽油機作為乘用車的主要動力來源，其霧化特性直接影響到發(fā)動機的燃燒特性。GDI(Gasoline Direct Injection)汽油機相對于PFI(Port Fuel Injection)發(fā)動機有著許多技術(shù)上的優(yōu)勢，但也存在諸如排放、三元催化器、控制復(fù)雜、噴嘴積碳等一些問題[1-4]。積碳是發(fā)動機在工作過程中，燃油中石蠟、不飽和烯烴和膠質(zhì)等在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生的一種膠碳狀的物質(zhì)[5]。噴油器積碳會影響有效噴孔直徑及其內(nèi)部壁面結(jié)構(gòu)，從而影響噴霧錐角、噴霧貫穿距等噴霧參數(shù)，影響燃燒效率[6-7]。

提高噴油壓力可以優(yōu)化燃油的霧化過程，改善汽油機的工作特性。毛立偉等[8]在定容彈研究了噴油壓力對GDI汽油機噴霧的影響。結(jié)果表明，噴油壓力越大，噴霧的霧化越好，燃油更容易蒸發(fā)，與空氣形成混合氣后形成的區(qū)域也更大。Lee等[9]研究了GDI噴油器多孔噴嘴跟單孔噴嘴的噴霧結(jié)構(gòu)和發(fā)展過程。結(jié)果表明，比較液滴空間分布和速度大小，噴孔直徑的減小對燃油的快速擴(kuò)散影響很大。曹建明等[10]在噴霧特性試驗臺上進(jìn)行了較高噴射壓力范圍內(nèi)燃油霧化質(zhì)量的試驗。結(jié)果表明，噴射壓力減小，霧化油滴的噴霧錐角變小，達(dá)到某一累積體積的油滴尺寸增大，大顆粒油滴變多，相對尺寸范圍和發(fā)散邊界變小，霧化質(zhì)量變差，但尺寸分布更加均勻。Payri等[11]使用一種特殊的研究方法來分析噴孔幾何結(jié)構(gòu)對噴霧的影響，研究表明圓柱形噴孔比圓錐形噴孔流量系數(shù)小，但液相貫穿距遠(yuǎn)，這主要是因為圓形噴孔的出口直徑最大，圓柱形噴嘴周圍出現(xiàn)空穴時噴霧錐角增加了15%。噴油壓力對液滴直徑的影響相當(dāng)小，環(huán)境背壓則強烈地影響噴霧結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在高背壓的條件下噴霧貫穿度和噴霧分布以幾何級數(shù)縮小，而定容彈內(nèi)的背壓從大氣壓增加到1.2 MPa時導(dǎo)致噴油速度最大減小到原來的1/4，液滴直徑最大增加了40%[12]。噴孔直徑發(fā)生變化時，油束的速度、破碎霧化程度也會跟著變化，從而改變噴孔的噴霧特性[15]。

GDI汽油機在噴油器噴孔處容易產(chǎn)生積碳，噴孔積碳對噴嘴燃油霧化產(chǎn)生重要影響。目前人們主要研究噴油壓力對無積碳GDI汽油機噴嘴噴霧特性，而對于積碳噴嘴噴霧特性的研究較少。為此，本文采用陰影法在常溫高壓(40 ℃，2 MPa)條件下，在兩種噴油壓力下(4 MPa和7 MPa)對3支不同積碳程度的噴油器研究了噴油壓力對積碳噴嘴噴霧錐角和貫穿距的影響。

1試驗設(shè)備及參數(shù)

本文選取3支積碳程度不同的大眾汽車公司EA888缸內(nèi)直噴汽油機六孔噴油器，噴孔直徑0.19 mm。用金相顯微鏡對每支噴油器的6個噴孔內(nèi)孔拍攝多張顯微照片來觀察內(nèi)孔積碳的程度，并根據(jù)積碳由少到多的順序把3支噴油器分別標(biāo)記為injector-1、injector-2、injector-3。圖1給出了代表每個噴油器平均積碳程度的照片，可以看出injector-1沒有積碳；injector-2在局部有輕微積碳，但并未連成整體；injector-3整個噴孔內(nèi)壁已經(jīng)被積碳覆蓋，整體比較均勻，沒有堵住內(nèi)孔。附著在噴油器內(nèi)孔上的積碳，極大的影響了燃油流經(jīng)噴油器的有效橫截面積，積碳越多，有效橫截面積越小。三支噴油器有效噴孔直徑大小依次為D1>D2>D3(Di表示injector-i的有效孔徑)。

噴霧實驗在定容燃燒彈噴霧臺架上進(jìn)行，如圖2所示。其主要儀器和設(shè)備為：自行設(shè)計的噴油器控制系統(tǒng)(包括上位機和噴油器控制電路板)、容彈、光源、高速攝像機、蓄能器、氮氣減壓閥、高壓氮氣瓶和GDI汽油機噴油器等[16]。試驗的環(huán)境溫度為40 ℃，環(huán)境背壓2 MPa，噴油壓力4 MPa和7 MPa，噴油脈寬2 ms。本研究根據(jù)不同噴油壓力的需要，將高壓氮氣瓶內(nèi)的高壓氮氣經(jīng)過氮氣減壓閥減壓之后充入蓄能器，蓄能器內(nèi)部由膠囊將其分為兩個腔室，膠囊內(nèi)的腔室充氮氣，膠囊外的腔室充入研究中所用的燃料，蓄能器一端與氮氣減壓閥出氣口連接，另一端與噴油器連接。通過上位機的電控參數(shù)來設(shè)置高低電平持續(xù)時間和噴油脈寬，控制電路板驅(qū)動GDI噴油器工作。

圖1各個噴油器噴孔的積碳照片

Fig.1Microscopic image of the deposited nozzle

圖2噴霧試驗臺架示意圖

Fig.2Schematic diagram of injector spray test system

2實驗結(jié)果與討論

圖3　噴霧特性定義Fig.3　Definition of spray characteristics

高速攝像機的拍攝幀數(shù)設(shè)定為3 000幀，即每兩張照片之間的時間間隔為333.33 μs，相機的觸發(fā)時間比噴油時刻提前兩幀，所以從第三幀照片開始(即1 000 μs的時候)就可以得到第一張噴霧照片。此后每兩幀取一張照片來分析噴霧的發(fā)展情況，取到3 667 μs為止。噴油脈寬2 ms，噴油停止后可繼續(xù)拍攝觀察噴霧發(fā)展情況。噴霧特性參數(shù)數(shù)據(jù)是通過 Matlab 軟件編程計算噴霧照片得到的。每支噴油器在相同條件下進(jìn)行三次噴射并拍攝數(shù)據(jù)，用Matlab軟件編程計算這三組數(shù)據(jù)取平均值。本文的噴霧錐角、貫穿距和油束發(fā)展面積定義如圖3所示，θi表示injector-i的噴霧錐角，Li表示injector-i的貫穿距。噴霧錐角和貫穿距是噴油器六個孔綜合作用的結(jié)果。油束的法向速度定義為噴霧油束沿著噴油器方向的運動速度，切向速度定義為噴霧油束沿著垂直于噴油器方向的運動速度。圖4出示了在4 MPa和7 MPa下3支積碳程度不同噴油器噴霧發(fā)展歷程。

圖4　三種噴油器噴霧發(fā)展過程的圖像對比　Fig.4　The spray development of three injectors 　at different injection pressure

圖4是不同噴油壓力3支噴油器噴霧發(fā)展過程對比。噴油壓力為4 MPa時[如圖4(a)]，injector-3在噴霧發(fā)展初期更容易出現(xiàn)油霧分束的現(xiàn)象。隨著噴霧的發(fā)展，整個噴霧分成兩部分油束，油束之間有較大的缺口，油束發(fā)展面積比另兩種噴油器油束發(fā)展面積小，噴霧不均勻，霧化效果差。當(dāng)噴油壓力為7 MPa時[如圖4(b)]，三支噴嘴霧化都有所改善，injector-3改善更明顯，油束發(fā)展面積比另兩種噴油器油束發(fā)展面積大。這是因為在低壓噴射的時候，injector-3因為積碳較多，油束的出口動能受積碳摩擦阻礙損失較多，不利于噴霧的發(fā)展；提高噴油壓力后，燃油動能增加，對于圓形噴孔，噴孔內(nèi)空化作用加強[17]，有利于液滴破碎，霧化效果改善。

2.1噴油壓力對積碳噴嘴噴霧錐角的影響

圖5為不同噴油器在兩種噴油壓力下的噴霧錐角對比。從圖5中可以看出，當(dāng)噴油壓力從4 MPa增加到7 MPa時，所有噴油器的噴霧錐角均增大，但增加的幅度有所不同。在燃油噴射過程中(1 000～3 000 μs)，injector-3增加的幅度最大，大約增加了25°，injector-2和injector-1增加幅度相差不大，大約增加了7°左右。這說明隨著噴油壓力的提升，積碳嚴(yán)重的噴油器在噴油過程中噴霧錐角增加的幅度非常明顯。汽油機噴嘴為孔式噴嘴，噴出的液體為圓柱液體。當(dāng)圓柱液體速度很高，液體微粒既有法向速度分量又有軸向速度分量時，圓柱液體的流動狀態(tài)為湍流，并且雷諾數(shù)較大。而高速、低粘度的圓柱液體和表面粗糙的噴嘴以及噴嘴內(nèi)部截面的突變均會促進(jìn)圓柱液體的流動狀態(tài)趨于湍流。當(dāng)噴油器積碳嚴(yán)重時，噴孔內(nèi)部表面粗糙，有效橫截面突變，并且壓力升高導(dǎo)致流速變大，使得燃油的流動狀態(tài)趨于湍流。湍流的中心速度比低速層流的中心速度大，并且湍流幾乎沒有速度梯度，噴霧燃油的流動狀態(tài)是由噴射壓力、燃油在內(nèi)部的流動狀態(tài)以及噴嘴的幾何形狀等因素決定的。噴嘴積碳的加深以及噴油壓力的增加均會促使噴霧趨向于湍流，切向速度增大，燃油噴射過程中噴霧錐角增大。燃油噴射結(jié)束后(3 000～4 667 μs),噴霧錐角變化不大，主要是由于此時受環(huán)境因素的影響。

圖6為同一噴油壓力不同噴油器噴霧錐角對比。從圖6(a)中可以看出，噴油壓力為4 MPa時，injector-2和injector-3的起始噴霧錐角大于injector-1，隨著噴霧的發(fā)展，injector-2和injector-3的噴霧錐角相差不大，但均大于injector-1噴霧錐角10°左右。噴油壓力較小，積碳噴油器噴霧錐角變化的波動范圍較大，這是因為噴油壓力較小時，連續(xù)的圓柱液體或液膜的初級碎裂會形成液片、液線及許多大量的液滴。由于該過程是不穩(wěn)定的，若有進(jìn)一步的碎裂發(fā)生，才會形成大量的細(xì)小的液滴。壓力較小時油束霧化程度不深，空化程度較小，油滴較大，向前貫穿動能較大，油滴之間相互干擾，因此積碳噴油器噴霧錐角的變化波動較大。

(a) injector-1

(b) injector-2

(c) injector-3

從圖6(b)中可以看出，當(dāng)噴油壓力為7 MPa時，三只噴油器的起始噴霧錐角相差不大，隨著噴霧的發(fā)展，三支噴油器噴霧錐角由小到大依次為：θ1<θ2<θ3，injector-3在燃油噴射過程中噴霧錐角增長速度最快，大約為30 °/ms。也就是說,隨著噴油器積碳程度的增多，噴霧錐角呈增大的趨勢。在較高噴油壓力下，積碳噴油器噴霧錐角波動范圍變化不大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于injector-3的積碳最多，有效噴孔直徑最小，孔內(nèi)分布的不均勻積碳導(dǎo)致壓力震蕩，空氣動力性不穩(wěn)定，而后續(xù)的的霧化過程起關(guān)鍵作用的則是空氣動力不穩(wěn)定性[17]。噴油壓力較高，圓柱液體的流動狀態(tài)趨向湍流，處于湍流區(qū)中液滴的碎裂與湍流的動能有關(guān)。湍流動能對霧化的影響則隨噴射液體與氣體相對速度的增大而增大，當(dāng)表面波的波長大于兩倍的液滴直徑時，液體與氣體的速度差能夠產(chǎn)生較高的空氣動力作用，這種湍流的動能將造成液體的破碎。由于噴射的壓力和速度非常大，環(huán)境氣體密度很大，造成噴射的空氣阻力增加，油滴向切向擴(kuò)散，噴霧的法向速度比切向速度下降的更快。破碎的油滴動量小，受環(huán)境阻力影響較大，油滴的法向運動受到抑制，切向運動明顯增強，因此隨著噴霧的發(fā)展，錐角明顯增大。油滴趨于湍流使得霧化程度較好，油滴之間干擾較小，噴油器噴霧錐角波動范圍變化不大。

(a) 4 MPa

(b) 7 MPa

圖6同一噴油壓力不同噴油器的噴霧錐角對比

Fig.6Spray cone angle of different injectors at the same injection pressure

2.2噴油壓力對積碳噴嘴貫穿距的影響

圖7為不同噴油器在兩種噴油壓力下的噴霧貫穿距對比。從圖7中可以看出，無論哪種噴油器，高噴油壓力下的貫穿距總是大于低噴油壓力的貫穿距。不同噴油壓力下積碳程度不同噴油器的噴霧貫穿距隨時間變化規(guī)律稍有不同。隨著噴霧的發(fā)展，injector-1貫穿距增長幅度逐漸增大，最大增長10 mm，而其他兩支噴油器貫穿距增長幅度較小，最大增長5 mm。這說明帶有積碳的噴油器貫穿距增長幅度在噴霧發(fā)展過程中受噴油壓力和積碳程度的影響較小。

(a) injector-1

(b) injector-2

(c) injector-3

圖8為同一噴油壓力不同噴油器噴霧貫穿距的對比。從圖8(a)中可以看出，當(dāng)噴油壓力為4 MPa時，噴油到1 667 μs時，injector-2比injector-3的貫穿距大3 mm左右，injector-3比injector-1的貫穿距大2～3 mm;噴油時刻到2 334 μs時，injector-2和injector-3的貫穿距相近，但均比injector-1的貫穿距大5 mm左右;噴油時刻到3 000 μs時，injector-2比injector-3的貫穿距大2 mm左右，injector-3比injector-1的貫穿距大3 mm左右。這都說明了噴霧的發(fā)展速度在各階段是不同的，并且積碳噴油器的貫穿距均大于無積碳貫穿距，積碳較少的噴油器貫穿距大于積碳較多噴油器貫穿距。這是因為決定噴霧貫穿距的兩個主要因素是噴孔內(nèi)汽油的空化程度和出口流速,流速越快、空化程度越小時噴霧貫穿距越大。當(dāng)噴油壓力較小時，噴孔內(nèi)空化程度較小。貫穿距主要受到出口油滴速度的影響。從圖8(a)中三只噴油器噴霧起始貫穿距的大小可以推斷, injector-2的油滴出口速度最大, injector-1的油滴出口速度最小。部分燃油霧化使得環(huán)境氣體密度變大，造成空氣阻力變大，在噴霧發(fā)展的過程中燃油速度不同，使得貫穿距的增長是不同的。

從圖8(b)中可以看出，當(dāng)噴油壓力為7 MPa時，injector-1的起始貫穿距比injector-3的起始貫穿距小2 mm左右，injector-3的起始貫穿距又比injector-2的起始貫穿距小2 mm左右，當(dāng)噴油時刻為1 667 μs時，injector-1的貫穿距開始大于injector-3的貫穿距，隨著噴霧的發(fā)展，injector-1的貫穿距又開始大于injector-2的貫穿距。在整個噴霧發(fā)展過程中，injector-2的貫穿距始終大于injector-3的貫穿距。injector-1的起始貫穿距小于另兩支噴油器，但最后其貫穿距大于另兩支噴油器貫穿距。這說明在較高的噴油壓力下積碳會抑制噴霧貫穿距的增長。這是因為噴孔內(nèi)積碳越嚴(yán)重，噴孔的有效直徑越小，同時積碳表面粗糙，有效橫截面突變，并且壓力升高導(dǎo)致流速變大，使得燃油的流動狀態(tài)趨于湍流，油束破碎霧化程度加強，細(xì)碎的油霧更容易受到環(huán)境阻力的影響，所以噴霧貫穿距增長幅度變小。當(dāng)油束動能增大的影響占主導(dǎo)地位時會使得貫穿距增加，當(dāng)破碎霧化程度加深的影響占主導(dǎo)作用時會導(dǎo)致貫穿距減小，噴孔積碳程度和噴油壓力通過改變?nèi)加偷钠扑殪F化程度和流速來影響噴霧貫穿距。

(a) 4 MPa

(b) 7 MPa

圖8同一噴油壓力不同噴油器的噴霧貫穿距對比

Fig.8Spray penetration of different injectors at the same injection pressure

3結(jié)論

①當(dāng)噴油壓力從4 MPa增加到7 MPa時，所有噴油器的噴霧錐角均增大，但增加的幅度有所不同，積碳嚴(yán)重的噴油器在噴油過程中噴霧錐角增加的幅度最大，大約增加了25°，積碳較少的噴油器和無積碳噴油器增加幅度相差不大，大約增加了7°。隨著噴油器積碳程度的增多，噴霧錐角呈增大的趨勢。燃油噴射結(jié)束后，噴霧錐角變化不大，主要是由于此時受環(huán)境因素的影響。

②噴油壓力較小時，積碳噴油器噴霧錐角變化的波動范圍較大，主要是因為油束霧化程度不深，空化程度較小，油滴較大，油滴之間相互干擾，因此積碳噴油器噴霧錐角的變化波動較大。而噴油壓力較高時，積碳噴油器噴霧錐角波動范圍變化則較小。噴油壓力較高，圓柱液體的流動狀態(tài)趨向湍流，由于噴射的壓力和速度非常大，環(huán)境氣體密度很大，造成噴射的空氣阻力增加，破碎的油滴動量小，受環(huán)境阻力影響較大，油滴之間干擾較小，因此噴油器噴霧錐角波動范圍變化不大。

③隨著噴霧的發(fā)展，帶有積碳的噴油器貫穿距增長幅度在噴霧發(fā)展過程中受噴油壓力和積碳程度的影響較小，injector-1貫穿距增長幅度逐漸增大，最大增長10 mm，而其他兩支噴油器貫穿距增長幅度較小，最大增長5 mm。

④噴霧的發(fā)展速度在各階段是不同的，低噴油壓力時，積碳噴油器的貫穿距均大于無積碳貫穿距，injector-2的貫穿距大于injector-3的貫穿距，隨著噴霧的發(fā)展這一趨勢并未改變，此時貫穿距主要受到出口油滴速度的影響。高噴油壓力時，積碳會抑制噴霧貫穿距的增長，其中injector-2的貫穿距始終大于injector-3的貫穿距，injector-1的起始貫穿距小于另兩支噴油器，但最后injector-1的貫穿距大于另兩支噴油器貫穿距。

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(責(zé)任編輯梁健)

Effects of injection pressure on atomizing characteristic of deposit nozzle of GDI engine injector

WAN Shi-cheng， HUANG Hao-zhong， LIU Xie， YANG Sheng， WANG Teng

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract:The carbon deposit of injector is one of the major problems of direct injection gasoline engine(GDI). Increasing injection pressure can improve the spray characteristic and combustion characteristic of gasoline engine. Three different deposit levels of gasoline injectors and two different injection pressures (4 MPa and 7 MPa) were used in this research in the constant volume. From the research the conclusions are as follows. When the injection pressure increases from 4 MPa to 7 MPa, all injector spray cone angles increase, in the process of fuel injection, the serious carbon deposit injector has the larger spray cone angle, which has increased about 25°. The spray cone angles of other two injectors approximately increase about 7°. With the increasing of carbon deposit, the spray cone angle showed an increasing trend. After the end of the fuel injection, spray cone angles change little because of the backpressure. When the injection pressure is low, the fluctuation ranges of spray cone angle of carbon deposit injectors are large, while the fluctuation ranges of spray cone angle of carbon deposit injectors are small at the high injection pressure. The growth of spray penetration about carbon deposit injector are less influenced by injection pressure and carbon deposit in the process of spray. The velocity of spray is different in the process of spray. At the low injection pressure, the spray penetrations of carbon deposit injectors are greater than that of no-carbon injector; the spray penetration of less carbon deposit injector is larger than that of the most carbon deposit injector.This trend has not changed. At the high injection pressure, carbon deposit will decrease the growth of spray penetration. The spray penetration of less carbon deposit injector is always greater than that of the most carbon deposit injector, while the starting spray penetration of no-carbon deposit injector is less than those of injectors, but in the end the spray penetration of no-carbon deposit injector is greater than those of two injectors.

Key words:injection pressure; direct injection gasoline engine; injector deposit; spray cone angle; spray penetration

中圖分類號：TK411.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-0404-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0404

通訊作者：黃豪中(1976-)，男，廣西鐘山人，廣西大學(xué)教授，博士；E-mail:hhz421@gxu.edu.cn。

基金項目：廣西自然科學(xué)基金資助項目(2014GXNSFGA118005)；廣西高等學(xué)校優(yōu)秀中青年骨干教師培養(yǎng)工程資助項目(桂教人(2013)16號)

收稿日期：2015-11-17；

修訂日期：2016-01-14

引文格式：宛仕棖，黃豪中，劉勰，等.噴油壓力對直噴汽油機積碳噴嘴噴霧特性的影響[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(2)：404-411.