空氣噴射量對空氣輔助噴射噴霧特性的影響

白洪林，胡春明，李志軍，侯圣智，劉　娜

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 中國北方發(fā)動機(jī)研究所，天津 300400；3. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072)

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空氣噴射量對空氣輔助噴射噴霧特性的影響

白洪林1, 2，胡春明1, 3，李志軍1，侯圣智3，劉娜3

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 中國北方發(fā)動機(jī)研究所，天津 300400；3. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072)

摘 要：利用激光粒度儀分析了空氣輔助噴射噴霧索特平均直徑(Sauter mean diameter，SMD)的變化規(guī)律，并且分別在定容彈及光學(xué)發(fā)動機(jī)上開展了噴霧特性(噴霧錐角和貫穿距離)的試驗(yàn)研究，引入噴霧半錐角(α角和β角)的概念用以分析在有進(jìn)氣氣流時空氣噴射量對噴霧特性的影響．結(jié)果表明，增加空氣噴射量可以改善燃油的霧化效果，特別是當(dāng)噴霧燃空比γ 小于0.8時，噴霧的SMD會有明顯降低；在定容彈內(nèi)空氣噴射量的增大會使噴霧錐角減小，但對貫穿距離的影響不大；在光學(xué)發(fā)動機(jī)內(nèi)由于進(jìn)氣氣流的影響，空氣噴射量的增加會使噴霧錐角增大，貫穿距離變小，同時噴霧錐角隨時間的變化趨勢也明顯不同于定容彈內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果．

關(guān)鍵詞：直接噴射；空氣輔助噴嘴；噴霧特性；索特平均直徑；光學(xué)發(fā)動機(jī)

缸內(nèi)直噴技術(shù)是提高汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要手段[1-2]．將燃油直接噴射入氣缸，吸熱蒸發(fā)的過程會冷卻缸內(nèi)工質(zhì)，降低爆震發(fā)生的可能性，從而可以適當(dāng)提高發(fā)動機(jī)的壓縮比；部分負(fù)荷工況下采用分層稀薄燃燒方式，通過噴油量而非節(jié)氣門來調(diào)整發(fā)動機(jī)負(fù)荷，減少了換氣過程中的節(jié)流損失[3-4]．缸內(nèi)直噴汽油機(jī)節(jié)能優(yōu)勢的充分發(fā)揮以及燃燒污染物生成的有效控制，均需要在了解噴油器噴霧特性的基礎(chǔ)上，組織高質(zhì)量的缸內(nèi)混合氣加以實(shí)現(xiàn)[5-8]，其中噴霧特性主要是指噴霧的粒徑與形態(tài)(噴霧錐角和貫穿距離)．利用定容彈可以模擬出氣缸內(nèi)的壓力、溫度以及噴霧的撞壁過程[9-10]，便于研究各單一變量對噴霧特性的影響，但無法有效地模擬出缸內(nèi)復(fù)雜的氣流運(yùn)動，而利用光學(xué)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)可以更加真實(shí)地反映出此條件下噴霧特性的變化規(guī)律[11]，因此本文使用了這兩種試驗(yàn)手段對噴霧特性進(jìn)行了研究．

空氣輔助噴嘴噴射出的是燃油和空氣的混合物，其特點(diǎn)是利用壓縮空氣來改善霧化效果，可在較低的噴射壓力下實(shí)現(xiàn)良好的噴霧質(zhì)量[12]．控制空氣與燃油的噴射量，可改變噴射入氣缸內(nèi)混合物的組分比例，以便滿足不同燃燒模式的需求．在均質(zhì)燃燒模式下汽油機(jī)需要保持空燃比在理論值附近，燃油噴射量的多少主要取決于發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，而空氣噴射量對空燃比的影響相對有限．但在利用高廢氣再循環(huán)率實(shí)現(xiàn)分層稀薄燃燒時，空氣輔助噴射系統(tǒng)可通過噴霧引導(dǎo)的方式在火花塞附近形成易于點(diǎn)火的混合氣，此時會大幅增加空氣噴射量，使其成為濃混合氣區(qū)域內(nèi)空氣的重要來源，直接影響著該區(qū)域的空燃比，進(jìn)而影響著發(fā)動機(jī)的分層燃燒過程[13]．可見，空氣輔助直噴系統(tǒng)中的空氣噴射量會有較大的變化范圍，影響著發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣的形成與燃燒過程，其中噴射過程中燃油與空氣這兩種物質(zhì)摻混比例的變化，必然會對噴霧特性產(chǎn)生影響．為此本文研究了空氣輔助噴射過程中空氣噴射量對索特平均直徑(Sauter mean diameter，SMD)的影響，而后又分別在定容彈及光學(xué)發(fā)動機(jī)上開展了相關(guān)試驗(yàn)，分析了空氣噴射量對燃油噴霧形態(tài)的影響規(guī)律．

1 試驗(yàn)裝置

圖1為光學(xué)發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)示意，主要包括光學(xué)發(fā)動機(jī)、電控單元(ECU)、上位機(jī)、光源、高速照相機(jī)以及圖像采集計算機(jī)．光學(xué)發(fā)動機(jī)的透明缸套覆蓋了活塞的全部行程，可觀察到任意噴射開啟時刻下噴霧在缸內(nèi)的發(fā)展過程．試驗(yàn)中通過測功機(jī)拖動發(fā)動機(jī)至恒定轉(zhuǎn)速后，由上位機(jī)設(shè)定噴射起始時刻與脈寬等參數(shù)，電控單元控制開啟噴油器和高速相機(jī)(型號為FASTCAM SA1.1)，噴霧的發(fā)展過程被記錄到圖像采集計算機(jī)，照片的分辨率為512×512，每秒鐘記錄2,000張．無氣流運(yùn)動條件下的噴霧特性由定容彈試驗(yàn)平臺測得，定容彈可視部分的直徑為100,mm，所使用的噴油器、光源以及高速相機(jī)等的參數(shù)設(shè)置均與光學(xué)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)相同．此外，還利用JL-3000型激光粒度儀測量了該款噴油器在常溫常壓條件下的噴霧粒徑．

空氣輔助噴射分為燃油噴射和混合氣噴射兩個階段：燃油噴射過程負(fù)責(zé)精確控制噴油量，并將燃油噴射入充有壓縮空氣的混合氣噴嘴內(nèi)；而后的混合氣噴射過程中燃油與空氣一同被噴出，在發(fā)動機(jī)缸內(nèi)形成噴霧．該套燃油噴射系統(tǒng)如圖2所示，其中壓差閥可以保持空氣與燃油之間的壓差恒定，便于對噴油量進(jìn)行精確控制．試驗(yàn)中的燃油噴射壓力為0.8,MPa，壓縮空氣的壓力為0.65,MPa．

圖1　光學(xué)發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of optical engine test system

圖2　燃油噴射系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of fuel injection system

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空氣噴射量對噴霧粒徑的影響

燃油的霧化過程是將燃油液體破碎成小液滴的過程，其效果的優(yōu)劣可用噴霧場中燃油油滴的SMD大小來反映，SMD越小說明噴霧油滴越細(xì)，霧化質(zhì)量越好，燃燒就會越充分，燃油消耗率也會越低．利用激光粒度儀測量了噴霧粒徑，試驗(yàn)中激光器發(fā)出直徑約10,mm左右的平行光束，照射到待測的噴霧場，部分激光被散射后照射到接收器內(nèi)的光電探測器上，并將其線性地轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后求解得到燃油噴射過程中通過該測試區(qū)域的燃油粒徑分布.

圖3反映的是空氣噴射量對空氣輔助直噴噴嘴噴霧粒徑的影響．從中可以看出，噴霧油滴的SMD隨空氣噴射量的增加而減小，隨燃油噴射量的增加而增大．此外，空氣輔助噴射系統(tǒng)中的燃油噴嘴單獨(dú)噴射時噴霧的SMD為150,μm左右，顯然，對于空氣輔助噴射系統(tǒng)而言，噴霧過程中壓縮空氣的參與大大改善了燃油的霧化效果，并且燃油與空氣的噴射量對霧化效果有比較直接的影響．出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是在燃油噴射過程中壓縮空氣對燃油霧化過程的影響．燃油被噴出后，在液體表面張力與空氣阻力的相互作用下不斷破碎形成噴霧．而壓縮空氣的引入，會使燃油液滴周圍存在大量壓力較高的空氣氣泡，在噴射過程中它的膨脹與破裂，會加速燃油液滴表面的扭曲與破壞，促進(jìn)其破碎成更細(xì)小的液滴，進(jìn)而改善燃油的霧化效果．

圖3　空氣噴射量對索特平均直徑的影響Fig.3 Variation of SMD with air injection quantity

由于燃油噴射量與空氣噴射量是分別獨(dú)立控制的，并且其對噴霧的霧化粒徑有較大的影響，為方便說明引入噴霧燃空比(γ)的概念，即單次噴射過程中燃油噴射量與空氣噴射量的比值．通過測量不同燃油噴射量與空氣噴射量組合下的SMD，反映出了γ值對燃油SMD的影響規(guī)律，如圖4所示．可以看出，空氣輔助噴射的燃油SMD與γ 成正比，但并非是線性關(guān)系．當(dāng)γ 大于0.8時SMD的變化幅度較緩慢，而當(dāng)γ 小于0.8時SMD的變化幅度迅速增大．因?yàn)楫?dāng)γ較大時，意味著噴霧場中燃油的濃度較高而壓縮空氣量相對較少，空氣對液滴表面的破碎作用有限，同時由于噴霧場中的燃油濃度高，液滴相對更密集，破碎的燃油更容易相互碰撞而重新融合成較大粒徑的液滴，這兩種因素均不利于燃油的霧化，因此，壓縮空氣對燃油霧化效果的促進(jìn)作用并不顯著．但隨著γ 值降低至0.8以下，噴霧場內(nèi)壓縮空氣的質(zhì)量增大且已明顯大于燃油的質(zhì)量，其對燃油的霧化效果作用增強(qiáng)，并且噴霧場內(nèi)燃油液滴相對更稀疏，降低了其相互碰撞而融合成大液滴的概率．這兩方面作用均加強(qiáng)了燃油的霧化效果，而使SMD有明顯加速降低的趨勢．

圖4　噴霧燃空比對SMD的影響Fig.4 Variation of SMD with fuel-air ratio in spray

2.2 噴霧形態(tài)的參數(shù)定義

噴霧場中燃油粒徑的變化會對噴霧形態(tài)造成一定的影響，特別是在存在強(qiáng)烈氣流運(yùn)動的發(fā)動機(jī)缸內(nèi)，所以利用陰影法研究了空氣噴射量對噴霧形態(tài)的影響．噴霧過程的照片通過圖像處理程序完成灰度化、對比度增強(qiáng)及邊緣提取等處理后進(jìn)行分析，其中貫穿距離(L)為噴嘴出口到噴霧最遠(yuǎn)端的長度，噴霧錐角(θ)為噴霧場最大截面處的夾角．此外，為更好地反映氣流運(yùn)動對噴霧的影響，定義噴霧左、右半錐角(α 和β)兩個參數(shù)，分別是噴嘴中心線與噴霧最大截面處左、右邊界的夾角．各參數(shù)定義如圖5所示．

圖5　噴霧參數(shù)定義Fig.5 Definitions of spray parameters

2.3 空氣噴射量對定容彈內(nèi)噴霧形態(tài)的影響

無氣流運(yùn)動影響下的噴霧特性研究通過定容彈試驗(yàn)完成，圖6顯示的是不同空氣噴射量下定容彈內(nèi)噴霧的發(fā)展過程，圖6(a)～(c)所對應(yīng)的燃油噴射量均相同，而空氣噴射量依次為9.0,mg/次、11.2,mg/次和13.8,mg/次，其γ 分別是0.78((7.0,mg/次)/(9.0,mg/ 次))、0.63((7.0,mg/次)/(11.2,mg/次))和0.51((7.0 mg/次)/(13.8,mg/次))．由于試驗(yàn)中γ 均小于0.8，所以試驗(yàn)中的燃油粒徑存在較大的變化幅度.

圖6　定容彈內(nèi)噴霧的發(fā)展過程Fig.6 Spray process in the constant volume bomb

圖7和圖8分別顯示的是空氣噴射量對噴霧貫穿距離及噴霧錐角的影響．噴霧的貫穿距離基本上不隨空氣噴射量的改變而有明顯變化．這是因?yàn)樵囼?yàn)過程中的燃油噴射壓力沒有改變，其與外界環(huán)境的壓差均相同，這將使燃油的出口速度基本相同，因此貫穿距離沒有明顯差異．

圖7　定容彈內(nèi)空氣噴射量對噴霧貫穿距離的影響Fig.7 Variation of spray penetration with air injection quantity in the constant volume bomb

噴霧錐角受空氣噴射量的影響比較明顯，隨著空氣噴射量的增加，γ 值減小，噴霧錐角也隨之變?。梢钥闯?，噴霧錐角會隨空氣噴射量的增大而變?。@是因?yàn)檩^大粒徑的燃油由于慣性較大更易保持最初的運(yùn)動方向，而較小粒徑的燃油容易受到外界的干擾而使其運(yùn)動方向發(fā)生偏移，因此在噴霧場的邊緣區(qū)域以小粒徑的油滴為主，它們直接影響著噴霧錐角的大小[14]．空氣噴射量的增加會使γ 值變小，燃油的噴霧粒徑隨之減小，噴霧場外圍區(qū)域內(nèi)的液態(tài)燃料更易揮發(fā)成氣態(tài)，進(jìn)而使噴霧錐角變?。?，不同空氣噴射量下的噴霧錐角均隨著時間的發(fā)展呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，也是源于小粒徑燃油的汽化揮發(fā)效果．

圖8　定容彈內(nèi)空氣噴射量對噴霧錐角的影響Fig.8 Variation of spray angle with air injection quantity in the constant volume bomb

同時值得注意的是空氣噴射量為單次噴射的總量，而不是噴射的瞬時值，它只是通過改變噴射脈寬來實(shí)現(xiàn)的，噴射壓力并沒有發(fā)生變化，因此在噴霧過程的初期(2,ms內(nèi))，各試驗(yàn)條件下空氣噴射量的瞬時值應(yīng)基本一致，但仍出現(xiàn)了噴霧錐角會隨空氣噴射量(單次噴射的總量)的增大而變小的現(xiàn)象．這是因?yàn)榭諝廨o助噴射的工作過程是先將燃油噴入混合氣噴嘴與空氣混合后再噴入燃燒室，而每次噴射后必然會在混合氣噴嘴內(nèi)殘留一定量的燃油，它會在空氣氣流及重力的影響下逐漸下移至噴嘴出口附近，在下一次噴射時再被噴出，而較多的燃油殘留量會使噴射初期噴霧場內(nèi)的燃油濃度較大，即此刻的瞬時噴霧燃空比要略大于根據(jù)平均噴射量而計算出的噴霧燃空比，減弱了壓縮空氣對燃油的霧化效果，噴霧的粒徑會有所增大，噴霧錐角也隨之變大．而殘留的燃油主要來自于附著在壁面上的油膜，當(dāng)燃油噴射入混合氣噴嘴后，絕大部分燃油會隨空氣一起噴射到燃燒室，只有少量的燃油會附著在噴嘴的內(nèi)壁上形成油膜，而油膜的厚度會在重力、燃油黏性力及空氣的剪切力的共同作用下達(dá)到平衡狀態(tài)，因此燃油殘留量受燃油噴射量的影響較小，而更多地取決于噴嘴內(nèi)空氣的流速以及氣流運(yùn)動的時長，即空氣流速越大、流動時間越長，殘留的燃油越少，而試驗(yàn)中的噴射壓力沒有變化，空氣的流速基本是一致的，而氣流運(yùn)動的時長反映出了空氣噴射量的大?。褪钦f，燃油殘留量隨空氣噴射量的增大而降低，進(jìn)而使噴射初期的瞬時噴霧燃空比減小，燃油粒徑及噴霧錐角也都隨之變?。C上，噴射初期的瞬時噴霧燃空比更能直接地反映出噴霧粒徑對噴霧錐角的影響，其值的大小不僅取決于噴霧燃空比的大小，還與燃油殘留量有關(guān)，而空氣噴射量直接決定燃油殘留量的多少，因此，單次噴射的空氣總量會影響噴射初期噴霧錐角的變化．

2.4 空氣噴射量對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)噴霧形態(tài)的影響

空氣噴射量的多少會改變?nèi)加土降拇笮?，進(jìn)而影響定容彈中噴霧的形態(tài)(主要是噴霧錐角)．而在實(shí)際發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動的影響下，不同粒徑燃油的運(yùn)動軌跡會有所差異，最終也會影響到噴霧的發(fā)展過程．但是，定容彈并不能模擬強(qiáng)度較強(qiáng)且復(fù)雜的氣流運(yùn)動，為此在光學(xué)發(fā)動機(jī)上開展了相關(guān)試驗(yàn)研究．圖9顯示的是轉(zhuǎn)速為600,r/min，燃油噴射時刻為排氣上止點(diǎn)后135°，不同空氣噴射量下發(fā)動機(jī)缸內(nèi)噴霧的發(fā)展過程，試驗(yàn)中燃油與空氣的噴射量與定容彈試驗(yàn)中的相同．圖10顯示的是光學(xué)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)空氣噴射量對噴霧錐角的影響．從圖中可知，缸內(nèi)噴霧錐角的變化趨勢是隨空氣噴射量的增加而變大，并且當(dāng)空氣噴射量為13.8,mg/次(γ＝0.51)和11.2,mg/次(γ＝0.63)時，噴霧錐角呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，特別是在噴射開始后0.5～1.0,ms的區(qū)間內(nèi)有非常明顯的增加；當(dāng)空氣噴射量為9.0,mg/次(γ＝0.78)時，噴霧錐角在噴射的初期僅有小幅增加，而后有逐漸減小的趨勢．這與定容彈內(nèi)噴霧錐角隨空氣噴射量的增加而減小，并隨時間的發(fā)展呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢明顯不同，這是噴霧受到缸內(nèi)復(fù)雜氣流運(yùn)動影響所致．

圖9　光學(xué)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的噴霧發(fā)展過程Fig.9 Spray process in the optical engine

圖10　光學(xué)發(fā)動機(jī)內(nèi)空氣噴射量對噴霧錐角的影響Fig.10 Variation of spray angle with air injection quantity in the optical engine

通過CFD軟件(FIRE)建立的仿真模型模擬了缸內(nèi)氣流運(yùn)動的發(fā)展趨勢，以便分析其對噴霧特性的影響．圖11為噴油器所處平面缸內(nèi)氣流運(yùn)動的速度矢量示意，可以看出，在進(jìn)氣行程中隨著活塞的下行，左右兩股流向氣缸壁的進(jìn)氣氣流受到活塞頂部導(dǎo)向作用，其運(yùn)動方向不斷改變，在燃油噴射時刻(135° CA ATDC)的氣缸中部形成了相向運(yùn)動的兩股氣流，而后在到達(dá)下止點(diǎn)時形成了逆時針方向運(yùn)動的滾流．值得注意的是，在135° CA ATDC時，氣缸的中上部存在從右至左的氣流運(yùn)動，而在其上方靠近進(jìn)氣門處有一股斜向右下方的進(jìn)氣氣流，這兩股氣流運(yùn)動將會對噴霧形態(tài)(特別是噴霧錐角)產(chǎn)生較大的影響．

圖11　發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動的仿真結(jié)果Fig.11 Simulation result of airflow motion in cylinder

分析噴霧半錐角(α 和β )的變化規(guī)律可以更好地反映出缸內(nèi)氣流運(yùn)動對噴霧形態(tài)的影響．圖12和圖13分別顯示的是空氣噴射量對光學(xué)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)噴霧α 角和β 角的影響．參考缸內(nèi)流場的分析結(jié)果，可知在135°CA ATDC進(jìn)行燃油噴射的初期(0.5,ms 時)，由于噴霧主要集中在進(jìn)氣門下方不遠(yuǎn)處，此區(qū)域內(nèi)存在斜向右下方的進(jìn)氣氣流，在此影響下噴霧場會向右側(cè)偏移，進(jìn)而使噴霧左半錐角(α )變小，而小粒徑的噴霧更容易被吹偏，因此在0.5,ms時α 會隨空氣噴射量的增加而減?。S著噴霧發(fā)展至氣缸中部(1.0,ms以后)，α 受氣缸中上部由右至左運(yùn)動的氣流影響而有增大的趨勢，特別是當(dāng)空氣噴射量較大(11.2,mg/次和13.8,mg/次)時更為明顯，但當(dāng)空氣噴射量為9.0,mg/次時，α 角在小幅增加后出現(xiàn)了減小的趨勢，這是因?yàn)榇藸顟B(tài)下燃油的粒徑較大，噴霧發(fā)展受缸內(nèi)氣流運(yùn)動的影響較小，其值減小的主要原因是噴霧場外圍區(qū)域內(nèi)燃油的蒸發(fā)．

圖12　光學(xué)發(fā)動機(jī)內(nèi)空氣噴射量對α 角的影響Fig.12 Variation of α with air injection quantity in the optical engine

圖13　光學(xué)發(fā)動機(jī)內(nèi)空氣噴射量對β角的影響Fig.13 Variation of β with air injection quantity in the optical engine

噴霧右半錐角(β,)的發(fā)展主要受斜向右下方進(jìn)氣氣流的影響，在噴霧發(fā)展的初期(1.0,ms之前)有增大的趨勢，特別是空氣噴射量較大(11.2,mg/次和13.8,mg/次)時更為明顯，因?yàn)榇藝娚錉顟B(tài)下的燃油粒徑相對較小，噴霧更易受到氣流運(yùn)動的影響，而空氣噴射量為9.0,mg/次時，噴霧粒徑相對較大，β,角增大的幅度明顯降低．而隨著噴霧發(fā)展至氣缸中部(1.0,ms以后)，因?yàn)榇藚^(qū)域內(nèi)斜向右下方的進(jìn)氣氣流強(qiáng)度降低，而使β,角向右側(cè)增大的趨勢減緩，同時由于噴霧場外圍區(qū)域內(nèi)燃油的不斷蒸發(fā)，而使β,角出現(xiàn)逐漸減小的趨勢．由于α 角和β,角的共同影響而使氣缸內(nèi)噴霧錐角的變化規(guī)律(圖10)明顯不同于定容彈內(nèi)的結(jié)果(圖8)．

由于沒有受到氣流運(yùn)動的影響，定容彈內(nèi)噴霧的左右半錐角(α 和β,)基本相等，呈現(xiàn)出左右對稱的形態(tài)[11]．但對比光學(xué)發(fā)動機(jī)內(nèi)噴霧α 角和β,角的數(shù)值可知，β,角均大于α 角，并且隨著空氣噴射量的增加兩者間的差值不斷增大．這是由于噴油器的安裝位置會使進(jìn)氣氣流流經(jīng)噴霧場，在此過程中燃油液滴會有向右側(cè)發(fā)展的趨勢，進(jìn)而引起噴霧中心的偏移，使得光學(xué)發(fā)動機(jī)中的β,明顯大于α，并且小粒徑的燃油更容易受到氣流運(yùn)動的影響而使其運(yùn)動軌跡發(fā)生更大的改變，因此在光學(xué)發(fā)動機(jī)內(nèi)的燃油噴射過程中空氣噴射量的增加，在減少噴霧場中燃油粒徑的同時，會使噴霧場發(fā)生更明顯的偏移．

圖14顯示的是光學(xué)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)空氣噴射量對噴霧貫穿距離的影響，可以看出，噴霧的貫穿距離會隨空氣噴射量的增大而降低．對比圖7可知，在定容彈內(nèi)貫穿距離并沒有隨空氣噴射量的改變而有明顯差異，說明空氣噴射量的增加并沒有改變噴孔出口處燃油的初速度，因此造成貫穿距離變化的原因是缸內(nèi)氣流運(yùn)動的影響，因?yàn)樵龃罂諝鈬娚淞恳馕吨?值的減小，噴霧的粒徑也隨之降低，而小粒徑燃油的慣性更小，更容易受到外界氣流運(yùn)動阻力的影響而使其運(yùn)動速度降低，進(jìn)而使噴霧貫穿距離有所減?。?/p>

圖14　光學(xué)發(fā)動機(jī)內(nèi)空氣噴射量對噴霧貫穿距離的影響Fig.14 Variation of spray penetration with air injection quantity in the optical engine

3 結(jié)論

(1)增加空氣噴射量可以改善燃油的霧化效果，特別是當(dāng)噴霧燃空比(γ)小于0.8時，噴霧的SMD會有明顯的降低．

(2)引入噴霧半錐角(α 和β )的概念來分析缸內(nèi)氣流運(yùn)動對噴霧錐角的影響．在135°CA ATDC進(jìn)行燃油噴射，當(dāng)空氣噴射量較大時，α 受到氣缸中上部由右至左運(yùn)動的氣流影響而有增大的趨勢，而β 受斜向右下方進(jìn)氣氣流的影響而有明顯增大的過程，兩者相結(jié)合即可反映出噴霧錐角不斷增大的變化趨勢；當(dāng)空氣噴射量較小時，燃油粒徑較大，噴霧受缸內(nèi)氣流運(yùn)動的影響較小，而使噴霧錐角呈現(xiàn)出小幅增加后不斷下降的趨勢．

(3)空氣噴射量的增大并不會對無氣流運(yùn)動條件下(定容彈內(nèi))的噴霧貫穿距離產(chǎn)生明顯影響，但由于會使噴霧粒徑減小，使燃油更容易受到外界氣流運(yùn)動阻力的影響而降低運(yùn)動速度，進(jìn)而使有氣流運(yùn)動條件下(光學(xué)發(fā)動機(jī)內(nèi))的噴霧貫穿距離有所減?。?/p>

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(責(zé)任編輯：金順愛)

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-10-29. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201407073.html.

Effect of Air Injection Quantity on Spray Characteristics of an Air-Assisted Direct Injector

Bai Honglin1,2，Hu Chunming1,3，Li Zhijun1，Hou Shengzhi3，Liu Na3
(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. China North Engine Research Institute，Tianjin 300400，China；3. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract：The variation law of Sauter mean diameter(SMD)of the air-assisted injection was researched by using laser particle size analyzer. Spray characteristics(spray angle and penetration)were studied by experiments which were completed using a constant volume bomb and an optical engine. In order to analyze the effect of air injection quantity on spray characteristics in the condition of airflow motion，the semi-angle of spray(α and β)was defined. The results show that the performance of atomization is improved as the air injection quantity increases，and the SMD becomes smaller obviously when the spray fuel-air ratio(γ )is less than 0.8. In the constant volume bomb，spray angle decreases with the increasing of air injection quantity，while spray penetration has no significant variation. In the optical engine，because of the influence of intake airflow，spray angle enlarges and spray penetration reduces as the air injection quantity increases. In addition，the variation tendency of spray angle is markedly different from the experimental results in the constant volume bomb.

Keywords：direct injection；air-assisted injector；spray characteristics；Sauter mean diameter(SMD)；optical engine

通訊作者：胡春明，cmhu@tju.edu.cn.

作者簡介：白洪林（1982— ），男，博士，bhl1010@163.com.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476112)；天津市自然科學(xué)重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(11JCZDJC23200)；天津市科技計劃資助項(xiàng)目(13ZCZDGX04400).

收稿日期：2014-07-23；修回日期：2014-10-20.

DOI:10.11784/tdxbz201407073

中圖分類號：TK413.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0493-2137(2016)02-0206-07