噴嘴孔數(shù)及其布置對(duì)汽油直噴噴嘴閃沸噴霧-環(huán)境氣體相互作用影響的研究

佟斯日古楞， 許敏， 吳勝奇

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)

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噴嘴孔數(shù)及其布置對(duì)汽油直噴噴嘴閃沸噴霧-環(huán)境氣體相互作用影響的研究

佟斯日古楞， 許敏， 吳勝奇

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)

為了區(qū)分火花塞點(diǎn)火式缸內(nèi)直噴(SIDI)發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧和環(huán)境氣體兩相流場(chǎng)，將優(yōu)化后的高速雙色PIV(Particle Image Velocimetry)技術(shù)應(yīng)用于多孔直噴噴油器的噴霧和環(huán)境氣體速度的測(cè)試。此雙色PIV系統(tǒng)由一個(gè)特殊的示蹤和濾波系統(tǒng)組成，可同時(shí)對(duì)燃油噴霧及其環(huán)境氣體的速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。本研究采用該雙色PIV方法研究不同環(huán)境壓力和燃油溫度的條件下，噴嘴孔數(shù)及其布置情況對(duì)燃油噴霧和環(huán)境氣體的相互作用的影響。在此研究中，對(duì)3個(gè)汽油直噴噴嘴做了詳細(xì)的研究，包括1個(gè)6孔噴嘴，1個(gè)3孔噴嘴及1個(gè)2孔噴嘴。研究結(jié)果表明，隨著燃油溫度的提高或者環(huán)境氣體壓力的降低，噴霧霧化增強(qiáng)，燃油顆粒粒徑減小，導(dǎo)致噴霧油束變寬，噴霧與環(huán)境氣體接觸面積變大，噴霧和環(huán)境氣體的兩相流場(chǎng)的作用變強(qiáng)。不同孔數(shù)和布置的噴油器在冷態(tài)及閃沸條件下油束間干擾作用的強(qiáng)度不同，導(dǎo)致噴霧傳遞給環(huán)境氣體的動(dòng)能不同。較強(qiáng)的油束間的干擾作用加強(qiáng)了燃油噴霧與環(huán)境氣體之間的動(dòng)量交換過(guò)程，進(jìn)而增強(qiáng)了環(huán)境氣體的動(dòng)能。

燃油噴霧； 燃油霧化； 速度計(jì)量

對(duì)于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，燃油噴霧和環(huán)境氣體能否良好混合影響著發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放，提高缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率以及穩(wěn)定性的前提是缸內(nèi)具有高質(zhì)量的可燃混合氣[1-3]。

國(guó)內(nèi)缸內(nèi)直噴發(fā)機(jī)動(dòng)技術(shù)的研究還處在初期階段，在燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)遇到各種問(wèn)題，很多問(wèn)題都與燃油噴霧聯(lián)系非常緊密。例如，由于噴霧碰壁導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋以及活塞頂部積炭，燃燒過(guò)程不穩(wěn)定，廢氣排放中顆粒物超標(biāo)等[4-5]。解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵在于改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴霧特性。減小燃油噴霧貫穿距離，增大噴霧角度，改善燃油霧化及分布是解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵。目前，燃油噴霧主要是依靠高噴射壓力來(lái)提高燃油的霧化和蒸發(fā)性能，但高噴射壓力也會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的貫穿距離，因此有局限性。高壓噴射系統(tǒng)成本很高，噴霧貫穿距過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致燃料噴射到氣缸壁或者活塞上，造成潤(rùn)滑油稀釋或者活塞積炭，噴霧角度小、噴霧粒徑大等缺陷會(huì)造成燃油和空氣混合不均勻。

因此不少專家提出通過(guò)改變?nèi)加蜏囟然虮硥韩@得閃急沸騰噴霧來(lái)提高霧化質(zhì)量。閃沸噴霧可以在較低噴射壓力的條件下獲得更短噴射貫穿距、更大噴霧角、更小噴霧粒徑及更快的蒸發(fā)速度。閃急沸騰噴霧是液體燃料因壓力瞬間減小至燃料的飽和蒸氣壓以下發(fā)生劇烈的燃油噴霧相變而產(chǎn)生的[6]。閃沸噴霧中，在液態(tài)燃油中產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡的快速膨脹及破碎大大加速燃油的破碎、霧化和蒸發(fā)過(guò)程，促進(jìn)缸內(nèi)混合氣的形成[7-13],提高缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的著火穩(wěn)定性。

一些學(xué)者對(duì)閃沸噴霧做了很多研究，包括不同的燃油溫度和環(huán)境背壓對(duì)噴霧形態(tài)結(jié)構(gòu)以及貫穿距離的影響[8]，燃油噴霧速度場(chǎng)的測(cè)試[9-10]，噴霧濃度場(chǎng)的分布[11-12]，噴孔布置對(duì)噴霧油束之間的相互影響，噴油器近場(chǎng)微觀形態(tài)以及宏觀的噴霧結(jié)構(gòu)等[13]，但是對(duì)噴嘴孔數(shù)及其布置情況對(duì)燃油噴霧及其環(huán)境氣體之間的能量交換作用的研究非常少。

目前汽車市場(chǎng)主要采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多孔直噴噴油器,6孔噴油器噴霧由于受到相鄰燃油束的影響而在閃沸區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)噴霧束坍塌在噴油器軸線處的現(xiàn)象，為了更好地研究相鄰燃油噴霧束對(duì)燃油噴霧形態(tài)的變化及氣液兩相流場(chǎng)的影響，選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)相同、噴孔數(shù)及布置不同的3孔和2孔噴油器與6孔噴油器進(jìn)行定量的對(duì)比分析。

PIV測(cè)試技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)、噴油器噴霧周圍環(huán)境氣體流場(chǎng)等測(cè)試研究領(lǐng)域。從剛開(kāi)始利用固體作為示蹤粒子來(lái)標(biāo)記環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)[14]到后來(lái)的激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(Laser Induced Fluorescent, LIF)，可以很好地分開(kāi)氣液兩相流場(chǎng)。但是測(cè)試中利用多臺(tái)相機(jī)和光源，光路比較復(fù)雜，成本比較高[15-17]，并且由于硬件的限制無(wú)法同時(shí)兼顧噴霧和環(huán)境速度等級(jí)差造成的瞬態(tài)響應(yīng)。

針對(duì)上述局限，張銘等[18]利用單個(gè)相機(jī)和激光光源對(duì)噴霧和環(huán)境氣體分別使用兩個(gè)不同的幀間時(shí)差dt1和dt2，開(kāi)發(fā)雙色PIV測(cè)試技術(shù)，對(duì)應(yīng)其噴霧和環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)速度等級(jí)的差別，并且測(cè)試出燃油溫度對(duì)噴霧和環(huán)境氣體兩相流場(chǎng)的影響。

本研究在前期研究的基礎(chǔ)上，利用雙色PIV測(cè)試技術(shù)分析不同孔數(shù)以及噴孔布置的噴油器在不同的燃油溫度和環(huán)境背壓下的兩相流場(chǎng)，測(cè)量噴霧傳遞給環(huán)境氣體的動(dòng)能，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作了定量分析，解明了其影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試工況

1.1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)原理

高速雙色PIV測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖1。此系統(tǒng)包括燃油供給、環(huán)境氣體背壓控制、燃油溫度控制、圖像采集及后處理五大部分。燃油供給部分利用高壓氮?dú)馄客ㄟ^(guò)蓄能器保證燃油的噴射壓力。燃油溫度控制部分利用恒溫水浴連接噴油器外圍的水套，保證每次噴射燃油溫度恒定不變。環(huán)境氣體背壓控制部分利用真空泵連接常溫高壓容器，保證容器里面的環(huán)境氣體背壓的變化。圖像采集及后處理部分由高速相機(jī)、高速激光器、電腦以及驅(qū)動(dòng)器等組成。

圖1 雙色PIV測(cè)試系統(tǒng)原理

本試驗(yàn)采用Nd：YLF雙脈沖激光器(Litron，波長(zhǎng)527 nm，光脈沖寬度170 ns，脈沖能量22 mJ@1 kHz)作為光源，每次觸發(fā)會(huì)發(fā)出兩個(gè)脈沖激光束，經(jīng)過(guò)一系列光學(xué)透鏡，最終形成大約1 mm厚的片狀光源(見(jiàn)圖2)。

圖2 雙脈沖式高速激光器

試驗(yàn)采用phantom V7.3高速相機(jī)，此相機(jī)能在雙幀全畫幅(1 280×800像素)模式下達(dá)到6 350 Hz的采集頻率，安裝了紫外線鏡頭，為了實(shí)現(xiàn)利用單個(gè)相機(jī)對(duì)噴霧和環(huán)境氣體兩相流場(chǎng)的同時(shí)測(cè)量，在高速相機(jī)鏡頭前端裝了一個(gè)圖像分離器，可以區(qū)分噴霧和環(huán)境氣體信號(hào)。

本試驗(yàn)的示蹤粒子發(fā)生器是6孔霧化器，將示蹤粒子羅丹明6G溶于聚乙二醇400，利用6孔霧化器將溶液霧化進(jìn)容器里。6孔霧化器有6個(gè)霧化出口，可以選擇不同孔數(shù)來(lái)滿足不同背壓下熒光粒子的濃度要求。示蹤粒子接收到527 nm波長(zhǎng)的激光時(shí)會(huì)誘導(dǎo)出其他波長(zhǎng)的熒光(615 nm波長(zhǎng))，利用這個(gè)熒光信號(hào)記錄環(huán)境氣體的運(yùn)動(dòng)，噴霧則利用本身散射光的信號(hào)作為示蹤信號(hào)，再利用不同的濾鏡分別采集噴霧和環(huán)境氣體的示蹤信號(hào)來(lái)達(dá)到同時(shí)測(cè)量的目的。試驗(yàn)所用容器為定容彈(見(jiàn)圖3)，其環(huán)境背壓可以從20 kPa到2 MPa變化。

圖3 常溫高壓容器

由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射過(guò)程中噴霧和環(huán)境氣體的運(yùn)動(dòng)速度相差較大，因此利用兩個(gè)幀間時(shí)差dt1,dt2來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。本試驗(yàn)中噴霧時(shí)間幀差dt1取10 μs，關(guān)聯(lián)兩張噴霧運(yùn)動(dòng)圖片；環(huán)境氣體時(shí)間幀差dt2取200 μs，關(guān)聯(lián)兩張環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)圖片。每張圖片大小為52 mm(寬)×70 mm(高)，取20組圖片的平均值確保測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，利用DG-645同步控制高速系統(tǒng)。采用標(biāo)準(zhǔn)的PIV算法預(yù)處理PIV圖片數(shù)據(jù)，采用32×32的互相關(guān)算法，設(shè)定相鄰尋訪窗口重疊50%，用MATLAB來(lái)分析和處理數(shù)據(jù)。

1.2 測(cè)試工況及噴油器

城市是一個(gè)永遠(yuǎn)沒(méi)有完結(jié)的工地，其中的發(fā)展變化個(gè)人無(wú)法預(yù)料。2017年3月，二哥居住的小區(qū)成為政府規(guī)劃重點(diǎn)拆遷對(duì)象，不到10年且逐漸完善的大面積生活區(qū)必須盡快夷為平地，執(zhí)行總體布局。二哥沒(méi)有費(fèi)太多的麻煩與等待，按政府要求第一批簽約騰了房，有了暫住房。

本試驗(yàn)中利用正己烷(97%)作為燃料，試驗(yàn)工況及正己烷的物理屬性見(jiàn)表1和表2。待測(cè)噴油器安裝在高壓容器頂部，利用高壓力蓄能器提供穩(wěn)定的噴射壓力，利用可調(diào)范圍寬廣的(-20～95 ℃)恒氣溫水槽精確控制燃油溫度，每次燃油噴射之前，示蹤粒子被充入容器內(nèi)，靜止后開(kāi)始測(cè)試。

表1 測(cè)試工況

表2 正己烷參數(shù)

所用2孔、3孔、6孔缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器為階梯孔，三款噴油器的孔徑參數(shù)全部相同，只有孔數(shù)和布置情況不同，兩個(gè)對(duì)稱孔角度為60°，噴孔長(zhǎng)度L=0.3 mm，直徑D=0.2 mm，長(zhǎng)徑比(L/D)為1.5(見(jiàn)圖4)。燃油過(guò)熱度(Superheat degree, SD)定義為燃油油溫與當(dāng)時(shí)環(huán)境背壓下沸點(diǎn)之差。環(huán)境氣體分為卷吸區(qū)、回流區(qū)和外推區(qū)[9-10,20]。

圖4 試驗(yàn)所用噴油器噴孔分布和結(jié)構(gòu)

2 研究結(jié)果分析

2.1 燃油溫度對(duì)氣液兩相流場(chǎng)變化的影響

圖5示出6孔、3孔、2孔噴油器在0.8 ms ASOI時(shí)刻噴霧形態(tài)，環(huán)境背壓為恒定40 kPa，燃油溫度從45 ℃增加到85 ℃。在45 ℃時(shí)，6孔噴油器噴霧雖然受到左右相鄰兩束油的作用，但噴霧形態(tài)沒(méi)有很明顯的變化，單個(gè)燃油油束寬度較窄，噴霧顆粒主要沿著噴孔設(shè)計(jì)軸線方向運(yùn)動(dòng)，油束邊緣蒸發(fā)不明顯，大部分是液態(tài)噴霧。3孔噴油器只有1個(gè)相鄰的油束，所以在形態(tài)上只有一點(diǎn)變化，噴霧前端較寬，離噴油器噴孔較近的地方油束較窄，燃油油束沿著噴孔軸線運(yùn)動(dòng)。2孔噴油器沒(méi)有受到相鄰油束的干擾，形態(tài)變化不大，比3孔噴油器的的油束要窄一點(diǎn)，霧化不明顯，主要部分還是液體噴霧。

圖5 不同燃油溫度下3款噴油器噴霧形態(tài)(噴射后 0.8 ms)

隨著燃油溫度升高至65 ℃，6孔噴油器燃油油束寬度變大，噴霧前端蒸發(fā)明顯，噴霧顆粒變小，所受空氣阻力變大，噴霧形態(tài)有明顯變化。燃油噴霧開(kāi)始向噴油器軸線處聚集靠攏并且在噴孔附近已經(jīng)有明顯互相連合的現(xiàn)象，燃油噴霧前段霧化效果明顯。3孔噴油器油束比45 ℃時(shí)變得更寬，而且噴霧前端蒸發(fā)霧化較明顯，但并沒(méi)有出現(xiàn)像6孔噴油器一樣跟其他油束相連的現(xiàn)象，也沒(méi)有向噴油器軸線處聚攏。2孔噴油器油束相比45 ℃時(shí)變寬了，但明顯比3孔噴油器油束要窄，因?yàn)闆](méi)有受到相鄰油束的影響。

當(dāng)燃油溫度增加到85 ℃時(shí)，6孔噴油器燃油的蒸發(fā)膨脹更加明顯，導(dǎo)致燃油噴霧開(kāi)始往噴霧油氣軸線處坍塌，形成鐘形形態(tài)，內(nèi)部形成未受環(huán)境氣體影響的液體核心[9]。3孔噴油器油束持續(xù)膨脹變寬，在噴孔附近已經(jīng)出現(xiàn)了各個(gè)油束相連的現(xiàn)象，油束整體變得比較寬。2孔噴油器噴孔附近的油束膨脹比較明顯，但沒(méi)有出現(xiàn)各個(gè)油束相連的現(xiàn)象，這些燃油噴霧形態(tài)隨燃油溫度的變化過(guò)程與之前測(cè)試結(jié)果相符合[7-8,19]。

分析不同燃油溫度下噴霧-環(huán)境氣體兩相流場(chǎng)的相互影響可以解釋燃油噴霧形態(tài)發(fā)生變化的同時(shí)環(huán)境氣體的變化。以0.8 ms ASOI為例，如圖6所示，在燃油溫度為45 ℃時(shí)，燃油噴霧速度比較快，為90 m/s至95 m/s，燃油噴霧幾乎都是沿著噴孔軸線方向運(yùn)動(dòng)。基于文獻(xiàn)[6]對(duì)渦旋中心的定義，在這個(gè)過(guò)程中6孔、3孔、2孔噴油器燃油噴霧內(nèi)外兩側(cè)邊緣都產(chǎn)生了強(qiáng)度比較微弱的環(huán)境氣體卷吸，環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)的渦旋中心離噴油器軸線較遠(yuǎn)，6孔噴油器噴霧前端環(huán)境氣體速度約為3 m/s，其他區(qū)域的氣體速度相比噴霧前端的外推區(qū)的環(huán)境氣體速度要小一些；3孔噴油器噴霧外推區(qū)環(huán)境氣體速度約為2 m/s，而且燃油噴霧內(nèi)側(cè)氣體速度明顯要比6孔的小，渦旋運(yùn)動(dòng)區(qū)域也比6孔的要?。?孔噴油器噴霧渦旋運(yùn)動(dòng)更加微弱，渦旋中心與6孔和3孔噴油器噴霧渦旋中心差不多，但是渦旋運(yùn)動(dòng)所涉及的區(qū)域更小。當(dāng)燃油溫度提高到65 ℃時(shí)，6孔噴油器噴霧峰值有所降低，環(huán)境氣體速度有所提高，并且噴油器噴孔附近的環(huán)境氣體卷入速度提高到3.5 m/s左右，環(huán)境氣體渦旋運(yùn)動(dòng)變強(qiáng)，渦旋中心位置離噴油器軸線更近，而且油束內(nèi)側(cè)的渦旋運(yùn)動(dòng)已不存在，反而在燃油噴霧和環(huán)境氣體的接觸邊緣出現(xiàn)了一些雜亂的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，在燃油噴霧的推動(dòng)作用下，在噴油器軸線方向開(kāi)始出現(xiàn)了微弱的向外運(yùn)動(dòng)速度(約1 m/s)。3孔噴油器燃油噴霧峰值變化不大，但油束變寬，噴霧邊緣的環(huán)境氣體速度有明顯增加，燃油噴霧內(nèi)外側(cè)渦旋運(yùn)動(dòng)變強(qiáng)，但是燃油噴霧內(nèi)側(cè)渦旋運(yùn)動(dòng)變得比較雜亂，離噴孔比較近的卷吸區(qū)速度比6孔噴油器的卷吸速度小，而且環(huán)境氣體渦旋運(yùn)動(dòng)所涉及的區(qū)域比6孔噴油器小。2孔噴油器燃油邊緣的環(huán)境氣體速度增加也較為明顯，渦旋運(yùn)動(dòng)沒(méi)有3孔噴油器渦旋運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，渦旋位置基本不變。當(dāng)繼續(xù)提高燃油溫度至85 ℃時(shí)，6孔噴油器噴霧由于形成未受擾速度核而燃油速度明顯增大，導(dǎo)致對(duì)噴霧油束前端的環(huán)境氣體產(chǎn)生強(qiáng)烈的推動(dòng)力，使得燃油前端環(huán)境氣體的運(yùn)動(dòng)速度增大至4 m/s，而且渦旋中心離噴油器軸線更加接近，已經(jīng)進(jìn)入到噴霧輪廓線以內(nèi)，使噴霧和環(huán)境氣體的渦旋運(yùn)動(dòng)重疊，卷吸區(qū)域范圍也比65 ℃時(shí)明顯增大。3孔噴油器噴霧由于燃油的蒸發(fā)破碎使油束變得更寬，導(dǎo)致噴孔附近的燃油油束之間開(kāi)始相連，增加了燃油與環(huán)境氣體的作用面積，對(duì)噴霧前端以及噴霧油束內(nèi)側(cè)的環(huán)境氣體產(chǎn)生很強(qiáng)的推力，傳遞更多動(dòng)能，使氣體速度明顯提高。2孔噴油器油束相比65 ℃時(shí)變得的更寬，對(duì)噴霧邊緣的環(huán)境氣體，尤其對(duì)前端的環(huán)境氣體產(chǎn)生更大的推力，使其運(yùn)動(dòng)速度變大，渦旋運(yùn)動(dòng)變強(qiáng)。

在每個(gè)工況下燃油噴射之前環(huán)境氣體都是處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以環(huán)境氣體的動(dòng)能都為0。當(dāng)定容彈體積不變，背壓不變，且氣體質(zhì)量恒定，則可以用環(huán)境氣體速度的平方來(lái)評(píng)估燃油噴霧-環(huán)境氣體兩相流場(chǎng)之間的動(dòng)能傳遞過(guò)程。隨著燃油開(kāi)始噴射，動(dòng)能由燃油噴霧傳遞給環(huán)境氣體，環(huán)境氣體的動(dòng)能隨著燃油溫度的升高不斷增加，定量分析結(jié)果見(jiàn)圖7。而且隨著燃油溫度的提高，燃油顆粒粒徑尺寸不斷減小[7]，燃油噴霧油束逐漸變寬，導(dǎo)致6孔噴油器油束互相連接并且聚攏在噴油器軸線處，形成未受擾核，使氣液兩相的接觸面積不斷擴(kuò)大，燃油動(dòng)能傳遞效率提高，從而環(huán)境氣體的動(dòng)能增大，每個(gè)溫度下動(dòng)能增加30%左右。3孔噴油器油束在45 ℃和65 ℃時(shí)增長(zhǎng)不大，但85 ℃時(shí)由于噴孔附近的噴霧相連使環(huán)境氣體動(dòng)能增加15%左右。2孔噴油器噴霧形態(tài)沒(méi)有太大改變，每個(gè)溫度下增加9%左右。

圖7 不同油溫下氣液兩相流場(chǎng)動(dòng)能傳遞過(guò)程

2.2 環(huán)境背壓對(duì)燃油形態(tài)及兩相流場(chǎng)的影響

為了進(jìn)一步研究影響燃油噴霧形態(tài)及兩相流特征的因素，對(duì)不同環(huán)境背壓下燃油噴霧形態(tài)及兩相流場(chǎng)特征進(jìn)行了研究。由圖8可知，在恒定的油溫下(85 ℃)，開(kāi)始噴射0.8 ms(ASOI)后，當(dāng)環(huán)境背壓減小時(shí)，6孔噴油器燃油噴霧形態(tài)結(jié)構(gòu)變化比較明顯。當(dāng)背壓為100 kPa時(shí)，單個(gè)燃油噴霧獨(dú)立并且寬度相對(duì)較窄，沿著噴孔方向運(yùn)動(dòng)，速度比較快，近噴孔處出現(xiàn)微小的油束相連現(xiàn)象。3孔噴油器噴霧比6孔的要窄一點(diǎn)，而且噴孔附近沒(méi)有出現(xiàn)燃油油束相連現(xiàn)象，噴霧前端部分比噴孔附近寬一些。2孔噴油器與3孔噴油器在形態(tài)上沒(méi)有太大區(qū)別，整體比3孔噴霧要窄一些，也沒(méi)有出現(xiàn)燃油油束相連的現(xiàn)象。繼續(xù)減小環(huán)境壓力，當(dāng)減小到60 kPa時(shí)，6孔噴油器燃油噴霧油束逐漸變寬，燃油噴霧從非過(guò)熱工況到過(guò)渡工況，燃油油束相連區(qū)域變得更大，燃油噴霧上半部分相連明顯并且收縮，下半部分比較擴(kuò)散，燃油噴霧中間部分出現(xiàn)明顯的彎折現(xiàn)象。3孔噴油器油束上半部分比100 kPa時(shí)有明顯膨脹，與噴霧前端部分差不多寬，沒(méi)有出現(xiàn)很明顯相連的情況，但是蒸發(fā)霧化的燃油有了輕微相連的趨勢(shì)。2孔噴油器油束比100 kPa時(shí)整體有了膨脹，但是噴孔附近的油束依然比前端噴霧要窄一些，沒(méi)出現(xiàn)相連現(xiàn)象。隨著環(huán)境背壓減小到20 kPa，6孔燃油噴霧完全收縮，開(kāi)始噴射后很快形成內(nèi)部未受擾液體核心，速度瞬間加快，對(duì)噴霧前端氣體產(chǎn)生很強(qiáng)的

圖8 不同環(huán)境背壓下3款噴油器燃 油噴霧形態(tài)(噴射后 0.8 ms)

推力，渦旋現(xiàn)象更加明顯。3孔噴油器噴孔附近油束繼續(xù)膨脹，導(dǎo)致在噴孔近處已經(jīng)形成相連現(xiàn)象，蒸發(fā)霧化比60 kPa時(shí)更加明顯，增大了與環(huán)境氣體接觸的面積。2孔噴油器油束雖然持續(xù)膨脹，并且噴孔近處與前端噴霧幾乎變得一樣寬，但是沒(méi)有出現(xiàn)油束之間相連的現(xiàn)象，蒸發(fā)霧化效果很明顯。

從兩相流場(chǎng)圖(見(jiàn)圖9)可以看出，當(dāng)環(huán)境背壓100 kPa時(shí)，6孔、3孔、2孔噴油器噴霧油束速度都較大且寬度相對(duì)較窄，噴霧油束內(nèi)外兩側(cè)有非常微弱的渦旋運(yùn)動(dòng)，由于噴霧前端部分的推力作用，環(huán)境氣體外推區(qū)域的速度明顯比噴孔附近卷入?yún)^(qū)域大，此時(shí)噴霧傳遞更多的動(dòng)能給外推區(qū)域的環(huán)境氣體。6孔噴油器環(huán)境氣體的運(yùn)動(dòng)明顯相比于3孔和2孔噴油器要大，而且噴霧油束內(nèi)外兩側(cè)的渦旋運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)，所涉及的渦旋區(qū)域最大；3孔噴油器噴霧誘導(dǎo)的環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)速度大于2孔噴油器噴霧誘導(dǎo)的環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)，而且噴霧邊緣的環(huán)境氣體速度明顯大于其他區(qū)域；2孔噴油器環(huán)境氣體速度最小，渦旋運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度也最弱。當(dāng)環(huán)境背壓減小至60 kPa時(shí)，燃油噴霧顆粒更容易破碎，粒徑更小，噴霧流場(chǎng)范圍變寬，與環(huán)境氣體的接觸面積變大，更容易誘導(dǎo)環(huán)境氣體與其一起運(yùn)動(dòng)。6孔噴油器各燃油油束之間相互連接更加嚴(yán)重，燃油油束外側(cè)的渦旋運(yùn)動(dòng)明顯變強(qiáng)，渦旋位置離噴油器中心更近，燃油噴霧內(nèi)側(cè)渦旋運(yùn)動(dòng)逐步變?nèi)酰霈F(xiàn)一些雜亂的現(xiàn)象，但是外推區(qū)域環(huán)境氣體在噴油器軸線方向的速度明顯提高，噴孔近處環(huán)境氣體速度也有所提高，導(dǎo)致噴孔附近噴霧被環(huán)境氣體影響，被推向噴油器軸線處，導(dǎo)致燃油噴霧油束中間部分出現(xiàn)彎折現(xiàn)象。3孔噴油器油束由于快速膨脹霧化，在噴孔近處噴霧流場(chǎng)出現(xiàn)輕微的相連趨勢(shì)，膨脹的油束帶動(dòng)更得多的環(huán)境氣體與其一起運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致整體環(huán)境氣體流場(chǎng)速度比100 kPa時(shí)大，而且噴霧油束內(nèi)側(cè)渦旋運(yùn)動(dòng)逐漸消失，出現(xiàn)雜亂的流場(chǎng)，噴霧油束外側(cè)渦旋運(yùn)動(dòng)變強(qiáng)，渦旋位置變化不大。2孔噴油器噴霧流場(chǎng)相比于100 kPa時(shí)形態(tài)上沒(méi)有什么區(qū)別，只是變得更寬，帶動(dòng)了噴霧周圍的環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)了噴霧油束內(nèi)外側(cè)的渦旋運(yùn)動(dòng)，渦旋位置幾乎不變。環(huán)境背壓減小到20 kPa時(shí)，6孔噴油器所有燃油油束完全相連，誘導(dǎo)環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)變得更強(qiáng)，環(huán)境氣體3個(gè)區(qū)域速度都有提高，所涉及的范圍也變得更大，渦旋運(yùn)動(dòng)變得更強(qiáng)，渦旋中心離噴油器軸線更近了，已經(jīng)進(jìn)入噴霧輪廓之內(nèi)且與噴霧渦旋運(yùn)動(dòng)中心重疊在一起。這個(gè)進(jìn)一步被加強(qiáng)了的環(huán)境氣體渦旋運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度可以與燃油噴霧運(yùn)動(dòng)相抗衡，可以影響其運(yùn)動(dòng)，使其完全坍塌在噴油器軸線處，變成形似“鐘”形的單個(gè)大油束。3孔噴油器油束由于高燃油溫度和低環(huán)境背壓導(dǎo)致剛出噴孔就快速膨脹，蒸發(fā)和霧化，在噴油器近處出現(xiàn)了很明顯的相連現(xiàn)象，而且相連區(qū)域的噴霧速度明顯要小于噴孔軸向方向的噴霧速度，相連的噴霧速度場(chǎng)加劇了對(duì)環(huán)境氣體動(dòng)能的傳遞，噴霧油束外側(cè)的渦旋運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，噴霧油束沒(méi)有像6孔噴油器噴霧那樣完全坍塌在噴油器軸線處，噴霧油束內(nèi)側(cè)還存在環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)，但是渦旋運(yùn)動(dòng)已消失，出現(xiàn)一些雜亂的現(xiàn)象。2孔噴油器噴霧相比60 kPa時(shí)變得更寬，但2孔噴油器油束流場(chǎng)之間沒(méi)有像3孔噴油器油束那樣產(chǎn)生相連的現(xiàn)象，膨脹的噴霧流場(chǎng)給周圍環(huán)境流場(chǎng)產(chǎn)生了更強(qiáng)的推力，在噴霧油束流場(chǎng)周圍的環(huán)境氣體增加明顯，尤其是噴霧前端的外推區(qū)的環(huán)境氣體速度快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致噴霧油束內(nèi)外側(cè)的渦旋運(yùn)動(dòng)變強(qiáng)，且所涉及的面積更廣。

圖9 不同環(huán)境背壓下3款噴油器 兩相流場(chǎng)(噴射后 0.8 ms)

定量分析結(jié)果見(jiàn)圖10。當(dāng)環(huán)境背壓從100 kPa減小到20 kPa時(shí)，燃油噴霧形態(tài)的變化以及燃油噴霧粒徑的變小，使得噴霧和環(huán)境氣體的接觸面積變得更大，所以環(huán)境氣體的速度隨著環(huán)境背壓的減小而增大。當(dāng)環(huán)境背壓為100 kPa時(shí)，由于壓力較高，噴霧破碎霧化比較困難，而且不會(huì)出現(xiàn)油束之間明顯的相連趨勢(shì)，噴霧油束寬度較窄，所以誘導(dǎo)的環(huán)境氣體速度比較低，6孔噴油器環(huán)境氣體速度大于3孔和2孔噴油器的環(huán)境氣體速度，但差別不是很大。

圖10 不同背壓下環(huán)境氣體速度平方

當(dāng)環(huán)境氣體背壓減小到60 kPa時(shí)，環(huán)境壓力減小，噴霧容易破碎膨脹，導(dǎo)致6孔噴油器油束出現(xiàn)很明顯的油束相連并且聚集在軸線處，對(duì)環(huán)境氣體產(chǎn)生較大的推力，環(huán)境氣體速度增長(zhǎng)幅度明顯，但 3孔和2孔噴油器環(huán)境氣體速度增長(zhǎng)幅度不大。當(dāng)環(huán)境氣體背壓減小到20 kPa時(shí)，環(huán)境壓力變小，噴霧剛出噴孔立刻破碎膨脹，導(dǎo)致6孔噴油器噴霧所有油束全部坍塌在噴油器軸線處，很快形成未受擾液核，速度快速增長(zhǎng)，對(duì)周圍氣體產(chǎn)生強(qiáng)有力的推動(dòng)力，速度增長(zhǎng)幅度非常明顯。3孔噴油器噴霧擴(kuò)張出現(xiàn)油束相連現(xiàn)象，加強(qiáng)了噴霧對(duì)環(huán)境氣體的推動(dòng)力，環(huán)境速度增大明顯，但比6孔噴油器環(huán)境氣體速度增長(zhǎng)小很多。2孔噴油器油束只是油束膨脹變寬，并沒(méi)有出現(xiàn)相連趨勢(shì)，所以環(huán)境氣體速度增長(zhǎng)也不是很明顯。由于容器體積不變，環(huán)境氣體的密度會(huì)隨著環(huán)境背壓的減小而線性減小，所以在容器里所含的氣體質(zhì)量也會(huì)減小(見(jiàn)圖11)。

圖11 不同環(huán)境背壓下氣體的密度

以燃油溫度85 ℃，環(huán)境背壓100 kPa的環(huán)境氣體的動(dòng)能為基礎(chǔ)，歸一化處理其他工況下的環(huán)境氣體動(dòng)能，定量分析結(jié)果見(jiàn)圖12。 由于試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)環(huán)境氣體是靜止的，動(dòng)能為零，所以環(huán)境氣體的動(dòng)能全部由燃油噴霧傳遞而來(lái)。在低環(huán)境背壓時(shí)，由于燃油噴霧達(dá)到了過(guò)熱狀態(tài)，6孔噴油器油束聚攏、坍塌，并在噴油器軸線處聚集；3孔噴油器油束達(dá)到完全過(guò)熱時(shí)噴孔附近油束出現(xiàn)相連的現(xiàn)象，但沒(méi)有坍塌在噴油器軸線處；2孔噴油器油束膨脹變寬，但是沒(méi)有油束相連的現(xiàn)象。過(guò)熱工況時(shí)，燃油顆粒較小，且此時(shí)環(huán)境氣體密度也小，導(dǎo)致噴霧瞬間誘導(dǎo)環(huán)境氣體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)并且速度比較大。但是從動(dòng)能公式1/2 mv2可知，環(huán)境氣體動(dòng)能涉及到氣體速度和質(zhì)量，由于環(huán)境密度的減小，環(huán)境氣體質(zhì)量也會(huì)隨之減小，導(dǎo)致最終環(huán)境氣背壓從100 kPa減小到20 kPa時(shí)，燃油噴霧傳遞給環(huán)境氣體的動(dòng)能減小。

圖12 不同背壓下歸一化的環(huán)境氣體動(dòng)能

3 結(jié)論

a) 通過(guò)研究6孔、3孔和2孔等三款噴油器噴霧和環(huán)境氣體兩相流場(chǎng)相互影響的復(fù)雜關(guān)系，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)相鄰油束，有一個(gè)相鄰油束和沒(méi)有相鄰油束的噴霧傳遞給環(huán)境氣體的動(dòng)能是不一樣的，相鄰噴霧油束會(huì)影響噴霧形態(tài)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致噴霧和環(huán)境氣體兩相流場(chǎng)的變化；

b) 隨著燃油溫度的提高，6孔噴油器油束坍塌在軸線，噴霧和環(huán)境氣體兩相流場(chǎng)作用面積變大，環(huán)境氣體動(dòng)能增幅比較大，為30%左右；3孔噴油器油束沒(méi)有坍塌，但是出現(xiàn)了油束相連的現(xiàn)象，環(huán)境氣體動(dòng)能增幅小于6孔噴油器，為15%左右；2孔噴油器只是油束膨脹變寬，并沒(méi)有出現(xiàn)相連趨勢(shì)，環(huán)境氣體動(dòng)能增長(zhǎng)9%左右；噴霧傳遞更多的動(dòng)能給環(huán)境氣體，使環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)變強(qiáng)，環(huán)境氣體運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)影響噴霧運(yùn)動(dòng)，體現(xiàn)出氣-液兩相流場(chǎng)復(fù)雜的關(guān)系；

c) 當(dāng)環(huán)境氣體背壓減小時(shí)，三款噴油器噴霧形態(tài)都發(fā)生了膨脹和相連的變化，由于環(huán)境背壓的減小，噴霧更容易誘導(dǎo)環(huán)境氣體使其速度提高，因此隨著環(huán)境背壓的減小，環(huán)境氣體的速度增大，但由于環(huán)境密度減小，氣體質(zhì)量減少，導(dǎo)致燃油噴霧傳遞給環(huán)境氣體的動(dòng)能減少。

致謝：

感謝國(guó)家自然科學(xué)基金(51376119/E060502)及美國(guó)通用汽車對(duì)本研究的支持。

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[編輯: 李建新]

Effects of Nozzle Hole Number and Distribution on Interaction between Flash Boiling Spray and Ambient Gas of Gasoline Direct-injection Injector

TONG Sriguleng, XU Min, WU Shengqi

(National Engineering Laboratory for Automotive Electronic Control Technology, School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240， China)

In order to investigate the two-phase flow fields of fuel spray and ambient air of spark ignition direct injection (SIDI) engine, the optimized high speed two-color particle image velocimetry ( PIV) technology was applied to the velocity measurement of fuel spray and ambient air. PIV system consisting of special trace and filter system could measure the velocity of fuel spray and ambient air simultaneously. Effects of nozzle hole number and distribution on interaction between fuel spray and ambient air under different ambient pressures and fuel temperatures were studied based on three direct-injection injectors including one 6-hole injector, one 3-hole injector and one 2-hole injector. The results showed that the interaction between fuel spray and ambient air strengthened due to the better spray, the smaller fuel particle size and their produced wider spray beam and larger contact area with the increase of fuel temperature or the decrease of ambient pressure. Different interference intensity between spray beams for multi-hole injectors under normal and flash boiling conditions led to different kinetic energy transfer from fuel spray to ambient air. The momentum exchange between fuel spray and ambient air was enhanced by the stronger interference effect between beams, and thus the kinetic energy of ambient air increased.

fuel spray; fuel atomization; velocity measurement

2015-11-30;

2016-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(51376119/E060502)

佟斯日古楞(1988—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)噴霧與氣液兩相流場(chǎng)；xiaotongnihao@126.com。

許敏(1962—)，男，教授，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)噴霧與燃燒、節(jié)能環(huán)保技術(shù)等；mxu@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.002

TK421.43

B

1001-2222(2016)03-0006-08