直噴汽油機(jī)噴油器噴霧可視化測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)及試驗(yàn)＊

石玲吳國(guó)興張振東尹從勃

（1.上海師范大學(xué)，上海 201815；2.上海理工大學(xué)，上海 200093）

直噴汽油機(jī)噴油器噴霧可視化測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)及試驗(yàn)＊

石玲1吳國(guó)興1張振東2尹從勃2

（1.上海師范大學(xué)，上海 201815；2.上海理工大學(xué)，上海 200093）

為了有效觀測(cè)直噴汽油機(jī)噴油器工作過(guò)程中噴霧形態(tài)的變化歷程，開發(fā)了一套由定容裝置、供油系統(tǒng)、環(huán)境背壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、環(huán)境溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴油控制系統(tǒng)以及高速攝像機(jī)等組成的噴霧形態(tài)可視化測(cè)試平臺(tái)，并利用該平臺(tái)測(cè)試了不同噴油壓力、環(huán)境壓力和環(huán)境溫度下GDI噴油器的噴霧形態(tài)變化過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明，噴油壓力、環(huán)境壓力及環(huán)境溫度是影響噴霧形態(tài)發(fā)展過(guò)程的關(guān)鍵因素，所開發(fā)的噴霧形態(tài)測(cè)試平臺(tái)能夠模擬缸內(nèi)的不同壓力和溫度條件，并對(duì)不同噴油壓力下噴霧形態(tài)的變化歷程進(jìn)行有效測(cè)試。

1 前言

近年來(lái)，因汽油直接噴射（Gasoline Direct Injection，GDI）技術(shù)具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，得到了飛速的發(fā)展，而GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧特性直接影響到缸內(nèi)混合氣形成、分層燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)等性能，因此改善噴霧特性對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放品質(zhì)具有重要意義[1]。由于噴霧破碎機(jī)理十分復(fù)雜，不僅受到氣液兩相間的相互作用，還受到噴嘴內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象如氣穴和湍流等影響，特別是缸內(nèi)環(huán)境瞬態(tài)變化較大時(shí)，很難準(zhǔn)確獲得邊界條件，這些對(duì)噴霧模型精確計(jì)算造成很大困難，所以現(xiàn)在對(duì)噴霧研究的主要手段還是噴霧形態(tài)可視化試驗(yàn)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)噴霧形態(tài)可視化試驗(yàn)研究主要依靠定容裝置和高速攝影噴油霧化測(cè)試系統(tǒng)。如，Mitroglou N等人[2]利用可視化定容室在常溫下控制噴射壓力和背壓來(lái)測(cè)量噴霧特性；Jeekuen Lee和Keiya Nishida[3，4]通過(guò)控制噴油背壓觀察和研究噴霧破碎和霧化過(guò)程；國(guó)內(nèi)高校和大型整車研究中心[5～10]也對(duì)噴油霧化可視化試驗(yàn)進(jìn)行了大量研究。

盡管國(guó)、內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多直噴汽油機(jī)噴霧特性的研究，但大多數(shù)研究?jī)H是通過(guò)改變噴油壓和背壓來(lái)觀察噴油霧化形態(tài)，尚缺乏既具備環(huán)境壓力、溫度可調(diào)，又可對(duì)噴油器的噴射過(guò)程進(jìn)行靈活控制的可視化噴油霧化測(cè)試系統(tǒng)。為此，本文開發(fā)了一種直噴汽油機(jī)噴油器噴霧形態(tài)的可視化測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴霧形態(tài)變化歷程的動(dòng)態(tài)測(cè)試，為深入研究噴霧形成及發(fā)展機(jī)理提供了試驗(yàn)測(cè)試手段。

2 噴霧可視化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為直接研究直噴汽油機(jī)噴油器噴霧在不同邊界條件（噴油壓力、環(huán)境壓力以及環(huán)境溫度）下的發(fā)展過(guò)程以及其特性（噴霧貫穿距、噴霧錐角等），設(shè)計(jì)了噴霧可視化測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由定容裝置、燃油供給系統(tǒng)、環(huán)境壓力控制系統(tǒng)、噴油器控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。本研究所用直噴汽油機(jī)噴油器參數(shù)及試驗(yàn)邊界條件如表1所列。

圖1 噴霧可視化測(cè)試系統(tǒng)示意

表1 噴油器參數(shù)及試驗(yàn)邊界條件

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)各組成系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)噴油壓力、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)控制部分由驅(qū)動(dòng)電路和噴油控制電路組成，可以實(shí)現(xiàn)不同噴油周期、噴油脈寬、噴油次數(shù)的調(diào)節(jié)，同時(shí)能夠直接提供同步信號(hào)給高速攝影機(jī)進(jìn)行噴霧圖像的采集。

2.1 可視化定容裝置

可視化定容裝置如圖2所示。為了能夠全方位觀察和采集噴霧數(shù)據(jù)，共設(shè)計(jì)了5個(gè)窗口，其中四周各1個(gè)，底部1個(gè)，頂部主要用于安裝噴油器固定裝置。

為便于記錄噴射過(guò)程，所設(shè)計(jì)的5個(gè)視窗均采用JGS1型遠(yuǎn)紫外光學(xué)石英玻璃。該玻璃是用高純度氫氧熔化而成，具有優(yōu)良的透紫外線性能，在波段為185 μm處的透過(guò)率可達(dá)90%。

圖2 可視化定容裝置示意

可視化定容裝置最關(guān)鍵的問題是玻璃的承壓能力，為此采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)厚度為40 mm、抗彎強(qiáng)度為67 MPa的3D石英玻璃窗口數(shù)模進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

模擬結(jié)果表明，該石英玻璃的最大應(yīng)力集中在壓盤法蘭與石英玻璃接觸處，約為22 MPa，計(jì)算得其安全系數(shù)為3.05。根據(jù)國(guó)家對(duì)壓力容器相關(guān)規(guī)定中要求的安全系數(shù)3，因此所選取的石英玻璃滿足國(guó)家定容裝置設(shè)計(jì)要求。

2.2 噴油器固定安裝機(jī)構(gòu)

噴油器固定安裝機(jī)構(gòu)如圖4所示，其由上端蓋、夾具主體、下端蓋等組成。設(shè)計(jì)噴油器固定安裝機(jī)構(gòu)的目的是為了將噴油器固定在定容裝置主體上，使噴油器噴嘴可在石英玻璃視窗上部突出4～5 mm，以便于噴霧圖像采集。該安裝固定機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)有梯形凹坑，其作用是避免噴油器接插鍵與夾具接觸，以防止因夾具溫度過(guò)高而損壞電氣連接。考慮到定容裝置工作具有較高溫度以及燃油的腐蝕性，噴油器與夾具的上、下端蓋均采用O型氟橡膠和四氟乙烯墊圈密封，兩種材料分別能承受230℃和250℃的高溫。

2.3 燃油供給系統(tǒng)

為更真實(shí)地反映發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)特性，該測(cè)試系統(tǒng)采用了高壓共軌作為燃油供給系統(tǒng)，該供油系統(tǒng)由高壓氮?dú)馄?、針閥、油壓傳感器、燃油共軌、濾清器、安全閥以及若干高壓油管等組成（見圖1）。

圖3 石英玻璃應(yīng)力分布

在供油系統(tǒng)工作過(guò)程中，通過(guò)控制針閥的開度調(diào)節(jié)進(jìn)入油箱氣體的壓力，油箱中的燃油經(jīng)過(guò)濾清器進(jìn)入燃油共軌，共軌上有燃油壓力傳感器可以實(shí)時(shí)對(duì)管內(nèi)的油壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖4 噴油器固定安裝機(jī)構(gòu)示意

2.4 環(huán)境壓力控制系統(tǒng)

可視化定容裝置環(huán)境壓力控制系統(tǒng)主要由氮?dú)馄?、針閥、安全閥、活性碳罐等組成（見圖1）。該系統(tǒng)工作時(shí)，存儲(chǔ)在氮?dú)馄恐械牡獨(dú)馔ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)針閥進(jìn)入定容裝置中，針閥的開度控制氣體流量大小從而實(shí)現(xiàn)定容裝置內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)，當(dāng)進(jìn)氣管路中的壓力超過(guò)安全閥預(yù)設(shè)定值3 MPa時(shí)，氮?dú)饩蜁?huì)從安全閥中溢流，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的安全。可視化定容裝置中氣體排出同樣由針閥控制，考慮到廢氣中存在著大量的燃油蒸汽，故在排氣針閥的后面連接了活性碳罐將油氣分離。

2.5 環(huán)境溫度加熱系統(tǒng)

可視化定容裝置的溫度調(diào)節(jié)通過(guò)在定容裝置四周安裝的4根功率為500 W的加熱棒完成，加熱棒的布置位置如圖5所示。加熱棒具有獨(dú)立的溫控儀，它與定容裝置上的溫度傳感器組成閉環(huán)控制定容裝置內(nèi)氣體溫度。

圖5 加熱棒布置位置

2.6 高速攝影系統(tǒng)

高速攝影系統(tǒng)采用由日本信農(nóng)公司生產(chǎn)制造的PLEXLOGGER系列高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)PL2。該相機(jī)具有對(duì)高速影像和熱影像進(jìn)行記錄、回放、保存數(shù)據(jù)及液晶顯示等功能。PL2的高速視頻最快采集速度為1×105fps，對(duì)熱影像和模擬數(shù)據(jù)的最大采集頻率分別為60 fps和1 M/s，最大分辨率SXGA為1 280×1 024。

2.7 噴霧特性定義及數(shù)據(jù)后處理方法

噴霧特性包括噴霧貫穿距和噴霧圓錐角，定義噴霧貫穿距為噴油器噴嘴至噴霧外邊緣的最大距離[11]，如圖6所示；定義噴霧圓錐角為圖7中噴霧兩側(cè)最外邊緣A與最外邊緣B之間的夾角[11]。

圖6 噴霧貫穿距

圖7 噴霧錐角

為了分析噴霧宏觀特性，本文采用商業(yè)軟件對(duì)噴霧圖像進(jìn)行編程處理，處理過(guò)程如下：

a.圖像讀入。基于商業(yè)軟件MATLAB中的圖片處理函數(shù)imread直接讀入背景圖和噴霧原始圖。

b.去除背景?；谏虡I(yè)軟件MATLAB中的imab?sdiff相減函數(shù)完成噴霧背景去除。

c.圖像轉(zhuǎn)化?；谲浖﨧ATLAB中的im2gray圖像格式轉(zhuǎn)換函數(shù)將彩色圖像轉(zhuǎn)化為每個(gè)像素只包含一個(gè)數(shù)值的灰度圖像，進(jìn)而通過(guò)im2bw二值化函數(shù)將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，即二值圖像矩陣的每個(gè)像素值只能取0或1，就圖像上而言像素非黑即白。

d.圖像分割?；谏虡I(yè)軟件MATLAB中的邊緣提取函數(shù)bwperim完成輪廓邊界提取，如從二值圖像中提取噴霧邊緣輪廓。

e.特性參數(shù)計(jì)算?；谔崆皹?biāo)定的已知尺寸的特征形狀（如T字型）完成噴霧貫穿距、噴霧錐角的計(jì)算。

3 噴油器控制系統(tǒng)

直噴汽油機(jī)噴油器控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電路和噴油控制電路組成。通過(guò)噴油控制電路設(shè)置噴油周期、噴油脈寬、噴油次數(shù)等參數(shù)，微控制單元MCU輸出控制波形給噴油器驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)噴油器的開啟和關(guān)閉。

3.1 噴油器驅(qū)動(dòng)電路

本文基于L9707芯片，采用峰值-保持電流驅(qū)動(dòng)模式設(shè)計(jì)了噴油器驅(qū)動(dòng)電路，峰值-保持型電流波形如圖8所示。L9707是意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的專門用于驅(qū)動(dòng)直噴汽油機(jī)噴油器的芯片，它采用電流驅(qū)動(dòng)的方式可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)6個(gè)噴油器工作，該芯片提供了短接地檢測(cè)、開路檢測(cè)、過(guò)流保護(hù)、高溫自動(dòng)斷電、無(wú)峰值電流檢測(cè)等功能。芯片具有8位的SPI串行數(shù)據(jù)輸入輸、出和診斷端口。

圖8 峰值-保持電流驅(qū)動(dòng)波形

圖8中，t1為峰值電流時(shí)間段，該時(shí)間段的電壓為65 V，電流為10 A，該段高壓由Boost升壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，電流由外設(shè)電阻決定。t2和t3均為保持噴油器處于開啟狀態(tài)的電流時(shí)間段，這兩段低壓電由12 V開關(guān)電源供電，時(shí)間長(zhǎng)度取決于ECU噴油量多少。

直噴汽油機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)電路如圖9所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)電路示意

3.2 電源電路

電源電路是由一個(gè)穩(wěn)定電壓為12 V的開關(guān)電源進(jìn)行供電，電源電路主要的作用就是將12 V電源轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓為5 V和電流至少為200 mA的電源，為L(zhǎng)9707芯片和噴油控制電路中的MCU供電?；贚9777電源芯片設(shè)計(jì)的電源電路如圖10所示。

該電源電路通過(guò)將VCC引腳輸出5 V電壓作為反饋，在負(fù)載變換時(shí)，芯片內(nèi)部根據(jù)反饋的電壓值進(jìn)行調(diào)節(jié)保證任何情況下都能夠有穩(wěn)定的5 V電壓輸出。

圖10 電源電路原理

3.3 升壓電路

直噴汽油機(jī)噴油器開啟需要較大電流驅(qū)動(dòng)，因此需要設(shè)計(jì)Boost升壓電路，本文所設(shè)計(jì)的升壓電路如圖11所示。壓升通過(guò)可編程開關(guān)調(diào)節(jié)器VH來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以提供的電壓范圍為45～85 V，電壓大小由外接的分壓電阻R2和R3所決定，電壓調(diào)節(jié)器VH提供了過(guò)壓保護(hù)功能。開關(guān)MOS管的柵極由DC_OUT控制，DC_OUT輸出的方波頻率由連接Rct外部的振蕩電路決定。當(dāng)電路中檢測(cè)到過(guò)壓事件時(shí)DC_OUT信號(hào)就會(huì)關(guān)閉，過(guò)壓信息通過(guò)SPI反饋給MCU。/STBY信號(hào)是電壓調(diào)節(jié)器的使能端，為低有效。

圖11 升壓電路原理

3.4 噴油器控制

本研究所采用的直噴噴油器屬于電流驅(qū)動(dòng)型，為了加快噴油器的開啟速度，在噴油器開啟初期需給電磁線圈較高的電流脈沖，驅(qū)使針閥迅速開啟，然后再將電流降至較小的維持針閥開啟的電流值，以便實(shí)現(xiàn)電磁線圈中以較小電流保證高速電磁閥處于最大開啟位置。因此，本試驗(yàn)基于L9707噴油器驅(qū)動(dòng)芯片采用了峰值/維持式的驅(qū)動(dòng)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)該噴油器的驅(qū)動(dòng)。L9707噴油器驅(qū)動(dòng)芯片輸出波形由INJI_A和INJPI_A兩個(gè)信號(hào)控制，兩者具有如圖12所示的邏輯關(guān)系。INJIA信號(hào)周期T決定了1次噴油周期，其占空比T1決定了噴油時(shí)間。INJPI_A信號(hào)的占空比T2控制峰值電流的保持時(shí)間，而且當(dāng)INJPI_A和INJI_A信號(hào)同時(shí)被置高時(shí)才能產(chǎn)生峰值電流。

圖12 噴油器驅(qū)動(dòng)電流波形

4 噴霧試驗(yàn)結(jié)果分析

利用所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了不同噴油壓力（2MPa，6 MPa，8 MPa）、不同環(huán)境壓力（0.1 MPa，0.5 MPa，1.0 MPa）和不同環(huán)境溫度（20℃，50℃，100℃，150℃）下的直噴汽油機(jī)噴油器噴霧發(fā)展過(guò)程以及噴霧宏觀特性研究。

4.1 不同噴油壓力下噴霧發(fā)展過(guò)程

圖13為不同噴油壓力下噴霧發(fā)展過(guò)程，此時(shí)環(huán)境壓力Pamb=0.5 MPa。由圖13可看出，噴霧基形態(tài)呈軸對(duì)稱，右側(cè)的噴霧比左側(cè)的要短，當(dāng)噴油壓力Pinj為2 MPa、6 MPa，且噴射時(shí)間小于3 ms時(shí)，油束周圍只有輕微的破碎蒸發(fā)現(xiàn)象。當(dāng)噴油壓力Pinj達(dá)到8 MPa時(shí)，燃油蒸發(fā)速度比其它噴油壓力下要快，這說(shuō)明燃油噴油壓力越大，燃油的霧化效果越好，噴霧蒸發(fā)破碎趨勢(shì)越明顯。這是因?yàn)閲娪蛪毫^大時(shí)所噴射出的燃油粒徑較小，導(dǎo)致油束與空氣的接觸面積變大，兩者相互作用更加劇烈。高壓噴射時(shí)噴霧的貫穿距離長(zhǎng)，存在空氣中的時(shí)間也長(zhǎng)，所以高壓噴射時(shí)噴霧在定容裝置的延續(xù)時(shí)間也相對(duì)久一些。因直噴汽油機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，高壓油軌壓力的建立需一定的時(shí)間，開始時(shí)噴油壓力較低，所以選擇合理噴油時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放起著至關(guān)重要的作用。

圖14為噴油壓力對(duì)噴霧貫穿距的影響。由圖14可看出，隨著噴油壓力的增大，噴霧貫穿距離增大，但當(dāng)噴油壓力增大到8 MPa時(shí)，貫穿距離增加的幅度略有減少，這是因?yàn)檩^高的噴油壓力導(dǎo)致噴霧油滴的粒徑大幅減小，進(jìn)而促進(jìn)燃油與空氣相互作用而霧化蒸發(fā)，使得噴霧貫穿距離減小。

圖15為噴油壓力對(duì)噴霧錐角的影響結(jié)果。由圖15可看出，噴霧錐角隨噴油壓力的增大呈減少趨勢(shì)，但變化不明顯。因?yàn)檎w噴霧錐角主要取決于各噴孔的結(jié)構(gòu)，雖然隨著噴油壓力的增大各噴孔油束的霧化速度有所增加，但對(duì)噴霧的整體錐角影響較小。

圖13 不同噴油壓力下噴霧發(fā)展過(guò)程

圖14 不同噴油壓力下噴霧貫穿距變化曲線

圖15 不同噴油壓力下噴霧錐角變化曲線

4.2 不同環(huán)境壓力下噴霧發(fā)展過(guò)程

圖16為噴射壓力Pinj=6 MPa，不同環(huán)境壓力下噴霧發(fā)展過(guò)程。從圖16可看出，當(dāng)環(huán)境壓力Pamb為0.1 MPa時(shí)，油束以較快的速度從噴嘴噴出，且破碎的區(qū)域很大，當(dāng)環(huán)境壓力逐漸增大時(shí)，油束的運(yùn)動(dòng)速度有所減慢，破碎的區(qū)域減少。而當(dāng)環(huán)境壓力增大到1 MPa時(shí)，噴霧的貫穿距離明顯縮短，油束的運(yùn)動(dòng)減緩，霧化的區(qū)域也減少。由此可知，隨著環(huán)境壓力的增大，油束破碎減少，霧化區(qū)域和速度均會(huì)降低。高環(huán)境壓力對(duì)應(yīng)著發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程的缸壓，高壓力雖然可以減少燃油碰壁，但將導(dǎo)致燃油霧化不充分，燃燒不徹底，易在缸內(nèi)形成積碳。所以這時(shí)需要提高噴油壓力，加速燃油的霧化。

圖16 不同環(huán)境壓力下噴霧發(fā)展過(guò)程

圖17和圖18分別為環(huán)境壓力對(duì)噴霧貫穿距和噴霧錐角的影響結(jié)果。由圖可看出，噴霧貫穿距隨環(huán)境壓力的增大顯著降低；環(huán)境壓力從0.1 MPa增長(zhǎng)到0.25 MPa時(shí)對(duì)噴霧錐角幾乎沒影響，隨著壓力的進(jìn)一步增大，噴霧錐角逐漸減小，當(dāng)壓力增加到1 MPa時(shí)，噴霧錐角減至最小。

圖17 不同環(huán)境壓力下噴霧貫穿距變化曲線

圖18 不同環(huán)境壓力下噴霧錐角變化曲線

4.3 不同環(huán)境溫度下噴霧發(fā)展過(guò)程

圖19為環(huán)境溫度對(duì)噴霧發(fā)展過(guò)程的影響，噴射壓力Pinj=8 MPa，環(huán)境壓力Pamb=0.1 MPa。由圖19可看出，當(dāng)環(huán)境溫度T為20℃時(shí)，燃油噴霧霧化速度較緩慢；當(dāng)環(huán)境溫度為100℃時(shí)，燃油噴霧蒸發(fā)的速度明顯加快。

圖20為環(huán)境溫度對(duì)噴霧貫穿距的影響結(jié)果。由圖20可看出，當(dāng)環(huán)境溫度小于100℃時(shí)，環(huán)境溫度的增加會(huì)使噴霧貫穿距略有增大，這主要是由于初始狀態(tài)的噴霧粒徑很大，適當(dāng)升高溫度未能使噴霧末端燃油完全蒸發(fā)，而是形成粒徑更小的噴霧，并迅速地向周圍擴(kuò)散。當(dāng)溫度超過(guò)100℃后，噴霧貫穿距略有減小的趨勢(shì)，主要原因是過(guò)高溫度導(dǎo)致噴霧蒸發(fā)的速度加快。

圖19 不同環(huán)境溫度下噴霧發(fā)展過(guò)程

圖20 不同環(huán)境溫度下噴霧貫穿距的變化曲線

圖21為環(huán)境溫度對(duì)噴霧錐角的影響結(jié)果。由圖21可看出，隨著環(huán)境溫度的升高，噴霧錐角呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)闇囟仍礁呒铀倭藝婌F邊界的快速蒸發(fā)，使得噴霧錐角也相應(yīng)的減小。

圖21 不同環(huán)境溫度下噴霧錐角的變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了噴霧可視化測(cè)試系統(tǒng)，開發(fā)出采用峰值-保持電流驅(qū)動(dòng)方式的直噴汽油機(jī)噴油器的驅(qū)動(dòng)電路和噴油控制電路，且搭建了噴霧可視化測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了可視化定容裝置、直噴噴油器供油系統(tǒng)、環(huán)境溫度及壓力控制系統(tǒng)等，基于該系統(tǒng)進(jìn)行了直噴汽油機(jī)噴霧發(fā)展過(guò)程及其宏觀噴霧特性的研究。根據(jù)試驗(yàn)和分析結(jié)果可知：

a.提高噴油壓力可使燃油破碎區(qū)域變大，促進(jìn)燃油霧化速度，有利于混合氣的形成；

b.增加噴油壓力導(dǎo)致噴霧貫穿距離也隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致增加噴霧撞壁的概率，發(fā)動(dòng)機(jī)容易造成積碳和機(jī)油稀釋問題；增加環(huán)境溫度可加快燃油蒸發(fā)速度，噴霧錐角略有減小；

c.增加環(huán)境壓力導(dǎo)致燃油蒸發(fā)速度變緩，則不利于混合氣形成，可導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放增加；

d.鑒于噴霧對(duì)環(huán)境背壓的敏感性，噴油時(shí)刻的選擇極為重要。

1 Zhao Fuquan,Harrington D L，Lai Mingchia.Automotive gas?oline direct-injection engines.Warrendale,PA:SAE Interna?tional，2002.

2 Mitroglou N,Nouri J M,Yan Y,et al.Spray Structure Gener?ated by Multi-Hole Injectors for Gasoline Direct-Injection Engines.SAE Paper,2007-01-1417.

3 Jeekuen Lee and Keiya Nishida.Breakup Process of an Ini?tial Spray Injected by a D.I.Gasoline Injector-Simultaneous Measurement of Droplet Size and Velocity by Laser Sheet Image Processing and Particle Tracking Technique.SAE Pa?per,2003-01-3107.

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（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年9月12日。

Development and Experiment of Spray Visualization Testing System for GDI Injector

Shi Ling1,Wu Guoxing1,Zhang Zhendong2,Yin Congbo2
（1.Shanghai Normal University,Shanghai 201815;2.Shanghai University of Science and Technology,Shanghai 200093）

In order to effectively observe the change process of spray pattern of GDI engine injector,a visualization test platform was developed which consisted of a constant volume,fuel system,a back pressure regulator system,ambient temperature control system,fuel injection control system and high-speed cameras and other components.The spray pattern of a GDI injector was tested at different fuel injection pressure,different ambient pressure and different ambient temperature by the platform.The test results showed that injection pressure,ambient pressure and ambient temperature are the key factors to affect the development process of the spray pattern,besides with the spray pattern test platform different in-cylinder pressures and temperature conditions can be simulatecl and the spray pattern changes at different injection pressures can be tested.

GDI injector,Spray pattern,Visualization system

直噴汽油機(jī)噴油器 噴霧形態(tài) 可視化系統(tǒng)

U464.171；TK6

A

1000-3703（2017）01-0026-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275309）。