汽 油 噴 霧 前 鋒 粒 徑 特 性

虞 瀏，劉忠長，劉金山，劉江唯，杜宏飛，程 鵬

(1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.中國第一汽車股份有限公司 技術中心，長春 130011)

0 引 言

直噴火花點火發(fā)動機由于具有良好的燃油經濟性逐漸成為乘用車主要動力。直噴火花點火發(fā)動機燃油直接噴射進入氣缸，經歷破碎、霧化、蒸發(fā)、混合，最后經火花塞點火燃燒，因此燃油霧化、蒸發(fā)和混合直接影響燃燒過程[1]。對直噴火花點火發(fā)動機燃油噴霧的研究主要集中在噴霧邊界條件、噴油器幾何參數和噴油器內部流動對噴霧特性的影響等方面。大量研究表明[2-5]，燃油噴射壓力是影響燃油噴霧質量的重要因素，提高燃油噴射壓力，可以改善噴霧霧化質量，有效降低噴霧粒徑。燃油噴射環(huán)境溫度和燃油溫度對噴霧特性具有較大影響，提高環(huán)境溫度有助于促進燃油蒸發(fā)，減小汽相和液相噴霧貫穿距離[6，7]，提高燃油溫度，可減小燃油溫度與燃油沸點溫度差實現閃沸噴霧，有利于燃油霧化[8]。

目前，直噴火花點火發(fā)動機噴油器多采用電磁驅動噴油器，其燃油噴射是一個動態(tài)變化過程[9]，在噴射早期霧化較差，大量大直徑液滴在噴霧前鋒集中出現。在相同環(huán)境溫度條件下燃油液滴蒸發(fā)完成時間與液滴直徑直接相關[10]，所以噴霧前鋒大直徑液滴蒸發(fā)時間相對較長，也最容易與氣缸壁面和活塞頭部發(fā)生碰撞接觸。付磊等[11]在一臺直噴汽油光學單缸機上的研究成果表明，燃油未充分霧化以液相狀態(tài)在高溫下進行擴散燃燒會形成碳煙。因此，研究噴油器噴霧前鋒燃油液滴粒徑特性，了解粒徑分布影響因素和規(guī)律對直噴火花點火發(fā)動機燃燒系統(tǒng)開發(fā)具有非常重要的指導意義。

本文利用激光衍射技術研究了噴射壓力對直噴火花點火發(fā)動機噴油器噴霧前鋒燃油液滴粒徑特性的影響，以及噴霧前鋒不同空間位置燃油液滴粒徑的分布。

1 試驗條件

1.1 試驗臺架

本文燃油噴霧試驗在開放環(huán)境下進行，測試燃油溫度為25 ℃、噴射背景溫度為25 ℃、噴射背景壓力為101 kPa。燃油噴射系統(tǒng)由高壓供油系統(tǒng)和燃油噴射控制系統(tǒng)組成，高壓供油系統(tǒng)噴射壓力通過高壓氮氣驅動活塞式蓄能器實現，蓄能器燃油腔容積約為1 L，試驗過程蓄能器壓力基本保持恒定。燃油噴射采用dSpace控制系統(tǒng)，試驗過程中為確保精確捕捉到噴霧前鋒，dSpace控制系統(tǒng)在控制噴油器噴油的同時向測試系統(tǒng)同步輸出測量觸發(fā)TTL(Transistor transistor logic)信號，實現粒徑測量與燃油噴射同步。

燃油噴霧粒徑測量方法很多，比如相位多普勒粒子分析儀(Phase doppler particle analyzer,PDPA)可以精確測量噴霧粒徑大小和分布，以及燃油噴霧粒子速度；平面激光粒徑測試技術(Laser sheet drop size,LSD)結合標定技術可以精確得到燃油噴霧在指定空間的平面分布；激光全息法(Laser holography)可以得到噴霧全場粒徑[12,13]；圖像處理法(Image processing method,IPM)可通過相對簡易測試系統(tǒng)實現對近場噴霧初次分裂粒子特性的評價[14,15]；激光衍射技術(Laser diffraction technique)可實現對噴霧粒徑大范圍的快速測量和分析[12]。

為快速、準確地捕獲噴霧前鋒，綜合分析各測試技術特點，最終選擇激光衍射技術進行試驗。該技術以粒子對光線的米氏-夫瑯禾費模型為理論基礎，具有測量速度快、精度高、測量范圍大等優(yōu)點。本文采用的馬爾文激光衍射粒度儀通過粒子多重散射信號修正專利技術提高了測試精度[16]。圖1為噴霧粒徑測試系統(tǒng)原理圖，激光粒度儀參數如下所示：激光波長為632.8 nm;激光束直徑為10 mm；測量速度為10 000 Hz；測量粒徑為0.1～2000 μs；透鏡焦距為300 mm。

圖1 噴霧粒徑測試系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of spray droplet size measurement system

1.2 噴油器參數

試驗噴油器為某多孔直噴噴油器，該噴油器為6孔對稱布置，其落點分布如圖2所示，噴油器參數如下所示：孔數為6個；孔徑為0.19 mm；長徑比為1.15；最大工作壓力為15 MPa。

圖2 測量區(qū)域定義Fig.2 Definition of measurement field

1.3 試驗介質

噴霧試驗用油采用校泵油，校泵油物理特性和試驗方法如表1所示。

表1 校泵油物理特性Table 1 Physical characteristics of calibration fluid

2 研究對象及參數定義

2.1 研究對象

為研究燃油噴霧前鋒不同空間位置噴霧粒徑特性，選擇代表噴霧油束邊緣位置的F1和代表噴霧油束中心區(qū)域位置的F2作為研究對象。具體位置為沿噴油器軸線方向距噴油器嘴頭30 mm位置平面內的多油束(油束1、油束2和油束6)邊緣交接區(qū)F1和噴霧油束(油束3和油束5)中心區(qū)域F2，測量區(qū)域示意圖如圖2所示。

噴霧是一個連續(xù)過程，噴霧前鋒在噴霧過程中快速向前運動，為精確得到噴霧前鋒粒徑信息，通過噴油控制系統(tǒng)將噴油與測量系統(tǒng)同步，噴油器噴油的同時控制系統(tǒng)發(fā)出測量觸發(fā)信號，激光粒度儀接收到測量觸發(fā)信號之后開始數據采集。由于測量區(qū)域距離油嘴30 mm，燃油不能立刻到達測量區(qū)域，即粒徑數據有一個延遲時間，因此，將激光粒度儀獲得的第1組粒徑數據作為噴霧前鋒粒徑數據。

2.2 參數定義

本文重點關注的噴霧粒徑特性包括噴霧粒徑分布、索特平均直徑(Sauter mean diameter，SMD)，90%體積直徑Dv90和噴霧液滴體積濃度(Concentration volume，CV)。

索特平均直徑SMD是平均直徑表述的一種，表示與實際粒子表面積相同的標準球形粒子直徑，反映燃油噴霧中液滴平均粒徑大小。Dv90表示所有小于該直徑的粒子總體積為測量區(qū)所有粒子總體積的90%，代表噴霧過程中的超大液滴。噴霧液滴體積濃度CV表示測量區(qū)域內單位體積內粒子數量，反映噴霧測量區(qū)域中液滴濃度，噴霧前鋒區(qū)域內該參數反映了噴霧初期燃油破碎程度。該參數根據Beer-Lambert定律計算得到，僅在粒徑體積測量技術中有效，單位為10-6，其數學表達式為：

(1)

式中：T為測量區(qū)域透光率；b為測試區(qū)域厚度；Vi為直徑為di的粒子總體積；Qi為直徑為di的粒子光學特性。

3 結果分析

3.1 噴射壓力對噴霧前鋒粒徑分布的影響

大量研究結果表明[22]，增大噴射壓力可以減小噴霧粒徑，提高燃油霧化質量。本文從噴霧粒徑分布角度研究了噴射壓力對噴霧粒徑特性的影響。試驗選擇測量區(qū)域F2，噴射脈寬為2500 μs，噴射壓力分別為5、8、10和12 MPa。圖3為不同噴射壓力下噴霧前鋒粒徑分布；圖4為噴霧前鋒粒徑分布峰值隨噴射壓力的變化曲線。

圖3 噴射壓力對噴霧前鋒粒徑分布的影響Fig.3 Effect of injection pressure on droplet size distribution of spray front field

圖4 噴射壓力對噴霧前鋒粒徑分布峰的影響Fig.4 Effect of injection pressure on droplet size distribution peak of spray front field

從圖3可以看出：隨著噴射壓力的增大，噴霧前鋒區(qū)域燃油液滴粒徑分布逐漸變窄，分布重心逐漸向小粒徑方向移動。從圖4中可以看出：噴霧前鋒粒徑分布峰隨噴射壓力的增大而減小，當噴射壓力從5 MPa增大到12 MPa時，噴霧前鋒粒徑分布峰從73 μm減小到34 μm，減小了約53.4%。但是隨著噴射壓力的增大，噴霧前鋒粒徑分布峰并不是線性向小粒徑方向移動，如圖4所示，圖中A段，噴霧前鋒粒徑分布峰曲線斜率為5.67 μm/MPa，而B段斜率為3.5 μm/MPa，C段斜率為2.5 μm/MPa，即隨著噴射壓力的增大，噴霧前鋒粒徑分布重心向小粒徑方向移動逐漸變慢。圖4表明：對于該噴油器在噴射壓力較小時，提高噴射壓力可以迅速減小噴霧粒徑，提高霧化質量，但是隨著噴射壓力的繼續(xù)增大，噴射壓力對減小噴霧粒徑的作用逐漸減小。

3.2 噴射壓力對噴霧前鋒和噴霧全程粒徑的影響

圖5 噴射壓力對噴霧前鋒和全程SMD、Dv90和CV的影響Fig.5 Effect of injection pressure on spray front field and full range SMD,Dv90 and CV

圖5(a)為不同噴射壓力下噴霧前鋒SMD和噴霧全程SMD的變化關系；圖5(b)為不同噴射壓力下噴霧前鋒Dv90和噴霧全程Dv90的變化關系。試驗選擇測量區(qū)域F2，噴射脈寬為2500 μs，噴射壓力分別為5、8、10和12 MPa。從圖5(a)(b)可以看出：隨噴射壓力的增大，噴霧前鋒粒徑(SMD和Dv90)和噴霧全程粒徑(SMD和Dv90)都減小。這是因為隨著噴射壓力的增大，燃油從噴孔出射速度增大導致燃油噴霧紊流增強(韋伯數增大)，液核分裂效應增強，噴霧粒徑開始減小，噴霧粒子數量增加。圖5(c)所示的噴射壓力對噴霧液滴體積濃度變化關系也證明了該結論。

當噴射壓力從5 MPa增大到12 MPa時，噴霧前鋒SMD從51 μm減小到27 μm，減小了47%；噴霧全程SMD從31 μm減小到27 μm，減小了12.9%。噴霧前鋒Dv90從104 μm減小到63 μm，減小了39.4%；噴霧全程Dv90從82 μm減小到59 μm，減小了28%，即噴霧前鋒粒徑(SMD和Dv90)比噴霧全程粒徑(SMD和Dv90)隨噴射壓力的增大減小得更快。這是因為在噴霧初期由于燃油在噴孔內外壓差驅動下平衡突然被破壞，燃油開始急速向外流動，但是噴霧初期燃油出射速度較低，液核初次破碎質量不佳，在噴霧前鋒出現大量的大直徑液滴。隨著噴射過程的進行，燃油出射速度逐漸增大，噴霧紊流強度增大，燃油液核初始破碎增強，噴霧液滴粒徑減小并逐漸趨于穩(wěn)定。噴霧前鋒粒徑僅選擇噴霧初期粒徑進行評價，其中大直徑粒子比例更大；全程粒徑取整個噴霧過程粒徑的平均值，數據中噴霧中后期較小直徑粒子比例更大，因此最終得到全程粒徑比前鋒粒徑小，且全程粒徑相對更穩(wěn)定，波動更小。

圖6為噴射壓力為5 MPa和12 MPa時，噴霧前鋒粒徑分布和噴霧全程粒徑分布比較，從圖中可知，隨著噴射壓力的增大，噴霧初期霧化質量提高，噴霧前鋒粒徑分布與全程粒徑分布差異逐漸減小。

圖6 噴霧前鋒和噴霧全程粒徑分布比較Fig.6 Comparsion of spray droplet size distribution between spray front field and full range

圖7 噴霧區(qū)域F1和F2的SMD和Dv90比較Fig.7 Comparsion of SMD and Dv90 between F1 field and F2 field

3.3 噴霧前鋒粒徑空間分布特性

圖7(a)(b)分別為噴霧前鋒油束邊緣區(qū)域F1和油束中心區(qū)域F2索特平均直徑SMD和90%體積直徑Dv90比較。試驗工況為：噴射壓力為12 MPa，噴射脈寬為2500 μs。

區(qū)域F1位于油束1、2和6的中心交接區(qū)域，基本位于3個油束邊緣干涉區(qū)。噴霧區(qū)域F2直接通過油束3和5的中心區(qū)域。從圖7(a)(b)可以看出，F1噴霧區(qū)域SMD比F2區(qū)域小24.6%，F1噴霧區(qū)域Dv90比F2區(qū)域大28.2%。這表明，噴霧前鋒油束軸線附近評價燃油粒子均勻度參數的SMD相對噴霧前鋒邊緣區(qū)域大；邊緣區(qū)域粒子直徑跨度更大，反映大直徑粒子的參數Dv90比噴霧前鋒中心區(qū)更大。

圖8(a)為噴霧前鋒邊緣區(qū)域F1和中心區(qū)域F2液滴體積濃度CV比較。從圖中可以看出：燃油噴霧前鋒邊緣區(qū)域F1比中心區(qū)域F2粒子濃度約小21.3%。圖8(b)為噴霧前鋒邊緣區(qū)域F1和中心區(qū)域F2小粒徑參數Dv10比較，從圖中可知，噴霧前鋒兩側邊緣區(qū)域小粒徑參數Dv10比前鋒中心區(qū)域約小30%。

圖8 噴霧區(qū)域F1和F2的CV和Dv10比較Fig.8 Comparsion of CV and Dv10 between F1 field and F2 field

圖7和圖8表明，汽油噴霧前期粒子由于空氣阻力作用速度逐漸減小，后續(xù)噴霧粒子由于前期噴霧粒子云的阻力，燃油液相粒子在蒸發(fā)、碰撞、破碎和再聚合共同作用下粒徑逐漸趨于穩(wěn)定。噴霧前鋒邊緣區(qū)域F1相對于中心區(qū)域F2燃油液滴濃度更小，因此油束邊緣區(qū)域F1發(fā)生碰撞、破碎和再聚合現象的機率更小，蒸發(fā)作用占主導地位，造成邊緣區(qū)域SMD和Dv10較小，Dv90較大，粒徑分布跨度更大。油束中心區(qū)域F2粒子濃度更大，后續(xù)燃油與前期燃油粒子云發(fā)生更強的碰撞、破碎和再聚合，燃油液滴逐漸趨于更均勻，表現出SMD和Dv10更大，Dv90則更小。

4 結 論

(1)汽油噴霧前鋒粒徑(SMD和Dv90)和噴霧全程粒徑(SMD和Dv90)都隨噴射壓力的增大而減小，表明提高噴射壓力是提高汽油霧化質量的重要手段。

(2)噴射壓力增大促使汽油噴霧前鋒粒徑分布重心向小粒徑方向移動，在噴射壓力相對較低時，噴射壓力對噴霧粒徑減小作用更明顯，隨著噴射壓的力增大，粒徑減小作用逐漸減弱。

(3)汽油噴霧前鋒粒徑(SMD和Dv90)比噴霧全程粒徑(SMD和Dv90)大，隨著噴射壓力的增大，兩者差距逐漸減小。表明在燃燒系統(tǒng)開發(fā)過程中，評價噴油器性能除了應關注反映整體噴霧特性的全程粒徑(SMD和Dv90)參數之外，還應關注噴霧前鋒粒徑(SMD和Dv90)參數。特別是反映噴霧大直徑粒子的參數Dv90，由于在氣缸內存在時間最長，極易與氣缸壁面和活塞頭部接觸形成擴散燃燒產生碳煙，在燃燒系統(tǒng)開發(fā)和優(yōu)化時應重點關注。

(4)汽油噴霧前鋒不同區(qū)域粒徑分布并不均勻，油束軸線附近SMD比油束邊緣區(qū)域大，反映大直徑粒子的參數Dv90比油束邊緣區(qū)域小。因此在燃燒系統(tǒng)開發(fā)過程中，油束邊界相互作用區(qū)噴霧特性應予以關注，充分利用缸內氣體流動促進噴霧早期大液滴的快速蒸發(fā)。

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