背景氣密度對(duì)GDI噴霧特性的影響*

李欽偉，侯志剛，張景宇，李雁飛，帥石金

（1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，煙臺(tái) 264005； 2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

前言

缸內(nèi)直噴（GDI）技術(shù)是當(dāng)代汽油機(jī)的主流技術(shù)［1］。多孔GDI噴油器可通過較小的噴油脈寬和貫穿距來獲得更好的混合氣質(zhì)量，進(jìn)而被廣泛應(yīng)用到GDI發(fā)動(dòng)機(jī)。但由于環(huán)境條件和噴油器噴孔結(jié)構(gòu)等條件的不同，會(huì)對(duì)噴霧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)汽油機(jī)的性能和排放產(chǎn)生重要的影響。同時(shí)，更嚴(yán)格的排放法規(guī)對(duì)噴霧及其混合氣質(zhì)量提出了更高的要求。因此，需要對(duì)GDI噴油器的噴霧特性進(jìn)行深入研究。

許多學(xué)者對(duì)GDI噴霧特性進(jìn)行了研究［2-18］，不少研究發(fā)現(xiàn)多孔GDI噴油器在非閃沸條件下會(huì)發(fā)生噴霧坍塌現(xiàn)象［15-18］。通常認(rèn)為噴霧坍塌是由于在噴霧發(fā)展過程中噴霧內(nèi)部形成的低壓區(qū)造成的，對(duì)于非閃沸條件下噴霧內(nèi)部低壓區(qū)的形成機(jī)理許多研究都給出了解釋。Heilmann等［19］認(rèn)為噴霧內(nèi)部的低壓區(qū)是由于高速運(yùn)動(dòng)的射流帶動(dòng)油束周圍氣體以較高的速度運(yùn)動(dòng)，而氣流高速運(yùn)動(dòng)在噴霧中心會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)。Guo等［20］將在環(huán)境壓力較高時(shí)由于高速射流與空氣相互作用產(chǎn)生的低壓區(qū)引起的噴霧坍塌定義為射流誘導(dǎo)坍塌。

對(duì)于非閃沸條件下噴霧特性的影響因素國(guó)內(nèi)外已經(jīng)展開了大量研究。李雁飛等［6］研究了背壓對(duì)噴霧特性的影響，發(fā)現(xiàn)在高背壓的工況下，噴霧油束有向噴油器軸線方向移動(dòng)的趨勢(shì)。丁海春等［7］研究表明，較高背壓會(huì)使油束間的相互作用增強(qiáng)，造成近噴嘴區(qū)域的噴霧擠壓現(xiàn)象。Dahlander等［21］研究了非閃沸條件下的油束落點(diǎn)，結(jié)果表明，較小的油束間距會(huì)使油束間產(chǎn)生相互作用，造成燃油空間分布的不均。Nishada等［17］研究了雙噴孔噴嘴的噴孔夾角對(duì)噴霧氣液相濃度分布的影響，結(jié)果表明夾角越小，噴霧中心與噴霧外側(cè)的壓差越大，油束越向噴油器軸線靠攏。Khan等［22］對(duì)噴霧進(jìn)行模擬仿真指出，噴霧內(nèi)部近噴嘴端向下的氣流與遠(yuǎn)端向上的氣流相碰撞會(huì)產(chǎn)生徑向的速度，導(dǎo)致噴霧的徑向擴(kuò)張。

可見，在非閃沸條件下，增加背壓可增加油束與環(huán)境氣體之間的相互作用，使噴霧內(nèi)外壓差進(jìn)一步增大，導(dǎo)致坍塌增強(qiáng)；但增加背壓的同時(shí)，背景氣密度同樣發(fā)生了改變。因此，對(duì)于非閃沸條件下噴霧坍塌的影響因素需進(jìn)一步解析。本文中利用3種不同的背景氣體（He、N2、CO2）來解耦背壓和背景氣密度，通過對(duì)比分析非閃沸條件下背壓和背景氣密度對(duì)噴霧特性影響的差異，進(jìn)一步確定影響非閃沸條件下噴霧坍塌的主要因素。

1 試驗(yàn)裝置與圖像處理方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1為試驗(yàn)裝置示意圖。試驗(yàn)在一定容彈內(nèi)完成，GDI多孔噴油器安裝于容彈頂部，石英視窗左右對(duì)稱布置，高速相機(jī)和LED光源分別固定在容彈左右兩側(cè)。噴油器通過帶有高壓油腔的壓臺(tái)固定，油腔周圍均勻布置加熱棒和熱電偶，通過PID控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)油溫實(shí)時(shí)的測(cè)量和控制。噴油器油壓由高壓氮?dú)怛?qū)動(dòng)的氣液增壓泵控制。背壓用高壓氣源（He、N2和CO2）和離心真空泵進(jìn)行控制，并通過O-mega高精度數(shù)字壓力表對(duì)背壓實(shí)時(shí)監(jiān)控，高壓氣源還同時(shí)用于每輪試驗(yàn)后容彈內(nèi)的清潔掃氣。試驗(yàn)所用相機(jī)為 Photron SA X2高速相機(jī)，拍攝速率為20 000 fps，圖片分辨率為 1024×1024。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

采用非對(duì)稱布置的5孔GDI噴油器，噴孔直徑為0.18 mm，長(zhǎng)徑比為0.93。10 MPa噴射壓力、0.10 MPa背壓下該噴油器的落點(diǎn)如圖2所示。

圖2 噴油器油束落點(diǎn)圖

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)工況如表1所示。噴射壓力恒定為10 MPa，背壓為 0.04～1.10 MPa，背景氣體為 He、N2和CO2，燃油選用正己烷，燃油溫度為30～90℃，噴射脈寬為3 ms。表2為環(huán)境溫度20℃時(shí)各背壓對(duì)應(yīng)的背景氣密度。

表1 試驗(yàn)條件

表2 測(cè)試條件下的背景氣密度

1.3 圖像處理

采用Matlab程序?qū)婌F原始圖像進(jìn)行處理。圖像處理過程如圖3所示。通過選擇合適的閾值對(duì)原始圖像進(jìn)行一系列處理，最終求解出合適的結(jié)果。原始圖像見圖3（a），圖3（b）為減掉背景圖并增強(qiáng)對(duì)比度后的圖像，圖3（c）為對(duì)上一過程進(jìn)行二值化處理后的圖像，圖3（d）為提取二值化后的圖像輪廓。噴霧寬度定義為位于噴嘴下方某一軸向距離處噴霧輪廓的最左端至最右端的水平距離。貫穿距定義為噴嘴至噴霧最遠(yuǎn)前鋒面之間的軸向距離。每個(gè)試驗(yàn)條件下重復(fù)10次試驗(yàn)，采用平均值來保證結(jié)果的可靠性。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 背景氣密度的影響

圖3 圖像處理過程

圖4 為在3種背景氣體條件下，背景氣密度不同時(shí)的噴霧形態(tài)。燃油溫度為30℃，所選時(shí)刻為噴霧開始后1.6 ms。從圖4中可以觀察到，在He中，背景氣密度較低時(shí)，可以觀察到單獨(dú)的油束，且各個(gè)油束沿著名義軸線方向發(fā)展。隨著背景氣密度的增加，各油束逐漸向噴油器軸線方向偏移，油束間的間隙逐漸減小，貫穿距減小。在高背景氣密度下近噴嘴區(qū)域的噴霧寬度顯著減小，表明發(fā)生了噴霧坍塌現(xiàn)象。同時(shí)，背景氣密度為0.10 kg·m-3時(shí)噴霧形態(tài)更為透明，表明噴霧中的液滴更少，液相分布更均勻。在N2和CO2中，隨著背景氣密度的升高，噴霧油束在近噴嘴區(qū)域受擠壓程度增加，貫穿距減小，在噴霧遠(yuǎn)端出現(xiàn)漩渦結(jié)構(gòu)。

對(duì)比同一背壓下的噴霧形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，噴霧形態(tài)有著較大的差異。背壓為0.06 MPa時(shí)，He中噴霧的各個(gè)油束之間的間隙較大，可以觀測(cè)到單獨(dú)的油束，N2中的噴霧可以隱約觀察到油束之間的間隙，而密度較大的CO2中油束的間隙進(jìn)一步縮小。表明隨著背景氣密度的增加，噴霧受擠壓程度增加。背壓為1.10 MPa時(shí)，在近噴嘴區(qū)域，3種背景氣體下噴霧油束間的間隙基本消失，N2和CO2中的噴霧受擠壓程度要比He中嚴(yán)重。另外，N2和CO2中的噴霧貫穿距相差不大，但要比He中小的多。

圖4 不同背景氣密度下的噴霧形態(tài)（T fuel＝30℃）

圖5 相同背景氣體下背景氣密度對(duì)噴霧寬度和貫穿距的影響（T fuel＝30℃）

圖5 為相同背景氣體環(huán)境下背景氣密度對(duì)噴霧寬度和貫穿距的影響。噴霧寬度隨軸向距離的變化情況選取時(shí)刻為噴霧開始后1.6 ms。由圖5（a）可見，背景氣體為He時(shí)，隨著背景氣密度的升高，軸向距離2 mm之前的噴霧寬度相對(duì)穩(wěn)定；而在軸向距離2 mm之后的噴霧寬度逐漸減小。由圖5（c）可見，背景氣體為N2時(shí)，隨著背景氣密度的升高，軸向距離2 mm之前的噴霧寬度相對(duì)穩(wěn)定；而軸向距離2至8 mm區(qū)域的噴霧寬度逐漸減小。同時(shí)，當(dāng)背景氣密度升高至10.36 kg·m-3繼續(xù)升高時(shí)，噴霧寬度趨于穩(wěn)定；軸向距離8 mm之后的噴霧寬度顯著增加，這是由于位于噴霧尖端外側(cè)的卷吸區(qū)域距離噴嘴較近所致。由圖5（e）可見，當(dāng)背景氣體為 CO2時(shí)，當(dāng)背景氣密度的升高至9.28 kg·m-3后繼續(xù)增加時(shí)，噴霧寬度趨于穩(wěn)定。由于卷吸位置更靠近噴嘴，噴霧寬度的顯著增加發(fā)生在軸向距離6 mm之后。3種背景氣體下，隨著背景氣密度的增加，噴霧受到的空氣阻力增大，導(dǎo)致噴霧貫距減??；同時(shí)N2和CO2中的噴霧貫穿距的減小幅度相比于He中的大，這是由于N2和CO2同等背壓下密度要大，從而噴霧發(fā)展所受到的阻力也較大。

圖6為在3種背景氣體環(huán)境下背壓相同時(shí)背景氣密度對(duì)噴霧寬度和貫穿距的影響，噴霧寬度隨軸向距離的變化情況選取時(shí)刻為噴霧開始后1.6 ms。由圖6（a）可見，背壓為0.06 MPa時(shí)，當(dāng)背景氣密度從0.10升至1.07 kg·m-3，軸向距離2 mm之后的噴霧寬度逐漸降低。由圖 6（b）可見，背壓為1.1 MPa時(shí)，當(dāng)背景氣密度從1.80升至12.67 kg·m-3，軸向距離2 mm之后的噴霧寬度逐漸降低，當(dāng)背景氣密度繼續(xù)升至21.14 kg·m-3時(shí)，噴霧寬度不再降低，基本維持穩(wěn)定。同時(shí)，在軸向距離6 mm之后，由于卷吸的影響導(dǎo)致噴霧寬度顯著增加。由圖6（c）可見，在同一背壓下，N2和CO2中的噴霧貫穿距相對(duì)增加緩慢，這是由于N2和CO2具有更大的密度，會(huì)加大對(duì)噴霧液滴的阻礙作用，導(dǎo)致液滴動(dòng)能更大的損失［10］。

2.2 燃油溫度的影響

圖7為在3種背景氣條件下，不同燃油溫度時(shí)的噴霧形態(tài)。背壓為0.3 MPa，所選時(shí)刻為噴霧開始后1.6 ms，噴霧均處于非閃沸狀態(tài)。在He中，隨著燃油溫度的上升，噴霧各個(gè)油束的寬度減小，說明噴霧中液相更多的轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，這是由于燃油溫度上升導(dǎo)致液滴蒸發(fā)的加劇，會(huì)使液滴的壽命縮短［11］。在N2和CO2中，隨著油溫的上升，噴霧末端由于卷吸作用的增強(qiáng)［12］，導(dǎo)致在遠(yuǎn)端噴霧外側(cè)漩渦尺度有略微的增加。

圖8為在3種氣體條件下，不同燃油溫度對(duì)噴霧寬度和貫穿距的影響，噴霧寬度隨軸向距離的變化情況選取時(shí)刻為噴霧開始后1.6 ms。由圖8（a）-圖8（c）可見，在同種背景氣體環(huán)境下，隨著燃油溫度的增加，噴霧寬度均沒有發(fā)生較大的改變，這說明在非閃沸條件下，多孔GDI噴霧寬度對(duì)于燃油溫度的敏感程度較低。由圖8（d）可見，隨著燃油溫度的增加，在噴霧發(fā)展初期，貫穿距有略微增加，這是由于油溫增加會(huì)降低燃油密度、粘度和表面張力等物性參數(shù)，燃油離開噴嘴后的初始速度增加所致。

2.3 討論

圖6 背壓相同時(shí)背景氣密度對(duì)噴霧寬度和貫穿距的影響（T fuel＝30℃）

圖7 不同燃油溫度下的噴霧形態(tài)（p amb＝0.3 MPa）

由2.1節(jié)結(jié)果可知，在同種背景氣體環(huán)境下，隨著背景氣密度（背壓）的增加，噴霧寬度減小，坍塌增強(qiáng)，這與之前的研究結(jié)果相一致［5，7］。同時(shí)，當(dāng)背景氣密度較高時(shí)，噴霧寬度不再隨背景氣密度的增加發(fā)生改變。當(dāng)背景氣體不同時(shí)，在同一背壓下，背景氣密度最大的CO2中的噴霧寬度最小，說明在同一背壓環(huán)境下，背景氣密度越大，坍塌越強(qiáng)烈。此時(shí)可以說明背壓相同時(shí)背景氣密度的變化對(duì)噴霧寬度有影響，但并不能說明背景氣密度相同時(shí)背壓的變化是否會(huì)對(duì)噴霧寬度產(chǎn)生影響。

為進(jìn)一步解耦背壓和背景氣密度對(duì)噴霧寬度的影響，給出了3種背景氣體環(huán)境下，不同軸向位置處噴霧寬度隨背景氣密度的變化趨勢(shì)，如圖9所示。此時(shí)燃油溫度為30℃，選取時(shí)刻為噴霧開始后1.6 ms，圖示所有工況點(diǎn)的噴霧均處于非閃沸狀態(tài)。由圖9可見，噴霧寬度與背景氣密度有較好的相關(guān)性。在軸向距離2 mm處，噴霧寬度不隨背景氣密度的增加發(fā)生變化，基本維持穩(wěn)定；在軸向距離5 mm之后，噴霧寬度隨背景氣密度的增大有一個(gè)先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折位置位于4 kg·m-3左右；當(dāng)背景氣密度較大時(shí)，在軸向距離20 mm處，噴霧寬度急劇上升，這是由此位置出現(xiàn)的噴霧卷吸作用引起的。

分析圖9可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)折位置之前，當(dāng)3種氣體的背景氣密度相近時(shí)，噴霧寬度同樣相差不大，而此時(shí)的背壓不相同，可見噴霧寬度對(duì)背壓的敏感程度較小。由此可以說明背景氣密度是影響非閃沸狀態(tài)下噴霧寬度發(fā)生變化的主要因素。

當(dāng)油束高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，油束兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，外側(cè)壓力很快與周圍氣體平衡，而內(nèi)側(cè)低壓區(qū)由于受到周圍油束的隔離限制了外側(cè)氣體向內(nèi)補(bǔ)充，形成穩(wěn)定低壓區(qū)，導(dǎo)致噴霧坍塌［20］。隨著背景氣密度的增加，單個(gè)油束寬度增加［23-25］，導(dǎo)致噴霧各個(gè)油束之間的間隙減小，進(jìn)一步阻礙噴霧外側(cè)氣體向內(nèi)補(bǔ)充，噴霧內(nèi)外壓差增大，坍塌程度增強(qiáng)。當(dāng)背景氣密度大于4 kg·m-3時(shí)，噴霧各油束之間的間隙消失，噴霧內(nèi)外的氣體交換被阻斷，噴霧內(nèi)外壓差趨于穩(wěn)定，噴霧坍塌程度趨于穩(wěn)定。

圖8 燃油溫度對(duì)噴霧寬度和貫穿距的影響（p amb＝0.3 MPa）

圖9 不同軸向位置處背景氣密度對(duì)噴霧寬度的影響（T fuel＝30℃）

3 結(jié)論

（1）非閃沸條件下，背景氣密度是影響噴霧坍塌程度的關(guān)鍵因素。

（2）隨著背景氣密度的增加，噴霧坍塌程度呈現(xiàn)先增強(qiáng)后穩(wěn)定的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于4 kg·m-3左右。

（3）當(dāng)背景氣密度低于4 kg·m-3時(shí)，增大背景氣密度，單個(gè)油束寬度的增加使得噴霧各個(gè)油束之間的間隙減小，進(jìn)一步阻礙外部氣體進(jìn)入平衡內(nèi)部低壓區(qū)，導(dǎo)致坍塌程度增強(qiáng)；當(dāng)背景氣密度高于4 kg·m-3時(shí)，噴霧內(nèi)外的氣體交換被阻斷，導(dǎo)致坍塌程度趨于穩(wěn)定。

（4）燃油溫度的改變對(duì)噴霧寬度的影響較小。