高溫燃油噴霧靜態(tài)質(zhì)量流量的實(shí)驗(yàn)

劉雙寨，徐宏昌，潘浩星

（上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引言

火花點(diǎn)燃直接噴射技術(shù)（SIDI）已成為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的主流技術(shù)，因?yàn)樗陌l(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)更快，并且燃油效率比進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)更高。這些優(yōu)點(diǎn)很大程度上依賴于高壓噴射，高壓噴射可以精確控制噴油量，并實(shí)現(xiàn)理想的霧化［1-2］。但是，這些優(yōu)點(diǎn)是有限的，因?yàn)楫?dāng)噴射壓力很高時(shí)，進(jìn)一步增加噴射壓力便不再有益。此外，高壓噴射還存在一些缺點(diǎn)，由于其噴霧貫穿距較長(zhǎng)，液體燃油噴霧對(duì)氣缸壁或活塞頂部的撞擊更為明顯。這會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑稀釋和燃油粘附，后者會(huì)導(dǎo)致池火，使未燃碳?xì)浠衔锖吞紵熍欧派仙?。因此，需要替代技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題。有鑒于此，Xu等［3］對(duì)多孔直噴噴油器產(chǎn)生的閃沸噴霧進(jìn)行了表征，并證明了相比高壓噴射，閃急沸騰為SIDI燃燒系統(tǒng)提供了一種更易于實(shí)現(xiàn)和更好的方法來(lái)生成理想噴霧。因此，閃沸噴霧已受到人們的關(guān)注。

學(xué)者們已經(jīng)開展了大量工作來(lái)研究閃沸噴霧的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬均表明，單孔噴油器閃沸噴霧具有更寬的噴霧錐角、更短的噴霧貫穿距和更小的液滴索特平均直徑（SMD）［4-5］。在多孔噴油器上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，閃沸噴霧會(huì)發(fā)生坍塌，即多束噴霧射流坍塌成單束［6］。其他關(guān)于閃沸噴霧的研究包括使用平面雙相激光誘導(dǎo)熒光（LIEF）進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)量［7］；使用高速粒子圖像測(cè)速法（PIV）測(cè)量二維噴霧流場(chǎng)［8］；使用LIEF研究閃沸噴霧的蒸汽濃度和液相分布［9］；使用無(wú)量綱分析方法系統(tǒng)分析燃油類型、燃油性能、燃油壓力、燃油溫度和環(huán)境壓力對(duì)噴霧宏觀特性的影響［10-11］，然而，根據(jù)文獻(xiàn)［12-13］中的觀察，由于噴嘴內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氣泡，噴嘴內(nèi)部液體流通截面積減小，預(yù)計(jì)這會(huì)影響噴射流量，但尚未有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。燃油噴射量是影響直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的重要參數(shù)［14-15］，因此有必要研究閃沸噴霧的噴射流量。

在大范圍的過(guò)熱工況下，本文研究了燃油溫度、環(huán)境壓力和過(guò)熱度對(duì)噴射流量的影響。用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)流量進(jìn)行了測(cè)量和推導(dǎo)。結(jié)合先前對(duì)閃沸噴霧和光學(xué)噴嘴內(nèi)部過(guò)熱流動(dòng)的研究，綜合分析了噴射流量的變化規(guī)律。在非過(guò)熱工況下，流量保持不變。在過(guò)熱工況下，流量和當(dāng)量流通截面積隨過(guò)熱度和溫度的升高而降低。

1 實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試工況

圖1 給出測(cè)量噴射流量的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)在定容彈中進(jìn)行，壓縮氮?dú)夂驼婵毡每刂骗h(huán)境壓力在20～100 kPa之間（絕對(duì)壓力），噴油器周圍的熱交換器將燃油溫度控制在20～60 ℃之間。水浴是熱交換器的熱源。利用填充有壓縮氮?dú)獾男顗浩骺刂迫加蛧娚鋲毫? MPa。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

研究中測(cè)試的噴油器是一個(gè)帶有閥蓋噴孔（VCO）階梯型噴嘴的八孔電磁閥噴油器，每個(gè)孔的直徑D ＝0.15 mm，長(zhǎng)徑比L／D ＝2。如圖2 所示，噴油器的公稱角度為60°，燃油為正戊烷。過(guò)熱度（即環(huán)境壓力與燃油飽和蒸氣壓的比值pa／ps））取決于燃油溫度和環(huán)境壓力，pa／ps值越低意味著過(guò)熱度越高。

圖2 八孔VCO階梯型噴嘴的橫截面示意圖

當(dāng)前大多數(shù)平均噴射流量的測(cè)量是在燃油從噴嘴排出后進(jìn)行，通過(guò)收集和稱重噴射的燃油來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是，使用這種方法測(cè)量閃沸噴霧流量并不可靠，因?yàn)椴糠秩加蜁?huì)迅速蒸發(fā)從而無(wú)法收集。因此，在燃油供應(yīng)管線中安裝了科里奧利流量密度計(jì)，以測(cè)量靜態(tài)質(zhì)量流量，它記錄了跨越數(shù)百個(gè)脈沖的總?cè)加土?。此外，科里奧利流量密度計(jì)還用于測(cè)量不同溫度下的燃油密度。

圖3 給出了每個(gè)脈沖的質(zhì)量流量與噴射脈寬／噴射持續(xù)期之間的關(guān)系。從圖3 可以看出，每個(gè)脈沖的平均動(dòng)態(tài)流量（mg／pulse）隨著噴射脈寬的增加而線性增加，斜率便是靜態(tài)質(zhì)量流量（g／s）。

圖3 每個(gè)脈沖的平均質(zhì)量流量與噴射持續(xù)期的關(guān)系

基于伯努利方程，液態(tài)燃油的初始射流速度，

式中：u為液態(tài)燃油的初始噴射速度；Δp 為燃油與環(huán)境空氣之間的壓力差；ρl為液態(tài)燃油的密度；CD為噴嘴的排放系數(shù)。因此，質(zhì)量流量，

Asihmin提出了如下的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算CD，即

在L／D ＝2～5 且Re ＝100～150 000 范圍內(nèi)，預(yù)期精度為1.5%。預(yù)計(jì)過(guò)熱度越高，即pa／ps值越低的燃油汽化速度越快，閃沸效果越強(qiáng)。如表1 所示，通過(guò)在20～60 ℃之間調(diào)節(jié)燃油溫度，在20～100 kPa 之間調(diào)節(jié)環(huán)境壓力，本文研究了pa／ps在0.09～1.75 之間的噴射流量。

2 結(jié)果及討論

當(dāng)燃油溫度從20 ℃升高到60 ℃，正戊烷的黏度和密度分別降低約28.3%和6.4%。相應(yīng)地，Re在27 209～35 845之間變化，這意味著慣性力遠(yuǎn)大于黏性力。因此，黏度的影響可忽略不計(jì)。另外，根據(jù)式（3），CD在該雷諾數(shù)覆蓋的范圍內(nèi)幾乎不變。圖4 展示了環(huán)境壓力對(duì)燃油質(zhì)量流量的影響。當(dāng)環(huán)境壓力從100 kPa降低到20 kPa，20～60 ℃間相同的燃油溫度下，質(zhì)量流量降低不到5%。圖5 顯示了燃油溫度對(duì)燃油質(zhì)量流量的影響。當(dāng)燃油溫度從20 ℃升高到60℃，在20～100 kPa間相同的環(huán)境壓力下，質(zhì)量流量降低不到12%。

表1 不同燃油溫度和環(huán)境壓力下的燃油過(guò)熱度（pa／ps）

圖4 正戊烷的黏度和密度與溫度的關(guān)系

圖5 環(huán)境壓力對(duì)燃油質(zhì)量流量的影響

這些影響與式（2）一致。當(dāng)環(huán)境壓力從100 kPa降低到20 kPa，壓差增加了80 kPa（從5 MPa 到5.08 MPa），這導(dǎo)致燃油質(zhì)量流量增加了0.5%。同時(shí)，降低環(huán)境壓力會(huì)增強(qiáng)噴霧的閃沸，從而降低燃油質(zhì)量流量。當(dāng)燃油溫度從20 ℃升高到60 ℃，燃油密度最多降低6.4%，這導(dǎo)致燃油質(zhì)量流量降低了約3.25%。同時(shí)，升高燃油溫度會(huì)增強(qiáng)噴霧的閃沸，從而進(jìn)一步降低燃油質(zhì)量流量（見圖6）。

圖6 燃油溫度對(duì)燃油質(zhì)量流量的影響

圖7 展示了每個(gè)脈沖（噴油脈寬2 ms）的平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量與過(guò)熱度的關(guān)系。這些數(shù)據(jù)涵蓋了20～60 ℃的燃油溫度和20～100 kPa 的環(huán)境壓力，對(duì)應(yīng)于0.09～1.75 的pa／ps。從圖5 中可以看出，平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量與pa／ps的關(guān)系相似。特別地，在相同溫度下，平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量在液態(tài)下（pa／ps＞1）幾乎保持恒定。當(dāng)pa／ps從1.0降至0.3 時(shí)，平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量均降低了約10%。pa／ps＜0.3 時(shí)，平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量?jī)H有微小變化。此外，燃油溫度升高導(dǎo)致燃油密度降低，從而平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量降低，這與式（2）一致。值得注意的是，溫度，環(huán)境壓力和過(guò)熱度對(duì)質(zhì)量流量的影響涉及它們對(duì)密度和壓差的影響。為了排除密度和壓差的影響，引入了歸一化當(dāng)量流通截面積（Ae／A0），其中A0是液相當(dāng)量流通截面積。

圖7 質(zhì)量流量與過(guò)熱度的關(guān)系

圖8 給出了歸一化當(dāng)量流通截面積與pa／ps的關(guān)系。可以看出，在液相（pa／ps＞1）中，歸一化當(dāng)量流通截面積保持在約1.0。當(dāng)pa／ps從1.0 降低到0.3 時(shí)，歸一化當(dāng)量流通截面積迅速減小了8%。當(dāng)pa／ps低于0.3 時(shí)，歸一化當(dāng)量流通截面積僅隨pa／ps的減小而略有減小。圖8 還顯示，在相同的pa／ps下，溫度越高，歸一化當(dāng)量流通截面積越小。Wu等［14］的工作解釋了這一現(xiàn)象，如圖9 所示。該圖展示了在不同燃油溫度和過(guò)熱度下，二維透明噴嘴內(nèi)近出口處過(guò)熱流動(dòng)的圖像。蒸汽氣泡沿噴嘴壁生成并向中心發(fā)展。氣泡的大小表征噴嘴內(nèi)部的蒸發(fā)強(qiáng)度。一方面，蒸發(fā)隨著pa／ps的降低而增強(qiáng)；另一方面，在pa／ps值相似時(shí)，燃油溫度越高，噴嘴內(nèi)蒸發(fā)強(qiáng)度越大。由于噴嘴內(nèi)氣泡的積聚，當(dāng)量流通截面積減小。因此，即使在相同的pa／ps下，燃油溫度越高，歸一化當(dāng)量流通截面積越小。這些數(shù)據(jù)表明，過(guò)熱燃油的閃急沸騰會(huì)影響噴射質(zhì)量流量。具體地說(shuō)，由于當(dāng)量流通截面積的減小，具有較低pa／ps的更強(qiáng)烈的閃急沸騰噴霧將降低噴射質(zhì)量流量。另外，在恒定的環(huán)境壓力（pa）下，較高的燃油溫度（較高的ps）也會(huì)降低燃油密度，從而降低噴射質(zhì)量流量。

圖8 歸一化當(dāng)量流通截面積與pa／ps 的關(guān)系

3 結(jié)論

本文研究了燃油溫度、環(huán)境壓力和過(guò)熱度對(duì)噴射質(zhì)量流量的影響，證明了閃沸對(duì)燃油質(zhì)量流量的影響非常有限，并且可以通過(guò)普通ECU 進(jìn)行補(bǔ)償。因此，在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中使用閃沸噴霧時(shí)，不必?fù)?dān)心燃油流量變化。此外，過(guò)熱度與當(dāng)量流通截面積的定量關(guān)系可以為噴油器設(shè)計(jì)提供參考。

（1）在20～60 ℃的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境壓力從100 kPa降低到20 kPa，由于當(dāng)量流通截面積減小和壓差增大的矛盾作用，質(zhì)量流量降低不到5%。

（2）在20～100 kPa 的壓力范圍內(nèi)，當(dāng)燃油溫度從20 ℃升高到60 ℃，由于當(dāng)量流通截面積減小和燃油密度降低的互補(bǔ)作用，質(zhì)量流量降低不到12%。

（3）通過(guò)降低環(huán)境壓力和提高燃油溫度實(shí)現(xiàn)不同的pa／ps，在這一pa／ps范圍內(nèi)，質(zhì)量流量減少了不到12%，當(dāng)量流通截面積減少了不到8.8%。