分段噴射閃沸噴霧特性實驗研究

徐青林，孫?哲，李雪松，許?敏

分段噴射閃沸噴霧特性實驗研究

徐青林，孫?哲，李雪松，許?敏

(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

分段噴射在直噴發(fā)動機中獲得了廣泛的應(yīng)用，但在閃沸工況下研究較少．該研究采用米氏散射高速攝影法獲取分段噴射閃沸噴霧宏觀形態(tài)，采用光流法估算噴霧速度，綜合分析了分段噴射閃沸噴霧的宏觀特性．研究發(fā)現(xiàn)，相較于單次噴射，在相同噴油量下分段噴射閃沸噴霧能夠有效降低噴霧總貫穿距；由于殘留流場，分段噴射的第2段噴霧運動會受到第1段噴霧的影響，貫穿更快．該影響主要與噴射間隔時間和閃沸程度相關(guān)，時間間隔越大、閃沸程度越低，影響越小．

分段噴霧；閃沸；直噴；噴霧；光流法

內(nèi)燃機因為其在能量密度、熱效率、燃料靈活度、市場占有率以及加工技術(shù)等方面具有絕對優(yōu)勢，在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)仍將作為汽車的主要動力來源[1]．近年來，缸內(nèi)直噴技術(shù)(GDI)以其優(yōu)秀的油耗、性能表現(xiàn)在市場逐漸普及．在GDI發(fā)動機中，燃油直接噴射到發(fā)動機缸內(nèi)，燃油霧化、蒸發(fā)和油氣混合時間有限[2]，因此直噴噴霧過程是GDI發(fā)動機研發(fā)中的關(guān)鍵之一．

目前，高壓噴射技術(shù)為工業(yè)界優(yōu)化直噴噴霧性能的主要技術(shù)路線．能夠滿足“國六b”排放法規(guī)的直噴壓力普遍為35MPa，頭部噴油器制造商已經(jīng)展開對50MPa及以上的高壓噴射技術(shù)的研發(fā)，最新研究成果顯示繼續(xù)提升噴射壓力仍能有效優(yōu)化霧化粒徑和改善燃燒性能[3]．另一方面，學(xué)術(shù)界提出了閃沸噴霧過程，即通過加熱燃油或者降低背壓使得燃油噴射后處于過熱非平衡狀態(tài)，隨后經(jīng)歷快速劇烈氣化回到平衡態(tài)的過程．通過大量研究，閃沸噴霧的宏微觀特性已經(jīng)被充分掌握[4-6]，并被證明在優(yōu)化霧化粒徑[7]、加強油氣混合[8]、改善燃燒質(zhì)量和減少PN排放等[9]方面具有顯著成效．然而，在優(yōu)化噴霧及燃燒過程的同時，高壓噴霧和閃沸噴霧在某些工況下都存在貫穿距長的問題，增大了噴霧撞壁的可能性，而噴霧撞壁是池火、碳煙等燃燒劣化的主要誘因．

分段噴射技術(shù)在柴油機應(yīng)用普遍[10]，在GDI直噴發(fā)動機中也逐漸成為標(biāo)配，并為解決GDI噴霧的長貫穿距的問題提供了新的思路．Desantes等[11]通過光學(xué)發(fā)動機研究了分段噴射噴霧的特性，發(fā)現(xiàn)第2段噴霧的貫穿速度比第1段噴霧快，且影響隨噴射間隔時間增加而減弱．Sun等[12]在定容彈和發(fā)動機中分別研究了分段噴射對噴霧、混合和燃燒特性的影響，發(fā)現(xiàn)在相同噴油量下，應(yīng)用分段噴射能夠在保證相同霧化質(zhì)量的同時有效減小噴霧貫穿距，避免噴霧撞壁，并降低污染物排放．此外，在噴霧閃沸工況下，Wang等[13]在定容彈中利用單孔柴油噴油器觀察了分段噴射的宏觀和微觀形態(tài)特性，研究發(fā)現(xiàn)分段噴射對于閃沸噴霧液相的影響較弱，而對噴霧氣相的影響較強，并且與普通冷態(tài)噴霧一致，噴射間隔時間對第2次噴射的影響明顯．

對于實際GDI噴油器分段噴射閃沸噴霧，相關(guān)研究數(shù)據(jù)非常有限，對其過程、特性的理解尚不充分．為了解決這些困惑，本研究采用了一款“國六b”GDI多孔噴油器，在發(fā)動機常見閃沸工況下，研究分段噴射對閃沸噴霧的特性影響，評估分段噴射閃沸噴霧的性能．

1?研究方法

1.1?試驗設(shè)備和方法

如圖1所示，噴霧試驗設(shè)備主要由環(huán)境控制系統(tǒng)和光學(xué)測試系統(tǒng)兩部分組成．氣動液壓泵為燃油供給系統(tǒng)的核心，能為噴油器提供穩(wěn)定的高壓燃油，本研究中使用的噴射壓力固定為35MPa，與目前主流直噴發(fā)動機一致．試驗采用電加熱裝置對噴嘴進(jìn)行加熱實現(xiàn)燃油加熱，燃油溫度與加熱絲溫度在試驗前進(jìn)行過標(biāo)定，試驗中通過PID控制器控制加熱絲溫度來控制燃油溫度．考慮到安全性，試驗在定容壓力容器上進(jìn)行，系統(tǒng)采用氮氣作為環(huán)境氣體，背溫為室溫，保持在25℃．高壓氣瓶為氣源，真空泵為負(fù)壓源，通過電磁閥控制進(jìn)排氣可以實現(xiàn)背壓的精確調(diào)節(jié)．該研究試驗中油溫為20℃、60℃和90℃，背壓為30kPa、60kPa和100kPa，能夠?qū)崿F(xiàn)冷態(tài)噴霧、過渡閃沸噴霧和完全閃沸噴霧．試驗使用正庚烷作為測試燃料，其密度、黏度等物性與汽油近似，常作為GDI噴霧測試代用燃料，能夠較好地反映實際汽油噴霧的行為．

圖1?試驗裝置

本試驗采用米氏散射高速攝影獲取噴霧的宏觀形態(tài)．試驗采用實際GDI發(fā)動機使用的6孔噴油器，噴油器從壓力容器頂部安裝，高強度LED光源從一側(cè)照亮噴霧，高速相機在與光源垂直的方向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．噴油器噴射策略由可編程ECU設(shè)定．同步系統(tǒng)用于產(chǎn)生到噴油器驅(qū)動、光源驅(qū)動和相機的邏輯信號．試驗中，噴射頻率為1Hz，相機采樣頻率為50kHz，即每張噴霧圖像的時間間隔為20μs．對于每個工況，測試重復(fù)20個循環(huán)．此外，環(huán)境溫度由實驗室空調(diào)系統(tǒng)控制，穩(wěn)定為25℃，在試驗進(jìn)行過程中無明顯波動．試驗條件和參數(shù)總結(jié)在表1中．

表1?試驗條件和參數(shù)

Tab.1?Test conditions and parameters

1.2?圖像處理方法

由于小間隔分段噴射會出現(xiàn)第2段噴霧與第1段噴霧重疊的情況，為了更準(zhǔn)確地提取其形態(tài)特征，圖像處理方法需要在常規(guī)噴霧圖像處理的基礎(chǔ)上稍作修改．如圖2所示，首先將原圖減去背景圖片，可以得到干凈的噴霧圖像，然后本研究中采用了OTSU雙閾值分割方法在圖像直方圖中確定兩個閾值，分別可以獲得第1段噴霧和第2段噴霧的邊界，進(jìn)而根據(jù)常規(guī)方法分別計算出各自的貫穿距．

圖2?分段噴射噴霧圖像處理

本研究同時采用了光流法估算噴霧速度，該方法經(jīng)過Cai等[14]改進(jìn)，可以很好地適用于湍流速度計算．該光流法基于Horn & Schunck(HS)稠密光流方法，能夠通過兩幀圖像計算三維速度矢量在成像平面上的投影．在幀率很高的情況下，計算得到的速度場可以認(rèn)為是瞬時速度．對于噴霧速度測量，該方法時間分辨率沒有PIV法高，無法捕捉小尺度高速流動．但是對于我們更關(guān)注的噴霧的大尺度流動，運用該方法測量更加準(zhǔn)確、可靠[15]．HS光流法基于亮度恒定假設(shè)，可得：

式中：(，)為坐標(biāo)；為對應(yīng)光強；為時間．

對式(1)進(jìn)行Taylor展開，得到光學(xué)數(shù)字約束項：

HS方法引入作為控制全局平滑項和光流約束方程權(quán)重的參數(shù)，可建立誤差指標(biāo)泛函：

利用最小變分法可以求解式(2)，經(jīng)拉普拉斯算子近似后，整理可得：

通過迭代法即可得到全局的速度場估計．具體推導(dǎo)過程參考文獻(xiàn)[15]．

2?試驗結(jié)果和分析

2.1?單次噴射和分段噴射噴霧對比

圖3展示了單次噴射噴霧和分段噴射噴霧的對比，單次噴射噴霧的邏輯脈寬為500μs，分段噴射為兩次噴射，兩段脈寬都是300μs，噴射間歇為300μs，兩種噴射策略的總噴油量一致．圖3(a)展示了在兩種噴射策略下產(chǎn)生的噴霧在不同時刻的對比，第1行為單次噴射產(chǎn)生的噴霧圖像，第2和第3行為分段噴射產(chǎn)生的噴霧圖像，分別對應(yīng)第1段噴射的噴霧和第2段噴射的噴霧．圖中時刻以對應(yīng)每段噴霧的出油時刻為0時刻．對比單次噴射噴霧和第1段分段噴射噴霧，在第1段分段噴射噴霧斷油前(300μs)，兩者幾乎一樣．結(jié)合圖3(b)所示貫穿距曲線，在300μs之前，單次噴射噴霧和第1段分段噴射噴霧的貫穿距曲線幾乎重合．在第1段分段噴射斷油后，由于缺少后續(xù)動量補充，噴霧速度衰減較快，因此在貫穿距曲線上，單次噴射噴霧貫穿距和分段噴射噴霧貫穿距出現(xiàn)分離，在噴霧圖像上，也可以看到分段噴射噴霧的貫穿距更短．?dāng)嘤秃蠹s300μs，分段噴射噴霧的第2段噴霧開始出現(xiàn)．從貫穿距曲線上看，第2段噴霧的貫穿速度比第1段噴霧略快，最大貫穿距也比第1段噴霧更大，但是仍然沒有單次噴射噴霧的貫穿距大．另外，第2段噴霧貫穿距在1000μs時與第1段噴霧貫穿距重合，說明第2段噴霧尖端在此時追上了第1段噴霧，在圖3(a)中也可以看到這個現(xiàn)象，第1段噴霧的殘留液滴逐漸被第2段噴霧追趕、覆蓋．對于分段噴射噴霧，第2段貫穿速度比第1段更快的原因是顯而易見的，第1段噴霧在貫穿過程中造成了環(huán)境氣體的協(xié)流，因此在第2段噴霧貫穿過程中，受到的阻力就要比第1段噴霧更小，因此第2段噴霧運動地更快、更遠(yuǎn)．該研究還通過使用光流法估算了第2段噴霧噴射前的環(huán)境流場情況，如圖3(c)所示，第1段噴霧運動過后，環(huán)境中仍然殘留一定量的速度場，驗證了前面的猜想．

通過該觀察可以發(fā)現(xiàn)，在相同的噴油量下，閃沸噴霧分段噴射具有降低總貫穿距的作用，可以有效降低噴霧撞壁的可能性．因為分段噴射使得每段噴射的脈寬較短，其噴霧貫穿距也相應(yīng)變短，使得液相噴霧能夠到達(dá)的最遠(yuǎn)距離下降，進(jìn)一步降低碰壁概率．此外，由于殘留流場，第2段分段噴射噴霧會受到第1段分段噴射噴霧的影響，貫穿更快．

圖3?單次噴射噴霧與分段噴射噴霧對比

2.2?第1段噴射脈寬對第2段噴霧的影響

圖4比較了在分段噴射策略下不同的第1段噴射脈寬對第2段噴射噴霧的影響．噴射間隔都固定為300μs，第2段噴射脈寬均為300μs，第1段噴射脈寬分別是300μs、500μs和1000μs．圖4(a)展示的是它們第2段噴霧的貫穿距曲線對比，以第2段噴霧的出油時刻為0時刻，3個噴射脈寬下的貫穿距曲線幾乎重合在一起，說明第1段噴射脈寬對第2段噴霧的影響有限．考察3種情況下第2段噴霧噴射前的環(huán)境流場，如圖4(b)所示，顯然噴射脈寬更長對環(huán)境流場的影響范圍就越大．考察不同軸向位置的流場速度情況，在噴嘴遠(yuǎn)場，脈寬越大速度越大，但是，當(dāng)軸向位置越靠近噴嘴，3種情況下的流場速度越為接近．這說明了噴嘴近場的殘余速度對第2段噴霧的運動發(fā)揮主要影響作用，而遠(yuǎn)場的速度場影響有限.

圖4?不同第1段噴射脈寬比較

2.3?噴射間歇時間對第2段噴霧的影響

圖5比較了在分段噴射策略下不同噴射間隔對第2段噴霧運動的影響．第1段噴射脈寬都為1000μs，第2段噴射脈寬都為300μs，噴射間隔時間分別為300μs、600μs和1500μs．圖5(a)比較了對應(yīng)噴霧的貫穿距曲線，同時加入了脈寬為300μs的單次噴射噴霧的貫穿距曲線一起進(jìn)行比較．容易發(fā)現(xiàn)，隨著噴射間隔脈寬的增加，噴霧貫穿距速度更慢，距離也更短．其原因在于間隔時間越長，殘留流場的速度耗散也就越多，第2段噴霧噴出時環(huán)境阻力也就越大．這可以在圖5(b)展示的速度場中得到驗證．第2段噴霧出油時，當(dāng)噴射間隔時間為300μs時，流場仍然存在很大的速度殘留；當(dāng)噴射間隔時間為600μs時，流場速度殘留顯著降低；當(dāng)噴射間隔時間為1500μs時，流場幾乎沒有速度殘留．在圖5(a)所示的貫穿距對比中，單次噴射噴霧和噴射間隔為1500μs的第2段噴霧貫穿距曲線幾乎重合，說明了這個時間間隔足夠使得流場速度耗散完成，第1段噴霧對第2段噴霧幾乎沒有影響．

圖5?不同噴射間隔時間比較

2.4?不同閃沸程度分段噴射噴霧對比

圖6展示了不同閃沸程度下分段噴射噴霧的對比．它們的第1段脈寬、第2段脈寬和噴射間隔都為300μs．通過貫穿距曲線可以看出，冷態(tài)工況時，第1段噴霧和第2段噴霧的貫穿距幾乎完全重合，說明第1段噴霧對第2段噴霧影響不大．而在過渡閃沸和閃沸工況時，第2段噴霧明顯比第1段噴霧運動速度更快也貫穿得更遠(yuǎn)，其中完全閃沸的第1段和第2段噴霧的差別更為明顯．這說明了閃沸程度越高，第1段噴霧對第2段噴霧的影響也就越大．

從流場圖上可以看出導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因．對于冷態(tài)噴霧，第2段噴射開始時，第1段噴霧的殘留流場速度很小，幾乎快要消失．而在過渡閃沸工況時，流場流動強度顯著增強，第2段噴射貫穿過程受到阻力將會減小，能夠貫穿得更快更遠(yuǎn)．對于完全閃沸工況，第1段噴射殘留流場強度更大，噴霧貫穿距也就越大．這是因為閃沸能夠加強霧化和空氣混合，因此帶動了更大環(huán)境氣體流場．

圖6?不同閃沸程度比較

3?結(jié)?論

該研究通過高速攝影，結(jié)合光流法速度場估算，研究了分段噴射閃沸噴霧的宏觀特性，得出結(jié)論??如下：

(1)在相同的噴油量下，分段噴射閃沸噴霧的貫穿距比單次噴射噴霧更小，可以有效降低由于高壓噴射和閃沸坍塌造成的噴霧撞壁風(fēng)險．

(2)閃沸噴霧分段噴射的后段噴霧較前段噴霧貫穿更快，這是由于前段噴霧運動后存在殘留的流場，導(dǎo)致后段噴霧在運動過程中受到的阻力更小，速度衰減更慢．

(3)分段噴射的前段噴霧脈寬對后段噴霧的運動影響不大，后段噴霧的運動主要與噴射間隔時間相關(guān)，時間間隔越大，前段噴霧的殘余流場耗散越多，對后段噴霧的影響越小，后段噴霧速度衰減越快；閃沸程度越高，前段噴霧殘余流場越強，對后段噴霧影響越大．

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Characteristics of Flash-Boiling Spray with Split Injection

Xu Qinglin，Sun Zhe，Li Xuesong，Xu Min

(School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

Split injection has been widely used in direct injection engines，but the studies related to flash-boiling conditions are very limited. Through capturing the Mie scattering high-speed images of flash-boiling spray with split injection and estimating the spray velocity by the optical flow algorithm，this study comprehensively analyzed the macroscopic characteristics of flash-boiling spray with split injection. It was found that，compared to the single injection，the split injection under flash-boiling regime can effectively reduce the total spray tip penetration. Due to the residual flow field，the spray from the second injection was affected by the first injection，with faster penetration. The impact was mainly related to injection interval time and flash-boiling intensity，and a larger time interval and a lower flash-boiling intensity usually led to smaller impact.

split injection；flash boiling；direct injection；spray；optical flow

TK11

A

1006-8740(2021)03-0249-06

10.11715/rskxjs.R202103030

2021-02-25．

國家自然科學(xué)基金資助項目(52006140).

徐青林（1991—??），男，博士研究生，andyxuql@sjtu.edu.cn.

許?敏，男，博士，教授，mxu@sjtu.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)