壓電晶體外開式汽油噴油器噴霧形態研究

宋東先　李文彬　耿　　路　姜興洪　賴海鵬　高定偉（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術研究中心）

壓電晶體外開式汽油噴油器噴霧形態研究

宋東先1，2李文彬1，2耿路1，2姜興洪1，2賴海鵬1，2高定偉1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

摘要：采用激光陰影的方法，在噴霧定容彈試驗臺上研究了不同邊界條件對壓電晶體外開式汽油噴油器的噴霧形態的影響，壓電晶體外開式汽油噴油器的應用主要是針對噴霧引導分層燃燒，試驗邊界條件依據分層燃燒的實際缸內條件設定。研究結果表明壓電晶體噴油器噴霧形態呈現明顯的油線結構，隨著噴霧的發展，清晰的油線邊界逐漸模糊。噴油壓力和環境背壓的增加都會使貫穿距曲線中噴霧破碎霧化的拐點提前，有利于燃油的霧化。高環境背壓使噴霧形態中產生明顯的渦流回旋區，將破碎的小粒徑燃油輸送到噴霧的上方，使火花塞附近形成易于點燃的混合氣。環境溫度的升高會導致渦流回旋區在0.4ms時發生坍塌，不利于分層燃燒的實現，因此利用壓電晶體噴油器實現噴霧引導分層燃燒時，晚噴的噴油脈寬不宜過長。燃料溫度的升高對于前期噴霧形態影響不大，0.6ms之后，高溫燃料的噴霧發生明顯坍塌，貫穿距和噴霧錐角明顯減少。

關鍵詞：壓電晶體外開式噴油器汽油噴霧貫穿距噴霧錐角陰影法

引言

噴霧引導分層稀薄燃燒是降低汽油機油耗的有效技術之一[1-2]，該技術利用噴油器的噴霧特性在壓縮末期制備分層混合氣，實現分層燃燒，因此噴油器的噴霧特性是該技術的核心，目前量產的噴霧引導分層燃燒系統的汽油直噴發動機（寶馬N53[3]，奔馳M274[4]等），均采用了壓電晶體外開軸針式噴油器。

與多孔汽油直噴噴油器相比，壓電晶體外開式噴油器噴霧呈現較低的貫穿距，較大的噴霧錐角和更小的索特平均直徑[5]。另外，精準的軸針升程使壓電噴油器具有很高的動態范圍，即使很小的油量也可以準確控制，在分層工況下，可以采用小油量多次噴射的方式改善霧化，在火花塞附近形成易于點燃的混合氣。研究結果表明[6]，外開軸針式噴油器在不同的噴射壓力和背壓下，噴霧錐角變化很小。噴霧錐角對于火花塞與噴油器的位置關系非常重要，穩定的噴霧錐角在提高點火穩定性的同時，也可以減少火花塞直接接觸液態燃油的風險，延長火花塞的使用壽命。大連理工大學董全等人[7-8]采用可視化測量技術，對壓電晶體外開式噴油器的噴霧錐角、噴霧貫穿距、噴霧速度特性和粒徑特性等諸多方面進行了全面的研究，研究結果表明外開軸針式噴油器的圓錐狀噴霧實際上由許多細小的油線組成，油線結構及噴霧外表面出現的大渦流都對噴霧特性有明顯影響。

本文在噴霧定容彈裝置中采用激光陰影可視化技術，研究了壓電晶體外開式噴油器在不同邊界條件下的噴霧形態，邊界條件主要根據分層稀薄燃燒發動機實際缸內環境設定，包括噴射壓力，環境背壓，環境溫度以及燃料溫度，用于指導基于壓電晶體噴油器的分層稀薄燃燒的燃燒系統設計。

圖1　定容彈測試系統圖

1　試驗設備與方法

1.1定容彈測試系統

圖1為定容彈測試系統概圖，系統主要包括高溫高壓定容容器，環境背壓溫度控制系統，供油系統，燃油溫度控制系統和光學測量系統。

高溫高壓定容容器頂部用于安裝噴油器，側面安裝有四塊石英玻璃窗口，為光學測試提供光學通道。定容容器的壓力由高壓氮氣系統和真空泵控制，可以提供0.01~6MPa的環境背壓，并可以通過控制容器內部的電熱絲控制容器的環境溫度。

高壓氮氣瓶與液壓的活塞式蓄壓器連接，為供油系統提供噴射壓力，最大燃油噴射壓力可達20 MPa。噴油器通過法國EFS壓電噴油器驅動單元進行驅動。恒溫水箱用來控制噴油器水套溫度，保證各測試工況下具有相同的燃油溫度。光學測試系統采用德國LaVision的SprayMaster測試系統。Nd：YAG脈沖式激光器作為光源產生532 nm波長的激光，激光器前端裝有漫射勻光器，可以將圓形激光光斑擴展成為均勻的圓柱形光束，由于激光脈沖時間非常短，可以有效“凍結”噴霧動作，在光源對面采用CCD相機可以得到清晰的噴霧陰影圖片。

1.2試驗方法

試驗中利用時序控制器控制噴霧時刻與拍攝時刻，從噴霧始點開始，每隔0.1ms設定一個噴霧時刻，由于CCD相機頻率較低（每秒2幀圖片），每個噴霧過程值只拍攝一個噴霧時刻的噴霧圖片。CCD相機的曝光時間為40μs，圖像分辨率為1376 x 1040，調節鏡頭距窗口距離使其能夠拍到整個窗口圖像，試驗中鏡頭焦距為85mm，光圈值為1.8。

為了減少每次噴油的偶然誤差，每個噴霧時刻下拍攝10張噴霧圖片，分別進行去背景處理，之后進行集總平均處理，得到該時刻的最終噴霧圖片。試驗中采用正庚烷（99.7%）作為汽油的替代燃料進行試驗，燃料特性見表1。

表1　汽油和正庚烷的燃料特性

2　試驗結果與分析

2．1噴霧貫穿距和噴霧錐角的定義

噴霧貫穿距和噴霧錐角是分析噴霧特性常用的兩個參數，根據SAE-J2715標準對于噴霧錐角的定義，在處理數據時應用距離噴嘴下方5mm及15mm處兩條直線與噴霧圖像交點來定義為A，B，C，D四點，如圖2所示。定義AC與BD直線所成夾角為噴霧錐角。以噴霧始點為原點，以半徑為r畫圓，能夠剛好把所有液態噴霧都涵蓋的圓周半徑R定義為貫穿距，即噴嘴到最遠噴霧末端的距離R為貫穿距。文中對噴霧測量壓力邊界條件的表示采用噴射壓力/環境背壓的方式，例如20MPa/0.1MPa表示噴射壓力為20MPa，環境背壓為0.1MPa。

圖2　噴霧貫穿距和噴霧錐角的定義

2．2壓電晶體外開式噴油器噴霧形態

圖3是壓電晶體噴油器在4MPa和10MPa噴射壓力以及0.1 MPa噴射背壓下8個噴油時刻TASOI（Time After Startof Injection）的噴霧形態圖片。

壓電晶體外開式噴油器噴霧形態以噴嘴為頂點呈錐形，圖中可以明顯看到壓電晶體噴油器噴霧呈現一條一條的線狀分布，稱為“油線”。Nouri等[9-10]認為，油線結構是由于出口附近上下表面的氣泡造成的，這些氣泡在軸針向下打開時從外部進入噴口內部并且附著在出口的附近。以噴射壓力為4MPa為例，在噴霧發生發展過程中油線結構明顯，且油線數量穩定。在0.2ms時可以看到在噴霧末端每束油線存在明顯間隙，0.3ms時，末端燃油的油線間隙逐漸被破碎的液滴填滿。在0.5ms時，噴霧形態明顯呈現兩部分（圖中虛線），在虛線以上的部分，可以看到明顯的油線結構，油線之間間隔清晰。而在虛線以下位置，燃油逐漸破碎，油線明顯變粗，且界限模糊。當噴霧發展到0.8ms時，從放大的噴霧形態圖中（圖4）看到，噴霧射流脫離噴嘴油線區后，射流速度減慢，噴霧射流與空氣間的相對運動產生的表面張力使液滴產生破碎，由于4MPa壓力下射流速度較低，初始破碎的油滴粒徑較大，在噴霧形態的中部可以觀察到明顯液體顆粒。

當噴射壓力從4MPa增加到10MPa后，燃油噴霧射流速度增加，使噴射燃油與周圍空氣的相互作用增強，在0.3ms時可以看到在錐狀噴霧外表面形成了明顯的氣體渦流，但是整個噴霧形態下的油線結構非常清晰。0.5ms時，噴霧貫穿距顯著增加，在噴霧中部存在渦流回旋結構，渦流結構所在的位置正是油線清晰與模糊的分界線。當噴霧發展到0.8 ms時，由于噴射壓力的增加，射流速度增加，降低了噴霧破碎的顆粒粒徑，噴霧中不存在類似圖4中的明顯的大粒徑液體顆粒。

圖3　噴射壓力為4MPa和10MPa的噴霧形態圖

圖4　噴射壓力4　MPa，TASOI=0.8ms噴霧形態放大圖

2．3噴射壓力對噴霧特性的影響

圖5是不同噴射壓力下噴霧貫穿距的變化趨勢。可以看出噴射壓力對噴霧貫穿距影響明顯。拍攝窗口內貫穿距的最大值約為55mm。當噴射壓力為20MPa時，如圖7a）所示，噴霧射流的初始速度高，液態噴霧快速發展，在0.5ms時噴霧就幾乎布滿整個拍攝窗口。因此圖5中的貫穿距大于55mm的視為無效點，不在圖中顯示。

圖5　不同噴射壓力下貫穿距隨噴油時刻變化規律

噴霧貫穿距的曲線可以看做是由兩條斜率不同的直線組成[11]，曲線的拐點可以看作是出現明顯破碎霧化的時間點，環境背壓為0.1MPa時，噴射壓力為20MPa，該拐點時刻是0.4ms，隨著噴射壓力的降低，拐點位置逐漸推遲。當噴射壓力為6MPa時，拐點位置已推遲至0.7ms，因此噴射壓力的增加有利于燃油的霧化。當環境背壓提升到0.7MPa后，噴霧貫穿距明顯縮短，噴射壓力為20MPa時，貫穿距曲線的拐點位置為0.2ms，而噴射壓力為10MPa時，拐點位置為0.3ms，與環境背壓為0.1MPa的工況相比，拐點位置明顯提前，說明高噴射壓力和高的環境背壓都有利于噴霧霧化。

圖6是噴霧錐角隨噴射時刻的變化規律，各種噴射壓力和環境背壓下的噴霧錐角在0.3ms之前相差不大，從圖7的噴霧圖像中也可以看出，雖然貫穿距差別明顯，但是噴霧發生發展的過程噴霧錐角非常穩定。在0.4ms時，20MPa/0.1MPa工況下的噴霧圖像中部出現了明顯的渦流回旋結構，隨著時間的推移，這種渦流結構越來越明顯，根據本文中噴霧錐角的定義，這種渦流結構會造成噴霧錐角的增加，這也是在0.4ms后噴霧錐角相差較大的主要原因。環境背壓為0.7MPa時，0.4ms之后的噴霧錐角的明顯增加也是因為渦流結構半徑的增大。這種氣體渦流是高速射流與容彈內環境氣體相互作用的結果，高噴射壓力下或者高環境背壓下，射流速度的增加或者環境密度的增加，促進了油氣混合，使得噴霧與周圍氣體之間的動量交換速度加快，這樣就在距離噴嘴不遠處產生了不同程度的氣體渦流結構[11]。董全等[8]認為，空氣作用于噴霧表面并進入噴霧內部，會形成旋轉方向相反的兩個渦流，而目前采用陰影法拍攝到的渦流區域，是由噴霧外側的渦流形成的油氣再流通區域。

圖6　不同噴射壓力下噴霧錐角隨噴油時刻變化規律

2．4環境背壓對噴霧特性的影響

由于采用壓電晶體噴油器晚噴實現分層稀薄燃燒工況時缸內壓力的范圍約為0.7MPa~1.3MPa。因此20MPa的噴射壓力下，選取環境溫度為25℃，環境背壓為0.1MPa，0.7MPa，1.3MPa研究環境背壓對壓電晶體噴霧特性的影響。

如圖8所示，在0.1MPa的環境背壓下的噴霧貫穿距明顯高于0.7MPa和1.3MPa的高背壓工況，環境背壓的增加縮短了噴霧貫穿距，環境背壓從0.7 MPa升高到1.3MPa時，貫穿距變化不明顯。圖7b）中，噴霧從0.2ms在噴霧四周就產生了明顯的渦流結構隨著噴霧過程的發展，渦流結構愈發明顯。對于分層稀薄燃燒技術而言，壓縮末期的噴霧通過渦流結構將燃油輸送到噴霧的中上游，該部分燃油霧化后在渦流區邊緣形成易于點燃的空燃比氛圍，而火花塞通常會處于渦流區的邊緣。

圖7　不同邊界條件下的液態噴霧圖像

圖8　不同環境背壓下噴霧貫穿距隨噴油時刻變化規律

如圖9所示，將產生渦流回旋結構的上邊緣的直線定義為L1，將噴霧出口所在的水平直線定義為L2，L1和L2之間的距離d定義為渦流距離，將環境背壓值作為d的下標來體現不同環境背壓下的渦流距離。d值的大小反映了渦流回旋結構的縱向距離。圖10是不同背壓下的d值的變化規律，可以看到d0.1的值遠大于d0.7和d1.3，說明低環境背壓下，渦流形成的區域在噴霧中部，渦流無法將速度較小的小粒徑噴霧輸送到噴霧上方。而在高背壓情況下，d0.7和d1.3差距不大，說明在壓縮末期缸內不同的壓力條件下，壓電晶體噴霧產生的渦流區的縱向位置是比較穩定的。而1.3MPa的環境背壓下，環境空氣的阻力較大，大量破碎液體顆粒在大的摩擦阻力下卷曲回旋至噴霧上部，使得d1.3值略小于d0.7。

2．5環境溫度對噴霧特性的影響

在噴射壓力為20MPa，環境背壓0.1MPa，燃料溫度25℃工況下，將環境溫度設定為25℃和250℃，研究環境溫度對噴霧特性的影響。邊界條件模擬實際分層燃燒的高背壓高背溫環境，圖11是不同環境溫度下貫穿距隨噴射時間的變化趨勢，高環境溫度下的貫穿距略小于低環境溫度，隨著噴油時刻的逐漸加長，貫穿距的差距逐漸增大。因此噴霧過程前期，環境溫度對壓電晶體噴油器的貫穿距影響不大，隨著噴油時刻的增加，溫度對燃油的蒸發作用逐漸凸顯，高環境溫度下的貫穿距明顯縮短。

圖9　渦流距離定義示意圖

圖10　渦流距離隨噴油時刻變化規律

圖12是噴霧錐角的變化規律，在T=0~0.3ms時，兩種環境溫度下的噴霧錐角基本相同，從T=0.4 ms開始，高環境溫度下的噴霧錐角迅速減少，從噴霧圖像中（圖7d））可以看出，T=0.4ms時，原來產生的渦流結構已經消失。環境溫度的升高加快了噴霧霧化的速度，因此渦流回旋區的液態噴霧迅速霧化導致渦流區消失。隨著噴霧的進一步發展，高環境溫度的噴霧結構呈現坍塌的形態特征，雖然貫穿距和低環境溫度下基本相同，但是噴霧的橫向范圍有很大不同。這說明在利用壓電晶體噴油器實現噴霧引導分層燃燒時，晚噴的噴油時刻不宜過長，過長的噴油脈寬會導致噴霧的渦流回旋區消失，無法保證燃油及時輸送到既定位置，而采用短脈寬的多次噴射，可以保證每次噴射都形成穩定的渦流回旋區，從而提高分層燃燒的穩定性。

2．6燃油溫度對噴霧特性的影響

發動機實際工作時，燃油經過高壓油泵，溫度會有所升高，同時受到發動機其他部件的加熱作用，實際噴入缸內的燃油溫度并不是常溫。在環境背壓1.3 MPa，環境溫度250℃，噴射壓力20MPa工況下，燃油溫度設定為25℃和80℃來研究燃料溫度對噴霧特性的影響。

圖13中，不同燃料溫度的噴霧在T=0~0.5ms范圍內貫穿距基本相同，從噴霧圖像（圖7e））中也可以看出，在這段時間內兩種噴霧形態基本相同，但燃料溫度較高的噴霧末端透明度更高，說明更多的燃油發生了蒸發霧化。從0.6ms開始，高燃料溫度的液態噴霧貫穿距明顯縮短，可見燃料溫度的升高對于燃料的霧化有積極的作用。從圖14中的噴霧形態在該階段發生了更為明顯坍塌。

因此在噴霧引導分層燃燒工況的邊界條件下，燃料溫度對前期的噴霧形態影響不大，對0.6ms之后的噴霧形態有明顯的影響，在使用壓電晶體噴油器實現噴霧引導分層燃燒時，即使燃油溫度較高，仍可以采用短脈寬的多次噴射策略來形成穩定的渦流回旋區，以保證在火花塞附近形成易于點燃的濃區。

從噴霧錐角變化規律可以看出，在0.4ms時噴霧錐角迅速降低，兩種燃料溫度的變化規律是相同的，從0.6ms開始，高燃料溫度的噴霧錐角明顯低于低燃料溫度的噴霧錐角，在噴霧圖像中可以明顯看到，高燃料溫度下的噴霧形態在該階段發生了更為明顯坍塌。

圖11　不同環境溫度下噴霧貫穿距隨噴油時刻變化規律

圖12　不同環境溫度下噴霧錐角隨噴油時刻變化規律

因此在噴霧引導分層燃燒工況的邊界條件下，燃料溫度對前期的噴霧形態影響不大，對0.6ms之后的噴霧形態有明顯的影響。在使用壓電晶體噴油器實現噴霧引導分層燃燒時，即使燃油溫度較高，仍可以采用短脈寬的多次噴射策略來形成穩定的渦流回旋區，以保證在火花塞附近形成易于點燃的濃區。

圖13　不同燃油溫度下噴霧貫穿距隨噴油時刻變化規律

圖14　不同燃油溫度下噴霧錐角隨噴油時刻變化規律

3　結論

1）壓電晶體噴油器噴霧形態呈現明顯的油線結構，噴霧末端油線隨時間推移逐漸霧化，油線界限逐漸模糊。在4MPa噴射壓力下，在噴霧發展到0.8ms時，噴霧中部存在明顯的大粒徑噴霧顆粒，而噴射壓力升高到10MPa后，射流速度增加，類似大粒徑顆粒消失。

2）噴油壓力的增加和環境背壓的增加都會使貫穿距曲線中噴霧破碎霧化的拐點提前，有利于燃油的霧化。高環境背壓使噴霧形態中產生明顯的渦流回旋區，將破碎的小粒徑燃油輸送到噴霧的上方，使火花塞附近形成易于點燃的混合氣。

3）高背壓下環境溫度的升高會導致渦流回旋區在0.4ms發生坍塌，因此利用壓電晶體噴油器實現噴霧引導分層燃燒時，晚噴的噴油脈寬不宜過長，過長的噴油脈寬會導致噴霧的渦流回旋區消失，無法保證燃油及時輸送到既定位置。

4）燃料溫度的升高有利于燃料的蒸發霧化，但對噴霧前期的形態影響不大，噴霧發展到0.6ms之后，噴霧形態發生明顯變化，貫穿距和噴霧錐角明顯減少。

參考文獻

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中圖分類號：TK413.8+4

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0031-07

收稿日期：（2015-05-12）

作者簡介：宋東先（1982-），男，博士，主要研究方向為內燃機燃燒過程測量與分析。

A Study on Spray Pattern of Piezo Outward-Opening Injector for Gasoline

Song Dongxian1,2,LiW enbin1,2,Geng Lu1,2，Jiang Xinghong1,2,
LaiHaipeng1,2,Gao Dingwei1,2
1-Technical Center,GreatWallMotor Co.Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China)
2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：The spray characteristics of gasoline piezo outward-opening injector was studied at different boundary conditions in spray constant volume chamber by shadow method.The boundary condition was set according toactual in-cylinder condition with stratified combustion.The resultsshow that the spray consists ofmany fuel strings and the string becomes blur as the spray developswith time.The increase of injection pressure and back pressure advances the spray breakup turning point on penetration distance curve.The spray structure would produce swirl region which would transfer fuelwith small diameter to upper part to form rich mixture around spark plug,but the increase of back temperature can disappear the swirl region from 0.4mswhich is harmful to stratified combustion.Asa result,when the piezo injector is used to realize spray-guided stratified combustion,the pulsewidth of late injection should be shorter.Fuel temperaturehas little influence on spray pattern at earlier stage and the high temperature fuelwould occurmore obvious collapse after 0.6mswhich results in the decrease of spray penetration distance and spray angle.

Keywords：Piezo outward-opening injector,Gasoline,Spray penetration distance,Spray angle,Shadow method