燃油溫度對GDI噴油器孔內流動及噴霧特性的影響研究

李秀海

（上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

燃油溫度對GDI噴油器孔內流動及噴霧特性的影響研究

李秀海

（上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

為了研究燃油溫度對GDI噴油器噴霧的影響，建立了噴油器噴霧特性的數學模型，并利用流體分析軟件FLUENT在不同邊界條件下對其孔內流動特性的影響。當燃油溫度升高時，空穴現象更加明顯；以及對噴霧形態、噴霧貫穿距、噴霧平均索特直徑及噴霧錐角進行數值模擬研究，并通過試驗來驗證其噴霧特性。結果表明，數值模擬結果與試驗結果相吻合，當燃油溫度升高時，噴霧霧化效果提升不明顯，噴霧貫穿距減小，索特平均直徑減小，噴霧近場錐角增大，遠場錐角減小。

GDI噴油器；孔內流動；噴霧特性；數值模擬

李秀海

畢業于上海同濟大學，現任上海大眾汽車有限公司工程師，主要研究方向為發動機燃燒與排放控制。

1 概述

隨著汽車工業的不斷發展，GDI噴油器相比與進氣道式噴油器具有諸多優點，現已成為研究的熱點。GDI噴油器其噴霧特性直接影響燃油在氣缸內分布，因而影響發動機的燃燒效率，以及有害物的排放[1-3]。由于影響GDI噴油器噴霧特性的影響參數較多，國內外學者對其進行了大量的研究。Keiya Nishida[4]等人利用激光吸收散射技術研究了雙孔噴射夾角對噴霧貫穿距離和錐角的影響，得到了不同溫度及壓力狀態下的噴霧液相及氣相分布特性；Ronald O.Grover[5]對噴孔的形狀進行改進設計，并對其內部流動與噴霧進行數值仿真與實驗研究；Hiroyuki Kano[6-8]等人根據其他研究結果提出新的GDI噴油器噴霧的物理和數學模型，并通過實驗手段進行驗證，在該理論基礎上對噴油器機構進行了優化。

本文以某款6孔GDI噴油器為例，根據建立噴油器孔內流動及噴霧特性的數學模型，在FLUENT仿真軟件中建立GDI噴油器三維仿真模型，針對不同燃油溫度對噴油器孔內流動及噴霧特性進行仿真分析；此外，搭建GDI噴油器定容測試臺架，可以綜合地研究燃油溫度對噴油器性能的影響，為GDI汽油機燃燒系統的開發以及噴油器性能的優化設計提供理論指導，也可為GDI噴油器在熱-流耦合方面性能預測提供一定的理論基礎。

2 GDI噴油器測試系統

2.1 噴霧型態測試系統

GDI多孔噴油器性能測試系統如圖1所示。GDI多孔噴油器噴霧型態系統主要由高速數碼攝像機、噴油器驅動儀、定容彈、弧光燈和恒溫油箱等組成。利用高壓氮氣瓶為系統提供所需燃油噴射壓力，最大壓力可達13 Mpa。高速攝影系統則由高速攝像機以及提供背景光源的弧光燈組成。

2.2 噴霧粒徑測試系統

測試噴霧粒徑大小時，則采用激光粒度儀進行實驗。主要由激光器、擴束透鏡與接收透鏡、空間濾波器以及光電探測器等部件組成。激光發生器先發出光束，經過空間濾波器的光在擴束透鏡的作用下變成一束平行單色光。平行光通過測量區噴霧場時，在噴霧顆粒的作用下會產生散射現象。此時，接收透鏡就會采集散射出來的具有相同方向的光束。光電探測器可將散射光能量轉換為電信號，經過放大和模數轉換后送入計算機，利用軟件即可計算出被測顆粒的尺寸分布、平均粒徑以及顆粒濃度等[9]，系統原理圖見圖2。

2.3 噴霧錐角測試系統

本文測試噴霧角采用的是圖像處理技術，其測試原理如圖3所示。噴油器噴油時，由CCD攝像機將對噴霧場進行拍攝，保存為BMP格式圖片，然后對所拍攝的圖片進行特殊處理，從而計算出噴霧角度。兩束平行激光束向攝像頭發出紅光，若觸碰到噴霧場中的油滴時，攝像頭即可辨別出紅光，沒有油霧的區域則攝像頭不接收光線，從而能保證攝像頭拍攝到油霧的準確形狀。

3 GDI噴油器噴霧模型的建立及驗證

3.1 網格劃分及邊界條件

本文利用三維軟件建立實體模型后，將模型導入ICEM，對該模型進行網格的劃分。如圖4為球閥流道網格模型，網格采用非結構的六面體網格模型，對噴孔及球閥間隙處進行精細化處理，用以保證計算的準確性，總網格數量為84萬左右。為了計算瞬態噴霧特性，球閥間隙處進行動網格劃分，并且以實際仿真計算的球閥位移曲線作為仿真計算的運動邊界條件。

3.2 模型驗證

不同時刻的噴油速率與噴霧特性直接相關，故在進行噴霧數值模擬前，需要對GDI噴油器的燃油噴射規律進行實驗分析驗證，實驗參數如表1所示。圖5為噴油規律圖，由圖可知，噴油時間極短，在2 ms時噴油速率達到最高且趨于平穩，后文的數值模擬與噴霧實驗也將在0～3 ms的噴霧時間內進行研究。

表1 噴油規律實驗參數

為了準確分析內部流動特性與噴霧特性之間的關系，需要對噴霧模型進行驗證。由于噴霧錐角和貫穿距離對油束在燃燒室中的空間分布影響很大，而粒徑大小則是評價霧化效果的一個重要指標，故選擇噴霧形態、貫穿距離、索特平均直徑等三個參數作為驗證內容。

數值模擬計算時，根據Hiroyasu提出的經驗公式[10]來對噴霧特性的評價參數進行定義：

如果t < tB，則噴霧貫穿距離

如果t > tB，則

式中：lhole，dhole分別為噴孔長度和噴孔直徑；ρG、ρD分別為氣體和液體的密度；△p為噴射壓力與環境壓力差；t為噴油時間；tB為破碎時間；v為液體運動黏度；μcoeff為噴孔流量系數。

為了驗證噴霧模型的準確性，利用高速攝影對不同時刻的噴霧形態進行了拍攝，并將仿真結果與之進行對比研究。如圖6所示為噴霧形態實驗與數值模擬的對比結果，由圖可知，采用仿真計算的噴霧形態與實驗的測試結果基本一致，說明該仿真算法具有可行性，圖中所示h1為噴霧貫穿距，定義為噴油器到噴霧最遠端的距離；θ1為近場噴霧錐角，即離噴孔最近端的噴霧角；θ2為遠場噴霧錐角，即噴霧兩側邊緣切線的夾角。圖7、8是將貫穿距離和索特平均直徑大小的數值模擬和實驗進行對比，通過比較可見數值模擬和實驗結果接近。圖9為近場噴霧錐角和遠場噴霧錐角的實驗結果和數值模擬結果對比。綜上所述，噴霧形態在宏觀及微觀的數值模擬上與實驗結果較一致，此噴霧模型可以作為變參數的數值模擬基礎。

4 GDI噴油器工作過程數值模擬

4. 1 溫度對燃油物性參數影響

由于GDI噴油器本體溫度的升高，造成噴油器內燃油的吸熱量增加，燃油溫度的升高，當溫度升高時，粘度降低使得雷諾數升高，流體流動特性也發生改變。

溫度與燃油的飽和蒸汽壓成正相關關系，進而影響燃油的空化數，即影響燃油流動過程中空穴的形成和發展。

4. 2 噴孔內部流動過程數值模擬

內部流動的數值模擬邊界條件采用常用的湍流時均流的雷諾方程對噴孔內部流動過程進行數值模擬，其中包括動量、質量以及總焓的守恒方程。

為了研究噴孔內燃油流動的變化規律，對燃油設定壓力為10 MPa，噴油脈寬為3 ms，燃油溫度分別為20 ℃、50 ℃、80 ℃、110 ℃，GDI噴油器工作球閥最大升程時的空穴現象進行了仿真分析，圖10為z=0截面上以及不同油溫下六個噴孔的氣相體積分數。

由圖10可知， GDI噴油器內部燃油溫度越高，氣相體積分數越大，空穴現象越明顯。當燃油溫度20 ℃時，噴孔截面的空穴現象并不十分明顯；當油溫達到50 ℃時，噴孔截面的空穴現象明顯加強，氣泡區域從而擴大；當油溫達到110 ℃時，噴油器內部氣泡已經充斥了幾乎整個噴孔。由仿真結果可知，GDI噴油器燃油溫度的升高，使得燃油的飽和蒸汽壓上升，表面張力下降，從而造成空穴現象更加明顯。

4. 3 噴油器噴霧特性數值模擬

噴霧特性的數值模擬邊界調節采用噴霧仿真采用拉格朗日離散液滴法，噴油器入口采用不同工作與結構參數下噴孔出口的質量流量；出口邊界為燃燒室內氣體壓力數據作為邊界條件。

與研究噴孔內部流動邊界相同，分別研究燃油溫度為20 ℃、50 ℃、80 ℃和110 ℃時GDI噴油器不同時刻的噴霧形態和索特平均直徑（SMD）。

由圖11可知，隨著GDI噴油器內部燃油溫度的上升，燃油的噴霧貫穿距離有縮短的趨勢，噴霧角度有增大的趨勢，噴霧顆粒直徑減小。其主要原因是隨著GDI噴油器內部燃油溫度升高，噴孔內空穴現象和湍流強度加強，燃油沿噴孔徑向方向的速度加快，造成燃油出口軸向流速的下降，油滴的內能增加，蒸發作用加強，因此噴霧貫穿距離縮短，噴霧近場錐角增大，遠場錐角減小，噴霧顆粒直徑減小，如圖12、13、14所示。

5 試驗驗證

圖15為不同燃油溫度對噴霧形態試驗測試，試驗條件與數值模擬條件一致，可以看出隨著噴霧徑向的發展，噴霧前端與空氣的接觸面積不斷增大，與環境氣體之間的相互作用導致噴霧自身動量減弱，貫穿速度降低。隨著GDI噴油器內部燃油溫度升高，噴霧貫穿距離逐漸縮短，燃油霧化效果增強。燃油溫度110 ℃時，與燃油溫度20 ℃時相比，噴霧貫穿距離明顯變小，因為此時噴霧前端出現了大尺度的渦旋結構，將噴霧前端的油滴向上卷吸，從而減弱了向前貫穿的動量。噴霧近場的角度隨著燃油溫度的升高而增大，噴霧遠場的錐角隨溫度升高而降低。由此可見，燃油溫度對GDI噴油器影響的數值模擬結果與試驗相吻合。

6 結論

(1) 通過計算流體力學的計算分析，研究了不同燃油溫度下對GDI噴油器噴孔內流動和噴霧特性的影響。研究表明，GDI噴油器內部燃油溫度越高，氣相體積分數越大，空穴現象越明顯，使得燃油沿噴口徑向方向速度加快，造成燃油出口軸向流速降低，從而導致噴霧貫穿距縮短，另外由于溫度升高，其內能變大，蒸發作用加強，噴霧顆粒直徑越小。

(2) 本文通過試驗驗證了數值模擬的可行性，這為以后GDI汽油機燃燒過程以及噴油器的優化提供了一定的理論基礎。

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專家推薦

王偉民：

該文通過仿真和試驗分析了GDI噴油器噴霧特性，數值模擬結果與試驗結果比較吻合，說明仿真方法的精度是比較好的，還揭示了燃油溫度與噴霧特性的相互關系，此成果對于增壓直噴汽油機燃燒系統開發有比較重要的意義。

Study on the Effect of Fuel Temperature on the Flow and Spray Characteristics of the Injector Hole in GDI Injector

LI Xiu-hai
（Shanghai Volkswagen, Shanghai 201805, China）

In order to research the influence of fuel temperature on the GDI injector spray, and the flow characteristics of the hole under different boundary conditions are analyzed by using fluid analysis software FLUENT. The cavitation phenomenon is more obvious when the fuel temperature increases. The morphology of spray, spray penetration, spray Sauter mean diameter and spray cone angle is studied by numerical simulation through the experiment to verify. The results show that the numerical simulation result and the experimental result is consistent, when the fuel temperature increases and the spray atomization effect is not obvious ascension. The spray penetration decreases, Sauter mean diameter decreases and the spray cone angle increases with the increase of the near field and the decrease of far field cone angle.

GDI injector; internal flow; spray characteristics; numerical simulation

TK421.5

A

1005-2550（2016）01-0029-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.006

2015-08-19