噴嘴孔數及其布置對汽油直噴噴嘴閃沸噴霧-環境氣體相互作用影響的研究

佟斯日古楞， 許敏， 吳勝奇

(上海交通大學機械與動力工程學院汽車電子控制技術國家工程實驗室, 上海 200240)

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噴嘴孔數及其布置對汽油直噴噴嘴閃沸噴霧-環境氣體相互作用影響的研究

佟斯日古楞， 許敏， 吳勝奇

(上海交通大學機械與動力工程學院汽車電子控制技術國家工程實驗室, 上海 200240)

為了區分火花塞點火式缸內直噴(SIDI)發動機噴霧和環境氣體兩相流場，將優化后的高速雙色PIV(Particle Image Velocimetry)技術應用于多孔直噴噴油器的噴霧和環境氣體速度的測試。此雙色PIV系統由一個特殊的示蹤和濾波系統組成，可同時對燃油噴霧及其環境氣體的速度場進行測量。本研究采用該雙色PIV方法研究不同環境壓力和燃油溫度的條件下，噴嘴孔數及其布置情況對燃油噴霧和環境氣體的相互作用的影響。在此研究中，對3個汽油直噴噴嘴做了詳細的研究，包括1個6孔噴嘴，1個3孔噴嘴及1個2孔噴嘴。研究結果表明，隨著燃油溫度的提高或者環境氣體壓力的降低，噴霧霧化增強，燃油顆粒粒徑減小，導致噴霧油束變寬，噴霧與環境氣體接觸面積變大，噴霧和環境氣體的兩相流場的作用變強。不同孔數和布置的噴油器在冷態及閃沸條件下油束間干擾作用的強度不同，導致噴霧傳遞給環境氣體的動能不同。較強的油束間的干擾作用加強了燃油噴霧與環境氣體之間的動量交換過程，進而增強了環境氣體的動能。

燃油噴霧； 燃油霧化； 速度計量

對于缸內直噴汽油機來說，燃油噴霧和環境氣體能否良好混合影響著發動機性能及排放，提高缸內直噴發動機的燃燒效率以及穩定性的前提是缸內具有高質量的可燃混合氣[1-3]。

國內缸內直噴發機動技術的研究還處在初期階段，在燃燒系統開發過程中會遇到各種問題，很多問題都與燃油噴霧聯系非常緊密。例如，由于噴霧碰壁導致發動機機油稀釋以及活塞頂部積炭，燃燒過程不穩定，廢氣排放中顆粒物超標等[4-5]。解決以上問題的關鍵在于改善發動機燃油噴霧特性。減小燃油噴霧貫穿距離，增大噴霧角度，改善燃油霧化及分布是解決以上問題的關鍵。目前，燃油噴霧主要是依靠高噴射壓力來提高燃油的霧化和蒸發性能，但高噴射壓力也會導致更長的貫穿距離，因此有局限性。高壓噴射系統成本很高，噴霧貫穿距過長會導致燃料噴射到氣缸壁或者活塞上，造成潤滑油稀釋或者活塞積炭，噴霧角度小、噴霧粒徑大等缺陷會造成燃油和空氣混合不均勻。

因此不少專家提出通過改變燃油溫度或背壓獲得閃急沸騰噴霧來提高霧化質量。閃沸噴霧可以在較低噴射壓力的條件下獲得更短噴射貫穿距、更大噴霧角、更小噴霧粒徑及更快的蒸發速度。閃急沸騰噴霧是液體燃料因壓力瞬間減小至燃料的飽和蒸氣壓以下發生劇烈的燃油噴霧相變而產生的[6]。閃沸噴霧中，在液態燃油中產生大量的氣泡，氣泡的快速膨脹及破碎大大加速燃油的破碎、霧化和蒸發過程，促進缸內混合氣的形成[7-13],提高缸內直噴汽油機的著火穩定性。

一些學者對閃沸噴霧做了很多研究，包括不同的燃油溫度和環境背壓對噴霧形態結構以及貫穿距離的影響[8]，燃油噴霧速度場的測試[9-10]，噴霧濃度場的分布[11-12]，噴孔布置對噴霧油束之間的相互影響，噴油器近場微觀形態以及宏觀的噴霧結構等[13]，但是對噴嘴孔數及其布置情況對燃油噴霧及其環境氣體之間的能量交換作用的研究非常少。

目前汽車市場主要采用對稱結構的多孔直噴噴油器,6孔噴油器噴霧由于受到相鄰燃油束的影響而在閃沸區域內出現噴霧束坍塌在噴油器軸線處的現象，為了更好地研究相鄰燃油噴霧束對燃油噴霧形態的變化及氣液兩相流場的影響，選擇結構參數相同、噴孔數及布置不同的3孔和2孔噴油器與6孔噴油器進行定量的對比分析。

PIV測試技術已經廣泛應用于發動機缸內流場、噴油器噴霧周圍環境氣體流場等測試研究領域。從剛開始利用固體作為示蹤粒子來標記環境氣體運動[14]到后來的激光誘導熒光技術(Laser Induced Fluorescent, LIF)，可以很好地分開氣液兩相流場。但是測試中利用多臺相機和光源，光路比較復雜，成本比較高[15-17]，并且由于硬件的限制無法同時兼顧噴霧和環境速度等級差造成的瞬態響應。

針對上述局限，張銘等[18]利用單個相機和激光光源對噴霧和環境氣體分別使用兩個不同的幀間時差dt1和dt2，開發雙色PIV測試技術，對應其噴霧和環境氣體運動速度等級的差別，并且測試出燃油溫度對噴霧和環境氣體兩相流場的影響。

本研究在前期研究的基礎上，利用雙色PIV測試技術分析不同孔數以及噴孔布置的噴油器在不同的燃油溫度和環境背壓下的兩相流場，測量噴霧傳遞給環境氣體的動能，并對試驗結果作了定量分析，解明了其影響機理。

1 試驗系統及測試工況

1.1 試驗測試系統原理

高速雙色PIV測試系統見圖1。此系統包括燃油供給、環境氣體背壓控制、燃油溫度控制、圖像采集及后處理五大部分。燃油供給部分利用高壓氮氣瓶通過蓄能器保證燃油的噴射壓力。燃油溫度控制部分利用恒溫水浴連接噴油器外圍的水套，保證每次噴射燃油溫度恒定不變。環境氣體背壓控制部分利用真空泵連接常溫高壓容器，保證容器里面的環境氣體背壓的變化。圖像采集及后處理部分由高速相機、高速激光器、電腦以及驅動器等組成。

圖1 雙色PIV測試系統原理

本試驗采用Nd：YLF雙脈沖激光器(Litron，波長527 nm，光脈沖寬度170 ns，脈沖能量22 mJ@1 kHz)作為光源，每次觸發會發出兩個脈沖激光束，經過一系列光學透鏡，最終形成大約1 mm厚的片狀光源(見圖2)。

圖2 雙脈沖式高速激光器

試驗采用phantom V7.3高速相機，此相機能在雙幀全畫幅(1 280×800像素)模式下達到6 350 Hz的采集頻率，安裝了紫外線鏡頭，為了實現利用單個相機對噴霧和環境氣體兩相流場的同時測量，在高速相機鏡頭前端裝了一個圖像分離器，可以區分噴霧和環境氣體信號。

本試驗的示蹤粒子發生器是6孔霧化器，將示蹤粒子羅丹明6G溶于聚乙二醇400，利用6孔霧化器將溶液霧化進容器里。6孔霧化器有6個霧化出口，可以選擇不同孔數來滿足不同背壓下熒光粒子的濃度要求。示蹤粒子接收到527 nm波長的激光時會誘導出其他波長的熒光(615 nm波長)，利用這個熒光信號記錄環境氣體的運動，噴霧則利用本身散射光的信號作為示蹤信號，再利用不同的濾鏡分別采集噴霧和環境氣體的示蹤信號來達到同時測量的目的。試驗所用容器為定容彈(見圖3)，其環境背壓可以從20 kPa到2 MPa變化。

圖3 常溫高壓容器

由于發動機燃油噴射過程中噴霧和環境氣體的運動速度相差較大，因此利用兩個幀間時差dt1,dt2來解決這個問題。本試驗中噴霧時間幀差dt1取10 μs，關聯兩張噴霧運動圖片；環境氣體時間幀差dt2取200 μs，關聯兩張環境氣體運動圖片。每張圖片大小為52 mm(寬)×70 mm(高)，取20組圖片的平均值確保測試結果準確可靠，利用DG-645同步控制高速系統。采用標準的PIV算法預處理PIV圖片數據，采用32×32的互相關算法，設定相鄰尋訪窗口重疊50%，用MATLAB來分析和處理數據。

1.2 測試工況及噴油器

城市是一個永遠沒有完結的工地，其中的發展變化個人無法預料。2017年3月，二哥居住的小區成為政府規劃重點拆遷對象，不到10年且逐漸完善的大面積生活區必須盡快夷為平地，執行總體布局。二哥沒有費太多的麻煩與等待，按政府要求第一批簽約騰了房，有了暫住房。

本試驗中利用正己烷(97%)作為燃料，試驗工況及正己烷的物理屬性見表1和表2。待測噴油器安裝在高壓容器頂部，利用高壓力蓄能器提供穩定的噴射壓力，利用可調范圍寬廣的(-20～95 ℃)恒氣溫水槽精確控制燃油溫度，每次燃油噴射之前，示蹤粒子被充入容器內，靜止后開始測試。

表1 測試工況

表2 正己烷參數

所用2孔、3孔、6孔缸內直噴發動機噴油器為階梯孔，三款噴油器的孔徑參數全部相同，只有孔數和布置情況不同，兩個對稱孔角度為60°，噴孔長度L=0.3 mm，直徑D=0.2 mm，長徑比(L/D)為1.5(見圖4)。燃油過熱度(Superheat degree, SD)定義為燃油油溫與當時環境背壓下沸點之差。環境氣體分為卷吸區、回流區和外推區[9-10,20]。

圖4 試驗所用噴油器噴孔分布和結構

2 研究結果分析

2.1 燃油溫度對氣液兩相流場變化的影響

圖5示出6孔、3孔、2孔噴油器在0.8 ms ASOI時刻噴霧形態，環境背壓為恒定40 kPa，燃油溫度從45 ℃增加到85 ℃。在45 ℃時，6孔噴油器噴霧雖然受到左右相鄰兩束油的作用，但噴霧形態沒有很明顯的變化，單個燃油油束寬度較窄，噴霧顆粒主要沿著噴孔設計軸線方向運動，油束邊緣蒸發不明顯，大部分是液態噴霧。3孔噴油器只有1個相鄰的油束，所以在形態上只有一點變化，噴霧前端較寬，離噴油器噴孔較近的地方油束較窄，燃油油束沿著噴孔軸線運動。2孔噴油器沒有受到相鄰油束的干擾，形態變化不大，比3孔噴油器的的油束要窄一點，霧化不明顯，主要部分還是液體噴霧。

圖5 不同燃油溫度下3款噴油器噴霧形態(噴射后 0.8 ms)

隨著燃油溫度升高至65 ℃，6孔噴油器燃油油束寬度變大，噴霧前端蒸發明顯，噴霧顆粒變小，所受空氣阻力變大，噴霧形態有明顯變化。燃油噴霧開始向噴油器軸線處聚集靠攏并且在噴孔附近已經有明顯互相連合的現象，燃油噴霧前段霧化效果明顯。3孔噴油器油束比45 ℃時變得更寬，而且噴霧前端蒸發霧化較明顯，但并沒有出現像6孔噴油器一樣跟其他油束相連的現象，也沒有向噴油器軸線處聚攏。2孔噴油器油束相比45 ℃時變寬了，但明顯比3孔噴油器油束要窄，因為沒有受到相鄰油束的影響。

當燃油溫度增加到85 ℃時，6孔噴油器燃油的蒸發膨脹更加明顯，導致燃油噴霧開始往噴霧油氣軸線處坍塌，形成鐘形形態，內部形成未受環境氣體影響的液體核心[9]。3孔噴油器油束持續膨脹變寬，在噴孔附近已經出現了各個油束相連的現象，油束整體變得比較寬。2孔噴油器噴孔附近的油束膨脹比較明顯，但沒有出現各個油束相連的現象，這些燃油噴霧形態隨燃油溫度的變化過程與之前測試結果相符合[7-8,19]。

分析不同燃油溫度下噴霧-環境氣體兩相流場的相互影響可以解釋燃油噴霧形態發生變化的同時環境氣體的變化。以0.8 ms ASOI為例，如圖6所示，在燃油溫度為45 ℃時，燃油噴霧速度比較快，為90 m/s至95 m/s，燃油噴霧幾乎都是沿著噴孔軸線方向運動。基于文獻[6]對渦旋中心的定義，在這個過程中6孔、3孔、2孔噴油器燃油噴霧內外兩側邊緣都產生了強度比較微弱的環境氣體卷吸，環境氣體運動的渦旋中心離噴油器軸線較遠，6孔噴油器噴霧前端環境氣體速度約為3 m/s，其他區域的氣體速度相比噴霧前端的外推區的環境氣體速度要小一些；3孔噴油器噴霧外推區環境氣體速度約為2 m/s，而且燃油噴霧內側氣體速度明顯要比6孔的小，渦旋運動區域也比6孔的要小；2孔噴油器噴霧渦旋運動更加微弱，渦旋中心與6孔和3孔噴油器噴霧渦旋中心差不多，但是渦旋運動所涉及的區域更小。當燃油溫度提高到65 ℃時，6孔噴油器噴霧峰值有所降低，環境氣體速度有所提高，并且噴油器噴孔附近的環境氣體卷入速度提高到3.5 m/s左右，環境氣體渦旋運動變強，渦旋中心位置離噴油器軸線更近，而且油束內側的渦旋運動已不存在，反而在燃油噴霧和環境氣體的接觸邊緣出現了一些雜亂的運動現象，在燃油噴霧的推動作用下，在噴油器軸線方向開始出現了微弱的向外運動速度(約1 m/s)。3孔噴油器燃油噴霧峰值變化不大，但油束變寬，噴霧邊緣的環境氣體速度有明顯增加，燃油噴霧內外側渦旋運動變強，但是燃油噴霧內側渦旋運動變得比較雜亂，離噴孔比較近的卷吸區速度比6孔噴油器的卷吸速度小，而且環境氣體渦旋運動所涉及的區域比6孔噴油器小。2孔噴油器燃油邊緣的環境氣體速度增加也較為明顯，渦旋運動沒有3孔噴油器渦旋運動強，渦旋位置基本不變。當繼續提高燃油溫度至85 ℃時，6孔噴油器噴霧由于形成未受擾速度核而燃油速度明顯增大，導致對噴霧油束前端的環境氣體產生強烈的推動力，使得燃油前端環境氣體的運動速度增大至4 m/s，而且渦旋中心離噴油器軸線更加接近，已經進入到噴霧輪廓線以內，使噴霧和環境氣體的渦旋運動重疊，卷吸區域范圍也比65 ℃時明顯增大。3孔噴油器噴霧由于燃油的蒸發破碎使油束變得更寬，導致噴孔附近的燃油油束之間開始相連，增加了燃油與環境氣體的作用面積，對噴霧前端以及噴霧油束內側的環境氣體產生很強的推力，傳遞更多動能，使氣體速度明顯提高。2孔噴油器油束相比65 ℃時變得的更寬，對噴霧邊緣的環境氣體，尤其對前端的環境氣體產生更大的推力，使其運動速度變大，渦旋運動變強。

在每個工況下燃油噴射之前環境氣體都是處于靜止狀態，所以環境氣體的動能都為0。當定容彈體積不變，背壓不變，且氣體質量恒定，則可以用環境氣體速度的平方來評估燃油噴霧-環境氣體兩相流場之間的動能傳遞過程。隨著燃油開始噴射，動能由燃油噴霧傳遞給環境氣體，環境氣體的動能隨著燃油溫度的升高不斷增加，定量分析結果見圖7。而且隨著燃油溫度的提高，燃油顆粒粒徑尺寸不斷減小[7]，燃油噴霧油束逐漸變寬，導致6孔噴油器油束互相連接并且聚攏在噴油器軸線處，形成未受擾核，使氣液兩相的接觸面積不斷擴大，燃油動能傳遞效率提高，從而環境氣體的動能增大，每個溫度下動能增加30%左右。3孔噴油器油束在45 ℃和65 ℃時增長不大，但85 ℃時由于噴孔附近的噴霧相連使環境氣體動能增加15%左右。2孔噴油器噴霧形態沒有太大改變，每個溫度下增加9%左右。

圖7 不同油溫下氣液兩相流場動能傳遞過程

2.2 環境背壓對燃油形態及兩相流場的影響

為了進一步研究影響燃油噴霧形態及兩相流特征的因素，對不同環境背壓下燃油噴霧形態及兩相流場特征進行了研究。由圖8可知，在恒定的油溫下(85 ℃)，開始噴射0.8 ms(ASOI)后，當環境背壓減小時，6孔噴油器燃油噴霧形態結構變化比較明顯。當背壓為100 kPa時，單個燃油噴霧獨立并且寬度相對較窄，沿著噴孔方向運動，速度比較快，近噴孔處出現微小的油束相連現象。3孔噴油器噴霧比6孔的要窄一點，而且噴孔附近沒有出現燃油油束相連現象，噴霧前端部分比噴孔附近寬一些。2孔噴油器與3孔噴油器在形態上沒有太大區別，整體比3孔噴霧要窄一些，也沒有出現燃油油束相連的現象。繼續減小環境壓力，當減小到60 kPa時，6孔噴油器燃油噴霧油束逐漸變寬，燃油噴霧從非過熱工況到過渡工況，燃油油束相連區域變得更大，燃油噴霧上半部分相連明顯并且收縮，下半部分比較擴散，燃油噴霧中間部分出現明顯的彎折現象。3孔噴油器油束上半部分比100 kPa時有明顯膨脹，與噴霧前端部分差不多寬，沒有出現很明顯相連的情況，但是蒸發霧化的燃油有了輕微相連的趨勢。2孔噴油器油束比100 kPa時整體有了膨脹，但是噴孔附近的油束依然比前端噴霧要窄一些，沒出現相連現象。隨著環境背壓減小到20 kPa，6孔燃油噴霧完全收縮，開始噴射后很快形成內部未受擾液體核心，速度瞬間加快，對噴霧前端氣體產生很強的

圖8 不同環境背壓下3款噴油器燃 油噴霧形態(噴射后 0.8 ms)

推力，渦旋現象更加明顯。3孔噴油器噴孔附近油束繼續膨脹，導致在噴孔近處已經形成相連現象，蒸發霧化比60 kPa時更加明顯，增大了與環境氣體接觸的面積。2孔噴油器油束雖然持續膨脹，并且噴孔近處與前端噴霧幾乎變得一樣寬，但是沒有出現油束之間相連的現象，蒸發霧化效果很明顯。

從兩相流場圖(見圖9)可以看出，當環境背壓100 kPa時，6孔、3孔、2孔噴油器噴霧油束速度都較大且寬度相對較窄，噴霧油束內外兩側有非常微弱的渦旋運動，由于噴霧前端部分的推力作用，環境氣體外推區域的速度明顯比噴孔附近卷入區域大，此時噴霧傳遞更多的動能給外推區域的環境氣體。6孔噴油器環境氣體的運動明顯相比于3孔和2孔噴油器要大，而且噴霧油束內外兩側的渦旋運動最強，所涉及的渦旋區域最大；3孔噴油器噴霧誘導的環境氣體運動速度大于2孔噴油器噴霧誘導的環境氣體運動，而且噴霧邊緣的環境氣體速度明顯大于其他區域；2孔噴油器環境氣體速度最小，渦旋運動強度也最弱。當環境背壓減小至60 kPa時，燃油噴霧顆粒更容易破碎，粒徑更小，噴霧流場范圍變寬，與環境氣體的接觸面積變大，更容易誘導環境氣體與其一起運動。6孔噴油器各燃油油束之間相互連接更加嚴重，燃油油束外側的渦旋運動明顯變強，渦旋位置離噴油器中心更近，燃油噴霧內側渦旋運動逐步變弱，出現一些雜亂的現象，但是外推區域環境氣體在噴油器軸線方向的速度明顯提高，噴孔近處環境氣體速度也有所提高，導致噴孔附近噴霧被環境氣體影響，被推向噴油器軸線處，導致燃油噴霧油束中間部分出現彎折現象。3孔噴油器油束由于快速膨脹霧化，在噴孔近處噴霧流場出現輕微的相連趨勢，膨脹的油束帶動更得多的環境氣體與其一起運動，導致整體環境氣體流場速度比100 kPa時大，而且噴霧油束內側渦旋運動逐漸消失，出現雜亂的流場，噴霧油束外側渦旋運動變強，渦旋位置變化不大。2孔噴油器噴霧流場相比于100 kPa時形態上沒有什么區別，只是變得更寬，帶動了噴霧周圍的環境氣體運動，加強了噴霧油束內外側的渦旋運動，渦旋位置幾乎不變。環境背壓減小到20 kPa時，6孔噴油器所有燃油油束完全相連，誘導環境氣體運動變得更強，環境氣體3個區域速度都有提高，所涉及的范圍也變得更大，渦旋運動變得更強，渦旋中心離噴油器軸線更近了，已經進入噴霧輪廓之內且與噴霧渦旋運動中心重疊在一起。這個進一步被加強了的環境氣體渦旋運動強度可以與燃油噴霧運動相抗衡，可以影響其運動，使其完全坍塌在噴油器軸線處，變成形似“鐘”形的單個大油束。3孔噴油器油束由于高燃油溫度和低環境背壓導致剛出噴孔就快速膨脹，蒸發和霧化，在噴油器近處出現了很明顯的相連現象，而且相連區域的噴霧速度明顯要小于噴孔軸向方向的噴霧速度，相連的噴霧速度場加劇了對環境氣體動能的傳遞，噴霧油束外側的渦旋運動增強，噴霧油束沒有像6孔噴油器噴霧那樣完全坍塌在噴油器軸線處，噴霧油束內側還存在環境氣體運動，但是渦旋運動已消失，出現一些雜亂的現象。2孔噴油器噴霧相比60 kPa時變得更寬，但2孔噴油器油束流場之間沒有像3孔噴油器油束那樣產生相連的現象，膨脹的噴霧流場給周圍環境流場產生了更強的推力，在噴霧油束流場周圍的環境氣體增加明顯，尤其是噴霧前端的外推區的環境氣體速度快速增長，導致噴霧油束內外側的渦旋運動變強，且所涉及的面積更廣。

圖9 不同環境背壓下3款噴油器 兩相流場(噴射后 0.8 ms)

定量分析結果見圖10。當環境背壓從100 kPa減小到20 kPa時，燃油噴霧形態的變化以及燃油噴霧粒徑的變小，使得噴霧和環境氣體的接觸面積變得更大，所以環境氣體的速度隨著環境背壓的減小而增大。當環境背壓為100 kPa時，由于壓力較高，噴霧破碎霧化比較困難，而且不會出現油束之間明顯的相連趨勢，噴霧油束寬度較窄，所以誘導的環境氣體速度比較低，6孔噴油器環境氣體速度大于3孔和2孔噴油器的環境氣體速度，但差別不是很大。

圖10 不同背壓下環境氣體速度平方

當環境氣體背壓減小到60 kPa時，環境壓力減小，噴霧容易破碎膨脹，導致6孔噴油器油束出現很明顯的油束相連并且聚集在軸線處，對環境氣體產生較大的推力，環境氣體速度增長幅度明顯，但 3孔和2孔噴油器環境氣體速度增長幅度不大。當環境氣體背壓減小到20 kPa時，環境壓力變小，噴霧剛出噴孔立刻破碎膨脹，導致6孔噴油器噴霧所有油束全部坍塌在噴油器軸線處，很快形成未受擾液核，速度快速增長，對周圍氣體產生強有力的推動力，速度增長幅度非常明顯。3孔噴油器噴霧擴張出現油束相連現象，加強了噴霧對環境氣體的推動力，環境速度增大明顯，但比6孔噴油器環境氣體速度增長小很多。2孔噴油器油束只是油束膨脹變寬，并沒有出現相連趨勢，所以環境氣體速度增長也不是很明顯。由于容器體積不變，環境氣體的密度會隨著環境背壓的減小而線性減小，所以在容器里所含的氣體質量也會減小(見圖11)。

圖11 不同環境背壓下氣體的密度

以燃油溫度85 ℃，環境背壓100 kPa的環境氣體的動能為基礎，歸一化處理其他工況下的環境氣體動能，定量分析結果見圖12。 由于試驗開始時環境氣體是靜止的，動能為零，所以環境氣體的動能全部由燃油噴霧傳遞而來。在低環境背壓時，由于燃油噴霧達到了過熱狀態，6孔噴油器油束聚攏、坍塌，并在噴油器軸線處聚集；3孔噴油器油束達到完全過熱時噴孔附近油束出現相連的現象，但沒有坍塌在噴油器軸線處；2孔噴油器油束膨脹變寬，但是沒有油束相連的現象。過熱工況時，燃油顆粒較小，且此時環境氣體密度也小，導致噴霧瞬間誘導環境氣體開始運動并且速度比較大。但是從動能公式1/2 mv2可知，環境氣體動能涉及到氣體速度和質量，由于環境密度的減小，環境氣體質量也會隨之減小，導致最終環境氣背壓從100 kPa減小到20 kPa時，燃油噴霧傳遞給環境氣體的動能減小。

圖12 不同背壓下歸一化的環境氣體動能

3 結論

a) 通過研究6孔、3孔和2孔等三款噴油器噴霧和環境氣體兩相流場相互影響的復雜關系，發現有兩個相鄰油束，有一個相鄰油束和沒有相鄰油束的噴霧傳遞給環境氣體的動能是不一樣的，相鄰噴霧油束會影響噴霧形態結構，導致噴霧和環境氣體兩相流場的變化；

b) 隨著燃油溫度的提高，6孔噴油器油束坍塌在軸線，噴霧和環境氣體兩相流場作用面積變大，環境氣體動能增幅比較大，為30%左右；3孔噴油器油束沒有坍塌，但是出現了油束相連的現象，環境氣體動能增幅小于6孔噴油器，為15%左右；2孔噴油器只是油束膨脹變寬，并沒有出現相連趨勢，環境氣體動能增長9%左右；噴霧傳遞更多的動能給環境氣體，使環境氣體運動變強，環境氣體運動反過來影響噴霧運動，體現出氣-液兩相流場復雜的關系；

c) 當環境氣體背壓減小時，三款噴油器噴霧形態都發生了膨脹和相連的變化，由于環境背壓的減小，噴霧更容易誘導環境氣體使其速度提高，因此隨著環境背壓的減小，環境氣體的速度增大，但由于環境密度減小，氣體質量減少，導致燃油噴霧傳遞給環境氣體的動能減少。

致謝：

感謝國家自然科學基金(51376119/E060502)及美國通用汽車對本研究的支持。

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[編輯: 李建新]

Effects of Nozzle Hole Number and Distribution on Interaction between Flash Boiling Spray and Ambient Gas of Gasoline Direct-injection Injector

TONG Sriguleng, XU Min, WU Shengqi

(National Engineering Laboratory for Automotive Electronic Control Technology, School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240， China)

In order to investigate the two-phase flow fields of fuel spray and ambient air of spark ignition direct injection (SIDI) engine, the optimized high speed two-color particle image velocimetry ( PIV) technology was applied to the velocity measurement of fuel spray and ambient air. PIV system consisting of special trace and filter system could measure the velocity of fuel spray and ambient air simultaneously. Effects of nozzle hole number and distribution on interaction between fuel spray and ambient air under different ambient pressures and fuel temperatures were studied based on three direct-injection injectors including one 6-hole injector, one 3-hole injector and one 2-hole injector. The results showed that the interaction between fuel spray and ambient air strengthened due to the better spray, the smaller fuel particle size and their produced wider spray beam and larger contact area with the increase of fuel temperature or the decrease of ambient pressure. Different interference intensity between spray beams for multi-hole injectors under normal and flash boiling conditions led to different kinetic energy transfer from fuel spray to ambient air. The momentum exchange between fuel spray and ambient air was enhanced by the stronger interference effect between beams, and thus the kinetic energy of ambient air increased.

fuel spray; fuel atomization; velocity measurement

2015-11-30;

2016-05-16

國家自然科學基金(51376119/E060502)

佟斯日古楞(1988—)，男，碩士，主要研究方向為發動機噴霧與氣液兩相流場；xiaotongnihao@126.com。

許敏(1962—)，男，教授，主要研究方向為發動機噴霧與燃燒、節能環保技術等；mxu@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.002

TK421.43

B

1001-2222(2016)03-0006-08