超高噴射壓力下GDI噴油器噴霧宏觀特性

張丹，裴毅強，王琨，王同金，劉斌，胡鐵鋼，王振平，季思思

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超高噴射壓力下GDI噴油器噴霧宏觀特性

張丹1，裴毅強1，王琨1，王同金1，劉斌2，胡鐵鋼2，王振平2，季思思2

(1. 天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津，300072；2. 重慶長安汽車股份有限公司 動力研究院，重慶，401120)

為了探究在超高噴射壓力下GDI(gasoline direct injection)噴油器噴霧的宏觀特性，采用陰影法對噴射壓力為5~60 MPa的噴霧進行測量，分析噴射壓力對油束發展歷程、貫穿距離、噴霧錐角、噴霧面積以及噴油器尾噴現象的影響，并通過對DENT經驗公式進行修正，得到超高噴射壓力下汽油的貫穿距離計算公式。研究結果表明：噴射壓力的提高能夠促進噴霧外圍“分支狀結構”的生成；噴射壓力的提高使貫穿距離明顯增大；噴霧面積隨噴射壓力的提高有所增加，但增幅逐漸減小；噴射壓力每增加10 MPa，噴霧錐角峰值平均增加1.5°；當噴射壓力達到30 MPa及以上時，噴油器尾噴現象基本消失；隨著噴霧發展，貫穿距離和噴霧面積均呈現一定程度的線性增大；噴霧錐角呈先上升后下降，最后穩定在82°左右的趨勢。

超高；噴霧；宏觀特性；GDI噴油器；噴射壓力

缸內直噴(gasoline direct injection, GDI)技術是汽油機向小型強化方向發展的重要技術之一，在提高汽油機動力性和燃油經濟性、實現精確的空燃比控制和降低尾氣排放物等方面具有較大的優勢[1]。目前，GDI發動機的相關研究已成為發動機研究領域的熱點[2?4]。但由于GDI發動機將燃油直接噴入缸內，燃油與空氣混合時間較短，易造成局部混合氣過濃的現象，導致顆粒物排放量較大。提高GDI發動機燃油的噴射壓力，能夠使噴霧粒子更加細化[5]，增加燃油的蒸發速率，從而使油氣混合更迅速、均勻，燃燒更充分，有利于減少顆粒物的排放。但由于汽油黏度小，對GDI噴油器的潤滑效果較差[6]，燃油的噴射壓力一般不超過 20 MPa[7]。隨著噴油器技術的發展[8]，國際上在提高噴射壓力對汽油噴霧特性影響方面也逐步開展了研究。PAYRI等[9]采用柴油高壓共軌噴射系統研究了常溫常壓狀態下噴射壓力為150 MPa以下的汽油噴霧的宏觀特性，并與柴油進行比較，建立了噴霧貫穿距離的經驗公式；LEE等[10]使用相位多普勒粒子分析儀和CCD相機研究了GDI發動機多孔噴油器在30 MPa噴射壓力以下正庚烷的油滴破碎和霧化過程。但上述試驗均采用的是汽油的替代燃料或柴油噴油器，不同的燃料在密度、黏度及表面張力系數等理化性質方面具有較大的差異，且柴油噴油器在結構設計方面與GDI噴油器也不盡相同，導致噴霧特性與實際GDI噴油器汽油噴霧情況存在很大不同。目前，國內外關于30 MPa及以上的超高噴射壓力對GDI噴油器汽油噴霧特性影響的研究較少，尤其缺乏采用汽油燃料探究超高噴射壓力對GDI噴油器噴霧形態和宏觀特性參數影響方面的詳細試驗研究。GDI發動機采用超高壓噴射有助于滿足日益嚴格的排放法規，因此，研究超高噴射壓力下GDI噴油器的噴霧特性具有重要的現實意義。噴油器尾噴現象反映了一種不正常的噴霧狀態，易造成發動機轉速不穩定、燃油消耗率增加和尾氣中顆粒物增多等不良后果。關于噴油器尾噴現象的研究主要集中在柴油噴油器方面[11]，對GDI噴油器尾噴現象的研究仍較少，因此，研究超高噴射壓力下GDI噴油器的尾噴現象也具有一定的理論和工程使用價值。本文作者采用陰影法成像測試技術在定容彈內對在5~60 MPa噴射壓力下5孔GDI噴油器進行試驗研究，并將噴霧宏觀形態參數化，分析超高噴射壓力對噴霧發展歷程、貫穿距離、噴霧錐角和噴霧面積以及噴油器尾噴現象的影響，為充分認識超高噴射壓力下汽油噴霧形態發展、油束破碎霧化提供有價值的信息和參考，為提高GDI發動機缸內混合氣質量、優化噴油器缸內結構布置和噴油策略、解決GDI發動機顆粒物較多問題提供一定的理論參考。

1 試驗系統及方法

1.1 試驗設備和工況

本試驗采用的陰影法噴霧試驗系統如圖1所示，可獲得高清晰度的噴霧圖像。試驗系統主要由定容彈、燃油供給系統、計算機電控單元、高速攝像機和LED背景光源等組成。燃油供給系統可提供0.1~65.0 MPa的油壓，精度能控制在±0.1 MPa，汽油溫度能控制在(20±0.1) ℃。高速攝像機采用Photron公司的Fastcam SA1.1 型相機，試驗的拍攝頻率選取為10 000幀/s，分辨率為768像素×768像素。計算機電控單元能夠控制噴油脈寬、噴油器和高速攝像機的同步觸發、噴霧圖像的采集和儲存。定容彈的視窗直徑為160 mm，頂部安裝試驗噴油器，噴孔直徑為0.174 mm，此噴油器能夠在60 MPa及以下的噴射壓力下連續穩定工作。

本試驗的噴油脈寬定為2.8 ms。在分析噴霧特性時，采用噴油信號發出后(after start of injection，ASOI)的計時方式。噴射壓力變化范圍為5~60 MPa，每隔 5 MPa設置1個工況點。定容彈環境設置為常溫、常壓狀態，即環境溫度為20 ℃，環境背壓為0.1 MPa。為了減小噴霧過程中噴霧圖像的隨機誤差，對每個工況點重復試驗50組。

1—計算機；2—噴油器控制電路；3—壓力傳感器；4—溫度傳感器；5—電動蓄能器；6—燃油箱；7—空氣壓縮機；8—LED背景光源；9—定容彈；10—GDI噴油器；11—高速攝像機。

1.2 參數定義及圖像處理

為了全面表述及定量分析噴霧宏觀特征，引入噴霧貫穿距離、噴霧錐角[12]和噴霧面積等參數，如圖2所示。貫穿距離為噴油器噴孔到噴霧外部輪廓的最大垂直距離。噴射壓力對噴霧的影響主要是通過改變噴霧的初始速度而起作用的[13]，因此，引入噴霧油束前鋒速度來定量分析貫穿距離的變化規律。噴霧油束前鋒速度的定義為

式中：為相鄰2幀噴霧圖像中噴霧面積之差。

噴油器尾噴現象是指在噴霧結束后，仍有少量燃油從噴孔噴射出，呈絮絲狀或大液滴狀，不易霧化蒸發，在噴孔處形成極不均勻的混合氣的一種不正常的噴霧現象。在噴霧結束(3.1 ms)后的噴霧圖像中，觀察到噴油器頂部區域燃油油束發生了明顯的斷裂現象，存在1個燃油斷裂帶，如圖3中劃圈區域所示，斷裂帶上方的油束即為尾噴油束。為定量研究噴油器尾噴現象，引入尾噴油束面積來表征尾噴油束的破碎、擴散情況，引入尾噴油束平均灰度來表征尾噴油束霧化蒸發的程度。尾噴油束面積定義為尾噴油束在與高速攝像機拍攝軸線垂直平面上的投影面積，尾噴油束平均灰度定義為噴霧圖像中尾噴油束灰度的平均值。

通過Matlab軟件編寫的圖像處理程序對每幅噴霧圖像進行去背景處理，并用直方圖判斷出適當的圖像分割閾值，再將噴霧圖像轉換為灰度圖，在此基礎上，利用最大灰度變化率邊緣檢測算法提取，然后計算各參數值。

圖3 尾噴油束的定義

為了全面、直觀地獲得5孔GDI噴油器各油束的噴霧特性，對噴油器進行了正面和側面拍攝，如圖4所示，圖4中，數字1~5代表5個孔的編號。在正面噴霧圖像中，可以觀測到每個油束的發展歷程，能夠充分展示5孔噴油器噴霧的宏觀特性，因此，只對正面噴霧圖像進行圖像處理，獲得噴霧特性參數值并予以分析。

圖4 GDI噴油器的噴霧油束方向

2 試驗結果及分析

2.1 噴霧油束的發展歷程

2.1.1 正面噴霧油束的發展

圖5所示為噴射壓力分別為10，30和50 MPa的正面噴霧圖像。由圖5可知：在噴霧初期，噴霧輪廓清晰、平滑，噴霧的尖端較為鋒銳；隨著噴霧的進行，噴霧前鋒逐漸變為圓鈍型，并分布大量破碎的液滴和霧絲；各油束橫向擴散加速，油束之間的間隙被逐步填充；油束外圍產生大尺度的渦旋型結構；而油束的頂部邊緣依然平滑。

噴射壓力的增大能夠加快噴霧前鋒轉變為圓鈍型的速度，橫向擴散速度也隨之增大，大尺度渦旋型結構提前出現且更加明顯。

2.1.2 側面噴霧油束的發展

圖6所示為噴射壓力分別為10，30和50 MPa的側面噴霧圖像。由圖6可見：噴油器中心孔噴射出的油束1與其余4束油束夾角相對較大，碰撞聚合概率較小，可單獨分析油束1的噴霧形態。

在油束1自噴孔噴出后，沿噴油器軸向迅速發展，油束動量較大，受環境氣體的剪切作用相對較弱，油束輪廓平滑、清晰，前鋒尖銳，整體成紡梭型。隨著噴霧的進行，油束1前端的動量由于受環境氣體的阻礙作用而減小，軸向擴散變慢，徑向擴散加快，油束前鋒逐漸轉變成圓鈍型。油束外圍由于卷吸作用而產生了反向渦旋的“分支狀結構”[10]，如圖7所示。由圖7可見：這些“分支狀結構”隨后逐漸脫離油束主體，破碎形成細小的液滴。隨著油束的發展，相鄰2個“分支狀結構”之間的距離有增加的趨勢。

隨著噴射壓力的增大，油束1前鋒提前轉變為圓鈍型，其外圍的“分支狀結構”數量增加。當增大噴射壓力時，噴油器孔內湍流流動增強，加劇了燃油的空化作用[14]，油束受其擾動影響增大；且油束1的初始動量變大，外圍受環境氣體的剪切作用增強，促進了“分支狀結構”的生成，使其數量增加，加大了其脫離油束主體的速度。

圖5 噴射壓力分別為10，30和50 MPa的正面噴霧圖像

圖6 噴射壓力分別為10，30和50 MPa的側面噴霧圖像

圖7 噴霧油束外圍的“分支狀結構”

2.2 噴射壓力對貫穿距離的影響

圖8所示為噴霧貫穿距離和噴霧油束前鋒速度隨噴射壓力的變化。由圖8可見：噴霧油束的貫穿距離隨著噴霧的進行不斷增加，但其增長速度逐漸下降，尤其在噴霧初期增長速度下降較快。從0.4 ms到 0.8 ms，噴霧前鋒速度大幅下降，當噴射壓力為60 MPa時，由225.7 m/s驟降至47.6 m/s，降幅達78.9%。這是由于在噴霧初期，油束的動量大，當燃油噴射到相對靜止的環境氣體中時，油束前鋒受環境氣體的阻力大，動量損失也較大。隨著噴霧的持續進行，油束前鋒的動量不斷減小，且油束前峰燃油蒸發程度增加，使前鋒速度保持緩慢下降的趨勢，貫穿距離的增長趨勢變緩。

(a) 貫穿距離；(b) 噴霧油束前鋒速度

噴射壓力的增大能夠大幅度地增加噴霧油束的初始速度，噴射壓力每增加10 MPa，噴霧油束初始速度增加約23.5%。在環境背壓不變的情況下，高的噴射壓力可以使噴霧油束獲得較大的初始速度，因此，噴霧的貫穿距離在噴霧初期內增加更加迅速。當噴霧穩定后，不同噴射壓力下的油束前鋒與環境氣體之間的相互作用近似相同，油束前鋒速度相差不大，貫穿距離保持著相同的增長趨勢，從而使高的噴射壓力下的噴霧貫穿距離相對較大。噴射壓力每增大10 MPa，噴霧貫穿距離平均增加6%。因而，在GDI發動機設計初期應充分考慮噴霧貫穿距離與燃燒室的設計匹配。

為了定量研究噴霧貫穿距離隨噴霧時間的變化規律，國內外提出了大量計算貫穿距離的經驗公式，但汽油超高壓噴霧貫穿距離的計算公式較少。本文在廣泛應用的DENT經驗公式[15]的基礎上進行優化，得出適合超高噴射壓力下汽油噴霧貫穿距離的計算公式為

式中：，，，，和均為系數。

1—20 MPa試驗值；2—20 MPa擬合值；3—20 MPa計算值；4—40 MPa試驗值；5—40 MPa擬合值；6—40 MPa計算值；7—60 MPa試驗值；8—60 MPa擬合值；9—60 MPa計算值。

圖9 噴射壓力為20，40和60 MPa的噴霧貫穿距離的試驗值、擬合值和DENT公式計算值的對比

Fig. 9 Comparison of spray penetration experimental values, fitted values and DENT formula calculation values under injection pressures of 20, 40 and 60 MPa

圖10所示為噴射壓力為20，40和60 MPa的噴霧貫穿距離的試驗值和擬合值的誤差，包括平均相對誤差和標準差。由圖10可知：試驗值和擬合值的平均相對誤差低于3%，標準差在1%以內，說明式(5)在本試驗條件下，可定量地反映超高噴射壓力下汽油的噴霧貫穿距離變化情況。

2.3 噴射壓力對噴霧錐角的影響

圖11所示為不同噴射壓力下噴霧錐角隨時間的變化情況。由圖11可知：在噴霧初期，噴油器針閥迅速開啟，在噴油器油腔內形成變化劇烈的壓力波，導致燃油湍流能增強，加劇了噴孔內部的空化現象[14]，同時從噴孔噴射出的高速燃油與環境氣體之間產生的遞增摩擦力克服了燃油自身的黏性力，使油束橫向擴散，因此，噴霧錐角迅速增加。隨著噴霧的進行，噴油器油腔內的壓力變動逐漸衰減，油束前鋒的動量受環境氣體的阻礙作用不斷減小，當兩者的摩擦力與燃油的擴散阻力平衡時，噴霧錐角達最大值；隨著油束與環境氣體的混合不斷增強，油束外圍的油滴逐漸蒸發為氣體狀態，從而使噴霧錐角減小；當噴霧穩定后，噴霧錐角基本保持不變，僅由于針閥開啟階段在噴油器油腔內產生壓力膨脹波和反射波，引起噴孔處壓力差波動，導致噴霧錐角在一定范圍內輕微波動。

圖10 噴射壓力為20，40和60 MPa的噴霧貫穿距離的擬合值和試驗值的誤差

噴射壓力/MPa：1—10；2—20；3—30；4—40；5—50；6—60。

在不同噴射壓力下，噴霧錐角隨噴霧發展呈現類似的變化趨勢。隨著噴射壓力的增大，噴油器油腔內的壓力波動更加劇烈，進一步加劇了噴孔內部的空化現象，使噴霧錐角變化更加明顯；同時，噴射壓力的增大增加了燃油的初始速度，使燃油與環境氣體之間的摩擦力增加，加劇了燃油的破碎，促進油束橫向擴散，因此，噴霧初期的噴霧錐角峰值隨著噴射壓力的增大略有增加。噴射壓力每增加10 MPa，噴霧錐角峰值增大約1.5°。在噴霧穩定后，各噴射壓力下的噴霧錐角基本保持一致，穩定在82°左右。

2.4 噴射壓力對噴霧面積的影響

圖12所示為不同噴射壓力下噴霧面積及其變化率隨時間的變化情況。由圖12可以看出：在噴油初期，噴霧面積迅速增大，由于此時油束具有較大的速度，有利于液滴破碎，加劇其向四周擴散；隨著噴霧的持續進行，油束外圍的液滴受環境氣體的摩擦力而發生二次破碎，逐漸轉變為氣體狀態，此時，噴霧面積的增加速率有所下降；在噴霧穩定之后，噴霧面積呈線性增加趨勢；在噴霧結束后，燃油供應停止，油束擴散速率降低，燃油液滴不斷蒸發，導致噴霧面積增加速率有所下降。

(a) 噴霧面積；(b) 噴霧面積變化率

隨著噴射壓力的增大，噴油器孔內外壓力差增大，燃油流經噴孔的速度變大，瞬時噴油率增加，噴射出的燃油具有較大的初始速度，與環境氣體的卷吸作用增強，加快了燃油擴散速度，同時，噴射壓力的增大能夠強化噴油器內部湍流，加劇噴孔內燃油的空化作用，增加油束的不穩定性，促進油束的初次破碎，因此，噴霧面積隨噴射壓力的增大有所增加。但噴霧面積隨噴射壓力增大的增幅在不斷減小，這是因為噴射壓力的增大能夠促進液滴的破碎，加快燃油的蒸發速率，使油束外圍液滴轉變為氣態的時間縮短。這說明提高噴射壓力能夠明顯增大燃油在氣缸內的分布范圍，有利于在短時間內形成均質混合氣。

2.5 噴射壓力對尾噴現象的影響

在噴霧結束階段，由于噴油器針閥落座過程持續時間較長，油腔內的壓力逐漸降低，燃油流動的湍動能隨之減弱，從而使噴孔噴射出的燃油速度較低，易形成較大的油滴或絮絲狀油束，導致出現噴油器尾噴 現象[18]。

圖13所示為在10，20和30 MPa的噴射壓力下尾噴油束的發展歷程。從圖13可見：在噴霧結束后，噴油器尾噴現象形成的絮絲狀油束逐漸破碎成直徑較小的液滴，但破碎時間相對較長且直徑依然很大，不利于燃油的霧化蒸發。隨著噴射壓力增大，噴油器尾噴現象有所減弱，尾噴油束的破碎更容易進行，破碎后形成的液滴的擴散范圍明顯增大。當噴射壓力達到30 MPa及以上時，噴油器尾噴現象基本消失。高的噴射壓力能夠使在噴油器針閥落座過程中噴射出的燃油仍具有較高的速度，促進燃油破碎蒸發，因此，在很大程度上降低了油絲和較大油滴產生的可能性。

圖14所示為在噴射壓力為5~25 MPa下尾噴油束面積和平均灰度隨時間的變化情況。由圖14可見：在同一噴射壓力下，在3.2 ms時，尾噴油束面積和平均灰度都較小，說明燃油聚集程度高，燃油質量濃度大；隨著尾噴油束的發展，尾噴油束面積和平均灰度不斷增加，但增長速率逐漸變小。這是由于在噴霧結束后的初期，尾噴油束仍具有較高的速度，促進其破碎轉變為液滴，向四周擴散，加速燃油蒸發。隨著液滴速度的不斷減小，當液滴與環境氣體的摩擦力與液體內的黏性力相平時，液滴不再破碎，此時，液滴的相對表面積依然較小，不利于蒸發，尾噴油束面積和平均灰度的增加有所減緩。增大噴射壓力能大幅度增大尾噴油束的初始速度，促進其破碎蒸發，增加尾噴油束面積和提高平均灰度的增長速率，加大尾噴油束與環境氣體的混合程度，有效地減小尾噴現象對缸內燃燒產生的不良影響。

圖13 噴射壓力為10，20和30 MPa下尾噴油束的發展

(a) 尾噴油束面積；(b) 尾噴油束平均灰度

3 結論

1) 由于卷吸作用，油束外圍會出現“分支狀結構”，隨著油束的發展，相鄰2個“分支狀結構”之間的距離增加；噴射壓力的增大能夠促進“分支狀結構”的生成，使其數量增加。

2) 噴霧貫穿距離隨著噴射壓力的增大而增大；噴霧油束前鋒速度在噴霧初期驟降，隨后呈平緩下降趨勢；通過對DENT經驗公式進行修正后，得到了超高噴射壓力下汽油噴霧貫穿距離的計算公式。

3) 隨著油束的發展，噴霧錐角呈現先上升后下降然后趨于平穩的態勢；噴射壓力每增大10 MPa，噴霧錐角峰值增加1.5°；噴射壓力的增加對噴霧穩定后的噴霧錐角影響作用不大。

4) 隨著油束的發展，噴霧面積呈現一定程度線性增加的趨勢；噴霧面積隨著噴射壓力的增大增加，但增幅不斷減小。

5) 隨著噴射壓力增大，尾噴現象有所減弱；當噴射壓力達30 MPa及以上時，尾噴現象基本消失。

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(編輯 劉錦偉)

Spray macroscopic characteristics of GDI injector under ultra-high injection pressure

ZHANG Dan1, PEI Yiqiang1, WANG Kun1, WANG Tongjin1, LIU Bin2, HU Tiegang2, WANG Zhenping2, JI Sisi2

(1. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. Powertrain Engineering R&D Center, Chongqing Changan Automobile Co. Ltd., Chongqing 401120, China)

In order to explore the spray macroscopic characteristics of GDI(gasoline direct injection) injector under the ultra-high injection pressure, the spray under the injection pressures from 5 MPa to 60 MPa was measured by the shadow photographic method, and the effects of injection pressure on the spray development process, the spray penetration, the spray angle, the spray area and the post injection phenomenon were analyzed. The calculation formula of gasoline spray penetration under the ultra-high pressure was obtained by modifying the DENT empirical formula. The results show that the increase of injection pressure promotes the generation of “branch-like structure” on the outside of the spray. The increase of injection pressure increases the spray penetration obviously. As the injection pressure increases, the spray area increases, but its increasing rate decreases gradually. When the injection pressure increases 10 MPa, the spray angle peak increases by 1.5° on the average. When the injection pressure reaches 30 MPa or above, the post injection phenomenon disappears basically. Along with the development of the spray, the spray penetration and the spray area increases linearly to a certain extent; the spray angle increases first and then decreases, and finally stabilizes at about 82°.

ultra-high; spray; macroscopic characteristic; GDI injector; injection pressure

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.031

TK413.8

A

1672?7207(2018)05?1272?09

2017?05?23；

2017?07?30

國家科技支撐計劃項目(2014BAG10B01) (Project(2014BAG10B01) supported by the National Key Technology Support Program)

裴毅強，博士，副教授，從事GDI發動機研究；E-mail: peiyq@tju.edu.cn