高溫環境下汽油燃料的射流特性

袁列杰， 秦靜， 裴毅強， 任源， 王志東， 劉威

(1.天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學 內燃機研究所，天津 300072)

為滿足日益嚴格的油耗排放法規，以缸內直噴技術為主導的汽油缸內直噴(gasoline direct injection,GDI)汽油機不斷向著小型強化方向發展。由于燃料在缸內與空氣混合的時間有限，缸內容易出現局部混合氣過濃，從而產生大量顆粒物等大氣污染物。研究表明，燃料以高于其臨界溫度和壓力的超臨界形式噴入汽油缸內直噴發動機氣缸內，將進一步改善燃料與空氣的混合，降低顆粒污染物排放，最終實現燃料更高效清潔的燃燒[1-2]。

在內燃機領域，國內外學者研究超臨界燃油噴射相對較晚，且最初是研究燃油噴射壓力對發動機性能的影響[3-4]。但是，實際發動機性能受制于燃油噴射壓力的限值和壓力影響的局限，很難再取得新的突破。對此，很多學者開始研究燃油溫度對噴霧混合的影響。Chen等[5]設計了一種新型的加熱式汽油缸內直噴噴油器，探究了燃油溫度對汽油、異辛烷等燃油噴霧宏觀結構的變化；Wu等[6]則研究了不同溫度下正戊烷在單孔、多孔、單槽噴油器下的噴射特性，說明了燃油狀態及噴油器噴孔結構對噴射特性的影響；同時，張淼等[7]也基于常溫常壓環境條件，研究了不同燃油溫度下汽油燃料亞/超臨界噴霧特性。顯然，不僅是燃油噴射壓力溫度，環境的溫度、壓力也對燃油噴射特性有顯著影響。為此，不少學者探究了非常溫常壓環境下燃油的噴射特性。如Wensing等[8]將正庚烷、正十二烷及正十六烷燃料噴入高于其臨界溫度壓力的環境中，發現燃油氣化會直接過渡到氣液兩相邊界消失的超臨界階段，不經過蒸發過程；Crua等[9]則借助于高速可視化系統進一步論證了燃油在高于其臨界溫度壓力環境下噴霧過渡到擴散混合氣所需要時間取決于環境氣體的壓力溫度以及燃料的特性。

至今，尚未有學者基于特定環境來研究汽油不同溫度對射流宏觀特性的影響。對此，本文選取GDI汽油機常用工況2 000 r·min-1BMEP=0.2 MPa(BMEP為平均有效壓力)，基于上止點前30 ℃A(曲軸轉角)左右時缸內氣體溫度壓力環境，研究了高溫環境下汽油燃料不同燃油溫度的射流特性。

1 試驗系統和方法

1.1 試驗裝置及工況條件

試驗系統如圖1所示，主要包括定容燃燒彈、燃油供給系統、溫度、壓力控制系統、同步觸發控制單元和圖像采集系統。

圖1 試驗系統示意Fig.1 Schematic diagram of testing system

試驗參數如表1所示。試驗中通過套在噴油器頭部的加熱裝置對燃油進行加熱，并利用二次儀表對加熱圈的電壓進行閉環調節，實現了燃油溫度的控制。其中，對燃油溫度測量標定則是通過伸入到噴油器頭部內的熱電偶間接測量噴油器壁面溫度來完成。燃油的噴射壓力是通過囊式蓄能器獲得，壓強可調范圍為0～31.5 MPa；考慮到單孔和5孔結構對貫穿距影響，設置單孔和5孔噴射壓強分別為8.3、10.2 MPa時，相同燃油溫度條件下單孔和5孔的貫穿距最為接近。定容燃燒彈內環境溫度通過爐瓦中鑲嵌的電熱爐絲來加熱，環境壓力則靠通入壓縮氮氣來獲得。

表1 試驗參數Table 1 Experimental specifications

1.2 紋影測試系統

為了更好觀測氣液兩相的存在，保證測量精度，試驗采用了“Z”型反射式平行光紋影測試系統。射流圖像的拍攝采用的是Photron公司生產的Fastcam SA5高速攝像機，分辨率為576×576像素，拍攝的幀率為10 000幀/s，光源采用功率為100 W的鹵素燈，紋影光路如圖2所示。

圖2 紋影光路示意Fig.2 Schlieren optical path diagram

1.3 圖像處理及參數定義

利用Matlab軟件設定適當的灰度閾值，對拍攝圖像進行去背景、轉化成灰度圖及二值化處理分析。如圖3所示，為了量化分析射流宏觀發展，定義貫穿距為射流軸線方向前鋒面頂端與噴孔之間最大距離；射流寬度d為垂直射流軸線方向上穿過流體的最大連線距離；射流錐角為等腰三角形頂角，由噴孔出口以下50%貫穿距L的射流圖像面積等效所得，有別于傳統計算的錐角θ方法[10-11]。根據Matlab軟件程序處理后的射流輪廓邊界計算得到射流的正向投影面積S及輪廓周長C。

圖3 射流參數的定義Fig.3 Definition of jets’ parameters

汽油為多種烴類組成的混合物，其臨界壓力和溫度不能直接測出。首先通過查閱資料得到汽油的蒸餾數據，據此得到汽油的體積平均沸點以及汽油比重，然后代入文獻[12]所述關聯式中計算修正，如表2所示，最終確定汽油的臨界壓力Pc為3.7 MPa,臨界溫度Tc為278 ℃。同時，參考文獻[7]定義,并對燃油的亞臨界態進行細分，設定燃油溫度Tf在188～244 ℃時為其低亞臨界階段，244～278 ℃時為其亞臨界階段，278 ℃以上時為其超臨界階段。

表2 汽油燃料的臨界點Table 2 Supercritical point of gasoline

1.4 分割閾值及重復性試驗對參數的影響

研究中，將每個燃油溫度點Tf進行3次重復試驗，利用圖像處理程序提取射流宏觀參數，并對定義參數求取平均值，以單孔射流貫穿距L為例，不同分割閾值對結果的影響如圖4(a)所示，3次重復試驗結果如圖4(b)所示。

圖4 分割閾值和重復實驗對單孔射流貫穿距的影響Fig.4 Influence of segmentation threshold and repeated experiments on single-hole jets’ penetration

此外，由于燃油在噴射初期發展不穩定及噴射后期干擾因素較多，不便于研究上述定義參數，所以后續單孔和5孔射流的流量化分析均以噴射中期1.5 ms ASOI (after start of injection)時刻展開，后面不再贅述。

2 單孔射流分析

2.1 射流形態發展

單孔射流形態發展如圖5所示。燃油從低亞臨界態轉變到亞臨界態時，對比射流明暗亮度，可以發現燃油離開噴孔初期，在噴射軸線方向中上游段有射流暗區，表明射流存在高密度液相流體；而在射流邊緣與環境介質接觸的地方為燃油氣化區域，射流明亮且亮度與環境氣體一致。隨著燃油溫度升高，射流與環境介質的密度差減小，其所受重力與環境氣體阻力逐漸平衡，射流前進軌跡彎曲逐漸消失。受內部湍流及周圍環境介質的擾動，射流邊緣存在凸起氣團，且射流初期形成的凸起氣團并不穩定。在噴射后期及噴油結束時，射流慣性力減小，對運動軌跡約束減小，射流表面結構變得異常不規則和隨機。進一步升高燃油溫度，燃油達到其超臨界態，射流溫度逐漸接近環境氣體溫度，2種介質之間相互作用減弱，使得射流邊緣凸起氣團減少。同時，在燃油溫度達到其臨界溫度后，繼續升高燃油溫度，初期射流輪廓呈現出常見的“球棒形”結構，且相比于低亞臨界和亞臨界態射流輪廓，超臨界態射流邊緣更加光滑規則。

圖5 單孔射流形態發展Fig.5 Development of single-hole jets′ structure

2.2 燃油溫度對射流特性影響

如圖6所示，在整個噴油期間，隨著噴射的進行，單孔汽油射流的貫穿距L逐漸增加，射流的貫穿距變化具有較好的單調性和連續性。在噴射初期，不同燃油溫度下的射流貫穿距變化隨機，而在噴射中期能夠形成穩定的發展，表明時刻t為1.5 ms ASOI處的射流狀態可表征射流發展的特點。

圖6 射流貫穿距時序變化(ASOI)Fig.6 Changes of jets′ penetration over time (ASOI)

如圖7所示，在燃油低亞臨界階段，受射流內部湍流、慣性力及與高溫環境作用的綜合影響，貫穿距的大小基本保持不變。繼續升高燃油溫度，燃料處于亞臨界態時，燃油過熱，閃急沸騰微爆效應明顯[13]，使得射流徑向擴散速度增加，軸向運動動量減小，且射流液相區慣性力隨其溫度升高而減小，均使得貫穿距減小。貫穿距在燃油溫度達到臨界溫度278 ℃時有最小值45.44 mm，超過臨界溫度后，燃油劇烈閃急沸騰，射流氣化量和流動動能增加，促進了射流內部湍流擴散進程，使貫穿距有突增的拐點，從44.43 mm驟增至51.58 mm，繼續升高燃油溫度，射流離開噴孔后基本氣化，射流貫穿距變化很小。

圖7 射流貫穿距和射流寬度(1.5 ms ASOI)Fig.7 Penetration and width of jets (1.5 ms ASOI)

在低亞臨態和亞臨界態時，燃油過熱，閃急沸騰微爆效應使得射流徑向擴散速度增加；同時，射流受內部湍流擾動及與環境介質發生熱量和動量交換的相互作用，且后者的影響更加顯著，使得射流邊緣出現了凸起氣團，導致射流輪廓發展不規則，射流寬度在17.78～21.68 mm范圍內波動變化。繼續升高燃油溫度至超臨界態，燃油氣化比例增加且分布更加均勻，微爆效應減弱，射流寬度有減小的傾向；在燃油溫度達到315 ℃后，射流輪廓略微內縮，射流寬度從19.94 mm逐漸減小至15.91 mm。

由圖8可知，在低亞臨界階段，燃油溫度從188 ℃升高到244 ℃時，射流錐角θ大小受燃油閃急沸騰微爆效應影響，射流錐角整體呈現增加的變化趨勢，且燃油溫度從227 ℃升高到244 ℃時，射流錐角增加了19%。繼續升高燃油溫度至260 ℃，燃油處于亞臨界態時，射流閃急沸騰微爆效應增強，使得其錐角增幅明顯，達到最大值36.24°。燃油從亞臨界態向超臨界態轉變時，越過燃油臨界點溫度278 ℃后，微爆效應減弱則使得射流錐角有一定程度的減小。

圖8 射流錐角的變化(1.5 ms ASOI)Fig.8 Changes of jets′ cone angle (1.5 ms ASOI)

圖9(a)為射流投影面積S。在低亞臨界階段，燃油溫度從188 ℃升高到244 ℃，燃油分子的熱運動及射流內部湍流加劇，有助于燃油的氣化擴散，射流投影面積從456.37 mm2增加到504.79 mm2。繼續升高燃油溫度至278 ℃，受高溫環境熱交換、動量交換等影響，射流擴散發展并不穩定，且在燃油溫度260 ℃時達到最大值524.93 mm2。當燃油溫度超過其臨界點溫度278 ℃時，燃油處于超臨界階段，劇烈閃急沸騰會造成射流內部劇烈的氣體擾動，射流輪廓變化顯著，使得整個射流氣化擴散的面積呈現動態變化。

射流輪廓周長C受射流貫穿距及環境氣動阻力作用的影響，并隨著燃油溫度的升高而不斷變化，如圖9(b)所示。在低亞臨界階段，燃油溫度從188 ℃升高到205 ℃，射流輪廓周長從150.6 mm增加到174 mm，增幅為15.6%；但是溫度超過205 ℃時，由于貫穿距減小，射流輪廓周長明顯減小。在亞臨界階段，縱使射流擴散面積不斷增加，但貫穿距減小及射流輪廓邊緣凸起氣團的減少明顯，最終也使得射流輪廓周長減小，在278 ℃時達到最小值140.55 mm。在超臨界階段，燃油溫度逐漸接近環境溫度，射流與高溫環境相互作用減弱，燃油分子熱運動使得射流輪廓變得光滑，凸起的氣團邊緣減少，輪廓周長整體上呈現減小的趨勢。

圖9 射流全局參數的變化(1.5 ms ASOI)Fig.9 Changes of jets′ global parameters (1.5 ms ASOI)

3 多孔射流分析

3.1 射流形態發展

從圖10中可以看出，不同燃油溫度下，射流形態隨著噴射進行而不斷發展變化。在低亞臨界階段，燃油溫度從188 ℃增加到244 ℃，射流外形沒有明顯變化；燃油溫度從244 ℃升高到278 ℃時，射流沿著噴射軸線及其垂直方向擴散，前鋒面有略微的凸起；繼續升高燃油溫度，燃油處于超臨界態時，射流寬度整體變大，前鋒面凸起顯著，射流擴散在燃油溫度300 ℃時達到最大的軸向距離。燃油溫度達到278 ℃后，不同于單孔射流，多孔射流在噴射中心軸線兩側發生了塌陷，且隨著燃油溫度的增加，塌陷愈發明顯；在燃油溫度到300 ℃后，整個射流形狀由“扇形”凹陷成“傘形”，噴射中心軸線方向前端出現凸起，并且同時在中心兩側規則地凹陷。隨著燃油溫度進一步升高，多孔噴射軸線中心兩側的塌陷逐漸消失，射流“傘形”形狀隨之不見，射流邊緣的不規則團狀凸起氣團逐漸消失，輪廓變得清晰規則。

圖10 5孔射流形態發展Fig.10 Development of 5-hole jet structure

3.2 燃油溫度對射流影響

圖11為不同燃油溫度下射流貫穿距隨時間的變化。在噴射初期的0.5 ms ASOI內，射流發展不穩定，其貫穿距L變化沒有規律；隨著時間的發展，噴射逐漸達到相對穩定，射流在噴射中期1.5 ms ASOI附近隨燃油溫度變化呈現穩定的規律性。在整個噴射期內，射流貫穿距變化連續且單調。

圖11 射流貫穿距時序變化(ASOI)Fig.11 Changes of jets′ penetration over time (ASOI)

如圖12所示，燃料溫度從188 ℃升高至278 ℃時，貫穿距呈現增大的趨勢，在300 ℃時達到最大值52.74 mm，繼續升高燃油溫度至345 ℃時，射流貫穿距整體上減小。其原因是：隨著燃油溫度的升高，汽油中低沸點的烴類物質逐漸氣化，高沸點的烴類物質尚未達到其沸點溫度，射流液相區受閃急沸騰作用及相鄰油束間干涉重疊的影響，導致射流軸線中心形成高速低壓區，產生強烈的氣流卷吸作用，使得射流中心產生塌縮現象[14-15]，且塌陷對射流影響大于其與高溫環境的氣體阻力作用，最終貫穿距增大。在超臨界階段，燃油溫度高于其臨界溫度后，高溫使氣相區分布均勻，致使射流中心流體速度高于兩側的程度越來越小，前鋒面中心凸起變小，貫穿距略微減小。

圖12 射流貫穿距和射流寬度(1.5 ms ASOI)Fig.12 Penetration and width of jets (1.5 ms ASOI)

燃油處于低亞臨界態時，射流寬度從47.21 mm增加至51.45 mm。其主要原因是，燃油溫度升高，其閃急沸騰微爆效應增強[16]，對射流寬度影響顯著，使得射流寬度增加。燃油在亞臨界態244 ℃時，多孔射流油束之間的干涉重疊開始明顯，射流寬度短暫減小；在亞臨界階段，射流中心塌陷的擠壓作用開始顯現，使得260 ℃時射流寬度有上升的突變，而兩者的綜合作用，使得射流寬度在亞臨界區起伏變化。繼續提高燃油溫度至超臨界態，射流中心塌陷的擠壓作用明顯，射流寬度在增加一定程度后保持基本穩定。

通過與單孔射流對比，可以發現多孔射流塌陷現象對貫穿距的影響遠超過慣性力及環境氣體阻力，且對射流寬度的作用明顯。隨著燃油溫度的升高，燃油過熱時閃急沸騰微爆效應，一方面促進了射流徑向的發展，限制了貫穿距的增加；另一方面也成

為多孔射流塌陷的原因之一，增加了射流寬度，也增加了貫穿距。

從圖13中可知，燃油在低亞臨界態時，射流錐角θ的變化不大，均在100°以上。燃油溫度升高至亞臨界態時，輕微閃急沸騰微爆效應使得射流錐角有變大的趨勢；同時，多孔射流受相鄰油束間的干擾及射流液相中心高速低壓流動的卷吸作用影響，射流外緣氣相區向內收縮靠近，且后者的影響更為顯著，導致射流錐角明顯降低，在278 ℃時射流錐角減小到94.23°。繼續升高燃油溫度，當其超過臨界點溫度278 ℃后，噴射類似于氣體射流，射流液相區的高速低壓流動影響逐漸變小，射流錐角減小的趨勢變緩，直至330 ℃后射流錐角的大小基本保持不變。

圖13 射流錐角的變化(1.5 ms ASOI)Fig.13 Changes of jets′ cone angle (1.5 ms ASOI)

如圖14(a)所示，燃油在低亞臨界態時，受內部湍流及周圍高溫環境氣動阻力的作用，射流表面輪廓復雜且隨機，射流的投影面積S變化沒有規律。在亞臨界階段，隨著燃油溫度升高，燃油分子間熱運動加劇，射流氣相區不斷擴大，使得整個燃油擴散面積增大。在溫度達到300 ℃后，射流與高溫環境介質的溫差逐漸變小，與環境介質進行熱交換、動量交換的能力不斷減弱，使得射流擴散面積增加的趨勢略有減小；燃油溫度在345 ℃時，射流擴散面積達到最大值2 112.17 mm2。

圖14 射流全局參數的變化(1.5 ms ASOI)Fig.14 Changes of jets′ global parameters (1.5 ms ASOI)

在燃油低亞臨界、亞臨界階段，由于燃油分子熱運動、射流內部湍流及與高溫環境的綜合作用是動態變化的，射流的輪廓周長C并不隨著擴散面積和燃油溫度同步單調變化，如圖14(b)所示。燃油在達到超臨界溫度300 ℃之后，繼續升高溫度至330 ℃，射流與環境介質的相互作用減弱，邊緣輪廓變得光滑，射流與環境的有效接觸周長變短，射流輪廓周長明顯下降。進一步提高溫度至345 ℃，射流輪廓周長基本不變，保持在258 mm左右，表明此時以燃油分子熱運動為主導的擴散作用對射流輪廓周長影響不大。

對比圖9、圖14的射流全局參數，可以看出多孔射流投影面積和輪廓周長的影響因素及變化與單孔射流一樣。受內部湍流、高溫環境的影響，射流輪廓隨燃油溫度變化而變化；而超臨界狀態下以燃油分子熱運動為主導的擴散作用使得單孔和多孔射流輪廓逐漸光滑，射流投影面積和輪廓周長的變化減小。

4 結論

1)單孔、多孔射流的貫穿距、射流寬度均受其慣性力、內部湍流及與高溫環境氣體作用的影響。在燃油亞臨界態和超臨界態時，多孔射流還受閃急沸騰的作用及相鄰油束之間的干擾，導致射流中心發生塌陷，使得多孔射流貫穿距、射流寬度發展趨勢異于單孔射流。

2)提高燃油溫度至不同的臨界狀態，對射流錐角的影響存在差異。在亞臨界階段時，燃油閃急沸騰微爆效應使得射流錐角有增加的趨勢；在超臨界階段時，射流內縮，致使射流錐角明顯減小。

由于試驗缺乏射流中燃油粒徑、粒速的測量，一些宏觀現象的解釋尚未有必要的數據支撐，缺乏公認的理論來闡述，所以后續的試驗將圍繞超臨界射流粒徑、粒速等微觀特性參數測量展開，以及進行不同環境條件下的超臨界射流特性研究，從而更加全面的認識超臨界射流的特性，進一步完善理論分析。