高溫燃油噴霧靜態(tài)質(zhì)量流量的實驗

劉雙寨，徐宏昌，潘浩星

（上海交通大學汽車電子控制技術國家工程實驗室，上海 200240）

0 引言

火花點燃直接噴射技術（SIDI）已成為汽油發(fā)動機的主流技術，因為它的發(fā)動機瞬態(tài)響應更快，并且燃油效率比進氣道噴射發(fā)動機更高。這些優(yōu)點很大程度上依賴于高壓噴射，高壓噴射可以精確控制噴油量，并實現(xiàn)理想的霧化［1-2］。但是，這些優(yōu)點是有限的，因為當噴射壓力很高時，進一步增加噴射壓力便不再有益。此外，高壓噴射還存在一些缺點，由于其噴霧貫穿距較長，液體燃油噴霧對氣缸壁或活塞頂部的撞擊更為明顯。這會導致潤滑劑稀釋和燃油粘附，后者會導致池火，使未燃碳氫化合物和碳煙排放上升。因此，需要替代技術來解決這些問題。有鑒于此，Xu等［3］對多孔直噴噴油器產(chǎn)生的閃沸噴霧進行了表征，并證明了相比高壓噴射，閃急沸騰為SIDI燃燒系統(tǒng)提供了一種更易于實現(xiàn)和更好的方法來生成理想噴霧。因此，閃沸噴霧已受到人們的關注。

學者們已經(jīng)開展了大量工作來研究閃沸噴霧的機理。實驗研究和數(shù)值模擬均表明，單孔噴油器閃沸噴霧具有更寬的噴霧錐角、更短的噴霧貫穿距和更小的液滴索特平均直徑（SMD）［4-5］。在多孔噴油器上進行的實驗表明，閃沸噴霧會發(fā)生坍塌，即多束噴霧射流坍塌成單束［6］。其他關于閃沸噴霧的研究包括使用平面雙相激光誘導熒光（LIEF）進行內(nèi)部結(jié)構測量［7］；使用高速粒子圖像測速法（PIV）測量二維噴霧流場［8］；使用LIEF研究閃沸噴霧的蒸汽濃度和液相分布［9］；使用無量綱分析方法系統(tǒng)分析燃油類型、燃油性能、燃油壓力、燃油溫度和環(huán)境壓力對噴霧宏觀特性的影響［10-11］，然而，根據(jù)文獻［12-13］中的觀察，由于噴嘴內(nèi)部會產(chǎn)生氣泡，噴嘴內(nèi)部液體流通截面積減小，預計這會影響噴射流量，但尚未有相關的實驗研究。燃油噴射量是影響直噴發(fā)動機燃燒的重要參數(shù)［14-15］，因此有必要研究閃沸噴霧的噴射流量。

在大范圍的過熱工況下，本文研究了燃油溫度、環(huán)境壓力和過熱度對噴射流量的影響。用統(tǒng)計學方法對流量進行了測量和推導。結(jié)合先前對閃沸噴霧和光學噴嘴內(nèi)部過熱流動的研究，綜合分析了噴射流量的變化規(guī)律。在非過熱工況下，流量保持不變。在過熱工況下，流量和當量流通截面積隨過熱度和溫度的升高而降低。

1 實驗方法及測試工況

圖1 給出測量噴射流量的實驗裝置示意圖。實驗在定容彈中進行，壓縮氮氣和真空泵控制環(huán)境壓力在20～100 kPa之間（絕對壓力），噴油器周圍的熱交換器將燃油溫度控制在20～60 ℃之間。水浴是熱交換器的熱源。利用填充有壓縮氮氣的蓄壓器控制燃油噴射壓力為5 MPa。

圖1 實驗裝置示意圖

研究中測試的噴油器是一個帶有閥蓋噴孔（VCO）階梯型噴嘴的八孔電磁閥噴油器，每個孔的直徑D ＝0.15 mm，長徑比L／D ＝2。如圖2 所示，噴油器的公稱角度為60°，燃油為正戊烷。過熱度（即環(huán)境壓力與燃油飽和蒸氣壓的比值pa／ps））取決于燃油溫度和環(huán)境壓力，pa／ps值越低意味著過熱度越高。

圖2 八孔VCO階梯型噴嘴的橫截面示意圖

當前大多數(shù)平均噴射流量的測量是在燃油從噴嘴排出后進行，通過收集和稱重噴射的燃油來實現(xiàn)的。但是，使用這種方法測量閃沸噴霧流量并不可靠，因為部分燃油會迅速蒸發(fā)從而無法收集。因此，在燃油供應管線中安裝了科里奧利流量密度計，以測量靜態(tài)質(zhì)量流量，它記錄了跨越數(shù)百個脈沖的總?cè)加土俊４送猓评飱W利流量密度計還用于測量不同溫度下的燃油密度。

圖3 給出了每個脈沖的質(zhì)量流量與噴射脈寬／噴射持續(xù)期之間的關系。從圖3 可以看出，每個脈沖的平均動態(tài)流量（mg／pulse）隨著噴射脈寬的增加而線性增加，斜率便是靜態(tài)質(zhì)量流量（g／s）。

圖3 每個脈沖的平均質(zhì)量流量與噴射持續(xù)期的關系

基于伯努利方程，液態(tài)燃油的初始射流速度，

式中：u為液態(tài)燃油的初始噴射速度；Δp 為燃油與環(huán)境空氣之間的壓力差；ρl為液態(tài)燃油的密度；CD為噴嘴的排放系數(shù)。因此，質(zhì)量流量，

Asihmin提出了如下的經(jīng)驗公式來估算CD，即

在L／D ＝2～5 且Re ＝100～150 000 范圍內(nèi)，預期精度為1.5%。預計過熱度越高，即pa／ps值越低的燃油汽化速度越快，閃沸效果越強。如表1 所示，通過在20～60 ℃之間調(diào)節(jié)燃油溫度，在20～100 kPa 之間調(diào)節(jié)環(huán)境壓力，本文研究了pa／ps在0.09～1.75 之間的噴射流量。

2 結(jié)果及討論

當燃油溫度從20 ℃升高到60 ℃，正戊烷的黏度和密度分別降低約28.3%和6.4%。相應地，Re在27 209～35 845之間變化，這意味著慣性力遠大于黏性力。因此，黏度的影響可忽略不計。另外，根據(jù)式（3），CD在該雷諾數(shù)覆蓋的范圍內(nèi)幾乎不變。圖4 展示了環(huán)境壓力對燃油質(zhì)量流量的影響。當環(huán)境壓力從100 kPa降低到20 kPa，20～60 ℃間相同的燃油溫度下，質(zhì)量流量降低不到5%。圖5 顯示了燃油溫度對燃油質(zhì)量流量的影響。當燃油溫度從20 ℃升高到60℃，在20～100 kPa間相同的環(huán)境壓力下，質(zhì)量流量降低不到12%。

表1 不同燃油溫度和環(huán)境壓力下的燃油過熱度（pa／ps）

圖4 正戊烷的黏度和密度與溫度的關系

圖5 環(huán)境壓力對燃油質(zhì)量流量的影響

這些影響與式（2）一致。當環(huán)境壓力從100 kPa降低到20 kPa，壓差增加了80 kPa（從5 MPa 到5.08 MPa），這導致燃油質(zhì)量流量增加了0.5%。同時，降低環(huán)境壓力會增強噴霧的閃沸，從而降低燃油質(zhì)量流量。當燃油溫度從20 ℃升高到60 ℃，燃油密度最多降低6.4%，這導致燃油質(zhì)量流量降低了約3.25%。同時，升高燃油溫度會增強噴霧的閃沸，從而進一步降低燃油質(zhì)量流量（見圖6）。

圖6 燃油溫度對燃油質(zhì)量流量的影響

圖7 展示了每個脈沖（噴油脈寬2 ms）的平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量與過熱度的關系。這些數(shù)據(jù)涵蓋了20～60 ℃的燃油溫度和20～100 kPa 的環(huán)境壓力，對應于0.09～1.75 的pa／ps。從圖5 中可以看出，平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量與pa／ps的關系相似。特別地，在相同溫度下，平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量在液態(tài)下（pa／ps＞1）幾乎保持恒定。當pa／ps從1.0降至0.3 時，平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量均降低了約10%。pa／ps＜0.3 時，平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量僅有微小變化。此外，燃油溫度升高導致燃油密度降低，從而平均質(zhì)量流量和靜態(tài)質(zhì)量流量降低，這與式（2）一致。值得注意的是，溫度，環(huán)境壓力和過熱度對質(zhì)量流量的影響涉及它們對密度和壓差的影響。為了排除密度和壓差的影響，引入了歸一化當量流通截面積（Ae／A0），其中A0是液相當量流通截面積。

圖7 質(zhì)量流量與過熱度的關系

圖8 給出了歸一化當量流通截面積與pa／ps的關系。可以看出，在液相（pa／ps＞1）中，歸一化當量流通截面積保持在約1.0。當pa／ps從1.0 降低到0.3 時，歸一化當量流通截面積迅速減小了8%。當pa／ps低于0.3 時，歸一化當量流通截面積僅隨pa／ps的減小而略有減小。圖8 還顯示，在相同的pa／ps下，溫度越高，歸一化當量流通截面積越小。Wu等［14］的工作解釋了這一現(xiàn)象，如圖9 所示。該圖展示了在不同燃油溫度和過熱度下，二維透明噴嘴內(nèi)近出口處過熱流動的圖像。蒸汽氣泡沿噴嘴壁生成并向中心發(fā)展。氣泡的大小表征噴嘴內(nèi)部的蒸發(fā)強度。一方面，蒸發(fā)隨著pa／ps的降低而增強；另一方面，在pa／ps值相似時，燃油溫度越高，噴嘴內(nèi)蒸發(fā)強度越大。由于噴嘴內(nèi)氣泡的積聚，當量流通截面積減小。因此，即使在相同的pa／ps下，燃油溫度越高，歸一化當量流通截面積越小。這些數(shù)據(jù)表明，過熱燃油的閃急沸騰會影響噴射質(zhì)量流量。具體地說，由于當量流通截面積的減小，具有較低pa／ps的更強烈的閃急沸騰噴霧將降低噴射質(zhì)量流量。另外，在恒定的環(huán)境壓力（pa）下，較高的燃油溫度（較高的ps）也會降低燃油密度，從而降低噴射質(zhì)量流量。

圖8 歸一化當量流通截面積與pa／ps 的關系

3 結(jié)論

本文研究了燃油溫度、環(huán)境壓力和過熱度對噴射質(zhì)量流量的影響，證明了閃沸對燃油質(zhì)量流量的影響非常有限，并且可以通過普通ECU 進行補償。因此，在實際發(fā)動機中使用閃沸噴霧時，不必擔心燃油流量變化。此外，過熱度與當量流通截面積的定量關系可以為噴油器設計提供參考。

（1）在20～60 ℃的溫度范圍內(nèi)，當環(huán)境壓力從100 kPa降低到20 kPa，由于當量流通截面積減小和壓差增大的矛盾作用，質(zhì)量流量降低不到5%。

（2）在20～100 kPa 的壓力范圍內(nèi)，當燃油溫度從20 ℃升高到60 ℃，由于當量流通截面積減小和燃油密度降低的互補作用，質(zhì)量流量降低不到12%。

（3）通過降低環(huán)境壓力和提高燃油溫度實現(xiàn)不同的pa／ps，在這一pa／ps范圍內(nèi)，質(zhì)量流量減少了不到12%，當量流通截面積減少了不到8.8%。