基于多種光學診斷的汽油直噴噴油器噴霧特性試驗研究

姚博煒,黃勇,邱舒懌,劉高領,尹曦林,李雪松

(1.柳州賽克科技發展有限公司,廣西 柳州 545616;2.上海交通大學機械與動力工程學院,上海 200240)

在“碳達峰”和“碳中和”的大背景下,結合零碳燃料的應用,內燃機在未來很長一段時間內仍將是主流動力機械。隨著國家對油耗和排放法規逐步加嚴,具有高熱效率和低排放的混合動力汽車近年來受到越來越多的重視。在電機的配合下,內燃機可以僅在特定工況點工作,實現更高的熱效率和低排放。在特定工況點下工作的特點使得利用缸內直噴技術、更精確控制氣缸內的噴霧和油氣混合成為可能。燃油通過直噴噴油器噴射入氣缸,使燃油與空氣在極短的時間內完成混合,形成易于燃燒的混合氣體,從而提高發動機的燃燒效率,并降低污染物排放[1]。噴霧良好霧化并生成易于燃燒的混合氣對隨后的高效燃燒和低排放至關重要。不良的噴油器布置和噴射策略容易導致噴霧撞壁,液膜在壁面沉積,惡化燃燒和排放[2-3]。

共享經濟是新時代經濟下發展的產物，有利于對社會閑置服務和資源進行合理配置，是一種綠色的新型經濟。它保障了供應者和需求者合作共贏，為社會提供最優化的服務。共享經濟不但改變了人們的生活，而且改變了經濟發展的模式，是推動中國經濟發展的一股強大力量。

光學診斷具有非侵入性、易于測量的特點,適合于內燃機噴霧瞬態流場的測量。 邱舒懌等[2]利用高速攝影法測量了汽油直噴噴油器(GDI)噴霧撞壁過程,捕獲了瞬態噴霧宏觀特征,如噴霧貫穿距、錐角等。 吳勝奇等[4]使用平面高速米氏散射攝影測量了噴油器軸線下方特定位置的噴霧落點并分析了油束干涉過程。相比于體積光攝影法,使用平面攝影法更容易揭示羽流間的相互作用。 相位多普勒干涉法(PDI)是一種用于液滴粒徑測量的方法,它利用干涉光與粒徑之間的關系來測量液滴尺寸。郭恒杰等[5]首次利用 PDI 測量光學發動機中的液滴尺寸。 作為一種成熟的粒徑測量方法,PDI 還可用于開發和驗證新型診斷方法。李雪松等[6]利用PDI對自主研發的平面液滴粒徑測試方法——SLIPI-LIEF/Mie方法進行了標定驗證。

發動機缸內燃油的霧化和蒸發,以及燃油與空氣的混合程度,對缸內燃燒過程的好壞起著決定性的作用。由于燃油霧化質量很大程度上決定了內燃機燃燒和排放性能,目前國內外已有很多內燃機噴霧相關研究,其中包括燃油噴霧形態、粒徑及相關破碎霧化機理研究[7-8]。吳偉亮等[9]研究了橫向氣流對噴霧粒徑的影響,發現在噴霧霧滴與橫向氣流間相對速度相差較大區域,計算與試驗結果一致性變差。李波等[10]通過數值模擬和試驗相結合,研究了不同邊界條件下噴霧貫穿距及錐角的變化。在低背壓下,噴霧呈現出空錐、較大范圍的分布形態,有利于實現燃油與空氣的均質混合;在高背壓下,噴霧呈現出緊湊密集的分布形態,有利于實現燃油與空氣的分層混合。Petter等[11]研究了旋轉對稱噴嘴和非對稱噴嘴的噴霧特性和噴霧引起的空氣運動特性,發現采用旋轉對稱構型會產生非相干的孤立燃料云,而采用非對稱配置(孔沿馬蹄形弧形放置),更容易獲得一致的燃料云。虞瀏等[12]研究了噴油壓力對汽油噴霧前鋒粒徑分布特性的影響,發現噴射壓力增大有助于改善霧化質量,促使噴霧前鋒粒徑分布重心向小粒徑方向移動。

然而目前的研究多僅分析單一噴霧特性,且缺乏大范圍熱力學條件下,多種不同邊界條件對噴霧特性影響的研究[13]。以一款頂置直噴汽油機的5孔直噴噴油器為研究對象,利用多種噴霧光學診斷方法,系統測試了不同邊界條件下的噴霧宏觀和微觀特征,包括噴霧形態、噴霧落點及噴霧粒徑等,并分析了不同邊界條件對噴霧特性的影響,為汽油直噴發動機燃燒系統的設計開發提供了理論和實踐支持。

如圖 3所示,噴霧錐角θ定義為噴霧外部輪廓邊緣到噴油孔垂直距離為5 mm和15 mm的4個點所定義的線段AC和BD的夾角,貫穿距L定義為噴油孔到噴霧外部輪廓周向最遠點的距離。

1 試驗設置

1.1 測試噴油器及工況

試驗用的噴油器為一款直噴汽油機頂置5孔噴油器。根據發動機臺架測試,選擇典型工況。最終確定以噴射壓力、噴射背壓、噴射脈寬為變量進行噴霧測試。噴油器參數及噴霧測試工況見表1。測試工況由發動機臺架測試的常見工況結合噴霧特性研究需求決定。根據SAE J2715標準,選擇使用與汽油性質最相似、物性確定的正庚烷作為測試燃料。

表1 噴油器參數及噴霧測試工況

試驗過程中,噴油器的電流曲線由安裝在發動機上的霍爾傳感器實時測量得到,然后通過噴油器驅動器模擬出相同的噴油器信號,供噴油器測試使用。圖 1示出噴油器測試用電流波形。

圖1 噴油器測試用電流波形

1.2 噴霧形態測試試驗系統

2.2.2 背壓的影響

圖2 噴霧形態測試試驗系統

例 3：“And she tried to curtsey as she spoke—fancy,curtseying as you’re falling through the air!Do you think you can manage it?”

圖3 噴霧貫穿距和噴霧錐角定義

1.3 噴霧落點測試試驗系統

噴霧落點分布測試中采用平面激光Mie散射高速攝影法,圖 4示出落點分布測試系統。試驗使用Nd：YAG激光器,波長為266 nm。利用ICCD(配有信號增強器)相機收集圖像。在定容彈一側窗口安裝噴油器,在噴油器軸線方向放置相機,同時調節激光,使激光片照射在噴油器軸線下方50 mm位置,實現噴油器下方50 mm處落點測試。

陳獻章、莊昶在世時，“陳莊體”這一稱謂即已出現。與陳獻章“以道相契”［1］卷二，40葉b的雙槐先生黃瑜在《雙槐歲鈔》中記道：

圖4 噴霧落點分布測試試驗示意

處理后的噴霧落點結果見圖 5,圖中顯示了5束噴霧油束及噴油器尖端(tip)的位置,將噴油器尖端位置定義為坐標原點。圖 5中心位置的“+”為噴油器尖端位置點,分布在油束上的“+”則為油束幾何中心,5個數字為5束噴霧對應編號。測試過程記錄5束噴霧的形狀中心和質量中心,為了降低噴霧循環變動的影響,并獲取噴霧的平均特性,進行20次測試并取平均值。

圖5 噴霧落點數據示意

1.4 噴霧粒徑測試試驗系統

噴油器噴霧粒徑測試試驗運用相位多普勒干涉法(PDI),獲取噴霧的粒徑特性。

噴霧粒徑測試試驗系統見圖 6。進行噴霧粒徑分布測試時,噴油器安裝在定容彈的頂端,PDI發射器(Transmitter)激光從定容彈的一側定位到一束噴霧中心,PDI接收器(Receiver)在同一水平面從與激光入射軸線呈150°的另外一側接收數據,并且通過可以三軸控制的滑移臺同時移動PDI發射器和PDI接收器,使得測試空間位置點能夠掃略過完整的一束油束,PDI系統與噴油器的同步控制通過信號發生器來實現。

2.1.1 噴油壓力的影響

圖6 噴油器噴霧粒徑測試試驗系統

噴油器軸線下方50 mm處的平面設定為粒徑測試平面,并選擇圖 5中的1號油束進行粒徑測量。根據SAE J2715標準,對通過油束中心以及噴油器tip沿噴油器軸線下方50 mm平面處的一條線上5個位置點的粒徑分布特性進行測試(如圖 7所示)。單個測試點采集5 000個有效粒子,并獲得不同工況條件下D10、D32、Dv50和Dv90等噴霧粒徑統計結果,其中D10、Dv50和Dv90代表小于該粒徑粒子的累計體積為總液滴體積的10%、50%和90%時對應的粒子直徑,D32表示索特平均直徑(Sauter Mean Diameter,SMD)。

圖7 噴油器粒徑測試示意

2 結果與討論

2.1 噴霧形態

面部激素依賴性皮炎主要是由于長期使用糖皮質激素引起的。近年來，其發病率逐年上升[1]。激素依賴性皮炎是由不適當的局部外用糖皮質激素制劑引起的炎性皮膚病，其導致皮膚屏障功能受損，出現紅斑、色素沉著過度、毛細血管擴張等癥狀，治療難度大。本研究分析了面部激素依賴性皮炎治療中清邁解毒飲的應用及觀察，報道如下。

圖 8示出燃油溫度為25 ℃,背壓為100 kPa時,不同噴油壓力下噴霧形態隨著噴油時間的發展情況。由圖 8可以看出,汽油噴出后,在向下運動的同時逐步向徑向擴散。隨著噴油壓力的增加,油束輪廓逐漸變模糊,表明其粒子數密度和直徑更小。其原因是噴油壓力增加,噴霧速度也隨之增加,從而增強了噴霧油束在缸孔內與空氣的相互作用,使噴霧油滴的霧化效果更好。

圖8 不同噴油壓力下的噴霧發展

圖 9示出不同噴油壓力下噴霧貫穿距隨時間的變化。由圖 9可以看出,在相同的噴油壓力下,噴霧貫穿距隨著噴油時間的增加而逐步增大,貫穿距的增大幅度在噴霧初期比在噴油后期大,這是由于噴霧液滴的動能在向下游運動過程中逐漸損失。隨著噴油壓力增大,噴霧油束速度增加,噴霧貫穿距也隨之增大。在同一噴油時刻,隨著噴油壓力的升高,噴油貫穿距在噴霧初期增加較少,在噴霧后期增加較多。該貫穿距發展規律與經典的Hiroyasu-Arai模型得出的結論一致[14],即高速液體射流的破碎在時間軸上經歷了兩個階段：在第一階段,連續液體被分解成離散液柱和大液滴;在第二階段,液柱和大液滴被分解成更小的液滴。針對不同階段提出了對應的模型,第一階段液體和環境氣體的壓差對射流破碎具有重要影響,該階段射流貫穿距隨時間變化成正比;第二階段的環境壓力對射流破碎有顯著影響,射流貫穿距和時間的0.5次方成正比。 Hiroyasu-Arai 模型的兩個階段分別對應于液體射流的初級和次級破碎。

圖9 不同噴油壓力下的噴霧貫穿距

圖 10示出不同噴油壓力下的噴霧錐角隨時間的變化趨勢。可以看出,噴霧錐角在最初時刻由于貫穿距較小,未達到計算噴霧錐角的距離,因此0.1 ms時刻的錐角記錄為0°。隨著時間的增加,噴霧錐角快速增大,并迅速達到最大值。隨著噴油壓力的升高,噴油錐角在噴霧初期增加較多,在噴霧后期幾乎沒有變化,說明在噴霧后期,噴油壓力對噴霧錐角的作用不明顯。噴油錐角可以在一定程度上表征噴霧徑向速度和軸向速度的比值,即大的錐角對應大的徑向/軸向速度比。在噴射前期,針閥處于從關閉到開啟的非穩定狀態,高噴射壓力下噴霧的徑向/軸向速度比更大,故表現出更大的錐角。然而當針閥完全打開后,噴射壓力不會影響噴霧的徑向/軸向速度比,因此各噴射壓力下噴霧錐角基本一致。

圖10 不同噴油壓力下的噴霧錐角

2.1.2 背壓的影響

圖 11示出了燃油溫度為25 ℃,噴油壓力為20 MPa時,不同背壓下噴霧形態隨時間的發展情況。由圖 11可以看出,在低背壓下,噴霧油束在徑向擴散的距離較長;隨著背壓的增大,噴霧油束逐漸收攏,在徑向擴散的距離變短。

由圖 12可以看出,隨著背壓的增加,噴霧貫穿距呈減小的趨勢。背壓增加使缸內氣體密度增大,導致噴霧油束向下運動受到的阻力增加,噴霧速度降低。在同一噴油時刻,隨著背壓降低,噴油貫穿距在噴霧初期增加較少,在噴霧后期增加較多。由于貫穿距體現的是噴霧羽流發展過程中受到阻力的累計值,即貫穿距大意味著噴霧累計所受阻力小。因此隨著時間發展,不同背壓下噴霧累計所受阻力的差值逐漸增加,導致不同背壓下的貫穿距差異逐漸增大。

圖11 不同背壓下的噴霧發展

圖 13示出不同背壓下噴霧錐角隨時間的變化趨勢。可以看出,隨著背壓的升高,噴油錐角變化不大,背壓對噴霧錐角的作用不明顯。

圖13 不同背壓下的噴霧錐角

2.2 噴霧落點

（103）刺葉羽苔 Plagiochila sciophila Nees ex Lindenb. 熊源新等（2006）；楊志平（2006）；李粉霞等（2011）；余夏君等（2018）

圖 14和圖 15分別示出燃油溫度25 ℃,背壓100 kPa,噴油脈寬1.4 ms時,噴霧在不同噴油壓力下的噴霧落點分布和坐標。由圖 14可以看出,隨著噴油壓力的升高,噴霧落點分布更集中。隨著噴油壓力的升高,噴霧油束的速度增加,霧化更好,在同樣測試時刻下,更早發生噴霧干涉,即在同一截面上顯示出來的噴霧落點更密集。由圖 15可以看出,噴霧油束的幾何形心坐標隨著噴油壓力升高的波動大于質量中心坐標。2號噴霧油束的幾何形心和質量中心的坐標隨著噴油壓力的升高波動最明顯,說明高噴射壓力導致的噴霧羽流間干涉對2號羽流的偏離作用最大。

圖14 不同噴油壓力下噴霧落點分布

圖15 不同噴油壓力下噴霧落點坐標

噴霧形態試驗可以得到噴霧整體輪廓、噴霧貫穿距及錐角。進行形態測試的高速背光試驗時(試驗系統見圖 2),噴油器安裝在定容彈頂端,氙燈光線經漫射片,從定容彈一側照亮噴霧,高速相機從另外一側對噴霧圖像進行捕捉拍照,通過信號發生器來控制光源、相機和噴油器的同步。高速相機拍攝頻率為 10 kHz,相鄰兩張照片的間隔時間為0.1 ms。

2.2.3 噴油脈寬的影響

在地方層面，除個別地區，縣以上各級人民政府均成立了綠化委員會，各地相關部門也相應地進行了城市園林立法工作，制定了一系列地方性法規，如《北京市城市綠化條例》《杭州市西湖水域管理條例》及《西安市公園條例》等。

圖16 不同背壓下噴霧落點分布

圖17 不同背壓下噴霧落點坐標

圖 16和圖 17示出燃油溫度為25 ℃,噴油壓力20 MPa,噴油脈寬1.4 ms時,噴霧在不同背壓下的噴霧落點分布和坐標。由圖 16可以看出,隨著背壓的升高,噴霧發生干涉的時刻推遲。其原因是隨著背壓的提高,噴霧油滴在缸內的運動阻力增加,噴霧油束速度降低,因此在同一時刻,較高背壓下的噴霧油束擴散程度相對較弱,所以在同一截面上,噴霧落點更分散。由圖 17可以看出,噴霧油束的幾何形心坐標和質量中心坐標隨著背壓的變化波動不大。

2.2.1 噴油壓力的影響

圖 18和圖 19示出燃油溫度25 ℃,噴油壓力20 MPa,背壓100 kPa時,噴霧在不同噴油脈寬下的噴霧落點分布和坐標。由圖 18可以看出,噴油脈寬越大,噴霧落點分布越集中,噴霧干涉程度越大。可能的原因[15]是：在長脈寬下,噴霧前端和外圍的油滴會對內部的油滴形成一定的“保護”作用,使其與空氣的相互作用程度減弱,破碎程度減弱;同時,長脈寬會增加油滴碰撞的概率,提高了油滴聚合的可能性。由圖 19可以看出,隨著噴油脈寬的增大,噴霧油束的幾何形心坐標均朝坐標增大的方向變化,變動較為明顯;質量中心坐標隨著噴油脈寬的變化波動不大。

圖19 不同噴油脈寬下噴霧落點坐標

2.3 噴霧粒徑

2.3.1 噴油壓力的影響

觀察組的腸鳴音恢復時間、肛門自主排氣時間均明顯少于對照組，其護理滿意度大于對照組（P＜0.05），具體見表1。

圖 20和圖 21分別示出燃油溫度25 ℃,背壓100 kPa時,不同噴油壓力下噴霧粒徑的統計特征和直方圖。由圖 20可以看出,隨著噴油壓力的增大,噴霧粒徑呈減小的趨勢,表明高噴油壓力有利于提高燃油的霧化質量,其中Dv90從28 μm下降到了20 μm,變化幅度最大。由圖 21可以看出：隨著噴油壓力的增大,粒徑60 μm以內的噴霧顆粒數量幾乎不變;粒徑10 μm以下的顆粒數量隨著噴油壓力增大占比增大,小顆粒液滴的數量明顯增多,霧化更好;30 μm以下的顆粒數量占比均超過了98%。

圖20 不同噴油壓力下的噴霧粒徑

圖21 不同噴油壓力下的噴霧粒徑數量直方圖

2.3.2 背壓的影響

圖 22和圖 23分別示出燃油溫度25 ℃,噴油壓力20 MPa時,不同背壓下噴霧粒徑的統計特征和直方圖。由圖 22可以看出,隨著背壓的增大,噴霧粒徑呈變大的趨勢。其原因可能是背壓的增加使缸內氣體的密度增大,導致噴霧油束擴散受到的阻力增大,霧化變差。

圖22 不同背壓下的噴霧粒徑

由圖 23可以看出,隨著背壓的增大,粒徑60 μm以內的噴霧顆粒數量幾乎不變。粒徑10 μm以下的顆粒數量隨背壓增加占比減小,大顆粒液滴的數量明顯增多,霧化更差。其中,30 μm以下的顆粒數量占比均超過了98%。

我和李詠雖說不是青梅竹馬，也算得上一塊兒長大。當年我十八，他十九，我屬雞，他屬猴，進大學沒倆月就談上了戀愛。我爸一提起這事兒就憂心忡忡：“老話說，雞猴不到頭兒。你們啊，哎……”

首先是結構論的當代意義，李漁的“立主腦”和“密針線”結構論，強調戲劇作品的局部與整體的有機統一性，李漁“以戲曲結構形式為綱領，以觀眾接受意識為軸心，建構了融劇情、劇本、劇場表演為一體的戲曲結構形式理論體系”，［4］為后世的戲劇創作樹立了一個標準的模板。

圖23 不同背壓下的噴霧粒徑數量直方圖

3 結論

a) 更大的噴油壓力和噴油脈寬使得噴霧油束速度更快,噴霧落點分布更集中,更早發生噴霧干涉;背壓的升高使得噴霧油束速度降低,噴霧發生干涉的時刻更晚;噴油脈寬越大,噴霧落點分布越集中,更早發生噴霧干涉;

b) 隨著噴油壓力的增加,噴霧油束的速度增大,噴霧貫穿距也隨之增大,噴油錐角在噴霧初期增加較多,在噴霧后期幾乎沒有變化;在同一噴油時刻,隨著噴油壓力的升高,噴油貫穿距在噴霧初期增加較少,在噴霧后期增加較多;增加背壓,噴霧貫穿距減小,噴油錐角略有降低;

c) 隨著噴油壓力的增大,噴霧粒徑逐漸減小,有利于提高燃油的霧化質量;背壓增大,噴霧粒徑逐漸增大;噴油壓力及背壓對粒徑60 μm以內的液滴顆粒數量影響不大,粒徑10 μm以下的顆粒數量隨噴油壓力增加而占比增加,隨背壓增加而占比降低。