裴毅強(qiáng)，王?琨，王同金，張?丹，李?翔，詹璋松，劉?斌，胡鐵鋼，張曉宇

?

GDI噴油器超高壓乙醇噴霧微觀特性試驗(yàn)

裴毅強(qiáng)1，王?琨1，王同金1，張?丹1，李?翔1，詹璋松2，劉?斌2，胡鐵鋼2，張曉宇2

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司動(dòng)力研究院，重慶 401120)

為系統(tǒng)研究超高噴射壓力下缸內(nèi)直噴(GDI)噴油器乙醇噴霧的微觀特性，采用相位多普勒粒子分析(PDPA)系統(tǒng)對(duì)10～50,MPa噴射壓力下的噴霧進(jìn)行了測(cè)試，并結(jié)合紋影法所獲取的噴霧圖像分析了噴霧形態(tài)發(fā)展、液滴粒徑粒速的空間分布及隨時(shí)間的變化規(guī)律．研究結(jié)果表明：提高噴射壓力，枝狀結(jié)構(gòu)形成時(shí)刻提前，噴霧破碎過(guò)程加快；提高噴射壓力，噴霧頭部粒速增加，貫穿距變大；噴霧錐角隨噴射壓力的提高小幅度上升；提高噴射壓力，乙醇液滴的索特平均直徑(SMD)、DV90和DV50明顯下降，但DV10下降幅度相對(duì)較小，處于劇烈破碎區(qū)的液滴粒徑減??；超高壓噴射有效抑制了25,μm以上大粒徑液滴生成，降低粒徑分布的離散程度，粒徑為5,μm左右的液滴數(shù)量比例最大；超高壓噴射下，在同一水平面不同測(cè)點(diǎn)位置，SMD的差異較??；隨著測(cè)點(diǎn)距噴孔距離的增大，小液滴聚合現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致SMD變大．

缸內(nèi)直噴；超高壓；乙醇；噴霧微觀特性

隨著環(huán)境和能源問(wèn)題的日益嚴(yán)重，減少顆粒物排放和提高熱效率成為缸內(nèi)直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要目標(biāo)，而其缸內(nèi)混合氣質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的關(guān)鍵影響因素[1-3]．提高GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴射壓力可以改善噴霧霧化效果，加快混合氣形成，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性[4-5]．Wang等[6]在一臺(tái)單缸GDI發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了低負(fù)荷工況試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴射壓力從5,MPa提高至15,MPa時(shí)，微粒質(zhì)量排放和數(shù)量排放分別下降了22%,和78%,．Frottier等[7]使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件對(duì)1.4,L增壓GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)(NEDC)工況下進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明當(dāng)噴射壓力從20,MPa升至30,MPa時(shí)，微粒數(shù)量下降60%,．

乙醇因其辛烷值高、氣化潛熱高、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓葍?yōu)點(diǎn)成為汽油替代燃料的研究熱點(diǎn)之一[8]．燃用乙醇可以有效地減少GDI發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物污染物的排放[9-10]，但是在低溫條件下，乙醇緩慢的蒸發(fā)速度會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難[11]．因此，為了在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)上更加清潔、高效地利用乙醇燃料，對(duì)乙醇噴霧特性進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究顯得十分必要．

GDI噴霧液滴的粒徑、粒速空間分布直接影響著噴霧霧化質(zhì)量[12]．Aleiferis等[13]利用高速攝影和PDPA系統(tǒng)研究了GDI噴油器在15,MPa噴射壓力下，乙醇、汽油等燃料的噴霧特性隨燃油溫度和背壓的變化規(guī)律；Park等[14]利用高速攝影和相位多普勒粒子分析(PDPA)系統(tǒng)對(duì)噴射壓力為4～8,MPa的GDI乙醇噴霧宏觀形態(tài)及液滴SMD進(jìn)行了測(cè)量，并用KIVA建立了噴霧仿真模型；Lee等[15]用激光測(cè)試系統(tǒng)和PDPA系統(tǒng)對(duì)GDI噴油器在高達(dá)30,MPa噴射壓力下的正庚烷噴霧形態(tài)和粒徑粒速進(jìn)行了研究.

從現(xiàn)有文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)GDI噴油器噴霧特性的研究基本都集中于3～20,MPa的常規(guī)噴射壓力，30,MPa及以上的超高壓噴射很少被研究[16]，針對(duì)超高壓乙醇噴霧微觀特性的研究更是鮮見(jiàn)報(bào)道．為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，超高壓噴射成為新一代GDI發(fā)動(dòng)機(jī)控制顆粒物排放的重要技術(shù)路線，具有很高的研究?jī)r(jià)值和必要性．

本文采用紋影測(cè)試技術(shù)和PDPA測(cè)試技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)超高壓GDI噴油器乙醇噴霧(最高噴射壓力為50,MPa)的微觀特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究．分析了噴霧形態(tài)發(fā)展以及不同空間位置液滴的粒徑、粒速隨噴射壓力的變化規(guī)律．探索了超高壓噴射對(duì)增強(qiáng)乙醇噴霧破碎霧化、提高混合氣形成質(zhì)量的應(yīng)用潛力，為超高壓GDI發(fā)動(dòng)機(jī)乙醇噴射系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)．

1?試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1?紋影測(cè)試系統(tǒng)

紋影法是利用流場(chǎng)中介質(zhì)出現(xiàn)密度梯度而對(duì)光線折射率發(fā)生改變的原理，加入一定的空間濾波手段(本試驗(yàn)中為常規(guī)刀口)，從而獲得明暗相間的圖像來(lái)觀測(cè)區(qū)域的氣液兩相信息．測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，包括噴射控制系統(tǒng)、紋影光路系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)和定容彈系統(tǒng)．試驗(yàn)采用Fastcam SA1.1型相機(jī)，拍攝頻率為10,000幀/s，圖像分辨率為768像素×768像素．

圖1?紋影測(cè)試系統(tǒng)示意

1.2?PDPA測(cè)試系統(tǒng)

圖2是測(cè)量乙醇噴霧液滴粒徑粒速的PDPA系統(tǒng)．氬離子激光器將激光束射入分光器，分光器將其分離成2束波長(zhǎng)為514.5,nm的綠光和2束波長(zhǎng)為488,nm的藍(lán)光，分別用來(lái)測(cè)量液滴的縱向速度和橫向速度，再由激光發(fā)射探頭將4束激光聚焦在一點(diǎn)，構(gòu)成測(cè)量體．噴霧中液滴經(jīng)過(guò)測(cè)量體時(shí)，激光會(huì)發(fā)生散射，接收探頭將捕獲到的散射光信號(hào)傳送至PDPA處理器．處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選加工處理，進(jìn)而計(jì)算出所捕捉到液滴的粒徑粒速．激光發(fā)射探頭及接收探頭安裝在可以進(jìn)行三維移動(dòng)的坐標(biāo)架上，移動(dòng)距離可精確至0.1,mm，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧內(nèi)部不同區(qū)域的測(cè)量．

圖2?PDPA測(cè)試系統(tǒng)示意

1.3?試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

在常溫、常壓(293,K，0.1,MPa)下，對(duì)一款5孔GDI噴油器的乙醇噴霧特性進(jìn)行研究，噴射壓力在10～50,MPa之間．為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)工作狀態(tài)，噴射脈寬設(shè)為1.2,ms．將噴油器安裝在容彈正上方，保證噴油器的軸線垂直于水平面，對(duì)噴霧側(cè)面進(jìn)行拍攝．各個(gè)壓力重復(fù)拍攝60次，以此減少隨機(jī)誤差．表1為試驗(yàn)工況和燃料參數(shù)．

表1?試驗(yàn)工況和燃料參數(shù)

Tab.1?Experimental conditions and fuel properties

使用Matlab程序?qū)Λ@得的紋影圖像進(jìn)行去背景及降噪處理，并按照SAE J2715[17]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)描述噴霧形態(tài)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選取計(jì)算．如圖3所示，定義貫穿距為噴霧頂端在噴油器軸線方向上與噴孔之間所達(dá)到的最大距離；定義噴霧錐角為噴孔正下方的5,mm和15,mm水平線與最外側(cè)噴霧輪廓線的兩組交點(diǎn)構(gòu)成的連線之間的夾角．將噴油器軸線方向定為軸，豎直向下為正；橫向方向定為軸，水平向右為正．根據(jù)噴霧圖像，對(duì)PDPA測(cè)量位置進(jìn)行選取，以圖3中目標(biāo)油束所對(duì)應(yīng)的噴孔為原點(diǎn)，在軸為50,mm、60,mm和70,mm的高度上，以2,mm為間隔沿軸左右分布測(cè)量點(diǎn)．測(cè)量時(shí)間窗口設(shè)置為噴射開(kāi)始后(ASOI)5,ms．每個(gè)測(cè)量點(diǎn)單次測(cè)量所捕獲的粒子數(shù)量在20,000個(gè)以上，重復(fù)2次．

圖3?噴霧參數(shù)示意

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?噴霧形態(tài)發(fā)展

圖4為在10,MPa噴射壓力下，乙醇噴霧形態(tài)隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律．在0.6,ms(ASOI)前，噴霧外圍輪廓較為平滑，噴霧主要在噴射軸線方向進(jìn)行發(fā)展擴(kuò)散.隨著時(shí)間推移，邊緣開(kāi)始出現(xiàn)褶皺，在1.1,ms(ASOI)時(shí)刻，右側(cè)單束噴霧邊緣生成了凸出于噴霧主體的枝狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的生成有助于形成更加均勻的混合氣，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放性能產(chǎn)生影響[15,18].在噴射過(guò)程中，枝狀結(jié)構(gòu)不斷生成發(fā)展，加劇了油束邊緣不穩(wěn)定性，增強(qiáng)了噴霧內(nèi)部破碎，生成大量液滴簇團(tuán)，導(dǎo)致射入的乙醇燃料與空氣接觸面迅速增加，霧化蒸發(fā)能力提高．在噴射結(jié)束后噴霧失去持續(xù)推力，主要依靠本身慣性和空氣湍流作用力繼續(xù)發(fā)展，軸線方向擴(kuò)散明顯變緩．

圖4?10,MPa噴射壓力下噴霧形態(tài)發(fā)展過(guò)程

圖5為在不同噴射壓力下出現(xiàn)枝狀結(jié)構(gòu)的時(shí)刻及對(duì)應(yīng)的噴霧圖像．噴射壓力越高，形成枝狀結(jié)構(gòu)所需的時(shí)間越短，出現(xiàn)的區(qū)域越廣，總數(shù)量越多. 50,MPa噴射壓力下，在0.4,ms(ASOI)時(shí)刻就出現(xiàn)了枝狀結(jié)構(gòu)，相較于10,MPa時(shí)間縮短了63.6%,．可見(jiàn)提高噴射壓力會(huì)加劇噴霧流場(chǎng)中的卷吸渦旋，增強(qiáng)噴霧與氣流之間的剪切力，加大液滴的橫向速度分量，有效地促進(jìn)了枝狀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，進(jìn)而加快噴霧的發(fā)展破碎進(jìn)程．但在超高壓噴射(30,MPa及以上)時(shí)，由于噴霧寬度增加，枝狀結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)時(shí)刻形狀界限模糊，壓力越高該現(xiàn)象越明顯．

圖5?不同噴射壓力下枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)刻及噴霧圖像

圖6為不同噴射壓力下噴霧形態(tài)參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律．由圖6(a)可知，各噴射壓力下噴霧貫穿距隨時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)相似，在噴射初期貫穿距增長(zhǎng)較快，當(dāng)枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)后，噴霧開(kāi)始出現(xiàn)大規(guī)模破碎，噴霧內(nèi)部液滴動(dòng)量損失增大并且運(yùn)動(dòng)無(wú)序性變大，貫穿距增速減緩．隨著噴射壓力的提高，貫穿距隨之增長(zhǎng)，但當(dāng)噴射壓力高于30,MPa時(shí)，貫穿距增幅明顯減?。@是因?yàn)槌邏簢娚湎?，枝狀結(jié)構(gòu)形成加快并且數(shù)量增多，導(dǎo)致噴霧破碎劇烈，軸線方向動(dòng)量傳遞大幅度減弱，造成貫穿距增長(zhǎng)減緩．

（a）噴霧貫穿距

（b）噴霧錐角

圖6?不同噴射壓力下的噴霧形態(tài)參數(shù)對(duì)比

Fig.6 Comparison of spray structure parameters under varying injection pressures

圖6(b)為在不同噴射壓力下，噴霧錐角隨時(shí)間的變化規(guī)律．在噴射初期，由于針閥開(kāi)啟時(shí)噴孔內(nèi)劇烈變動(dòng)的壓力波加劇了空化現(xiàn)象，造成噴霧錐角增大，并在0.5,ms(ASOI)時(shí)刻達(dá)到峰值．隨著噴射的進(jìn)行，腔內(nèi)壓力波振蕩衰減，噴孔處內(nèi)外壓差逐漸穩(wěn)定，噴霧錐角逐漸下降．在1.2,ms(ASOI)時(shí)刻，噴油器停止噴射，在針閥下落過(guò)程中，會(huì)在腔室中形成升高的壓力波，導(dǎo)致噴霧錐角再次增大．當(dāng)提高噴射壓力時(shí)，油束入射速度增加，切向動(dòng)量分量隨之增大．此外，超高壓噴射時(shí)，孔內(nèi)壓力波動(dòng)振蕩大幅度提高，空化現(xiàn)象加劇，有助于噴霧錐角增加．但是超高壓噴射增大了噴油器下方油束包圍區(qū)域的壓力差，形成高負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致油束向中間靠攏引起噴霧收縮，所以超高壓噴霧錐角在0.5,ms(ASOI)時(shí)刻后的下降幅度要更大些．在以上因素的相互制約下，噴射壓力增大時(shí)噴霧錐角以較小幅度上升．

2.2?噴霧微觀特性

2.2.1?噴射壓力對(duì)縱向粒速的影響

圖7為不同噴射壓力下在噴油孔正下方50,mm處，乙醇液滴在縱向上的速度分布，并以0.1,ms為單位時(shí)間段，計(jì)算各個(gè)時(shí)間段內(nèi)捕獲粒子的平均速度．為了更好地理解噴霧的破碎霧化過(guò)程，可以根據(jù)粒子縱向速度分布規(guī)律將噴霧隨時(shí)間的發(fā)展分為3個(gè)階段：到達(dá)時(shí)間、噴霧頭部和噴霧尾部．到達(dá)時(shí)間為噴射開(kāi)始時(shí)刻至測(cè)點(diǎn)位置剛出現(xiàn)捕獲粒子時(shí)刻；噴霧頭部與噴霧尾部以粒速分布出現(xiàn)大規(guī)模陡降作為分段點(diǎn)[15]．噴射壓力為10,MPa時(shí)，在噴霧頭部前端粒速出現(xiàn)了下降．這是因?yàn)榍颁h液滴由于受到空氣阻力的作用，動(dòng)量急劇損失，與后續(xù)液滴產(chǎn)生融合，導(dǎo)致粒速出現(xiàn)下降，隨后液滴粒速開(kāi)始上升，并在1.3,ms(ASOI)時(shí)刻達(dá)到峰值，之后粒速持續(xù)下降．

當(dāng)提高至30,MPa及以上的超高噴射壓力時(shí)，在噴霧頭部?jī)?nèi)捕捉到的粒子數(shù)大量下降．這是因?yàn)樵趪婌F頭部時(shí)間段內(nèi)，超高壓噴霧出現(xiàn)大量枝狀結(jié)構(gòu)并快速發(fā)展，內(nèi)部動(dòng)量傳遞加快，氣液相擾動(dòng)變大，液滴變形加劇，而非球體液滴無(wú)法被PDPA所識(shí)別，所以測(cè)量效率大幅度降低．同時(shí)在超高壓噴射下，噴霧濃度提高，在測(cè)量體內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)粒子的幾率明顯增高，從而造成PDPA信號(hào)識(shí)別無(wú)效，影響測(cè)量．以上因素導(dǎo)致了在超高壓噴射下，PDPA系統(tǒng)獲取的噴霧頭部區(qū)域粒子數(shù)量較少．

圖8為不同噴射壓力下各時(shí)段內(nèi)平均粒速隨時(shí)間的變化規(guī)律．在各個(gè)噴射壓力下的平均粒速都呈現(xiàn)出了先下降、后上升再持續(xù)下降的規(guī)律．增大噴射壓力，噴霧液滴入射初動(dòng)能增加，捕獲液滴出現(xiàn)時(shí)刻提前，噴霧頭部平均粒速上升，平均粒速峰值出現(xiàn)時(shí)間縮短．當(dāng)噴射壓力從10,MPa提升至50,MPa時(shí)，峰值粒速?gòu)?0.9,m/s提升至64.8,m/s．達(dá)到峰值之后，噴射壓力越高，平均粒速的下降幅度越大．這是因?yàn)樘岣邍娚鋲毫?huì)造成劇烈的破碎霧化，生成的液滴粒徑減小，噴霧表面積與體積比值增大，空氣阻力影響增加，卷吸渦旋作用效果加劇，大幅度降低了后續(xù)粒子的縱向速度，造成超高壓噴霧尾部的平均粒速較低．

（a）10,MPa

（b）30,MPa

（c）50,MPa

圖8?不同噴射壓力下粒子縱向速度平均值對(duì)比

結(jié)合圖8與圖5進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)平均粒速峰值的出現(xiàn)時(shí)刻與枝狀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)時(shí)刻在各個(gè)噴射壓力下都較為接近，兩者差值在0.2,ms以內(nèi)．該現(xiàn)象從粒子縱向速度隨時(shí)間變化的微觀特性角度驗(yàn)證了枝狀結(jié)構(gòu)的形成對(duì)噴霧的發(fā)展破碎具有重要影響，以及提高噴射壓力可以顯著地促進(jìn)枝狀結(jié)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)而加快噴霧的破碎霧化．

2.2.2?噴射壓力對(duì)粒徑的影響

粒徑是描述噴霧破碎霧化能力的重要參數(shù)．其中索特平均直徑(SMD)能較好地表征噴霧破碎后所生成液滴的蒸發(fā)潛力和參與化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而對(duì)缸內(nèi)燃油的傳質(zhì)和傳熱過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確地評(píng)估．SMD的定義為

??? (1)

圖9為不同噴射壓力下，在噴孔正下方50,mm處各時(shí)刻SMD變化規(guī)律．在各個(gè)噴射壓力下，SMD隨著時(shí)間推移都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但在尾部出現(xiàn)了略微上升．提高噴射壓力，SMD顯著下降，在2.0,ms(ASOI)時(shí)刻，50,MPa噴射壓力下的SMD比10,MPa下降了64.1%,．可見(jiàn)超高壓噴射可以加劇噴孔內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)噴霧與空氣作用力，促進(jìn)乙醇液滴破碎．

為了更加系統(tǒng)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)噴霧破碎情況，結(jié)合粒子直徑頻率分布以及特征直徑來(lái)進(jìn)一步探究噴射壓力對(duì)乙醇液滴粒子直徑的影響規(guī)律．圖10為在該測(cè)點(diǎn)位置所捕捉液滴的粒子直徑頻率分布情況，粒子直徑步長(zhǎng)為1,μm．各個(gè)噴射壓力下的分布曲線都呈現(xiàn)出兩邊低中間高的趨勢(shì)．隨著噴射壓力提高，分布曲線寬度變窄，頻率峰值增大，峰值對(duì)應(yīng)粒子直徑減小．但超高噴射壓力下頻率峰值對(duì)應(yīng)粒子直徑減小幅度微弱，都在5,μm左右出現(xiàn)頻率峰值．可見(jiàn)增大噴射壓力可以顯著提高小液滴數(shù)量所占比例，降低粒子直徑分布離散程度．

圖9?不同噴射壓力下粒子SMD對(duì)比

圖10?不同噴射壓力下的粒子直徑分布對(duì)比

特征直徑DV10、DV50和DV90的物理意義分別為低于該直徑的液滴體積之和占總液滴體積之和的10%,、50%,和90%,．圖11為不同噴射壓力下上述3種特征直徑的變化規(guī)律．將噴射壓力從10,MPa提高至30,MPa時(shí)，DV10、DV50和DV90分別下降了20.8%,、27.6%,和26.1%,，壓力繼續(xù)從30,MPa增至50,MPa時(shí)，上述3個(gè)特征值下降幅度分別為10.7%,、24.8%,和22.33%,．可見(jiàn)噴射壓力的提高可以明顯增強(qiáng)乙醇液滴的破碎，但是在超高壓范圍內(nèi)繼續(xù)提高壓力時(shí)，DV10下降幅度減小．這是因?yàn)樾∫旱蜗噍^于大液滴具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，發(fā)生破碎難度加大，對(duì)壓力提高的敏感度相對(duì)較?。送猓捎诔邏簢娚浼觿×藲庖和牧鬟\(yùn)動(dòng)，大幅度提高了液滴之間的碰撞概率，而小粒徑液滴更易發(fā)生聚合反應(yīng)，進(jìn)一步導(dǎo)致了DV10降幅相對(duì)較?。?/p>

圖11?不同噴射壓力下特征直徑對(duì)比

2.2.3?噴射壓力對(duì)液滴韋伯?dāng)?shù)的影響

噴霧流場(chǎng)中的液滴發(fā)生霧化現(xiàn)象所需的最低能量值等于表面張力系數(shù)乘以液滴表面積的增量，所以常用韋伯?dāng)?shù)來(lái)表征液滴的破碎霧化能力．韋伯?dāng)?shù)定義為

???(2)

（a）10,MPa

（b）30,MPa

（c）50,MPa

2.2.4?噴霧內(nèi)部不同區(qū)域粒速和粒徑的變化規(guī)律

圖13為不同噴射壓力下在噴油孔正下方50,mm高度處，沿軸移動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)SMD的變化規(guī)律．軸正負(fù)方向定義如圖3所示．在10,MPa噴射壓力下，當(dāng)測(cè)點(diǎn)從中心軸線橫向外移動(dòng)時(shí)，SMD隨之上升，并且正負(fù)兩側(cè)呈現(xiàn)出了良好的對(duì)稱性，都在離中心軸線12,mm處達(dá)到峰值．這是因?yàn)榇罅揭旱尉哂懈蟮膽T性，可以運(yùn)動(dòng)至離軸線更遠(yuǎn)的橫向位置．但是離中軸線距離越大，受到空氣作用力的影響越大，更容易發(fā)生破碎，所以在噴霧邊緣的＝16,mm和＝－16,mm測(cè)點(diǎn)處SMD又出現(xiàn)下降．其他噴射壓力下SMD隨軸位置的變化趨勢(shì)與10,MPa類似，但是超高壓下變化幅度明顯下降，50,MPa下SMD的最大值與最小值之差比10,MPa減小了28.1%,．此外，超高壓噴射的負(fù)方向測(cè)點(diǎn)距離增加時(shí)，上升幅度要?。畯募y影拍攝的圖像中可知，負(fù)方向是其他4束油束所在側(cè)方向，而油束之間的交互作用引起了更加劇烈的氣液相湍流運(yùn)動(dòng)，對(duì)噴霧外圍液滴的破碎能力增強(qiáng)，所以相同距離下軸負(fù)方向位置的SMD比正方向要略低．

圖13?不同y軸測(cè)量位置下SMD的變化

圖14為在＝0處改變軸測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，不同噴射壓力下SMD的變化規(guī)律．隨著測(cè)量高度的增大，各噴射壓力下的SMD都呈現(xiàn)出了上升的趨勢(shì)．這是因?yàn)樵趪婌F縱向發(fā)展過(guò)程中，破碎生成的小液滴相互之間還會(huì)發(fā)生碰撞聚合反應(yīng)，所以軸距離增大時(shí)SMD會(huì)隨之變大．當(dāng)測(cè)量高度從60,mm增加到70,mm時(shí)，SMD的增幅比從50,mm增加到60,mm要小，50,MPa噴射壓力下該現(xiàn)象尤其明顯，SMD的增幅從31.3%,下降到8.4%,．造成此現(xiàn)象的原因是參與聚合反應(yīng)的大部分是小粒徑液滴，而大粒徑液滴進(jìn)行聚合的可能性較低，同時(shí)生成的較大液滴在噴霧流場(chǎng)中又更容易受到空氣阻力而發(fā)生破碎，所以導(dǎo)致SMD的上升幅度減?。?/p>

圖14?不同z,軸測(cè)量位置下SMD的變化

對(duì)各時(shí)刻不同位置液滴進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，可以進(jìn)一步理解噴霧的發(fā)展破碎過(guò)程．圖15為采用30,MPa噴射壓力下在0.8,ms(ASOI)、1.2,ms(ASOI)和2.0,ms(ASOI)時(shí)刻，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置捕獲到的粒徑和粒速的變化規(guī)律，其中直徑和速度大小與圖中標(biāo)尺成正比例關(guān)系．

（a）0.8,ms(ASOI)

（b）1.2,ms(ASOI)

（c）2.0,ms(ASOI)

在0.8,ms(ASOI)時(shí)刻，50～70,mm高度所測(cè)量到的為噴霧前端區(qū)域，其外形呈倒錐型．在噴霧的軸線位置，液滴直徑小，速度高，隨著測(cè)量點(diǎn)從中心位置橫向外移時(shí)，粒徑變大，運(yùn)動(dòng)速度減小，但是橫向速度分量增加．此外，左側(cè)邊緣點(diǎn)橫向分量要高于右側(cè)，這是因?yàn)閲婌F左側(cè)的4束油束射入環(huán)境中時(shí)，會(huì)造成流場(chǎng)內(nèi)更強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)，形成負(fù)壓區(qū)，空氣卷吸作用增強(qiáng)，進(jìn)而形成受力渦旋，造成邊緣點(diǎn)橫向速度提高，縱向向下速度減少．這與圖5中目標(biāo)油束的左側(cè)更容易出現(xiàn)枝狀結(jié)構(gòu)的結(jié)論相一致．

在1.2,ms(ASOI)和2.0,ms(ASOI)時(shí)刻，噴霧寬度隨著測(cè)量高度的增長(zhǎng)逐漸變大，并且分別在60,mm高度和70,mm高度的邊緣出現(xiàn)了具有向上速度分量的液滴，可見(jiàn)卷吸渦旋會(huì)隨著噴霧前進(jìn)而下移并繼續(xù)發(fā)展．在圖15(b)中，1.2,ms(ASOI)時(shí)刻噴霧內(nèi)部粒徑和粒速分布均勻度較差，可見(jiàn)該時(shí)刻下液滴在噴霧流場(chǎng)中的破碎霧化以及碰撞聚合作用仍然較為激烈．而圖15(c)中的2.0,ms(ASOI)時(shí)刻捕獲的粒子屬于噴霧尾部，運(yùn)動(dòng)至測(cè)量位置的液滴大部分都完成了破碎，并且由于失去了噴射持續(xù)推力，噴霧內(nèi)部流場(chǎng)動(dòng)量交換大幅度減弱，粒徑和粒速都較小且關(guān)于軸線有較好的對(duì)稱性．

3?結(jié)?論

(1) 提高噴射壓力加劇了空氣卷吸作用，枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)間縮短，分布區(qū)域增大，數(shù)量增多；枝狀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)時(shí)刻與縱向粒速峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻相近，進(jìn)一步從微觀上驗(yàn)證了枝狀結(jié)構(gòu)的形成可以有效促進(jìn)噴霧的破碎．

(2) 提高噴射壓力，噴霧頭部粒速加快，導(dǎo)致噴霧貫穿距增大，但30,MPa以上貫穿距增幅減??；噴霧錐角隨噴射壓力的提高小幅度上升．

(3) 提高噴射壓力，SMD顯著下降，小液滴所占比例提高，粒徑離散程度降低，超高壓噴霧粒徑分布峰值對(duì)應(yīng)粒徑都出現(xiàn)在5,μm左右；DV10、DV50和DV90都隨噴射壓力增大而減小，DV10下降幅度相對(duì)較小．

(4) 提高噴射壓力，液滴向高粒速小粒徑區(qū)域集中；在超高壓噴射下，粒徑在25,μm以上液滴顯著減少，位于劇烈破碎區(qū)的液滴粒徑下降并且范圍進(jìn)一步縮?。?/p>

(5) 隨著測(cè)點(diǎn)橫向距離增大，液滴粒徑變大，縱向粒速減小，橫向粒速分量增加；超高壓噴射時(shí)，SMD值隨橫向距離變化波動(dòng)較??；測(cè)點(diǎn)縱向距離增大時(shí)，小液滴聚合會(huì)導(dǎo)致SMD變大．

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(責(zé)任編輯：金順愛(ài))

Experimental on Microscopic Spray Characteristics of GDI Injector Fueled with Ethanol Under Ultra-High Injection Pressure

Pei Yiqiang1，Wang Kun1，Wang Tongjin1，Zhang Dan1，Li Xiang1，Zhan Zhangsong2，Liu Bin2，Hu Tiegang2，Zhang Xiaoyu2

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

To systematically study the microscopic spray characteristics of gasoline direct injection(GDI)injector fueled with ethanol under ultra-high injection pressure conditions，spray experiments were carried out using phase Doppler particle analyzer(PDPA)with injection pressure ranging from 10,MPa to 50,MPa．The change regulations of spray structure，droplet diameter and velocity in both space and time were analyzed with consideration of the spray images photographed by schlieren method．The results show that as injection pressure increases，branch-like structures’ occurring time decreases，and break-up and atomization processes are enhanced．Droplet velocity of spray head and penetration distance increase with the increase of injection pressure，and spray angle increases slightly．With increasing injection pressure，Sauter mean diameter(SMD)，DV90 and DV50 of ethanol droplets decrease obviously，but the decrease of DV10 is relatively small，and the droplet diameter of catastrophic break-up regime decreases．Under ultra-high injection pressure，the amount of large droplets whose diameter exceed 25,mm decreases obviously；the dispersion of the diameter reduces；the peak of diameter distribution appears around 5,mm；and the variation of SMD is relatively low at different transverse measurement points．Small droplet coalescence makes SMD larger with the increase of distance along the plume axis.

gasoline direct injection；ultra-high injection pressure；ethanol；spraymicroscopic characteristics

10.11784/tdxbz201704015

TK411

A

0493-2137(2018)02-0181-09

2017-04-06；

2017-05-18.

裴毅強(qiáng)（1967—??），男，博士，副教授.

裴毅強(qiáng)，peiyq@tju.edu.cn.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAG10B01).

the National Key Techology Research and Development Program of the Ministry of Science and Tecnology of China,(No.,2014BAG10B01).