欒 鑄， 唐火紅

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著汽油消耗的增長以及中國在尾氣排放強(qiáng)制性規(guī)定方面越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)已經(jīng)跟不上時(shí)代的需要，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)在燃油消耗量上以及尾氣排放上的優(yōu)勢已經(jīng)越來越受到各大汽車廠商的重視。GDI汽油機(jī)噴油器的噴霧特性直接影響到發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性［1］。本文對于高噴射壓力下噴霧特性的研究為GDI汽油機(jī)的研究提供理論依據(jù)。國內(nèi)外對GDI噴霧特性的影響因數(shù)展開了大量的研究：何邦全等通過長距顯微鏡和高速攝影相結(jié)合的方法，研究了單孔直噴汽油噴油器噴孔下方1.5 mm內(nèi)的近場噴霧特性［2］，研究所用噴油器壓力較低。李雁飛等在定容彈中，利用高速攝影和相位多普勒粒子測試技術(shù)（PDPA）研究了噴射壓力、背壓和噴射脈寬對汽油直噴（GDI）發(fā)動機(jī)多孔噴油器噴霧特性的影響，包括噴霧貫穿距、粒度和速度特性［3］，雖然該文對噴霧貫穿距有所涉及，但是主要是研究噴射壓力對噴霧貫穿距離的影響，并未研究對噴射角的影響。程強(qiáng)等研究了噴孔結(jié)構(gòu)對于GDI噴油器的噴霧特性的影響［4］。蔣晟龍等利用紋影法研究了在16 MPa噴射壓力下不同環(huán)境背壓和噴油規(guī)律下直噴噴油器的噴霧特性［5］。李秀海研究了燃油溫度對噴霧特性的影響［6］，研究的影響因素較單一。從上面的研究可以看出國內(nèi)外研究的噴油器噴射壓力大部分集中在15 MPa左右，對于更高的噴射壓力噴霧特性研究較少。本文從實(shí)際研究需要出發(fā)，研究了35MPa噴射壓力下直噴噴油器噴霧特性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及測試工況

1.1 試驗(yàn)測試系統(tǒng)原理

圖1 白光測試系統(tǒng)圖

白光測試系統(tǒng)見圖1。此系統(tǒng)主要包括燃油供給系統(tǒng)，環(huán)境氣體背景壓力控制，燃油溫度控制，圖像采集及后處理5大部分。利用高壓氮?dú)馄窟B接蓄壓器來保證燃油的噴射壓力，利用恒溫水箱連接噴油器的外圍水套保證每次噴射燃油的溫度不變，利用真空泵連接高壓定容容器來控制環(huán)境氣體背景壓力的變化。圖像采集及后處理部分由CCD相機(jī)、信號增強(qiáng)器、信號發(fā)生器、計(jì)算機(jī)及噴油器驅(qū)動組成。

噴油器噴霧白光成像測試時(shí)，噴油器安裝在測試壓力容器頂端，白光光源從容器一側(cè)照亮噴霧，ICCD（配有信號增強(qiáng)器）相機(jī)從另一側(cè)進(jìn)行拍照捕捉噴霧圖像，通過信號發(fā)生器DG645來控制光源、相機(jī)和噴油器的同步。按照之前得到的工況點(diǎn)，進(jìn)行不同時(shí)刻條件下噴油器噴霧白光成像的測試。

測試時(shí)，從噴油器開始出油為0時(shí)刻進(jìn)行拍攝，拍攝時(shí)刻為每隔0.1 ms ASOI直到噴油結(jié)束。

1.2 噴霧貫穿距離噴霧角計(jì)算方法

如圖2所示，根據(jù)SAE J2715標(biāo)準(zhǔn)，多孔噴嘴的噴霧外輪廓邊緣到噴孔豎直距離5 mm 和15 mm 的4個(gè)點(diǎn)所確定的線段AC和BD的夾角θ即為噴霧角（噴霧角的測量時(shí)刻斷油前0.2 ms），某個(gè)時(shí)刻噴嘴到噴霧外輪廓最遠(yuǎn)點(diǎn)的垂直方向距離即為貫穿距L。

圖2 噴霧貫穿距和噴霧角計(jì)算方法

1.3 測試工況及噴油器

本文利用正庚烷（100%）作為燃料試驗(yàn)工況，見表1。正庚烷的物理屬性見表2。噴油器安裝在高壓定容容器的頂部，利用蓄壓器來提供穩(wěn)定的噴射壓力，利用恒溫水槽精確控制燃油的溫度。噴油器采用德爾福六孔噴油器來進(jìn)行試驗(yàn)，其外形如圖3所示。

表1 測試工況

表2 正庚烷物理屬性

1.4 噴油器驅(qū)動參數(shù)

在測試之前，采用示波器（記錄儀）記錄噴油器響應(yīng)電流波形，用于測試噴油器響應(yīng)參數(shù)，如圖4所示，圖4a為測試使用的電流曲線，圖4b為從噴油器供應(yīng)商處查詢得到的控制參數(shù)。由圖4可以看出驅(qū)動參數(shù)數(shù)值皆與查得的數(shù)值相近，可用于測試。

2 結(jié)果及分析

2.1 背溫與背壓對噴霧角的影響

圖3 德爾福噴油器

圖4 噴油器響應(yīng)電流參數(shù)示意圖

表3是通過CCD相機(jī)采集噴霧圖片后提取其邊界，并通過計(jì)算得到的噴霧角，各種工況的命名為“噴射壓力_背壓_背溫_噴射脈寬”。①通過工況序號1、2、3的比較可以看出：在其他條件相同的情況下，隨著背景壓力的升高，噴霧角的數(shù)值在減小，但是噴霧角數(shù)值減小不是特別地明顯。說明背景壓力的變化對噴霧角的影響不是特別大。②通過工況3、4和工況5、6、7的比較可以看出：在其他條件相同的情況下，隨著背景溫度的升高噴霧角的數(shù)值明顯減小。同時(shí)還可以看出：當(dāng)背景溫度越高，噴霧角減小的趨勢越明顯。

這是因?yàn)樵诟弑硿氐那闆r下燃油蒸發(fā)加劇，邊緣細(xì)小液滴更容易蒸發(fā)，從噴霧的外邊緣向內(nèi)收縮，從而造成噴霧角減小。從上面的數(shù)據(jù)比較可以看出背景溫度比背景壓力對噴霧角的影響大。

表3 各種工況下噴霧角計(jì)算值

2.2 背溫與背壓對噴霧貫穿距的影響

圖5是根據(jù)每隔0.1 ms提取出的噴霧圖片然后計(jì)算出噴霧貫穿距數(shù)據(jù)所繪制的各種工況下的噴霧貫穿距曲線，圖5中的a～g分別對應(yīng)表3中的序號1～7。①從圖5a～5c中可以看出：隨著背壓的升高噴霧貫穿距明顯減小。②從圖5e～5g可以看出：隨著背溫的升高噴霧貫穿距也在減小。③從圖5d、圖5f、圖5g中可以看出：貫穿距在最后的階段出現(xiàn)了停滯增長。這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，貫穿距停滯增長都是在背溫比較高的情況下出現(xiàn)的。

圖5 各種工況下的噴霧貫穿距曲線

這是因?yàn)楦邷叵氯加鸵旱握舭l(fā)的速率很高，與噴油器的噴油速率達(dá)到動態(tài)平衡所致。一般情況，一次噴霧下噴霧貫穿距的增長速度應(yīng)該逐漸減緩，但是從圖5g中可以發(fā)現(xiàn)，貫穿距在1.0 ms以后有加速增長的情況，原因是較強(qiáng)的空氣卷吸反過來作用在了噴霧上，從而推動了其貫穿距增速的增長。這種情況往往和噴霧坍塌耦合發(fā)生。

3 結(jié)論

1）在35 MPa噴射壓力下，噴霧角隨著背溫和背壓升高而減小，但是背壓對噴霧角的影響不是很大，背溫對噴霧角的影響較大。這與低壓時(shí)背溫對噴霧角的影響很?。?］是有很大不同的。所以在設(shè)計(jì)高噴射壓力直噴發(fā)動機(jī)時(shí)，一定要考慮背溫對噴霧品質(zhì)的影響。

2）在35 MPa噴射壓力下，噴霧的貫穿距離隨著背溫和背壓的升高而減小，但是當(dāng)背溫升高到一定程度時(shí)，噴霧的貫穿距會出現(xiàn)停滯增長。

3）要防止背溫背壓過度升高，因?yàn)檫@樣會造成噴霧坍塌，進(jìn)而影響噴霧形成的品質(zhì)。`

［1］ 李波，李云清，王德福. GDI 發(fā)動機(jī)噴霧特性的數(shù)值模擬和試驗(yàn)［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30（1）：9-15.

［2］ 何邦全，張倓愷.直噴汽油噴油器噴射過程近場噴霧特性［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2013（5）：425-430.

［3］ 李雁飛，郭恒杰，王健，等.高背壓下GDI 油束噴霧特性的試驗(yàn)［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2016，34（4）：326-333.

［4］ 程強(qiáng)，張振東，謝乃流，等.噴孔結(jié)構(gòu)對多孔GDI噴油器噴霧特性的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2014，32（1）：45-51.

［5］ 蔣晟龍，沈穎剛，高東志，等.高環(huán)境壓力下燃油連續(xù)多段噴射噴霧特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2016，37（1）：62-66.

［6］ 李秀海.燃油溫度對GDI噴油器孔內(nèi)流動及噴霧特性的影響研究［J］.汽車科技，2016，1（6）：29-34.

［7］ 黃都.GDI汽油機(jī)噴油器驅(qū)動電路及噴霧特性研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.