GDI多孔噴油器內部流動及噴霧特性研究

王磊磊，杜家益，袁銀男，宋睿智，耿文娟，袁亞飛

（1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.南通大學機械與工程學院，江蘇 南通 226019；3.一汽無錫油泵油嘴研究所，江蘇 無錫 214063）

汽油機采用缸內直噴技術（GDI），具有較高的動力性、經濟性以及動態響應特性。目前，缸內直噴汽油機多采用高壓電控多孔噴油器，由于汽油黏度小，對噴油器幾乎沒有潤滑作用，因此噴油壓力一般不超過20MPa。發動機在高轉速和高負荷時，為了有充足的時間形成均質混合氣，燃油在進氣沖程初期噴入，較均勻地分布在燃燒室。在噴射過程中要避免油束與壁面的碰撞。在部分負荷時，為了形成分層梯度較高的混合氣，提高燃油經濟性，燃油在壓縮后期噴入燃燒室。并且為了在噴注中心和邊緣之間的區域形成有利于火花塞點火的可燃混合氣，需要噴油過程與點火過程在較短時間密切配合。如何在各種工況下精確地控制燃油噴霧過程是汽油機缸內直噴技術的關鍵［1－2］。

國外對GDI多孔噴油器噴霧特性有較多研究，Zigan等［3］利用Mie散射和相位多普勒測速（PDA）技術，采用物理特性類似汽油的液體（正己烷、正庚烷、正癸烷以及三者的混液）對12孔GDI噴油器噴霧特性進行了研究，分析了不同特性的燃油在不同背壓和環境溫度下的噴霧結構的變化。Aleiferis等［4］使用汽油、異辛烷、正戊烷、乙醇和正丁醇對不同燃油溫度下的GDI多孔噴油器噴霧特性進行了試驗研究，主要考慮了各種燃料在不同溫度下噴霧貫穿距離、噴霧錐角、液滴粒徑和速度的變化規律。

王艷華等人［5］對J.M.Nouri［6］所采用的放大29倍的GDI 6孔噴油器進行數值模擬，研究發現采用兩相流非線性空穴模型模擬的空穴分布結果與同步高速相機觀測的試驗結果吻合。本研究使用兩相流非線性空穴模型對GDI噴油嘴內部流動進行數值模擬。將噴孔出口的計算結果作為噴霧邊界條件，采用 Huh－Gosman［7］噴霧模型在定容室中對噴油器噴霧特性進行數值模擬。通過噴霧試驗對計算模型進行驗證，分析了噴油壓力和噴射背壓對噴霧特性的影響。

1 GDI噴嘴內部流動計算

1.1 內部流動計算網格和邊界條件

模擬采用孔徑為0.19mm的6孔噴油器，計算網格見圖1，網格總數為62萬個。動網格劃分需要的針閥升程曲線由LTC 025－2激光位移測試儀測取（見圖2）。計算選擇兩相流非線性空穴模型以及標準κ－ε湍流模型。入口和出口均采用壓力作為邊界條件，計算流體采用與汽油物性參數接近的正庚烷。

1.2 空穴對噴嘴流量的影響

在噴油壓力10MPa、噴射背壓0.1MPa及溫度293K條件下，采用兩相流非線性空化模型計算出針閥全開時噴嘴平均流量為11.48g／s。通過EMI21單次噴射儀測量的噴嘴流量為11.12g／s，誤差僅為3.2%。圖3示出噴嘴表面以及噴孔出口截面空穴分布，從圖中可以看出空穴在噴孔轉角處產生，逐步發展，擴展到噴孔出口。這是由于噴孔轉角處流動發生分離，加上孔口的收縮，使得流通截面積減小，流速增加，靜壓低于飽和蒸氣壓產生氣泡，出現空穴。空穴不僅使得噴孔流量減小，而且影響了噴孔出口速度和湍動能，最終影響噴霧特性。

2 GDI噴嘴噴霧特性計算

2.1 噴霧計算網格和邊界條件

噴霧模擬在定容室中進行，定容室是直徑為80mm，高度為120mm的圓柱體。網格總數66.3萬，對噴油器噴孔周圍網格進行了細化，最小網格0.5mm×0.5mm×0.5mm（見圖4）。噴油脈寬1.5ms，噴霧計算持續時間1.6ms，計算步長0.02ms。將噴嘴內部流動噴孔出口截面計算結果（如噴孔出口速度、噴油規律、空穴、湍動能等）作為噴霧數值模擬的邊界條件。

2.2 噴霧計算模型

噴霧初次破碎模型選用Blob Injection模型，二次破碎采用Huh－Gosman模型，該模型認為射流內部的湍流擾動和氣動力是導致液體分裂霧化的原因。液滴蒸發采用Dukowicz模型，油滴相互作用采用Schmidt模型，湍流擴散采用Enable模型。由于噴霧計算模擬的是燃油在定容室中的自由噴霧，因此不考慮液滴的碰壁。

2.3 噴霧計算模型驗證

噴霧試驗在GI3000噴霧試驗臺架上進行，試驗用液為正庚烷。測試系統裝置見圖5，由安裝在高壓油軌上的電子調壓閥調節噴油壓力，采用專用的ECU控制噴油脈寬，通過高壓氮氣瓶組向定容室內加壓的方法來調整定容室背壓，使用CCD相機對噴霧過程進行拍攝。噴霧錐角定義為噴孔下方5mm和15mm兩處的水平線與整個噴霧圖像最外側油束外廓線的兩組交點構成的連線之間的夾角（見圖6）。貫穿距離定義為噴油器到噴霧外部輪廓邊緣的最大垂直距離。

圖7示出噴油壓力10MPa、噴射背壓0.5MPa、環境溫度293K下噴霧貫穿距離的模擬與試驗結果，模擬值略大于試驗值，但最大誤差小于5%。圖8示出噴霧形態模擬與試驗結果對比，從圖中可以看出，在噴霧發展過程中，模擬結果與試驗結果在外形上比較接近。圖9示出了噴霧錐角模擬結果與試驗結果對比，從圖中可以看出模擬與試驗結果吻合較好。

3 計算結果及分析

3.1 噴油壓力對噴霧特性的影響

保持噴射背壓0.5MPa和環境溫度293K不變，分別對噴油壓力為5MPa，10MPa，15MPa下的噴嘴內部流動和噴霧特性進行數值模擬。圖10示出1.4ms時噴孔出口截面空穴分布，從圖中可以看出，隨著噴油壓力的增加，噴孔出口的空穴強度緩慢增加。圖11示出1.4ms時噴孔出口截面速度分布，從圖中可以看出，隨著噴油壓力提高，噴孔出口的速度明顯增加。圖12示出噴油壓力對噴霧貫穿距離的影響，噴孔兩端壓力差加大，噴霧液滴的初速度增加，噴霧的貫穿距離也隨之增加。圖13示出噴油壓力對SMD（索特平均直徑）的影響，噴射開始時，油束整體的粒徑較大。隨著噴霧過程的發展，較大的液滴破碎成為小液滴，粒徑逐漸減小，曲線趨于平緩。提高噴油壓力，噴孔出口的湍動能增加，有利于液滴的初次破碎，并且燃油與空氣的相對速度增大，增強了氣動破碎，因此SMD減小。

3.2 噴射背壓對噴霧特性的影響

保持噴油壓力10MPa和環境溫度293K不變，分別對噴射背壓為0.5MPa，1.0MPa，1.5MPa下的噴霧特性進行數值模擬。圖14示出1.4ms時不同噴射背壓下Z＝0截面燃油質量濃度分布，從圖中可以看出燃油質量濃度高的區域主要出現在噴孔附近和油束末端。隨著噴射背壓的升高，油束末端的燃油聚集越來越嚴重。圖15示出噴射背壓對噴霧貫穿距離的影響，從圖中可以看出隨著噴射背壓的升高，噴霧貫穿距離逐漸減小。噴射背壓提高后，介質密度增加，油束受到的阻力大大增加，噴霧貫穿距離明顯減小。噴射背壓對SMD的影響較為復雜（見圖16）。噴射初期，在噴射背壓高的情況下，噴射壓差較小，流量也較小，噴入定容室的燃油較少，且受到的空氣阻力較大，油滴橫向擴展的趨勢增加，SMD較小。噴射后期，在噴射背壓高的情況下，雖然噴孔流量較小，但是空氣阻力起到主要作用，使得燃油在較小的空間內聚積，與空氣的接觸面積減小，液滴的蒸發減緩而聚合的傾向增加，因此噴霧后期SMD略有增加。

4 結論

a）采用Huh－Gosman模型并且引入噴嘴內部流動計算結果可以較為準確模擬GDI噴油器的噴霧特性；

b）在均質混合工作模式下，由于燃油在進氣沖程初期噴入燃燒室，適當提高噴油壓力，可以增加貫穿距離，增強燃油與空氣的相互作用，減小SMD，提高燃油的霧化質量；

c）在分層混合工作模式下，燃油在壓縮沖程結束時噴入燃燒室，此時缸內壓力較高，尤其是增壓的缸內直噴汽油機，在較高的噴射背壓下，噴霧貫穿距離明顯減小，SMD略有增加。

［1］Zhao F，Lai M C，Harrington D L.Automotive sparkignition direct－injection gasoline engines ［J］.Progress in Energy and Combustion Science，1999，25（5）：437－562.

［2］巴斯懷森R.汽油機直噴技術［M］.宋進桂，李 棟，譯.北京：機械工業出版社，2011.

［3］Zigan L，Schmitz I，Wensing M，et al.Effect of fuel properties on spray breakup and evaporation studied for a multi－hole direct injection spark ignition injector［J］.Energy＆Fuels，2010，24（8）：4341－4350.

［4］Aleiferis P G，van Romunde Z R.An analysis of spray development with iso－octane，n－pentane，Gasoline，ethanol and n－butanol from a multi－hole injector under hot fuel conditions［J］.Fuel，2012，105：143－168.

［5］王艷華，楊世春，張 良.缸內直噴汽油機噴嘴內流動影響參數分析［J］.江蘇大學學報：自然科學版，2012，33（6）：632－637.

［6］Nouri J M，Mitroglou N，Yan Y，et al.Internal flow and cavitation in a multi－hole injector for gasoline direct－injection engines［C］.SAE Paper 2007－01－1405.

［7］Huh K Y，Gosman A D.A phenomenological model of diesel spray atomization［J］.Proceedings of the international conference on multiphase flows，1991：24－27.