高噴射壓力下GDI噴油器噴霧特性研究

欒 鑄， 唐火紅

（合肥工業大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

隨著汽油消耗的增長以及中國在尾氣排放強制性規定方面越來越嚴格，傳統的進氣道噴射汽油機已經跟不上時代的需要，缸內直噴汽油機在燃油消耗量上以及尾氣排放上的優勢已經越來越受到各大汽車廠商的重視。GDI汽油機噴油器的噴霧特性直接影響到發動機的動力性、經濟性和排放性［1］。本文對于高噴射壓力下噴霧特性的研究為GDI汽油機的研究提供理論依據。國內外對GDI噴霧特性的影響因數展開了大量的研究：何邦全等通過長距顯微鏡和高速攝影相結合的方法，研究了單孔直噴汽油噴油器噴孔下方1.5 mm內的近場噴霧特性［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（PDPA）研究了噴射壓力、背壓和噴射脈寬對汽油直噴（GDI）發動機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。程強等研究了噴孔結構對于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噴射壓力下不同環境背壓和噴油規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。本文從實際研究需要出發，研究了35MPa噴射壓力下直噴噴油器噴霧特性。

1 試驗系統及測試工況

1.1 試驗測試系統原理

圖1 白光測試系統圖

白光測試系統見圖1。此系統主要包括燃油供給系統，環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。利用高壓氮氣瓶連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境氣體背景壓力的變化。圖像采集及后處理部分由CCD相機、信號增強器、信號發生器、計算機及噴油器驅動組成。

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

測試時，從噴油器開始出油為0時刻進行拍攝，拍攝時刻為每隔0.1 ms ASOI直到噴油結束。

1.2 噴霧貫穿距離噴霧角計算方法

如圖2所示，根據SAE J2715標準，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個點所確定的線段AC和BD的夾角θ即為噴霧角（噴霧角的測量時刻斷油前0.2 ms），某個時刻噴嘴到噴霧外輪廓最遠點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行試驗，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 噴油器驅動參數

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

2 結果及分析

2.1 背溫與背壓對噴霧角的影響

圖3 德爾福噴油器

圖4 噴油器響應電流參數示意圖

表3是通過CCD相機采集噴霧圖片后提取其邊界，并通過計算得到的噴霧角，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，噴霧角的數值在減小，但是噴霧角數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值明顯減小。同時還可以看出：當背景溫度越高，噴霧角減小的趨勢越明顯。

這是因為在高背溫的情況下燃油蒸發加劇，邊緣細小液滴更容易蒸發，從噴霧的外邊緣向內收縮，從而造成噴霧角減小。從上面的數據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算值

2.2 背溫與背壓對噴霧貫穿距的影響

圖5是根據每隔0.1 ms提取出的噴霧圖片然后計算出噴霧貫穿距數據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了停滯增長。這時可以發現，貫穿距停滯增長都是在背溫比較高的情況下出現的。

圖5 各種工況下的噴霧貫穿距曲線

這是因為高溫下燃油液滴蒸發的速率很高，與噴油器的噴油速率達到動態平衡所致。一般情況，一次噴霧下噴霧貫穿距的增長速度應該逐漸減緩，但是從圖5g中可以發現，貫穿距在1.0 ms以后有加速增長的情況，原因是較強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生。

3 結論

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。這與低壓時背溫對噴霧角的影響很小［7］是有很大不同的。所以在設計高噴射壓力直噴發動機時，一定要考慮背溫對噴霧品質的影響。

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，但是當背溫升高到一定程度時，噴霧的貫穿距會出現停滯增長。

3）要防止背溫背壓過度升高，因為這樣會造成噴霧坍塌，進而影響噴霧形成的品質。`

［1］ 李波，李云清，王德福. GDI 發動機噴霧特性的數值模擬和試驗［J］.內燃機學報，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］.內燃機學報， 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［J］.內燃機學報，2016，34（4）：326-333.

［4］ 程強，張振東，謝乃流，等.噴孔結構對多孔GDI噴油器噴霧特性的影響［J］.內燃機學報，2014，32（1）：45-51.

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

［6］ 李秀海.燃油溫度對GDI噴油器孔內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汽油機噴油器驅動電路及噴霧特性研究［D］.武漢：華中科技大學，2011.