基于激光診斷技術的汽油直噴發動機噴霧機理

尚勇，金偉

（工業和信息化部裝備工業發展中心，北京100846）

中國在汽車發動機噴霧、燃燒領域的基礎研究方面比較薄弱，與世界先進水平有較大差距，一是在噴霧、燃燒的基礎理論對發動機性能影響的研究上尚未探明，二是在仿真標定與試驗驗證方面缺乏系統性研究，三是在試驗測試設備的測試精度和可靠性方面存在較大不足。近年來，隨著節能和環保的呼聲越來越高，以及均質充量壓縮點火（HCCI）、可控自燃（CAI）、汽油直噴（GDI）和均質混合氣引燃燃燒（HCII）等新型燃燒方式在發動機上的應用越來越多，發動機在動力性、經濟性和排放性改進方面面臨著巨大挑戰，對缸內噴霧、蒸發、混合、燃燒現象和污染物生成過程的理解和認識就顯得尤為重要，因此必須進行深入的基礎理論研究和創新性探索，加深對發動機缸內現象的理解和認識。

光學可視化技術具有不干擾被測對象、測試精度高、時間響應快、結果直觀形象等特點，尤其近年來隨著以激光和CCD技術為代表的現代光學的發展，可視化技術已經成為發動機測試技術中的重要手段。目前，歐洲、美國、日本等發達國家越來越系統地開展缸內可視化研究，從原來的單點探測，逐步發展為以激光測試技術為代表的二維激光片光診斷。中國近年來在缸內可視化技術方面取得了很大進展，但和國際水平還有較大的差距，主要表現為測試裝置和激光測試技術的研發和應用［1］。

激光的前身MASER在1955年由Townes等［2］開發出來，1960年Maiman［3］用紅寶石制成激光，僅僅通過短短50多年的時間，激光測試技術在噴霧燃燒領域的應用獲得了巨大發展［4］。在研究領域上，對汽／柴油機噴霧特性的研究也由宏觀領域向微觀領域延伸——從開始的對噴霧幾何形狀的研究，到后來的噴霧場氣液兩相速度場分布、氣液兩相濃度場分布、噴霧粒徑、溫度場等的分析，都取得了極大發展。

自從激光被發明出來之后，由于其單色性好、方向性好、相干性好和亮度高的特點，被廣泛運用于直噴系統內燃機的開發。日本廣島大學的Hiroyasu、Arai于1982年使用激光測試方法對在高壓環境下高速射流的破碎過程進行研究，隨后應用到對汽／柴油噴霧特性的研究［5］。此后在內燃機界，廣大的科研人員開啟了內燃機噴霧可視化測試新時代。美國密歇根大學的Johnson等于2012年利用Mie散射技術對高壓柴油機多孔噴油器的噴霧特性的研究中，發現燃油霧注發展過程符合高斯曲線的分布規律［6］。LSD測試技術即LIF-Mie散射法，其首先由Kenneth［7］提出，由Gal等［8］首先運用到噴霧的粒徑測量中。

國內的天津大學史紹熙等于1996年率先提出并實現了LIF-Mie散射法測得噴霧場中的SMD［9］。西安交通大學的黃佐華等在2005年使用光學手段，得到了甲烷煤油穩態噴霧中噴油壓力、噴嘴徑長比等參數對噴霧錐角、貫穿度和SMD的影響［10］。隨后，王金華、黃佐華等利用高速攝影加紋影法，得到了乙醇、天然氣在不同噴油壓力和環境背景壓力下，射流貫穿度離、射流錐角和射流體積隨時間變化的規律［11］。北京理工大學的孫柏剛、李向榮等在2004年利用粒子圖像測速（PIV），實現了電控高壓共軌柴油機噴霧特性測試［12］。清華大學的馬驍等在2010年利用激光誘導熒光法（LIF）對缸內直噴汽油機的稀燃分層與當量比分層策略進行了研究［13］。上海交通大學的張玉銀、許敏等于2009年從試驗中得到了多孔噴油器在不同噴油壓力和環境背景壓力下的噴霧貫穿度和噴霧錐角的變化規律［14］。2012年，他們采用Mie散射和LIF技術對甲醇和乙醇在冷啟動條件下的噴霧特性進行研究，利用Nd：YAG激光系統同時產生了波長為532 nm和266 nm的激光，照射到噴霧得到不同的熒光信號和Mie散射信號，并把測試結果與汽油噴霧特性進行了比較［15］。隨后，曾緯在LIF-Mie的聯合測試基礎上進行改進，得到LIEF-Mie測試法，并利用其對直噴液體射流及閃急沸騰噴霧特性和機理開展相關研究，試驗表明，改進后的LIEF-Mie可以大大提升噴霧特性的測試精度［16］。

為研究汽油直噴發動機的噴霧機理，本文通過搭建定容燃燒彈平臺和激光測試平臺，采用LSD測試方法，對不同背景壓力和噴油壓力下的噴霧特性進行了對比分析。

1 激光及試驗測試系統

1.1 激光測試系統

激光測試系統由Nd∶YAG激光器和圖像采集系統組成。

Nd∶YAG激光器可以發出4種特定波長的激光，分別為基頻（1 064 nm）、二倍頻（532 nm）、三倍頻（355 nm）和四倍頻（266 nm）。不同波段的激光具有不同的性質和作用，根據具體試驗的需要可以適當選擇相適應的激光波長。圖1為Nd∶YAG激光器。

圖像采集系統是由德國LaVision公司提供的慢速瞬態圖像信息采集系統，包括CCD相機、增強器及其控制器、紫外鏡頭、雙像器、LIF和Mie光學濾鏡。圖像采集系統如圖2所示。

圖1 Nd∶YAG激光器Fig.1 Nd∶YAG laser

圖2 圖像采集系統Fig.2 Image acquisition system

1.2 容 彈

按照容彈壓力等級分類，壓力為1.6～10MPa的中壓容器屬于第二類壓力容器。加工制造容彈的單位需具有《中華人民共和國特種設備制造許可證》，并滿足容彈壓力等級對應的加工制造資質要求。

本文所涉及的容彈如圖3所示，其是一款專門用于研究汽／柴油噴霧混合過程的容彈。該容彈主體為正方體，外形尺寸為160mm×160mm×160mm，厚度為20mm，設計壓力為2MPa，設計溫度為常溫。

圖3 定容噴霧試驗專用容彈Fig.3 Constant volume combustion bomb for spray test

1.3 汽油直噴系統

供氣系統、蓄壓系統、供油系統、控制系統、管路系統及臺架系統可組建為汽油直噴系統，具體技術參數為：①汽油直噴系統可以實現不同轉速、脈寬、壓力、次數的燃油噴射，并提供三路同步觸發控制信號，用于同步控制光學測試系統。②汽油直噴系統可匹配容彈系統進行相關光學測試。③汽油直噴最高壓力為8MPa。試驗系統如圖4所示。

需要說明的是，與汽油直噴發動機中由汽油泵建立高壓噴射的方式不同，本文汽油直噴系統中汽油GDI噴油器的高壓噴射狀態由高壓氣瓶建立，但測試結果可與發動機真實噴射狀態對標。

圖4 汽油直噴系統Fig.4 Gasoline direct injection system

1.4 試驗系統搭建

基于1.2節所述容彈，搭建LIF-Mie散射測試系統，對汽油噴霧進行激光測試。通過對2種激光測試結果進行分析，可得到汽油噴霧形態和粒徑SMD相關信息，試驗系統如圖5所示。

圖5 試驗系統Fig.5 Experimental system

2 汽油直噴宏觀噴霧特性

2.1 試驗工況選擇

試驗采用北京92＃汽油，主要工況為：容彈保持常溫狀態不變，分別改變噴油壓力和容彈背景壓力。具體試驗變量及噴油方案如表1所示。試驗時保持噴油脈寬1000μs不變，噴油次數為1次。

LaVision激光器的發射頻率為10 Hz。ICCD增強相機的單幀像素為344×520，曝光時間為4 000μs，光圈系數為f／2.8。預試驗中發現，噴油按照10 Hz頻率噴射時，2次噴油間的影響較大，最終優選為1 Hz噴射，ICCD相機拍攝頻率同為1 Hz，噴射10次取平均得到最終分析圖像。由于噴油脈寬取1 000μs，因此ICCD相機的單次拍攝時刻取噴油噴出的200、400、600、800、1 000μs。

表1 試驗方案Table 1 Test scheme

2.2 試驗結果分析

圖6 LIF拍攝圖片（變噴油壓力）Fig.6 LIF picture（variable injection pressure）

2.2.1 噴油壓力對宏觀噴霧特性的影響

圖6為不同噴油壓力下的LIF拍攝圖片?？芍?，在同一噴射時刻下，隨著噴油壓力增加，噴霧貫穿度增加，這主要是由于噴油壓力越大，噴射能量越高，在同一背景壓力下的噴射距離越遠。

圖7為不同噴油壓力下的Mie散射拍攝圖片。可知，Mie散射圖片的規律與LIF圖片規律一致，即在同一噴射時刻下，隨著噴油壓力增加，噴霧貫穿度增加。

根據圖6和圖7，通過E-ruler v1.16量圖軟件進行圖片分析得到噴霧貫穿度和錐角。由于LIF圖片為黑色背景，對比度更大，因此下文所測得的數據均來自LIF圖片。

圖7 M ie拍攝圖片（變噴油壓力）Fig.7 Mie picture（variable injection pressure）

圖8為噴霧貫穿度隨噴油壓力的變化規律?？芍诓煌瑖娪蛪毫ο?，隨著噴射時間的發展，噴霧貫穿度基本呈線性增加的趨勢。在同一時刻下，隨噴油壓力的提高，噴霧貫穿度增加，但可以發現當噴油壓力達到7 MPa以上時，噴霧貫穿度增加的幅度放緩。

圖9為噴霧錐角隨噴油壓力的變化規律（定義兩束油之間的夾角為噴霧錐角）。由圖9可知，在不同噴油壓力下，隨著噴射時間的發展，噴霧錐角基本呈現先減少后增加的趨勢，數值為38°～50°。在同一時刻下，隨噴油壓力的提高，噴霧錐角呈現逐漸降低的趨勢，但當噴油壓力達到5MPa以上時，噴霧錐角幾乎不再變化。

圖8 噴霧貫穿度隨噴油壓力的變化規律Fig.8 Variation rule of spray penetration with injection pressure

圖9 噴霧錐角隨噴油壓力的變化規律Fig.9 Variation rule of spray cone angle with injection pressure

2.2.2 背景壓力對宏觀噴霧特性的影響

圖10為不同背景壓力下的LIF拍攝圖片。可知，在同一噴射時刻下，隨著背景壓力增加，噴霧貫穿度越短，這主要是由于背景壓力越大，噴射的阻力越高，在同一噴油壓力下的噴射距離越短。

圖10 LIF拍攝圖片（變背景壓力）Fig.10 LIF picture（variable back pressure）

圖11為噴霧貫穿度隨背景壓力的變化規律。可知，在不同背景壓力下，隨著噴射時間的發展，噴霧貫穿度基本呈線性增加的趨勢。在同一時刻下，隨背景壓力的提高，噴霧貫穿度減少。

圖12為噴霧錐角隨背景壓力的變化規律?？芍?，在不同背景壓力下，隨著噴射時間的發展，噴霧錐角基本呈現不斷減少的趨勢，數值為38°～50°。在同一時刻下，隨背景壓力的提高，噴霧錐角呈現逐漸增加的趨勢，這主要是由于背景壓力的提高帶來噴霧阻力的增加，噴霧向前受阻的情況下只能向外圍擴展。

圖11 噴霧貫穿度隨背景壓力的變化規律Fig.11 Variation rule of spray penetration with back pressure

圖12 噴霧錐角隨背景壓力的變化規律Fig.12 Variation rule of spray cone angle with back pressure

3 結 論

本文通過采用可視化的手段，研究噴油壓力和背景壓力對噴霧貫穿度和錐角等宏觀參數的影響，得出如下結論：

1）隨噴油壓力增加，相同噴油時刻下的噴霧貫穿度逐漸增加，但當噴油壓力達到7 MPa以上時，噴霧貫穿度增加的幅度放緩。在同一時刻下，隨噴油壓力的提高，噴霧錐角呈現逐漸降低的趨勢，但當噴油壓力達到5MPa以上時，噴霧錐角幾乎不再變化。在不同噴油壓力下，隨著噴射時間的發展，噴霧貫穿度逐漸增加，噴霧錐角基本呈現先減少后增加的趨勢，數值為38°～50°。

2）隨背景壓力增加，相同噴油時刻下的噴霧貫穿度逐漸減少。在同一時刻下，隨背景壓力的提高，噴霧錐角呈現逐漸增加的趨勢。在不同背景壓力下，隨著噴射時間的發展，噴霧貫穿度逐漸增加，噴霧錐角基本呈現不斷減少的趨勢，數值為38°～50°。

需要說明的是，本文得出的噴霧特性趨勢性研究結論具有普適性，但限于試驗系統的測試精度和試驗環境的單一性，噴霧定量數據僅適用于本文試驗測試。