缸內直噴發動機燃油噴射壓力對閃沸噴霧特性的影響研究

袁志遠，崔明利，李雪松，王森

(上海交通大學智能汽車研究所，上海 200240)

缸內直噴發動機在乘用車上有著廣泛的應用，此類發動機中燃油通過噴油器直接噴入發動機缸內，油氣混合的過程需要在較短的時間內迅速完成，以便獲得較高的燃燒效率及較低的排放[1]。研究機構和工業界常用兩種方法實現燃油的快速霧化和燃燒。一種是通過較高的噴射壓力加大燃油和空氣之間的相互作用力，進一步提高噴霧的破碎和蒸發效率。因為這種方式具有較高的可靠性，被工業界廣泛應用在直噴發動機中[2-3]。有研究表明，適當地提高燃油噴射壓力，有助于提升燃油的蒸發效率，同時降低排放。除此之外，研究者們發現通過提升燃油溫度或者降低缸內壓力，燃油在噴射之后油溫高于環境壓力對應的沸點，處于熱力學不平衡狀態，將迅速地氣化回歸熱力學平衡態，即實現閃沸。閃沸噴霧的應用，可以使噴霧在較低的噴射壓力下實現快速的霧化和蒸發[4-5]。

目前，關于閃沸噴霧的研究主要集中在多孔噴油器中[6-8]。閃沸工況下，多孔噴油器燃油噴霧油束之間的交叉干涉現象被稱為“坍塌”。通過對閃沸工況下噴霧坍塌的廣泛研究，研究者發現適當的噴霧坍塌有利于噴霧的蒸發和霧化效率的提升。然而，關于單孔噴油器閃沸噴霧的噴霧特征及其破碎機理的研究卻是有限的。除此之外，噴射壓力對閃沸噴霧破碎影響的機理研究也較為有限。本研究以單孔直噴噴油器的自由噴霧為研究對象，進行了過熱度及噴射壓力對閃沸噴霧形態及破碎的影響研究。

1 試驗方法及測試工況

如圖1所示，本研究基于背光法完成了遠場噴霧形態的高速成像試驗。背光試驗的光源采用了高強度的氙燈(Newport,300 W)，并在光源的前端設置了濾光片，保證光源均勻分布。噴霧圖像的采集采用了頻率為10 kHz的高速相機(Phantom V1210)。

整個試驗過程在高溫高壓定容彈中完成，試驗工況如表1所示。本試驗中容彈環境壓力可控制在1 kPa～8 MPa，壓力由真空泵和高壓氮氣源協同控制，容彈環境溫度通過電加熱和熱電偶反饋實現。測試中采用沸點較低的正戊烷作為試驗單質油品進行基礎研究，保證噴霧可以在較低的試驗油溫下實現閃沸。試驗油溫選定為20，40，60 ℃，這3個溫度分別代表了正戊烷的冷態、過渡態和過熱態，能夠較好地完成對不同過熱階段的噴霧形態的研究。噴射系統中使用特制的噴油器適配工裝，能夠通過水浴噴油器對燃油進行精確溫度控制。燃油噴射壓力選定為20，40，55 MPa，高壓測試燃油由氣動液壓泵產生，通過控制氣源壓力能夠準確調節油壓，經高壓油軌后供應噴油器進行測試。背壓選定為20，60，100 kPa，由真空泵和高壓氮氣源進行調節。容彈內的環境溫度設置為室溫，即25 ℃。本試驗所采用的噴油器為開孔垂直向下的單孔噴油器，噴油器的流道長度為800 μm，流道直徑為143 μm，對應的長徑比為5.6。本研究中沿用環境壓力與燃油在對應工況下的飽和蒸汽壓之比(pa/ps)作為衡量過熱度的參數[9]，較低的pa/ps值表示噴霧擁有較高的過熱度。如表2所示，用此方法計算可得，本研究中正戊烷的過熱度變化范圍為0.09～1.75，涵蓋了冷態、過渡態、過熱態的噴霧。

圖1 背光法試驗原理示意

表1 試驗工況及噴嘴尺寸參數

表2 不同工況對應的燃油過熱度

2 結果及討論

2.1 過熱度及噴射壓力對噴霧形態的影響

圖2示出了噴射壓力為20 MPa，且噴射燃油的質量均為0.8 mg時，噴霧在冷態、過渡態及過熱態下的宏觀噴霧特征及近場噴霧特征。由圖2可以看出，隨著過熱度的增加，噴霧形態有著顯著的變化，貫穿距明顯減小，噴霧寬度明顯增加。其原因在于隨著過熱度的增加，噴霧的蒸發效率升高，引起了噴霧油束的擴張，在同等質量流量的情況下，對應噴霧的貫穿距縮短。

圖2 過熱度對噴霧宏觀形態的影響

圖3示出冷態噴霧在不同噴射壓力下的宏觀噴霧形態和近場噴霧。隨著噴射壓力的增加，噴霧的貫穿距有所下降，噴霧頭部的破碎和霧化效果增強。其原因在于，隨著噴射壓力的增加，噴霧的流速增加，進而增強了噴霧和空氣之間的相互作用力，較強的空氣作用力引起了更好的噴霧破碎效果。

圖3 噴射壓力對噴霧宏觀形態的影響 (噴射質量均為0.8 mg，pa/ps=1.75)

對比圖2和圖3的可知，燃油過熱度和噴射壓力對噴霧的影響結果有著較為明顯的區別，過熱度對噴霧形態及噴霧霧化的影響更加明顯。

為了進一步對比兩種因素對噴霧形態的影響，分別計算了油壓20 MPa、不同過熱度下的噴霧貫穿距和pa/ps=1.75、不同油壓下冷態噴霧的貫穿距，結果見圖4。由圖可以看出，隨著過熱度的增加，噴霧的貫穿距下降更為明顯。特別在燃油噴射質量為0.8 mg時，pa/ps為0.09的工況比pa/ps為1.75的工況貫穿距下降了37%。相較而言，當燃油噴射壓力從20 MPa升高到55 MPa時，噴霧貫穿距僅下降了5%。

圖4 噴霧貫穿距曲線

除此之外，定量計算了噴嘴下方不同位置處噴霧的寬度，研究過熱度及噴射壓力對噴霧寬度的影響。圖5a示出燃油壓力為20 MPa時，過熱度對噴霧寬度的影響；圖5b示出pa/ps為1.75時，噴射壓力對噴霧寬度的影響。結果表明：過熱度對噴霧寬度的影響較為明顯。當pa/ps從1.75改變到0.09時，噴嘴下方20 mm處噴霧寬度增加了150%以上。相較而言，當噴霧噴射壓力從20 MPa增加到55 MPa時，噴嘴下方20 mm處噴霧寬度僅增加了16%。此外，相比于冷態噴霧，閃沸噴霧的油束寬度在噴嘴出口處迅速增大，之后油束寬度的增速和冷態噴霧保持一致。這說明閃沸對噴霧形態的影響是一個快速劇烈的過程，主導了噴霧近場的形態，在噴霧遠場，噴霧的形態則繼續由噴霧與空氣之間的相互作用來決定。

圖5 噴霧寬度曲線

2.2 燃油噴射壓力對閃沸噴霧形態和破碎的影響

圖6示出不同噴射壓力下噴霧的宏觀形態及近場噴霧結構的對比。從圖中可以看出，隨著噴射壓力的增加，噴霧的貫穿距有所增加，然而噴霧寬度明顯下降。對比圖3的結果可知，噴射壓力對閃沸噴霧的影響與對冷態噴霧的影響完全相反。從圖7和圖8可知，當噴射壓力從20 MPa增加到了55 MPa時，噴霧的貫穿距增加了將近15%，噴嘴下方20 mm處的噴霧寬度下降了約35%。Yang等[10]在透明噴嘴中的研究很好地解釋了這一點，Yang指出較高的過熱度導致燃油在噴嘴出口處形成了較多的氣泡，主導了噴霧的初次破碎。較高的燃油壓力主要是對噴霧的二次破碎起到了推動作用，對噴霧的初次破碎甚至有較小的抑制作用。

圖6 噴射壓力對閃沸噴霧形態的影響 (pa/ps=0.09，噴射燃油質量為0.8 mg)

圖7 不同燃油噴射壓力下的噴霧貫穿距(pa/ps=0.09)

圖8 不同燃油噴射壓力下的噴霧寬度(pa/ps=0.09)

噴霧的運動可以分為兩部分：第一部分是軸向的運動，這個方向的運動影響了噴霧貫穿距的增長；第二部分是徑向的運動，這個方向的運動影響了噴霧寬度的增加。軸向的速度主要由噴射壓力主導，隨著噴射壓力的增加，噴霧在噴嘴出口處的軸向速度明顯增加。相較而言，閃沸主導了噴嘴出口處的徑向速度，較高的徑向速度引起了較好的噴霧破碎。

對于冷態噴霧，初始徑向速度很小。當油壓升高時，燃油噴霧在出口處擁有較高初始速度的同時，也受到了更強的空氣剪切力。因此在噴油質量相同的情況下，較高的噴射壓力下燃油貫穿距較短。除此之外，更強的空氣剪切力引起了較多的空氣卷入，進而導致噴霧體積增大，噴霧寬度增加。對于閃沸噴霧，在孔內閃沸氣泡的影響下，噴霧擁有了較高的徑向初速度，所以噴霧寬度更寬，同等噴霧質量的情況下噴霧貫穿距更小。當噴射壓力增加后，噴霧孔內閃沸氣泡的生成受到了抑制，噴霧的徑向初始速度降低，軸向速度增加，所以噴霧貫穿距增加，寬度降低。

3 結論

a) 增加燃油過熱度，單孔噴油器噴霧寬度顯著增加，噴霧貫穿距明顯縮短；

b) 對于單孔直噴噴油器過熱噴霧，增加噴霧的燃油噴射壓力，噴霧寬度顯著下降，噴霧貫穿距有所增加；對于單孔直噴噴油器冷態噴霧，增加噴霧的燃油噴射壓力，噴霧的貫穿距減小，噴霧寬度增加不明顯；

c) 通過對過熱噴霧和高壓噴霧不同形態特征的比較，發現高壓噴霧的破碎機理與普通噴霧并無太大差異；而過熱噴霧的初次破碎機理則與高壓噴霧完全不同，能夠顯著地增加霧化效率。