張丹，裴毅強(qiáng)，王琨，王同金，劉斌，胡鐵鋼，王振平，季思思

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超高噴射壓力下GDI噴油器噴霧宏觀特性

張丹1，裴毅強(qiáng)1，王琨1，王同金1，劉斌2，胡鐵鋼2，王振平2，季思思2

(1. 天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072；2. 重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司 動(dòng)力研究院，重慶，401120)

為了探究在超高噴射壓力下GDI(gasoline direct injection)噴油器噴霧的宏觀特性，采用陰影法對(duì)噴射壓力為5~60 MPa的噴霧進(jìn)行測(cè)量，分析噴射壓力對(duì)油束發(fā)展歷程、貫穿距離、噴霧錐角、噴霧面積以及噴油器尾噴現(xiàn)象的影響，并通過(guò)對(duì)DENT經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，得到超高噴射壓力下汽油的貫穿距離計(jì)算公式。研究結(jié)果表明：噴射壓力的提高能夠促進(jìn)噴霧外圍“分支狀結(jié)構(gòu)”的生成；噴射壓力的提高使貫穿距離明顯增大；噴霧面積隨噴射壓力的提高有所增加，但增幅逐漸減??；噴射壓力每增加10 MPa，噴霧錐角峰值平均增加1.5°；當(dāng)噴射壓力達(dá)到30 MPa及以上時(shí)，噴油器尾噴現(xiàn)象基本消失；隨著噴霧發(fā)展，貫穿距離和噴霧面積均呈現(xiàn)一定程度的線性增大；噴霧錐角呈先上升后下降，最后穩(wěn)定在82°左右的趨勢(shì)。

超高；噴霧；宏觀特性；GDI噴油器；噴射壓力

缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection, GDI)技術(shù)是汽油機(jī)向小型強(qiáng)化方向發(fā)展的重要技術(shù)之一，在提高汽油機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性、實(shí)現(xiàn)精確的空燃比控制和降低尾氣排放物等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)[1]。目前，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究已成為發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[2?4]。但由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)將燃油直接噴入缸內(nèi)，燃油與空氣混合時(shí)間較短，易造成局部混合氣過(guò)濃的現(xiàn)象，導(dǎo)致顆粒物排放量較大。提高GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的噴射壓力，能夠使噴霧粒子更加細(xì)化[5]，增加燃油的蒸發(fā)速率，從而使油氣混合更迅速、均勻，燃燒更充分，有利于減少顆粒物的排放。但由于汽油黏度小，對(duì)GDI噴油器的潤(rùn)滑效果較差[6]，燃油的噴射壓力一般不超過(guò) 20 MPa[7]。隨著噴油器技術(shù)的發(fā)展[8]，國(guó)際上在提高噴射壓力對(duì)汽油噴霧特性影響方面也逐步開(kāi)展了研究。PAYRI等[9]采用柴油高壓共軌噴射系統(tǒng)研究了常溫常壓狀態(tài)下噴射壓力為150 MPa以下的汽油噴霧的宏觀特性，并與柴油進(jìn)行比較，建立了噴霧貫穿距離的經(jīng)驗(yàn)公式；LEE等[10]使用相位多普勒粒子分析儀和CCD相機(jī)研究了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)多孔噴油器在30 MPa噴射壓力以下正庚烷的油滴破碎和霧化過(guò)程。但上述試驗(yàn)均采用的是汽油的替代燃料或柴油噴油器，不同的燃料在密度、黏度及表面張力系數(shù)等理化性質(zhì)方面具有較大的差異，且柴油噴油器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與GDI噴油器也不盡相同，導(dǎo)致噴霧特性與實(shí)際GDI噴油器汽油噴霧情況存在很大不同。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于30 MPa及以上的超高噴射壓力對(duì)GDI噴油器汽油噴霧特性影響的研究較少，尤其缺乏采用汽油燃料探究超高噴射壓力對(duì)GDI噴油器噴霧形態(tài)和宏觀特性參數(shù)影響方面的詳細(xì)試驗(yàn)研究。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用超高壓噴射有助于滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，因此，研究超高噴射壓力下GDI噴油器的噴霧特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。噴油器尾噴現(xiàn)象反映了一種不正常的噴霧狀態(tài)，易造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、燃油消耗率增加和尾氣中顆粒物增多等不良后果。關(guān)于噴油器尾噴現(xiàn)象的研究主要集中在柴油噴油器方面[11]，對(duì)GDI噴油器尾噴現(xiàn)象的研究仍較少，因此，研究超高噴射壓力下GDI噴油器的尾噴現(xiàn)象也具有一定的理論和工程使用價(jià)值。本文作者采用陰影法成像測(cè)試技術(shù)在定容彈內(nèi)對(duì)在5~60 MPa噴射壓力下5孔GDI噴油器進(jìn)行試驗(yàn)研究，并將噴霧宏觀形態(tài)參數(shù)化，分析超高噴射壓力對(duì)噴霧發(fā)展歷程、貫穿距離、噴霧錐角和噴霧面積以及噴油器尾噴現(xiàn)象的影響，為充分認(rèn)識(shí)超高噴射壓力下汽油噴霧形態(tài)發(fā)展、油束破碎霧化提供有價(jià)值的信息和參考，為提高GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣質(zhì)量、優(yōu)化噴油器缸內(nèi)結(jié)構(gòu)布置和噴油策略、解決GDI發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物較多問(wèn)題提供一定的理論參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和工況

本試驗(yàn)采用的陰影法噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，可獲得高清晰度的噴霧圖像。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由定容彈、燃油供給系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)電控單元、高速攝像機(jī)和LED背景光源等組成。燃油供給系統(tǒng)可提供0.1~65.0 MPa的油壓，精度能控制在±0.1 MPa，汽油溫度能控制在(20±0.1) ℃。高速攝像機(jī)采用Photron公司的Fastcam SA1.1 型相機(jī)，試驗(yàn)的拍攝頻率選取為10 000幀/s，分辨率為768像素×768像素。計(jì)算機(jī)電控單元能夠控制噴油脈寬、噴油器和高速攝像機(jī)的同步觸發(fā)、噴霧圖像的采集和儲(chǔ)存。定容彈的視窗直徑為160 mm，頂部安裝試驗(yàn)噴油器，噴孔直徑為0.174 mm，此噴油器能夠在60 MPa及以下的噴射壓力下連續(xù)穩(wěn)定工作。

本試驗(yàn)的噴油脈寬定為2.8 ms。在分析噴霧特性時(shí)，采用噴油信號(hào)發(fā)出后(after start of injection，ASOI)的計(jì)時(shí)方式。噴射壓力變化范圍為5~60 MPa，每隔 5 MPa設(shè)置1個(gè)工況點(diǎn)。定容彈環(huán)境設(shè)置為常溫、常壓狀態(tài)，即環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境背壓為0.1 MPa。為了減小噴霧過(guò)程中噴霧圖像的隨機(jī)誤差，對(duì)每個(gè)工況點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)50組。

1—計(jì)算機(jī)；2—噴油器控制電路；3—壓力傳感器；4—溫度傳感器；5—電動(dòng)蓄能器；6—燃油箱；7—空氣壓縮機(jī)；8—LED背景光源；9—定容彈；10—GDI噴油器；11—高速攝像機(jī)。

1.2 參數(shù)定義及圖像處理

為了全面表述及定量分析噴霧宏觀特征，引入噴霧貫穿距離、噴霧錐角[12]和噴霧面積等參數(shù)，如圖2所示。貫穿距離為噴油器噴孔到噴霧外部輪廓的最大垂直距離。噴射壓力對(duì)噴霧的影響主要是通過(guò)改變噴霧的初始速度而起作用的[13]，因此，引入噴霧油束前鋒速度來(lái)定量分析貫穿距離的變化規(guī)律。噴霧油束前鋒速度的定義為

式中：為相鄰2幀噴霧圖像中噴霧面積之差。

噴油器尾噴現(xiàn)象是指在噴霧結(jié)束后，仍有少量燃油從噴孔噴射出，呈絮絲狀或大液滴狀，不易霧化蒸發(fā)，在噴孔處形成極不均勻的混合氣的一種不正常的噴霧現(xiàn)象。在噴霧結(jié)束(3.1 ms)后的噴霧圖像中，觀察到噴油器頂部區(qū)域燃油油束發(fā)生了明顯的斷裂現(xiàn)象，存在1個(gè)燃油斷裂帶，如圖3中劃圈區(qū)域所示，斷裂帶上方的油束即為尾噴油束。為定量研究噴油器尾噴現(xiàn)象，引入尾噴油束面積來(lái)表征尾噴油束的破碎、擴(kuò)散情況，引入尾噴油束平均灰度來(lái)表征尾噴油束霧化蒸發(fā)的程度。尾噴油束面積定義為尾噴油束在與高速攝像機(jī)拍攝軸線垂直平面上的投影面積，尾噴油束平均灰度定義為噴霧圖像中尾噴油束灰度的平均值。

通過(guò)Matlab軟件編寫(xiě)的圖像處理程序?qū)γ糠鶉婌F圖像進(jìn)行去背景處理，并用直方圖判斷出適當(dāng)?shù)膱D像分割閾值，再將噴霧圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，在此基礎(chǔ)上，利用最大灰度變化率邊緣檢測(cè)算法提取，然后計(jì)算各參數(shù)值。

圖3 尾噴油束的定義

為了全面、直觀地獲得5孔GDI噴油器各油束的噴霧特性，對(duì)噴油器進(jìn)行了正面和側(cè)面拍攝，如圖4所示，圖4中，數(shù)字1~5代表5個(gè)孔的編號(hào)。在正面噴霧圖像中，可以觀測(cè)到每個(gè)油束的發(fā)展歷程，能夠充分展示5孔噴油器噴霧的宏觀特性，因此，只對(duì)正面噴霧圖像進(jìn)行圖像處理，獲得噴霧特性參數(shù)值并予以分析。

圖4 GDI噴油器的噴霧油束方向

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 噴霧油束的發(fā)展歷程

2.1.1 正面噴霧油束的發(fā)展

圖5所示為噴射壓力分別為10，30和50 MPa的正面噴霧圖像。由圖5可知：在噴霧初期，噴霧輪廓清晰、平滑，噴霧的尖端較為鋒銳；隨著噴霧的進(jìn)行，噴霧前鋒逐漸變?yōu)閳A鈍型，并分布大量破碎的液滴和霧絲；各油束橫向擴(kuò)散加速，油束之間的間隙被逐步填充；油束外圍產(chǎn)生大尺度的渦旋型結(jié)構(gòu)；而油束的頂部邊緣依然平滑。

噴射壓力的增大能夠加快噴霧前鋒轉(zhuǎn)變?yōu)閳A鈍型的速度，橫向擴(kuò)散速度也隨之增大，大尺度渦旋型結(jié)構(gòu)提前出現(xiàn)且更加明顯。

2.1.2 側(cè)面噴霧油束的發(fā)展

圖6所示為噴射壓力分別為10，30和50 MPa的側(cè)面噴霧圖像。由圖6可見(jiàn)：噴油器中心孔噴射出的油束1與其余4束油束夾角相對(duì)較大，碰撞聚合概率較小，可單獨(dú)分析油束1的噴霧形態(tài)。

在油束1自噴孔噴出后，沿噴油器軸向迅速發(fā)展，油束動(dòng)量較大，受環(huán)境氣體的剪切作用相對(duì)較弱，油束輪廓平滑、清晰，前鋒尖銳，整體成紡梭型。隨著噴霧的進(jìn)行，油束1前端的動(dòng)量由于受環(huán)境氣體的阻礙作用而減小，軸向擴(kuò)散變慢，徑向擴(kuò)散加快，油束前鋒逐漸轉(zhuǎn)變成圓鈍型。油束外圍由于卷吸作用而產(chǎn)生了反向渦旋的“分支狀結(jié)構(gòu)”[10]，如圖7所示。由圖7可見(jiàn)：這些“分支狀結(jié)構(gòu)”隨后逐漸脫離油束主體，破碎形成細(xì)小的液滴。隨著油束的發(fā)展，相鄰2個(gè)“分支狀結(jié)構(gòu)”之間的距離有增加的趨勢(shì)。

隨著噴射壓力的增大，油束1前鋒提前轉(zhuǎn)變?yōu)閳A鈍型，其外圍的“分支狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量增加。當(dāng)增大噴射壓力時(shí)，噴油器孔內(nèi)湍流流動(dòng)增強(qiáng)，加劇了燃油的空化作用[14]，油束受其擾動(dòng)影響增大；且油束1的初始動(dòng)量變大，外圍受環(huán)境氣體的剪切作用增強(qiáng)，促進(jìn)了“分支狀結(jié)構(gòu)”的生成，使其數(shù)量增加，加大了其脫離油束主體的速度。

圖5 噴射壓力分別為10，30和50 MPa的正面噴霧圖像

圖6 噴射壓力分別為10，30和50 MPa的側(cè)面噴霧圖像

圖7 噴霧油束外圍的“分支狀結(jié)構(gòu)”

2.2 噴射壓力對(duì)貫穿距離的影響

圖8所示為噴霧貫穿距離和噴霧油束前鋒速度隨噴射壓力的變化。由圖8可見(jiàn)：噴霧油束的貫穿距離隨著噴霧的進(jìn)行不斷增加，但其增長(zhǎng)速度逐漸下降，尤其在噴霧初期增長(zhǎng)速度下降較快。從0.4 ms到 0.8 ms，噴霧前鋒速度大幅下降，當(dāng)噴射壓力為60 MPa時(shí)，由225.7 m/s驟降至47.6 m/s，降幅達(dá)78.9%。這是由于在噴霧初期，油束的動(dòng)量大，當(dāng)燃油噴射到相對(duì)靜止的環(huán)境氣體中時(shí)，油束前鋒受環(huán)境氣體的阻力大，動(dòng)量損失也較大。隨著噴霧的持續(xù)進(jìn)行，油束前鋒的動(dòng)量不斷減小，且油束前峰燃油蒸發(fā)程度增加，使前鋒速度保持緩慢下降的趨勢(shì)，貫穿距離的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。

(a) 貫穿距離；(b) 噴霧油束前鋒速度

噴射壓力的增大能夠大幅度地增加噴霧油束的初始速度，噴射壓力每增加10 MPa，噴霧油束初始速度增加約23.5%。在環(huán)境背壓不變的情況下，高的噴射壓力可以使噴霧油束獲得較大的初始速度，因此，噴霧的貫穿距離在噴霧初期內(nèi)增加更加迅速。當(dāng)噴霧穩(wěn)定后，不同噴射壓力下的油束前鋒與環(huán)境氣體之間的相互作用近似相同，油束前鋒速度相差不大，貫穿距離保持著相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，從而使高的噴射壓力下的噴霧貫穿距離相對(duì)較大。噴射壓力每增大10 MPa，噴霧貫穿距離平均增加6%。因而，在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)初期應(yīng)充分考慮噴霧貫穿距離與燃燒室的設(shè)計(jì)匹配。

為了定量研究噴霧貫穿距離隨噴霧時(shí)間的變化規(guī)律，國(guó)內(nèi)外提出了大量計(jì)算貫穿距離的經(jīng)驗(yàn)公式，但汽油超高壓噴霧貫穿距離的計(jì)算公式較少。本文在廣泛應(yīng)用的DENT經(jīng)驗(yàn)公式[15]的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，得出適合超高噴射壓力下汽油噴霧貫穿距離的計(jì)算公式為

式中：，，，，和均為系數(shù)。

1—20 MPa試驗(yàn)值；2—20 MPa擬合值；3—20 MPa計(jì)算值；4—40 MPa試驗(yàn)值；5—40 MPa擬合值；6—40 MPa計(jì)算值；7—60 MPa試驗(yàn)值；8—60 MPa擬合值；9—60 MPa計(jì)算值。

圖9 噴射壓力為20，40和60 MPa的噴霧貫穿距離的試驗(yàn)值、擬合值和DENT公式計(jì)算值的對(duì)比

Fig. 9 Comparison of spray penetration experimental values, fitted values and DENT formula calculation values under injection pressures of 20, 40 and 60 MPa

圖10所示為噴射壓力為20，40和60 MPa的噴霧貫穿距離的試驗(yàn)值和擬合值的誤差，包括平均相對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差。由圖10可知：試驗(yàn)值和擬合值的平均相對(duì)誤差低于3%，標(biāo)準(zhǔn)差在1%以內(nèi)，說(shuō)明式(5)在本試驗(yàn)條件下，可定量地反映超高噴射壓力下汽油的噴霧貫穿距離變化情況。

2.3 噴射壓力對(duì)噴霧錐角的影響

圖11所示為不同噴射壓力下噴霧錐角隨時(shí)間的變化情況。由圖11可知：在噴霧初期，噴油器針閥迅速開(kāi)啟，在噴油器油腔內(nèi)形成變化劇烈的壓力波，導(dǎo)致燃油湍流能增強(qiáng)，加劇了噴孔內(nèi)部的空化現(xiàn)象[14]，同時(shí)從噴孔噴射出的高速燃油與環(huán)境氣體之間產(chǎn)生的遞增摩擦力克服了燃油自身的黏性力，使油束橫向擴(kuò)散，因此，噴霧錐角迅速增加。隨著噴霧的進(jìn)行，噴油器油腔內(nèi)的壓力變動(dòng)逐漸衰減，油束前鋒的動(dòng)量受環(huán)境氣體的阻礙作用不斷減小，當(dāng)兩者的摩擦力與燃油的擴(kuò)散阻力平衡時(shí)，噴霧錐角達(dá)最大值；隨著油束與環(huán)境氣體的混合不斷增強(qiáng)，油束外圍的油滴逐漸蒸發(fā)為氣體狀態(tài)，從而使噴霧錐角減??；當(dāng)噴霧穩(wěn)定后，噴霧錐角基本保持不變，僅由于針閥開(kāi)啟階段在噴油器油腔內(nèi)產(chǎn)生壓力膨脹波和反射波，引起噴孔處壓力差波動(dòng)，導(dǎo)致噴霧錐角在一定范圍內(nèi)輕微波動(dòng)。

圖10 噴射壓力為20，40和60 MPa的噴霧貫穿距離的擬合值和試驗(yàn)值的誤差

噴射壓力/MPa：1—10；2—20；3—30；4—40；5—50；6—60。

在不同噴射壓力下，噴霧錐角隨噴霧發(fā)展呈現(xiàn)類(lèi)似的變化趨勢(shì)。隨著噴射壓力的增大，噴油器油腔內(nèi)的壓力波動(dòng)更加劇烈，進(jìn)一步加劇了噴孔內(nèi)部的空化現(xiàn)象，使噴霧錐角變化更加明顯；同時(shí)，噴射壓力的增大增加了燃油的初始速度，使燃油與環(huán)境氣體之間的摩擦力增加，加劇了燃油的破碎，促進(jìn)油束橫向擴(kuò)散，因此，噴霧初期的噴霧錐角峰值隨著噴射壓力的增大略有增加。噴射壓力每增加10 MPa，噴霧錐角峰值增大約1.5°。在噴霧穩(wěn)定后，各噴射壓力下的噴霧錐角基本保持一致，穩(wěn)定在82°左右。

2.4 噴射壓力對(duì)噴霧面積的影響

圖12所示為不同噴射壓力下噴霧面積及其變化率隨時(shí)間的變化情況。由圖12可以看出：在噴油初期，噴霧面積迅速增大，由于此時(shí)油束具有較大的速度，有利于液滴破碎，加劇其向四周擴(kuò)散；隨著噴霧的持續(xù)進(jìn)行，油束外圍的液滴受環(huán)境氣體的摩擦力而發(fā)生二次破碎，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w狀態(tài)，此時(shí)，噴霧面積的增加速率有所下降；在噴霧穩(wěn)定之后，噴霧面積呈線性增加趨勢(shì)；在噴霧結(jié)束后，燃油供應(yīng)停止，油束擴(kuò)散速率降低，燃油液滴不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致噴霧面積增加速率有所下降。

(a) 噴霧面積；(b) 噴霧面積變化率

隨著噴射壓力的增大，噴油器孔內(nèi)外壓力差增大，燃油流經(jīng)噴孔的速度變大，瞬時(shí)噴油率增加，噴射出的燃油具有較大的初始速度，與環(huán)境氣體的卷吸作用增強(qiáng)，加快了燃油擴(kuò)散速度，同時(shí)，噴射壓力的增大能夠強(qiáng)化噴油器內(nèi)部湍流，加劇噴孔內(nèi)燃油的空化作用，增加油束的不穩(wěn)定性，促進(jìn)油束的初次破碎，因此，噴霧面積隨噴射壓力的增大有所增加。但噴霧面積隨噴射壓力增大的增幅在不斷減小，這是因?yàn)閲娚鋲毫Φ脑龃竽軌虼龠M(jìn)液滴的破碎，加快燃油的蒸發(fā)速率，使油束外圍液滴轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的時(shí)間縮短。這說(shuō)明提高噴射壓力能夠明顯增大燃油在氣缸內(nèi)的分布范圍，有利于在短時(shí)間內(nèi)形成均質(zhì)混合氣。

2.5 噴射壓力對(duì)尾噴現(xiàn)象的影響

在噴霧結(jié)束階段，由于噴油器針閥落座過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，油腔內(nèi)的壓力逐漸降低，燃油流動(dòng)的湍動(dòng)能隨之減弱，從而使噴孔噴射出的燃油速度較低，易形成較大的油滴或絮絲狀油束，導(dǎo)致出現(xiàn)噴油器尾噴 現(xiàn)象[18]。

圖13所示為在10，20和30 MPa的噴射壓力下尾噴油束的發(fā)展歷程。從圖13可見(jiàn)：在噴霧結(jié)束后，噴油器尾噴現(xiàn)象形成的絮絲狀油束逐漸破碎成直徑較小的液滴，但破碎時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)且直徑依然很大，不利于燃油的霧化蒸發(fā)。隨著噴射壓力增大，噴油器尾噴現(xiàn)象有所減弱，尾噴油束的破碎更容易進(jìn)行，破碎后形成的液滴的擴(kuò)散范圍明顯增大。當(dāng)噴射壓力達(dá)到30 MPa及以上時(shí)，噴油器尾噴現(xiàn)象基本消失。高的噴射壓力能夠使在噴油器針閥落座過(guò)程中噴射出的燃油仍具有較高的速度，促進(jìn)燃油破碎蒸發(fā)，因此，在很大程度上降低了油絲和較大油滴產(chǎn)生的可能性。

圖14所示為在噴射壓力為5~25 MPa下尾噴油束面積和平均灰度隨時(shí)間的變化情況。由圖14可見(jiàn)：在同一噴射壓力下，在3.2 ms時(shí)，尾噴油束面積和平均灰度都較小，說(shuō)明燃油聚集程度高，燃油質(zhì)量濃度大；隨著尾噴油束的發(fā)展，尾噴油束面積和平均灰度不斷增加，但增長(zhǎng)速率逐漸變小。這是由于在噴霧結(jié)束后的初期，尾噴油束仍具有較高的速度，促進(jìn)其破碎轉(zhuǎn)變?yōu)橐旱?，向四周擴(kuò)散，加速燃油蒸發(fā)。隨著液滴速度的不斷減小，當(dāng)液滴與環(huán)境氣體的摩擦力與液體內(nèi)的黏性力相平時(shí)，液滴不再破碎，此時(shí)，液滴的相對(duì)表面積依然較小，不利于蒸發(fā)，尾噴油束面積和平均灰度的增加有所減緩。增大噴射壓力能大幅度增大尾噴油束的初始速度，促進(jìn)其破碎蒸發(fā)，增加尾噴油束面積和提高平均灰度的增長(zhǎng)速率，加大尾噴油束與環(huán)境氣體的混合程度，有效地減小尾噴現(xiàn)象對(duì)缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的不良影響。

圖13 噴射壓力為10，20和30 MPa下尾噴油束的發(fā)展

(a) 尾噴油束面積；(b) 尾噴油束平均灰度

3 結(jié)論

1) 由于卷吸作用，油束外圍會(huì)出現(xiàn)“分支狀結(jié)構(gòu)”，隨著油束的發(fā)展，相鄰2個(gè)“分支狀結(jié)構(gòu)”之間的距離增加；噴射壓力的增大能夠促進(jìn)“分支狀結(jié)構(gòu)”的生成，使其數(shù)量增加。

2) 噴霧貫穿距離隨著噴射壓力的增大而增大；噴霧油束前鋒速度在噴霧初期驟降，隨后呈平緩下降趨勢(shì)；通過(guò)對(duì)DENT經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正后，得到了超高噴射壓力下汽油噴霧貫穿距離的計(jì)算公式。

3) 隨著油束的發(fā)展，噴霧錐角呈現(xiàn)先上升后下降然后趨于平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)；噴射壓力每增大10 MPa，噴霧錐角峰值增加1.5°；噴射壓力的增加對(duì)噴霧穩(wěn)定后的噴霧錐角影響作用不大。

4) 隨著油束的發(fā)展，噴霧面積呈現(xiàn)一定程度線性增加的趨勢(shì)；噴霧面積隨著噴射壓力的增大增加，但增幅不斷減小。

5) 隨著噴射壓力增大，尾噴現(xiàn)象有所減弱；當(dāng)噴射壓力達(dá)30 MPa及以上時(shí)，尾噴現(xiàn)象基本消失。

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(編輯 劉錦偉)

Spray macroscopic characteristics of GDI injector under ultra-high injection pressure

ZHANG Dan1, PEI Yiqiang1, WANG Kun1, WANG Tongjin1, LIU Bin2, HU Tiegang2, WANG Zhenping2, JI Sisi2

(1. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. Powertrain Engineering R&D Center, Chongqing Changan Automobile Co. Ltd., Chongqing 401120, China)

In order to explore the spray macroscopic characteristics of GDI(gasoline direct injection) injector under the ultra-high injection pressure, the spray under the injection pressures from 5 MPa to 60 MPa was measured by the shadow photographic method, and the effects of injection pressure on the spray development process, the spray penetration, the spray angle, the spray area and the post injection phenomenon were analyzed. The calculation formula of gasoline spray penetration under the ultra-high pressure was obtained by modifying the DENT empirical formula. The results show that the increase of injection pressure promotes the generation of “branch-like structure” on the outside of the spray. The increase of injection pressure increases the spray penetration obviously. As the injection pressure increases, the spray area increases, but its increasing rate decreases gradually. When the injection pressure increases 10 MPa, the spray angle peak increases by 1.5° on the average. When the injection pressure reaches 30 MPa or above, the post injection phenomenon disappears basically. Along with the development of the spray, the spray penetration and the spray area increases linearly to a certain extent; the spray angle increases first and then decreases, and finally stabilizes at about 82°.

ultra-high; spray; macroscopic characteristic; GDI injector; injection pressure

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.031

TK413.8

A

1672?7207(2018)05?1272?09

2017?05?23；

2017?07?30

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAG10B01) (Project(2014BAG10B01) supported by the National Key Technology Support Program)

裴毅強(qiáng)，博士，副教授，從事GDI發(fā)動(dòng)機(jī)研究；E-mail: peiyq@tju.edu.cn