GDI多孔喷油器内部流动及喷雾特性研究

王磊磊，杜家益，袁银男，宋睿智，耿文娟，袁亚飞

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2.南通大学机械与工程学院，江苏 南通 226019；3.一汽无锡油泵油嘴研究所，江苏 无锡 214063）

汽油机采用缸内直喷技术（GDI），具有较高的动力性、经济性以及动态响应特性。目前，缸内直喷汽油机多采用高压电控多孔喷油器，由于汽油黏度小，对喷油器几乎没有润滑作用，因此喷油压力一般不超过20MPa。发动机在高转速和高负荷时，为了有充足的时间形成均质混合气，燃油在进气冲程初期喷入，较均匀地分布在燃烧室。在喷射过程中要避免油束与壁面的碰撞。在部分负荷时，为了形成分层梯度较高的混合气，提高燃油经济性，燃油在压缩后期喷入燃烧室。并且为了在喷注中心和边缘之间的区域形成有利于火花塞点火的可燃混合气，需要喷油过程与点火过程在较短时间密切配合。如何在各种工况下精确地控制燃油喷雾过程是汽油机缸内直喷技术的关键［1－2］。

国外对GDI多孔喷油器喷雾特性有较多研究，Zigan等［3］利用Mie散射和相位多普勒测速（PDA）技术，采用物理特性类似汽油的液体（正己烷、正庚烷、正癸烷以及三者的混液）对12孔GDI喷油器喷雾特性进行了研究，分析了不同特性的燃油在不同背压和环境温度下的喷雾结构的变化。Aleiferis等［4］使用汽油、异辛烷、正戊烷、乙醇和正丁醇对不同燃油温度下的GDI多孔喷油器喷雾特性进行了试验研究，主要考虑了各种燃料在不同温度下喷雾贯穿距离、喷雾锥角、液滴粒径和速度的变化规律。

王艳华等人［5］对J.M.Nouri［6］所采用的放大29倍的GDI 6孔喷油器进行数值模拟，研究发现采用两相流非线性空穴模型模拟的空穴分布结果与同步高速相机观测的试验结果吻合。本研究使用两相流非线性空穴模型对GDI喷油嘴内部流动进行数值模拟。将喷孔出口的计算结果作为喷雾边界条件，采用 Huh－Gosman［7］喷雾模型在定容室中对喷油器喷雾特性进行数值模拟。通过喷雾试验对计算模型进行验证，分析了喷油压力和喷射背压对喷雾特性的影响。

1 GDI喷嘴内部流动计算

1.1 内部流动计算网格和边界条件

模拟采用孔径为0.19mm的6孔喷油器，计算网格见图1，网格总数为62万个。动网格划分需要的针阀升程曲线由LTC 025－2激光位移测试仪测取（见图2）。计算选择两相流非线性空穴模型以及标准κ－ε湍流模型。入口和出口均采用压力作为边界条件，计算流体采用与汽油物性参数接近的正庚烷。

1.2 空穴对喷嘴流量的影响

在喷油压力10MPa、喷射背压0.1MPa及温度293K条件下，采用两相流非线性空化模型计算出针阀全开时喷嘴平均流量为11.48g／s。通过EMI21单次喷射仪测量的喷嘴流量为11.12g／s，误差仅为3.2%。图3示出喷嘴表面以及喷孔出口截面空穴分布，从图中可以看出空穴在喷孔转角处产生，逐步发展，扩展到喷孔出口。这是由于喷孔转角处流动发生分离，加上孔口的收缩，使得流通截面积减小，流速增加，静压低于饱和蒸气压产生气泡，出现空穴。空穴不仅使得喷孔流量减小，而且影响了喷孔出口速度和湍动能，最终影响喷雾特性。

2 GDI喷嘴喷雾特性计算

2.1 喷雾计算网格和边界条件

喷雾模拟在定容室中进行，定容室是直径为80mm，高度为120mm的圆柱体。网格总数66.3万，对喷油器喷孔周围网格进行了细化，最小网格0.5mm×0.5mm×0.5mm（见图4）。喷油脉宽1.5ms，喷雾计算持续时间1.6ms，计算步长0.02ms。将喷嘴内部流动喷孔出口截面计算结果（如喷孔出口速度、喷油规律、空穴、湍动能等）作为喷雾数值模拟的边界条件。

2.2 喷雾计算模型

喷雾初次破碎模型选用Blob Injection模型，二次破碎采用Huh－Gosman模型，该模型认为射流内部的湍流扰动和气动力是导致液体分裂雾化的原因。液滴蒸发采用Dukowicz模型，油滴相互作用采用Schmidt模型，湍流扩散采用Enable模型。由于喷雾计算模拟的是燃油在定容室中的自由喷雾，因此不考虑液滴的碰壁。

2.3 喷雾计算模型验证

喷雾试验在GI3000喷雾试验台架上进行，试验用液为正庚烷。测试系统装置见图5，由安装在高压油轨上的电子调压阀调节喷油压力，采用专用的ECU控制喷油脉宽，通过高压氮气瓶组向定容室内加压的方法来调整定容室背压，使用CCD相机对喷雾过程进行拍摄。喷雾锥角定义为喷孔下方5mm和15mm两处的水平线与整个喷雾图像最外侧油束外廓线的两组交点构成的连线之间的夹角（见图6）。贯穿距离定义为喷油器到喷雾外部轮廓边缘的最大垂直距离。

图7示出喷油压力10MPa、喷射背压0.5MPa、环境温度293K下喷雾贯穿距离的模拟与试验结果，模拟值略大于试验值，但最大误差小于5%。图8示出喷雾形态模拟与试验结果对比，从图中可以看出，在喷雾发展过程中，模拟结果与试验结果在外形上比较接近。图9示出了喷雾锥角模拟结果与试验结果对比，从图中可以看出模拟与试验结果吻合较好。

3 计算结果及分析

3.1 喷油压力对喷雾特性的影响

保持喷射背压0.5MPa和环境温度293K不变，分别对喷油压力为5MPa，10MPa，15MPa下的喷嘴内部流动和喷雾特性进行数值模拟。图10示出1.4ms时喷孔出口截面空穴分布，从图中可以看出，随着喷油压力的增加，喷孔出口的空穴强度缓慢增加。图11示出1.4ms时喷孔出口截面速度分布，从图中可以看出，随着喷油压力提高，喷孔出口的速度明显增加。图12示出喷油压力对喷雾贯穿距离的影响，喷孔两端压力差加大，喷雾液滴的初速度增加，喷雾的贯穿距离也随之增加。图13示出喷油压力对SMD（索特平均直径）的影响，喷射开始时，油束整体的粒径较大。随着喷雾过程的发展，较大的液滴破碎成为小液滴，粒径逐渐减小，曲线趋于平缓。提高喷油压力，喷孔出口的湍动能增加，有利于液滴的初次破碎，并且燃油与空气的相对速度增大，增强了气动破碎，因此SMD减小。

3.2 喷射背压对喷雾特性的影响

保持喷油压力10MPa和环境温度293K不变，分别对喷射背压为0.5MPa，1.0MPa，1.5MPa下的喷雾特性进行数值模拟。图14示出1.4ms时不同喷射背压下Z＝0截面燃油质量浓度分布，从图中可以看出燃油质量浓度高的区域主要出现在喷孔附近和油束末端。随着喷射背压的升高，油束末端的燃油聚集越来越严重。图15示出喷射背压对喷雾贯穿距离的影响，从图中可以看出随着喷射背压的升高，喷雾贯穿距离逐渐减小。喷射背压提高后，介质密度增加，油束受到的阻力大大增加，喷雾贯穿距离明显减小。喷射背压对SMD的影响较为复杂（见图16）。喷射初期，在喷射背压高的情况下，喷射压差较小，流量也较小，喷入定容室的燃油较少，且受到的空气阻力较大，油滴横向扩展的趋势增加，SMD较小。喷射后期，在喷射背压高的情况下，虽然喷孔流量较小，但是空气阻力起到主要作用，使得燃油在较小的空间内聚积，与空气的接触面积减小，液滴的蒸发减缓而聚合的倾向增加，因此喷雾后期SMD略有增加。

4 结论

a）采用Huh－Gosman模型并且引入喷嘴内部流动计算结果可以较为准确模拟GDI喷油器的喷雾特性；

b）在均质混合工作模式下，由于燃油在进气冲程初期喷入燃烧室，适当提高喷油压力，可以增加贯穿距离，增强燃油与空气的相互作用，减小SMD，提高燃油的雾化质量；

c）在分层混合工作模式下，燃油在压缩冲程结束时喷入燃烧室，此时缸内压力较高，尤其是增压的缸内直喷汽油机，在较高的喷射背压下，喷雾贯穿距离明显减小，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］巴斯怀森R.汽油机直喷技术［M］.宋进桂，李 栋，译.北京：机械工业出版社，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］王艳华，杨世春，张 良.缸内直喷汽油机喷嘴内流动影响参数分析［J］.江苏大学学报：自然科学版，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.