喷油压力对GDI积碳喷嘴喷雾特性的影响

宛仕枨，黄豪中，刘　勰，杨　升，王　腾

(广西大学机械工程学院， 广西南宁530004)



喷油压力对GDI积碳喷嘴喷雾特性的影响

宛仕枨，黄豪中，刘勰，杨升，王腾

(广西大学机械工程学院， 广西南宁530004)

摘要：喷油器积碳是直喷汽油机(GDI)面临的主要问题之一，提高喷油压力可以改善直喷汽油机的喷雾特性和燃烧特性。在自行设计的定容燃烧弹内，研究了两种喷油压力(4 MPa和7 MPa)对3支积碳程度不同的直喷汽油机喷油器喷雾锥角和贯穿距的影响。结果表明，喷油压力从4 MPa提高到7 MPa时，所有喷油器的喷雾锥角均增大，但增加的幅度有所不同，积碳严重的喷油器在喷油过程中喷雾锥角增加的幅度最大，大约增加了25°，积碳较少的喷油器和无积碳喷油器增加幅度相差不大，大约增加了7°。随着喷油器积碳程度的增多，喷雾锥角呈增大的趋势。燃油喷射结束后，喷雾锥角变化不大，主要是由于此时受环境背压的影响。喷油压力较小时，积碳喷油器喷雾锥角变化的波动范围较大，而喷油压力较高时，积碳喷油器喷雾锥角波动范围变化则较小。积碳喷油器贯穿距增长幅度在喷雾发展过程中受喷油压力和积碳程度的影响较小。喷雾的发展速度在各阶段是不同的，低喷油压力时，积碳喷油器的贯穿距均大于无积碳贯穿距，较少积碳喷油器的贯穿距大于最多积碳喷油器的贯穿距，随着喷雾的发展这一趋势并未改变。高喷油压力时，积碳会抑制喷雾贯穿距的增长，较少积碳喷油器的贯穿距始终大于最多积碳喷油器的贯穿距，无积碳喷油器的起始贯穿距小于另两支喷油器，但最后无积碳喷油器的贯穿距大于另两支喷油器贯穿距。

关键词：喷油压力；直喷汽油机；喷嘴积碳；喷雾锥角；贯穿距

0引言

汽油机作为乘用车的主要动力来源，其雾化特性直接影响到发动机的燃烧特性。GDI(Gasoline Direct Injection)汽油机相对于PFI(Port Fuel Injection)发动机有着许多技术上的优势，但也存在诸如排放、三元催化器、控制复杂、喷嘴积碳等一些问题[1-4]。积碳是发动机在工作过程中，燃油中石蜡、不饱和烯烃和胶质等在高温状态下产生的一种胶碳状的物质[5]。喷油器积碳会影响有效喷孔直径及其内部壁面结构，从而影响喷雾锥角、喷雾贯穿距等喷雾参数，影响燃烧效率[6-7]。

提高喷油压力可以优化燃油的雾化过程，改善汽油机的工作特性。毛立伟等[8]在定容弹研究了喷油压力对GDI汽油机喷雾的影响。结果表明，喷油压力越大，喷雾的雾化越好，燃油更容易蒸发，与空气形成混合气后形成的区域也更大。Lee等[9]研究了GDI喷油器多孔喷嘴跟单孔喷嘴的喷雾结构和发展过程。结果表明，比较液滴空间分布和速度大小，喷孔直径的减小对燃油的快速扩散影响很大。曹建明等[10]在喷雾特性试验台上进行了较高喷射压力范围内燃油雾化质量的试验。结果表明，喷射压力减小，雾化油滴的喷雾锥角变小，达到某一累积体积的油滴尺寸增大，大颗粒油滴变多，相对尺寸范围和发散边界变小，雾化质量变差，但尺寸分布更加均匀。Payri等[11]使用一种特殊的研究方法来分析喷孔几何结构对喷雾的影响，研究表明圆柱形喷孔比圆锥形喷孔流量系数小，但液相贯穿距远，这主要是因为圆形喷孔的出口直径最大，圆柱形喷嘴周围出现空穴时喷雾锥角增加了15%。喷油压力对液滴直径的影响相当小，环境背压则强烈地影响喷雾结构，导致在高背压的条件下喷雾贯穿度和喷雾分布以几何级数缩小，而定容弹内的背压从大气压增加到1.2 MPa时导致喷油速度最大减小到原来的1/4，液滴直径最大增加了40%[12]。喷孔直径发生变化时，油束的速度、破碎雾化程度也会跟着变化，从而改变喷孔的喷雾特性[15]。

GDI汽油机在喷油器喷孔处容易产生积碳，喷孔积碳对喷嘴燃油雾化产生重要影响。目前人们主要研究喷油压力对无积碳GDI汽油机喷嘴喷雾特性，而对于积碳喷嘴喷雾特性的研究较少。为此，本文采用阴影法在常温高压(40 ℃，2 MPa)条件下，在两种喷油压力下(4 MPa和7 MPa)对3支不同积碳程度的喷油器研究了喷油压力对积碳喷嘴喷雾锥角和贯穿距的影响。

1试验设备及参数

本文选取3支积碳程度不同的大众汽车公司EA888缸内直喷汽油机六孔喷油器，喷孔直径0.19 mm。用金相显微镜对每支喷油器的6个喷孔内孔拍摄多张显微照片来观察内孔积碳的程度，并根据积碳由少到多的顺序把3支喷油器分别标记为injector-1、injector-2、injector-3。图1给出了代表每个喷油器平均积碳程度的照片，可以看出injector-1没有积碳；injector-2在局部有轻微积碳，但并未连成整体；injector-3整个喷孔内壁已经被积碳覆盖，整体比较均匀，没有堵住内孔。附着在喷油器内孔上的积碳，极大的影响了燃油流经喷油器的有效横截面积，积碳越多，有效横截面积越小。三支喷油器有效喷孔直径大小依次为D1>D2>D3(Di表示injector-i的有效孔径)。

喷雾实验在定容燃烧弹喷雾台架上进行，如图2所示。其主要仪器和设备为：自行设计的喷油器控制系统(包括上位机和喷油器控制电路板)、容弹、光源、高速摄像机、蓄能器、氮气减压阀、高压氮气瓶和GDI汽油机喷油器等[16]。试验的环境温度为40 ℃，环境背压2 MPa，喷油压力4 MPa和7 MPa，喷油脉宽2 ms。本研究根据不同喷油压力的需要，将高压氮气瓶内的高压氮气经过氮气减压阀减压之后充入蓄能器，蓄能器内部由胶囊将其分为两个腔室，胶囊内的腔室充氮气，胶囊外的腔室充入研究中所用的燃料，蓄能器一端与氮气减压阀出气口连接，另一端与喷油器连接。通过上位机的电控参数来设置高低电平持续时间和喷油脉宽，控制电路板驱动GDI喷油器工作。

图1各个喷油器喷孔的积碳照片

Fig.1Microscopic image of the deposited nozzle

图2喷雾试验台架示意图

Fig.2Schematic diagram of injector spray test system

2实验结果与讨论

图3　喷雾特性定义Fig.3　Definition of spray characteristics

高速摄像机的拍摄帧数设定为3 000帧，即每两张照片之间的时间间隔为333.33 μs，相机的触发时间比喷油时刻提前两帧，所以从第三帧照片开始(即1 000 μs的时候)就可以得到第一张喷雾照片。此后每两帧取一张照片来分析喷雾的发展情况，取到3 667 μs为止。喷油脉宽2 ms，喷油停止后可继续拍摄观察喷雾发展情况。喷雾特性参数数据是通过 Matlab 软件编程计算喷雾照片得到的。每支喷油器在相同条件下进行三次喷射并拍摄数据，用Matlab软件编程计算这三组数据取平均值。本文的喷雾锥角、贯穿距和油束发展面积定义如图3所示，θi表示injector-i的喷雾锥角，Li表示injector-i的贯穿距。喷雾锥角和贯穿距是喷油器六个孔综合作用的结果。油束的法向速度定义为喷雾油束沿着喷油器方向的运动速度，切向速度定义为喷雾油束沿着垂直于喷油器方向的运动速度。图4出示了在4 MPa和7 MPa下3支积碳程度不同喷油器喷雾发展历程。

图4　三种喷油器喷雾发展过程的图像对比　Fig.4　The spray development of three injectors 　at different injection pressure

图4是不同喷油压力3支喷油器喷雾发展过程对比。喷油压力为4 MPa时[如图4(a)]，injector-3在喷雾发展初期更容易出现油雾分束的现象。随着喷雾的发展，整个喷雾分成两部分油束，油束之间有较大的缺口，油束发展面积比另两种喷油器油束发展面积小，喷雾不均匀，雾化效果差。当喷油压力为7 MPa时[如图4(b)]，三支喷嘴雾化都有所改善，injector-3改善更明显，油束发展面积比另两种喷油器油束发展面积大。这是因为在低压喷射的时候，injector-3因为积碳较多，油束的出口动能受积碳摩擦阻碍损失较多，不利于喷雾的发展；提高喷油压力后，燃油动能增加，对于圆形喷孔，喷孔内空化作用加强[17]，有利于液滴破碎，雾化效果改善。

2.1喷油压力对积碳喷嘴喷雾锥角的影响

图5为不同喷油器在两种喷油压力下的喷雾锥角对比。从图5中可以看出，当喷油压力从4 MPa增加到7 MPa时，所有喷油器的喷雾锥角均增大，但增加的幅度有所不同。在燃油喷射过程中(1 000～3 000 μs)，injector-3增加的幅度最大，大约增加了25°，injector-2和injector-1增加幅度相差不大，大约增加了7°左右。这说明随着喷油压力的提升，积碳严重的喷油器在喷油过程中喷雾锥角增加的幅度非常明显。汽油机喷嘴为孔式喷嘴，喷出的液体为圆柱液体。当圆柱液体速度很高，液体微粒既有法向速度分量又有轴向速度分量时，圆柱液体的流动状态为湍流，并且雷诺数较大。而高速、低粘度的圆柱液体和表面粗糙的喷嘴以及喷嘴内部截面的突变均会促进圆柱液体的流动状态趋于湍流。当喷油器积碳严重时，喷孔内部表面粗糙，有效横截面突变，并且压力升高导致流速变大，使得燃油的流动状态趋于湍流。湍流的中心速度比低速层流的中心速度大，并且湍流几乎没有速度梯度，喷雾燃油的流动状态是由喷射压力、燃油在内部的流动状态以及喷嘴的几何形状等因素决定的。喷嘴积碳的加深以及喷油压力的增加均会促使喷雾趋向于湍流，切向速度增大，燃油喷射过程中喷雾锥角增大。燃油喷射结束后(3 000～4 667 μs),喷雾锥角变化不大，主要是由于此时受环境因素的影响。

图6为同一喷油压力不同喷油器喷雾锥角对比。从图6(a)中可以看出，喷油压力为4 MPa时，injector-2和injector-3的起始喷雾锥角大于injector-1，随着喷雾的发展，injector-2和injector-3的喷雾锥角相差不大，但均大于injector-1喷雾锥角10°左右。喷油压力较小，积碳喷油器喷雾锥角变化的波动范围较大，这是因为喷油压力较小时，连续的圆柱液体或液膜的初级碎裂会形成液片、液线及许多大量的液滴。由于该过程是不稳定的，若有进一步的碎裂发生，才会形成大量的细小的液滴。压力较小时油束雾化程度不深，空化程度较小，油滴较大，向前贯穿动能较大，油滴之间相互干扰，因此积碳喷油器喷雾锥角的变化波动较大。

(a) injector-1

(b) injector-2

(c) injector-3

从图6(b)中可以看出，当喷油压力为7 MPa时，三只喷油器的起始喷雾锥角相差不大，随着喷雾的发展，三支喷油器喷雾锥角由小到大依次为：θ1<θ2<θ3，injector-3在燃油喷射过程中喷雾锥角增长速度最快，大约为30 °/ms。也就是说,随着喷油器积碳程度的增多，喷雾锥角呈增大的趋势。在较高喷油压力下，积碳喷油器喷雾锥角波动范围变化不大。产生这一现象的原因是由于injector-3的积碳最多，有效喷孔直径最小，孔内分布的不均匀积碳导致压力震荡，空气动力性不稳定，而后续的的雾化过程起关键作用的则是空气动力不稳定性[17]。喷油压力较高，圆柱液体的流动状态趋向湍流，处于湍流区中液滴的碎裂与湍流的动能有关。湍流动能对雾化的影响则随喷射液体与气体相对速度的增大而增大，当表面波的波长大于两倍的液滴直径时，液体与气体的速度差能够产生较高的空气动力作用，这种湍流的动能将造成液体的破碎。由于喷射的压力和速度非常大，环境气体密度很大，造成喷射的空气阻力增加，油滴向切向扩散，喷雾的法向速度比切向速度下降的更快。破碎的油滴动量小，受环境阻力影响较大，油滴的法向运动受到抑制，切向运动明显增强，因此随着喷雾的发展，锥角明显增大。油滴趋于湍流使得雾化程度较好，油滴之间干扰较小，喷油器喷雾锥角波动范围变化不大。

(a) 4 MPa

(b) 7 MPa

图6同一喷油压力不同喷油器的喷雾锥角对比

Fig.6Spray cone angle of different injectors at the same injection pressure

2.2喷油压力对积碳喷嘴贯穿距的影响

图7为不同喷油器在两种喷油压力下的喷雾贯穿距对比。从图7中可以看出，无论哪种喷油器，高喷油压力下的贯穿距总是大于低喷油压力的贯穿距。不同喷油压力下积碳程度不同喷油器的喷雾贯穿距随时间变化规律稍有不同。随着喷雾的发展，injector-1贯穿距增长幅度逐渐增大，最大增长10 mm，而其他两支喷油器贯穿距增长幅度较小，最大增长5 mm。这说明带有积碳的喷油器贯穿距增长幅度在喷雾发展过程中受喷油压力和积碳程度的影响较小。

(a) injector-1

(b) injector-2

(c) injector-3

图8为同一喷油压力不同喷油器喷雾贯穿距的对比。从图8(a)中可以看出，当喷油压力为4 MPa时，喷油到1 667 μs时，injector-2比injector-3的贯穿距大3 mm左右，injector-3比injector-1的贯穿距大2～3 mm;喷油时刻到2 334 μs时，injector-2和injector-3的贯穿距相近，但均比injector-1的贯穿距大5 mm左右;喷油时刻到3 000 μs时，injector-2比injector-3的贯穿距大2 mm左右，injector-3比injector-1的贯穿距大3 mm左右。这都说明了喷雾的发展速度在各阶段是不同的，并且积碳喷油器的贯穿距均大于无积碳贯穿距，积碳较少的喷油器贯穿距大于积碳较多喷油器贯穿距。这是因为决定喷雾贯穿距的两个主要因素是喷孔内汽油的空化程度和出口流速,流速越快、空化程度越小时喷雾贯穿距越大。当喷油压力较小时，喷孔内空化程度较小。贯穿距主要受到出口油滴速度的影响。从图8(a)中三只喷油器喷雾起始贯穿距的大小可以推断, injector-2的油滴出口速度最大, injector-1的油滴出口速度最小。部分燃油雾化使得环境气体密度变大，造成空气阻力变大，在喷雾发展的过程中燃油速度不同，使得贯穿距的增长是不同的。

从图8(b)中可以看出，当喷油压力为7 MPa时，injector-1的起始贯穿距比injector-3的起始贯穿距小2 mm左右，injector-3的起始贯穿距又比injector-2的起始贯穿距小2 mm左右，当喷油时刻为1 667 μs时，injector-1的贯穿距开始大于injector-3的贯穿距，随着喷雾的发展，injector-1的贯穿距又开始大于injector-2的贯穿距。在整个喷雾发展过程中，injector-2的贯穿距始终大于injector-3的贯穿距。injector-1的起始贯穿距小于另两支喷油器，但最后其贯穿距大于另两支喷油器贯穿距。这说明在较高的喷油压力下积碳会抑制喷雾贯穿距的增长。这是因为喷孔内积碳越严重，喷孔的有效直径越小，同时积碳表面粗糙，有效横截面突变，并且压力升高导致流速变大，使得燃油的流动状态趋于湍流，油束破碎雾化程度加强，细碎的油雾更容易受到环境阻力的影响，所以喷雾贯穿距增长幅度变小。当油束动能增大的影响占主导地位时会使得贯穿距增加，当破碎雾化程度加深的影响占主导作用时会导致贯穿距减小，喷孔积碳程度和喷油压力通过改变燃油的破碎雾化程度和流速来影响喷雾贯穿距。

(a) 4 MPa

(b) 7 MPa

图8同一喷油压力不同喷油器的喷雾贯穿距对比

Fig.8Spray penetration of different injectors at the same injection pressure

3结论

①当喷油压力从4 MPa增加到7 MPa时，所有喷油器的喷雾锥角均增大，但增加的幅度有所不同，积碳严重的喷油器在喷油过程中喷雾锥角增加的幅度最大，大约增加了25°，积碳较少的喷油器和无积碳喷油器增加幅度相差不大，大约增加了7°。随着喷油器积碳程度的增多，喷雾锥角呈增大的趋势。燃油喷射结束后，喷雾锥角变化不大，主要是由于此时受环境因素的影响。

②喷油压力较小时，积碳喷油器喷雾锥角变化的波动范围较大，主要是因为油束雾化程度不深，空化程度较小，油滴较大，油滴之间相互干扰，因此积碳喷油器喷雾锥角的变化波动较大。而喷油压力较高时，积碳喷油器喷雾锥角波动范围变化则较小。喷油压力较高，圆柱液体的流动状态趋向湍流，由于喷射的压力和速度非常大，环境气体密度很大，造成喷射的空气阻力增加，破碎的油滴动量小，受环境阻力影响较大，油滴之间干扰较小，因此喷油器喷雾锥角波动范围变化不大。

③随着喷雾的发展，带有积碳的喷油器贯穿距增长幅度在喷雾发展过程中受喷油压力和积碳程度的影响较小，injector-1贯穿距增长幅度逐渐增大，最大增长10 mm，而其他两支喷油器贯穿距增长幅度较小，最大增长5 mm。

④喷雾的发展速度在各阶段是不同的，低喷油压力时，积碳喷油器的贯穿距均大于无积碳贯穿距，injector-2的贯穿距大于injector-3的贯穿距，随着喷雾的发展这一趋势并未改变，此时贯穿距主要受到出口油滴速度的影响。高喷油压力时，积碳会抑制喷雾贯穿距的增长，其中injector-2的贯穿距始终大于injector-3的贯穿距，injector-1的起始贯穿距小于另两支喷油器，但最后injector-1的贯穿距大于另两支喷油器贯穿距。

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(责任编辑梁健)

Effects of injection pressure on atomizing characteristic of deposit nozzle of GDI engine injector

WAN Shi-cheng， HUANG Hao-zhong， LIU Xie， YANG Sheng， WANG Teng

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract:The carbon deposit of injector is one of the major problems of direct injection gasoline engine(GDI). Increasing injection pressure can improve the spray characteristic and combustion characteristic of gasoline engine. Three different deposit levels of gasoline injectors and two different injection pressures (4 MPa and 7 MPa) were used in this research in the constant volume. From the research the conclusions are as follows. When the injection pressure increases from 4 MPa to 7 MPa, all injector spray cone angles increase, in the process of fuel injection, the serious carbon deposit injector has the larger spray cone angle, which has increased about 25°. The spray cone angles of other two injectors approximately increase about 7°. With the increasing of carbon deposit, the spray cone angle showed an increasing trend. After the end of the fuel injection, spray cone angles change little because of the backpressure. When the injection pressure is low, the fluctuation ranges of spray cone angle of carbon deposit injectors are large, while the fluctuation ranges of spray cone angle of carbon deposit injectors are small at the high injection pressure. The growth of spray penetration about carbon deposit injector are less influenced by injection pressure and carbon deposit in the process of spray. The velocity of spray is different in the process of spray. At the low injection pressure, the spray penetrations of carbon deposit injectors are greater than that of no-carbon injector; the spray penetration of less carbon deposit injector is larger than that of the most carbon deposit injector.This trend has not changed. At the high injection pressure, carbon deposit will decrease the growth of spray penetration. The spray penetration of less carbon deposit injector is always greater than that of the most carbon deposit injector, while the starting spray penetration of no-carbon deposit injector is less than those of injectors, but in the end the spray penetration of no-carbon deposit injector is greater than those of two injectors.

Key words:injection pressure; direct injection gasoline engine; injector deposit; spray cone angle; spray penetration

中图分类号：TK411.2

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)02-0404-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0404

通讯作者：黄豪中(1976-)，男，广西钟山人，广西大学教授，博士；E-mail:hhz421@gxu.edu.cn。

基金项目：广西自然科学基金资助项目(2014GXNSFGA118005)；广西高等学校优秀中青年骨干教师培养工程资助项目(桂教人(2013)16号)

收稿日期：2015-11-17；

修订日期：2016-01-14

引文格式：宛仕枨，黄豪中，刘勰，等.喷油压力对直喷汽油机积碳喷嘴喷雾特性的影响[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(2)：404-411.