空气喷射量对空气辅助喷射喷雾特性的影响

白洪林，胡春明，李志军，侯圣智，刘　娜

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 中国北方发动机研究所，天津 300400；3. 天津大学内燃机研究所，天津 300072)



空气喷射量对空气辅助喷射喷雾特性的影响

白洪林1, 2，胡春明1, 3，李志军1，侯圣智3，刘娜3

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 中国北方发动机研究所，天津 300400；3. 天津大学内燃机研究所，天津 300072)

摘 要：利用激光粒度仪分析了空气辅助喷射喷雾索特平均直径(Sauter mean diameter，SMD)的变化规律，并且分别在定容弹及光学发动机上开展了喷雾特性(喷雾锥角和贯穿距离)的试验研究，引入喷雾半锥角(α角和β角)的概念用以分析在有进气气流时空气喷射量对喷雾特性的影响．结果表明，增加空气喷射量可以改善燃油的雾化效果，特别是当喷雾燃空比γ 小于0.8时，喷雾的SMD会有明显降低；在定容弹内空气喷射量的增大会使喷雾锥角减小，但对贯穿距离的影响不大；在光学发动机内由于进气气流的影响，空气喷射量的增加会使喷雾锥角增大，贯穿距离变小，同时喷雾锥角随时间的变化趋势也明显不同于定容弹内的试验结果．

关键词：直接喷射；空气辅助喷嘴；喷雾特性；索特平均直径；光学发动机

缸内直喷技术是提高汽油机燃油经济性的重要手段[1-2]．将燃油直接喷射入气缸，吸热蒸发的过程会冷却缸内工质，降低爆震发生的可能性，从而可以适当提高发动机的压缩比；部分负荷工况下采用分层稀薄燃烧方式，通过喷油量而非节气门来调整发动机负荷，减少了换气过程中的节流损失[3-4]．缸内直喷汽油机节能优势的充分发挥以及燃烧污染物生成的有效控制，均需要在了解喷油器喷雾特性的基础上，组织高质量的缸内混合气加以实现[5-8]，其中喷雾特性主要是指喷雾的粒径与形态(喷雾锥角和贯穿距离)．利用定容弹可以模拟出气缸内的压力、温度以及喷雾的撞壁过程[9-10]，便于研究各单一变量对喷雾特性的影响，但无法有效地模拟出缸内复杂的气流运动，而利用光学发动机试验可以更加真实地反映出此条件下喷雾特性的变化规律[11]，因此本文使用了这两种试验手段对喷雾特性进行了研究．

空气辅助喷嘴喷射出的是燃油和空气的混合物，其特点是利用压缩空气来改善雾化效果，可在较低的喷射压力下实现良好的喷雾质量[12]．控制空气与燃油的喷射量，可改变喷射入气缸内混合物的组分比例，以便满足不同燃烧模式的需求．在均质燃烧模式下汽油机需要保持空燃比在理论值附近，燃油喷射量的多少主要取决于发动机的进气量，而空气喷射量对空燃比的影响相对有限．但在利用高废气再循环率实现分层稀薄燃烧时，空气辅助喷射系统可通过喷雾引导的方式在火花塞附近形成易于点火的混合气，此时会大幅增加空气喷射量，使其成为浓混合气区域内空气的重要来源，直接影响着该区域的空燃比，进而影响着发动机的分层燃烧过程[13]．可见，空气辅助直喷系统中的空气喷射量会有较大的变化范围，影响着发动机缸内混合气的形成与燃烧过程，其中喷射过程中燃油与空气这两种物质掺混比例的变化，必然会对喷雾特性产生影响．为此本文研究了空气辅助喷射过程中空气喷射量对索特平均直径(Sauter mean diameter，SMD)的影响，而后又分别在定容弹及光学发动机上开展了相关试验，分析了空气喷射量对燃油喷雾形态的影响规律．

1 试验装置

图1为光学发动机测试系统示意，主要包括光学发动机、电控单元(ECU)、上位机、光源、高速照相机以及图像采集计算机．光学发动机的透明缸套覆盖了活塞的全部行程，可观察到任意喷射开启时刻下喷雾在缸内的发展过程．试验中通过测功机拖动发动机至恒定转速后，由上位机设定喷射起始时刻与脉宽等参数，电控单元控制开启喷油器和高速相机(型号为FASTCAM SA1.1)，喷雾的发展过程被记录到图像采集计算机，照片的分辨率为512×512，每秒钟记录2,000张．无气流运动条件下的喷雾特性由定容弹试验平台测得，定容弹可视部分的直径为100,mm，所使用的喷油器、光源以及高速相机等的参数设置均与光学发动机试验相同．此外，还利用JL-3000型激光粒度仪测量了该款喷油器在常温常压条件下的喷雾粒径．

空气辅助喷射分为燃油喷射和混合气喷射两个阶段：燃油喷射过程负责精确控制喷油量，并将燃油喷射入充有压缩空气的混合气喷嘴内；而后的混合气喷射过程中燃油与空气一同被喷出，在发动机缸内形成喷雾．该套燃油喷射系统如图2所示，其中压差阀可以保持空气与燃油之间的压差恒定，便于对喷油量进行精确控制．试验中的燃油喷射压力为0.8,MPa，压缩空气的压力为0.65,MPa．

图1　光学发动机测试系统示意Fig.1 Schematic diagram of optical engine test system

图2　燃油喷射系统示意Fig.2 Schematic diagram of fuel injection system

2 试验结果与分析

2.1 空气喷射量对喷雾粒径的影响

燃油的雾化过程是将燃油液体破碎成小液滴的过程，其效果的优劣可用喷雾场中燃油油滴的SMD大小来反映，SMD越小说明喷雾油滴越细，雾化质量越好，燃烧就会越充分，燃油消耗率也会越低．利用激光粒度仪测量了喷雾粒径，试验中激光器发出直径约10,mm左右的平行光束，照射到待测的喷雾场，部分激光被散射后照射到接收器内的光电探测器上，并将其线性地转换成电压信号，经过数据处理后求解得到燃油喷射过程中通过该测试区域的燃油粒径分布.

图3反映的是空气喷射量对空气辅助直喷喷嘴喷雾粒径的影响．从中可以看出，喷雾油滴的SMD随空气喷射量的增加而减小，随燃油喷射量的增加而增大．此外，空气辅助喷射系统中的燃油喷嘴单独喷射时喷雾的SMD为150,µm左右，显然，对于空气辅助喷射系统而言，喷雾过程中压缩空气的参与大大改善了燃油的雾化效果，并且燃油与空气的喷射量对雾化效果有比较直接的影响．出现这一现象的主要原因是在燃油喷射过程中压缩空气对燃油雾化过程的影响．燃油被喷出后，在液体表面张力与空气阻力的相互作用下不断破碎形成喷雾．而压缩空气的引入，会使燃油液滴周围存在大量压力较高的空气气泡，在喷射过程中它的膨胀与破裂，会加速燃油液滴表面的扭曲与破坏，促进其破碎成更细小的液滴，进而改善燃油的雾化效果．

图3　空气喷射量对索特平均直径的影响Fig.3 Variation of SMD with air injection quantity

由于燃油喷射量与空气喷射量是分别独立控制的，并且其对喷雾的雾化粒径有较大的影响，为方便说明引入喷雾燃空比(γ)的概念，即单次喷射过程中燃油喷射量与空气喷射量的比值．通过测量不同燃油喷射量与空气喷射量组合下的SMD，反映出了γ值对燃油SMD的影响规律，如图4所示．可以看出，空气辅助喷射的燃油SMD与γ 成正比，但并非是线性关系．当γ 大于0.8时SMD的变化幅度较缓慢，而当γ 小于0.8时SMD的变化幅度迅速增大．因为当γ较大时，意味着喷雾场中燃油的浓度较高而压缩空气量相对较少，空气对液滴表面的破碎作用有限，同时由于喷雾场中的燃油浓度高，液滴相对更密集，破碎的燃油更容易相互碰撞而重新融合成较大粒径的液滴，这两种因素均不利于燃油的雾化，因此，压缩空气对燃油雾化效果的促进作用并不显著．但随着γ 值降低至0.8以下，喷雾场内压缩空气的质量增大且已明显大于燃油的质量，其对燃油的雾化效果作用增强，并且喷雾场内燃油液滴相对更稀疏，降低了其相互碰撞而融合成大液滴的概率．这两方面作用均加强了燃油的雾化效果，而使SMD有明显加速降低的趋势．

图4　喷雾燃空比对SMD的影响Fig.4 Variation of SMD with fuel-air ratio in spray

2.2 喷雾形态的参数定义

喷雾场中燃油粒径的变化会对喷雾形态造成一定的影响，特别是在存在强烈气流运动的发动机缸内，所以利用阴影法研究了空气喷射量对喷雾形态的影响．喷雾过程的照片通过图像处理程序完成灰度化、对比度增强及边缘提取等处理后进行分析，其中贯穿距离(L)为喷嘴出口到喷雾最远端的长度，喷雾锥角(θ)为喷雾场最大截面处的夹角．此外，为更好地反映气流运动对喷雾的影响，定义喷雾左、右半锥角(α 和β)两个参数，分别是喷嘴中心线与喷雾最大截面处左、右边界的夹角．各参数定义如图5所示．

图5　喷雾参数定义Fig.5 Definitions of spray parameters

2.3 空气喷射量对定容弹内喷雾形态的影响

无气流运动影响下的喷雾特性研究通过定容弹试验完成，图6显示的是不同空气喷射量下定容弹内喷雾的发展过程，图6(a)～(c)所对应的燃油喷射量均相同，而空气喷射量依次为9.0,mg/次、11.2,mg/次和13.8,mg/次，其γ 分别是0.78((7.0,mg/次)/(9.0,mg/ 次))、0.63((7.0,mg/次)/(11.2,mg/次))和0.51((7.0 mg/次)/(13.8,mg/次))．由于试验中γ 均小于0.8，所以试验中的燃油粒径存在较大的变化幅度.

图6　定容弹内喷雾的发展过程Fig.6 Spray process in the constant volume bomb

图7和图8分别显示的是空气喷射量对喷雾贯穿距离及喷雾锥角的影响．喷雾的贯穿距离基本上不随空气喷射量的改变而有明显变化．这是因为试验过程中的燃油喷射压力没有改变，其与外界环境的压差均相同，这将使燃油的出口速度基本相同，因此贯穿距离没有明显差异．

图7　定容弹内空气喷射量对喷雾贯穿距离的影响Fig.7 Variation of spray penetration with air injection quantity in the constant volume bomb

喷雾锥角受空气喷射量的影响比较明显，随着空气喷射量的增加，γ 值减小，喷雾锥角也随之变小．可以看出，喷雾锥角会随空气喷射量的增大而变小．这是因为较大粒径的燃油由于惯性较大更易保持最初的运动方向，而较小粒径的燃油容易受到外界的干扰而使其运动方向发生偏移，因此在喷雾场的边缘区域以小粒径的油滴为主，它们直接影响着喷雾锥角的大小[14]．空气喷射量的增加会使γ 值变小，燃油的喷雾粒径随之减小，喷雾场外围区域内的液态燃料更易挥发成气态，进而使喷雾锥角变小．而且，不同空气喷射量下的喷雾锥角均随着时间的发展呈现出逐渐减小的趋势，也是源于小粒径燃油的汽化挥发效果．

图8　定容弹内空气喷射量对喷雾锥角的影响Fig.8 Variation of spray angle with air injection quantity in the constant volume bomb

同时值得注意的是空气喷射量为单次喷射的总量，而不是喷射的瞬时值，它只是通过改变喷射脉宽来实现的，喷射压力并没有发生变化，因此在喷雾过程的初期(2,ms内)，各试验条件下空气喷射量的瞬时值应基本一致，但仍出现了喷雾锥角会随空气喷射量(单次喷射的总量)的增大而变小的现象．这是因为空气辅助喷射的工作过程是先将燃油喷入混合气喷嘴与空气混合后再喷入燃烧室，而每次喷射后必然会在混合气喷嘴内残留一定量的燃油，它会在空气气流及重力的影响下逐渐下移至喷嘴出口附近，在下一次喷射时再被喷出，而较多的燃油残留量会使喷射初期喷雾场内的燃油浓度较大，即此刻的瞬时喷雾燃空比要略大于根据平均喷射量而计算出的喷雾燃空比，减弱了压缩空气对燃油的雾化效果，喷雾的粒径会有所增大，喷雾锥角也随之变大．而残留的燃油主要来自于附着在壁面上的油膜，当燃油喷射入混合气喷嘴后，绝大部分燃油会随空气一起喷射到燃烧室，只有少量的燃油会附着在喷嘴的内壁上形成油膜，而油膜的厚度会在重力、燃油黏性力及空气的剪切力的共同作用下达到平衡状态，因此燃油残留量受燃油喷射量的影响较小，而更多地取决于喷嘴内空气的流速以及气流运动的时长，即空气流速越大、流动时间越长，残留的燃油越少，而试验中的喷射压力没有变化，空气的流速基本是一致的，而气流运动的时长反映出了空气喷射量的大小．就是说，燃油残留量随空气喷射量的增大而降低，进而使喷射初期的瞬时喷雾燃空比减小，燃油粒径及喷雾锥角也都随之变小．综上，喷射初期的瞬时喷雾燃空比更能直接地反映出喷雾粒径对喷雾锥角的影响，其值的大小不仅取决于喷雾燃空比的大小，还与燃油残留量有关，而空气喷射量直接决定燃油残留量的多少，因此，单次喷射的空气总量会影响喷射初期喷雾锥角的变化．

2.4 空气喷射量对发动机缸内喷雾形态的影响

空气喷射量的多少会改变燃油粒径的大小，进而影响定容弹中喷雾的形态(主要是喷雾锥角)．而在实际发动机缸内气流运动的影响下，不同粒径燃油的运动轨迹会有所差异，最终也会影响到喷雾的发展过程．但是，定容弹并不能模拟强度较强且复杂的气流运动，为此在光学发动机上开展了相关试验研究．图9显示的是转速为600,r/min，燃油喷射时刻为排气上止点后135°，不同空气喷射量下发动机缸内喷雾的发展过程，试验中燃油与空气的喷射量与定容弹试验中的相同．图10显示的是光学发动机缸内空气喷射量对喷雾锥角的影响．从图中可知，缸内喷雾锥角的变化趋势是随空气喷射量的增加而变大，并且当空气喷射量为13.8,mg/次(γ＝0.51)和11.2,mg/次(γ＝0.63)时，喷雾锥角呈现出不断增大的趋势，特别是在喷射开始后0.5～1.0,ms的区间内有非常明显的增加；当空气喷射量为9.0,mg/次(γ＝0.78)时，喷雾锥角在喷射的初期仅有小幅增加，而后有逐渐减小的趋势．这与定容弹内喷雾锥角随空气喷射量的增加而减小，并随时间的发展呈现出逐渐减小的趋势明显不同，这是喷雾受到缸内复杂气流运动影响所致．

图9　光学发动机缸内的喷雾发展过程Fig.9 Spray process in the optical engine

图10　光学发动机内空气喷射量对喷雾锥角的影响Fig.10 Variation of spray angle with air injection quantity in the optical engine

通过CFD软件(FIRE)建立的仿真模型模拟了缸内气流运动的发展趋势，以便分析其对喷雾特性的影响．图11为喷油器所处平面缸内气流运动的速度矢量示意，可以看出，在进气行程中随着活塞的下行，左右两股流向气缸壁的进气气流受到活塞顶部导向作用，其运动方向不断改变，在燃油喷射时刻(135° CA ATDC)的气缸中部形成了相向运动的两股气流，而后在到达下止点时形成了逆时针方向运动的滚流．值得注意的是，在135° CA ATDC时，气缸的中上部存在从右至左的气流运动，而在其上方靠近进气门处有一股斜向右下方的进气气流，这两股气流运动将会对喷雾形态(特别是喷雾锥角)产生较大的影响．

图11　发动机缸内气流运动的仿真结果Fig.11 Simulation result of airflow motion in cylinder

分析喷雾半锥角(α 和β )的变化规律可以更好地反映出缸内气流运动对喷雾形态的影响．图12和图13分别显示的是空气喷射量对光学发动机缸内喷雾α 角和β 角的影响．参考缸内流场的分析结果，可知在135°CA ATDC进行燃油喷射的初期(0.5,ms 时)，由于喷雾主要集中在进气门下方不远处，此区域内存在斜向右下方的进气气流，在此影响下喷雾场会向右侧偏移，进而使喷雾左半锥角(α )变小，而小粒径的喷雾更容易被吹偏，因此在0.5,ms时α 会随空气喷射量的增加而减小．而随着喷雾发展至气缸中部(1.0,ms以后)，α 受气缸中上部由右至左运动的气流影响而有增大的趋势，特别是当空气喷射量较大(11.2,mg/次和13.8,mg/次)时更为明显，但当空气喷射量为9.0,mg/次时，α 角在小幅增加后出现了减小的趋势，这是因为此状态下燃油的粒径较大，喷雾发展受缸内气流运动的影响较小，其值减小的主要原因是喷雾场外围区域内燃油的蒸发．

图12　光学发动机内空气喷射量对α 角的影响Fig.12 Variation of α with air injection quantity in the optical engine

图13　光学发动机内空气喷射量对β角的影响Fig.13 Variation of β with air injection quantity in the optical engine

喷雾右半锥角(β,)的发展主要受斜向右下方进气气流的影响，在喷雾发展的初期(1.0,ms之前)有增大的趋势，特别是空气喷射量较大(11.2,mg/次和13.8,mg/次)时更为明显，因为此喷射状态下的燃油粒径相对较小，喷雾更易受到气流运动的影响，而空气喷射量为9.0,mg/次时，喷雾粒径相对较大，β,角增大的幅度明显降低．而随着喷雾发展至气缸中部(1.0,ms以后)，因为此区域内斜向右下方的进气气流强度降低，而使β,角向右侧增大的趋势减缓，同时由于喷雾场外围区域内燃油的不断蒸发，而使β,角出现逐渐减小的趋势．由于α 角和β,角的共同影响而使气缸内喷雾锥角的变化规律(图10)明显不同于定容弹内的结果(图8)．

由于没有受到气流运动的影响，定容弹内喷雾的左右半锥角(α 和β,)基本相等，呈现出左右对称的形态[11]．但对比光学发动机内喷雾α 角和β,角的数值可知，β,角均大于α 角，并且随着空气喷射量的增加两者间的差值不断增大．这是由于喷油器的安装位置会使进气气流流经喷雾场，在此过程中燃油液滴会有向右侧发展的趋势，进而引起喷雾中心的偏移，使得光学发动机中的β,明显大于α，并且小粒径的燃油更容易受到气流运动的影响而使其运动轨迹发生更大的改变，因此在光学发动机内的燃油喷射过程中空气喷射量的增加，在减少喷雾场中燃油粒径的同时，会使喷雾场发生更明显的偏移．

图14显示的是光学发动机缸内空气喷射量对喷雾贯穿距离的影响，可以看出，喷雾的贯穿距离会随空气喷射量的增大而降低．对比图7可知，在定容弹内贯穿距离并没有随空气喷射量的改变而有明显差异，说明空气喷射量的增加并没有改变喷孔出口处燃油的初速度，因此造成贯穿距离变化的原因是缸内气流运动的影响，因为增大空气喷射量意味着γ 值的减小，喷雾的粒径也随之降低，而小粒径燃油的惯性更小，更容易受到外界气流运动阻力的影响而使其运动速度降低，进而使喷雾贯穿距离有所减小．

图14　光学发动机内空气喷射量对喷雾贯穿距离的影响Fig.14 Variation of spray penetration with air injection quantity in the optical engine

3 结论

(1)增加空气喷射量可以改善燃油的雾化效果，特别是当喷雾燃空比(γ)小于0.8时，喷雾的SMD会有明显的降低．

(2)引入喷雾半锥角(α 和β )的概念来分析缸内气流运动对喷雾锥角的影响．在135°CA ATDC进行燃油喷射，当空气喷射量较大时，α 受到气缸中上部由右至左运动的气流影响而有增大的趋势，而β 受斜向右下方进气气流的影响而有明显增大的过程，两者相结合即可反映出喷雾锥角不断增大的变化趋势；当空气喷射量较小时，燃油粒径较大，喷雾受缸内气流运动的影响较小，而使喷雾锥角呈现出小幅增加后不断下降的趋势．

(3)空气喷射量的增大并不会对无气流运动条件下(定容弹内)的喷雾贯穿距离产生明显影响，但由于会使喷雾粒径减小，使燃油更容易受到外界气流运动阻力的影响而降低运动速度，进而使有气流运动条件下(光学发动机内)的喷雾贯穿距离有所减小．

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(责任编辑：金顺爱)

网络出版时间：2014-10-29. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201407073.html.

Effect of Air Injection Quantity on Spray Characteristics of an Air-Assisted Direct Injector

Bai Honglin1,2，Hu Chunming1,3，Li Zhijun1，Hou Shengzhi3，Liu Na3
(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. China North Engine Research Institute，Tianjin 300400，China；3. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Abstract：The variation law of Sauter mean diameter(SMD)of the air-assisted injection was researched by using laser particle size analyzer. Spray characteristics(spray angle and penetration)were studied by experiments which were completed using a constant volume bomb and an optical engine. In order to analyze the effect of air injection quantity on spray characteristics in the condition of airflow motion，the semi-angle of spray(α and β)was defined. The results show that the performance of atomization is improved as the air injection quantity increases，and the SMD becomes smaller obviously when the spray fuel-air ratio(γ )is less than 0.8. In the constant volume bomb，spray angle decreases with the increasing of air injection quantity，while spray penetration has no significant variation. In the optical engine，because of the influence of intake airflow，spray angle enlarges and spray penetration reduces as the air injection quantity increases. In addition，the variation tendency of spray angle is markedly different from the experimental results in the constant volume bomb.

Keywords：direct injection；air-assisted injector；spray characteristics；Sauter mean diameter(SMD)；optical engine

通讯作者：胡春明，cmhu@tju.edu.cn.

作者简介：白洪林（1982— ），男，博士，bhl1010@163.com.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51476112)；天津市自然科学重点基金资助项目(11JCZDJC23200)；天津市科技计划资助项目(13ZCZDGX04400).

收稿日期：2014-07-23；修回日期：2014-10-20.

DOI:10.11784/tdxbz201407073

中图分类号：TK413.8

文献标志码：A

文章编号：0493-2137(2016)02-0206-07