直喷汽油机喷油器喷雾可视化测试系统开发及试验＊

石玲吴国兴张振东尹从勃

（1.上海师范大学，上海 201815；2.上海理工大学，上海 200093）

直喷汽油机喷油器喷雾可视化测试系统开发及试验＊

石玲1吴国兴1张振东2尹从勃2

（1.上海师范大学，上海 201815；2.上海理工大学，上海 200093）

为了有效观测直喷汽油机喷油器工作过程中喷雾形态的变化历程，开发了一套由定容装置、供油系统、环境背压调节系统、环境温度调节系统、喷油控制系统以及高速摄像机等组成的喷雾形态可视化测试平台，并利用该平台测试了不同喷油压力、环境压力和环境温度下GDI喷油器的喷雾形态变化过程。试验结果表明，喷油压力、环境压力及环境温度是影响喷雾形态发展过程的关键因素，所开发的喷雾形态测试平台能够模拟缸内的不同压力和温度条件，并对不同喷油压力下喷雾形态的变化历程进行有效测试。

1 前言

近年来，因汽油直接喷射（Gasoline Direct Injection，GDI）技术具有良好的动力性和经济性，得到了飞速的发展，而GDI发动机的喷雾特性直接影响到缸内混合气形成、分层燃烧和发动机冷启动等性能，因此改善喷雾特性对提高发动机的动力性、经济性和排放品质具有重要意义[1]。由于喷雾破碎机理十分复杂，不仅受到气液两相间的相互作用，还受到喷嘴内部流动现象如气穴和湍流等影响，特别是缸内环境瞬态变化较大时，很难准确获得边界条件，这些对喷雾模型精确计算造成很大困难，所以现在对喷雾研究的主要手段还是喷雾形态可视化试验。

目前，国内外对喷雾形态可视化试验研究主要依靠定容装置和高速摄影喷油雾化测试系统。如，Mitroglou N等人[2]利用可视化定容室在常温下控制喷射压力和背压来测量喷雾特性；Jeekuen Lee和Keiya Nishida[3，4]通过控制喷油背压观察和研究喷雾破碎和雾化过程；国内高校和大型整车研究中心[5～10]也对喷油雾化可视化试验进行了大量研究。

尽管国、内外学者进行了许多直喷汽油机喷雾特性的研究，但大多数研究仅是通过改变喷油压和背压来观察喷油雾化形态，尚缺乏既具备环境压力、温度可调，又可对喷油器的喷射过程进行灵活控制的可视化喷油雾化测试系统。为此，本文开发了一种直喷汽油机喷油器喷雾形态的可视化测试系统，实现了对喷雾形态变化历程的动态测试，为深入研究喷雾形成及发展机理提供了试验测试手段。

2 喷雾可视化测试系统设计

为直接研究直喷汽油机喷油器喷雾在不同边界条件（喷油压力、环境压力以及环境温度）下的发展过程以及其特性（喷雾贯穿距、喷雾锥角等），设计了喷雾可视化测试系统。该系统主要由定容装置、燃油供给系统、环境压力控制系统、喷油器控制系统等组成，如图1所示。本研究所用直喷汽油机喷油器参数及试验边界条件如表1所列。

图1 喷雾可视化测试系统示意

表1 喷油器参数及试验边界条件

试验过程中，通过各组成系统的相互协调实现喷油压力、环境压力、环境温度的调节。系统控制部分由驱动电路和喷油控制电路组成，可以实现不同喷油周期、喷油脉宽、喷油次数的调节，同时能够直接提供同步信号给高速摄影机进行喷雾图像的采集。

2.1 可视化定容装置

可视化定容装置如图2所示。为了能够全方位观察和采集喷雾数据，共设计了5个窗口，其中四周各1个，底部1个，顶部主要用于安装喷油器固定装置。

为便于记录喷射过程，所设计的5个视窗均采用JGS1型远紫外光学石英玻璃。该玻璃是用高纯度氢氧熔化而成，具有优良的透紫外线性能，在波段为185 μm处的透过率可达90%。

图2 可视化定容装置示意

可视化定容装置最关键的问题是玻璃的承压能力，为此采用有限元分析软件ANSYS对厚度为40 mm、抗弯强度为67 MPa的3D石英玻璃窗口数模进行了强度计算，计算结果如图3所示。

模拟结果表明，该石英玻璃的最大应力集中在压盘法兰与石英玻璃接触处，约为22 MPa，计算得其安全系数为3.05。根据国家对压力容器相关规定中要求的安全系数3，因此所选取的石英玻璃满足国家定容装置设计要求。

2.2 喷油器固定安装机构

喷油器固定安装机构如图4所示，其由上端盖、夹具主体、下端盖等组成。设计喷油器固定安装机构的目的是为了将喷油器固定在定容装置主体上，使喷油器喷嘴可在石英玻璃视窗上部突出4～5 mm，以便于喷雾图像采集。该安装固定机构上设计有梯形凹坑，其作用是避免喷油器接插键与夹具接触，以防止因夹具温度过高而损坏电气连接。考虑到定容装置工作具有较高温度以及燃油的腐蚀性，喷油器与夹具的上、下端盖均采用O型氟橡胶和四氟乙烯垫圈密封，两种材料分别能承受230℃和250℃的高温。

2.3 燃油供给系统

为更真实地反映发动机供油系统特性，该测试系统采用了高压共轨作为燃油供给系统，该供油系统由高压氮气瓶、针阀、油压传感器、燃油共轨、滤清器、安全阀以及若干高压油管等组成（见图1）。

图3 石英玻璃应力分布

在供油系统工作过程中，通过控制针阀的开度调节进入油箱气体的压力，油箱中的燃油经过滤清器进入燃油共轨，共轨上有燃油压力传感器可以实时对管内的油压进行监测。

图4 喷油器固定安装机构示意

2.4 环境压力控制系统

可视化定容装置环境压力控制系统主要由氮气瓶、针阀、安全阀、活性碳罐等组成（见图1）。该系统工作时，存储在氮气瓶中的氮气通过调节针阀进入定容装置中，针阀的开度控制气体流量大小从而实现定容装置内压力的调节，当进气管路中的压力超过安全阀预设定值3 MPa时，氮气就会从安全阀中溢流，从而保证整个系统的安全。可视化定容装置中气体排出同样由针阀控制，考虑到废气中存在着大量的燃油蒸汽，故在排气针阀的后面连接了活性碳罐将油气分离。

2.5 环境温度加热系统

可视化定容装置的温度调节通过在定容装置四周安装的4根功率为500 W的加热棒完成，加热棒的布置位置如图5所示。加热棒具有独立的温控仪，它与定容装置上的温度传感器组成闭环控制定容装置内气体温度。

图5 加热棒布置位置

2.6 高速摄影系统

高速摄影系统采用由日本信农公司生产制造的PLEXLOGGER系列高速数字摄像机PL2。该相机具有对高速影像和热影像进行记录、回放、保存数据及液晶显示等功能。PL2的高速视频最快采集速度为1×105fps，对热影像和模拟数据的最大采集频率分别为60 fps和1 M/s，最大分辨率SXGA为1 280×1 024。

2.7 喷雾特性定义及数据后处理方法

喷雾特性包括喷雾贯穿距和喷雾圆锥角，定义喷雾贯穿距为喷油器喷嘴至喷雾外边缘的最大距离[11]，如图6所示；定义喷雾圆锥角为图7中喷雾两侧最外边缘A与最外边缘B之间的夹角[11]。

图6 喷雾贯穿距

图7 喷雾锥角

为了分析喷雾宏观特性，本文采用商业软件对喷雾图像进行编程处理，处理过程如下：

a.图像读入。基于商业软件MATLAB中的图片处理函数imread直接读入背景图和喷雾原始图。

b.去除背景。基于商业软件MATLAB中的imab⁃sdiff相减函数完成喷雾背景去除。

c.图像转化。基于软件MATLAB中的im2gray图像格式转换函数将彩色图像转化为每个像素只包含一个数值的灰度图像，进而通过im2bw二值化函数将灰度图像转化为二值图像，即二值图像矩阵的每个像素值只能取0或1，就图像上而言像素非黑即白。

d.图像分割。基于商业软件MATLAB中的边缘提取函数bwperim完成轮廓边界提取，如从二值图像中提取喷雾边缘轮廓。

e.特性参数计算。基于提前标定的已知尺寸的特征形状（如T字型）完成喷雾贯穿距、喷雾锥角的计算。

3 喷油器控制系统

直喷汽油机喷油器控制系统由驱动电路和喷油控制电路组成。通过喷油控制电路设置喷油周期、喷油脉宽、喷油次数等参数，微控制单元MCU输出控制波形给喷油器驱动电路，从而实现喷油器的开启和关闭。

3.1 喷油器驱动电路

本文基于L9707芯片，采用峰值-保持电流驱动模式设计了喷油器驱动电路，峰值-保持型电流波形如图8所示。L9707是意法半导体公司开发的专门用于驱动直喷汽油机喷油器的芯片，它采用电流驱动的方式可以同时驱动6个喷油器工作，该芯片提供了短接地检测、开路检测、过流保护、高温自动断电、无峰值电流检测等功能。芯片具有8位的SPI串行数据输入输、出和诊断端口。

图8 峰值-保持电流驱动波形

图8中，t1为峰值电流时间段，该时间段的电压为65 V，电流为10 A，该段高压由Boost升压电路来实现，电流由外设电阻决定。t2和t3均为保持喷油器处于开启状态的电流时间段，这两段低压电由12 V开关电源供电，时间长度取决于ECU喷油量多少。

直喷汽油机喷油器驱动电路如图9所示。

图9 驱动电路示意

3.2 电源电路

电源电路是由一个稳定电压为12 V的开关电源进行供电，电源电路主要的作用就是将12 V电源转换成一个电压为5 V和电流至少为200 mA的电源，为L9707芯片和喷油控制电路中的MCU供电。基于L9777电源芯片设计的电源电路如图10所示。

该电源电路通过将VCC引脚输出5 V电压作为反馈，在负载变换时，芯片内部根据反馈的电压值进行调节保证任何情况下都能够有稳定的5 V电压输出。

图10 电源电路原理

3.3 升压电路

直喷汽油机喷油器开启需要较大电流驱动，因此需要设计Boost升压电路，本文所设计的升压电路如图11所示。压升通过可编程开关调节器VH来实现，可以提供的电压范围为45～85 V，电压大小由外接的分压电阻R2和R3所决定，电压调节器VH提供了过压保护功能。开关MOS管的栅极由DC_OUT控制，DC_OUT输出的方波频率由连接Rct外部的振荡电路决定。当电路中检测到过压事件时DC_OUT信号就会关闭，过压信息通过SPI反馈给MCU。/STBY信号是电压调节器的使能端，为低有效。

图11 升压电路原理

3.4 喷油器控制

本研究所采用的直喷喷油器属于电流驱动型，为了加快喷油器的开启速度，在喷油器开启初期需给电磁线圈较高的电流脉冲，驱使针阀迅速开启，然后再将电流降至较小的维持针阀开启的电流值，以便实现电磁线圈中以较小电流保证高速电磁阀处于最大开启位置。因此，本试验基于L9707喷油器驱动芯片采用了峰值/维持式的驱动模式来实现该喷油器的驱动。L9707喷油器驱动芯片输出波形由INJI_A和INJPI_A两个信号控制，两者具有如图12所示的逻辑关系。INJIA信号周期T决定了1次喷油周期，其占空比T1决定了喷油时间。INJPI_A信号的占空比T2控制峰值电流的保持时间，而且当INJPI_A和INJI_A信号同时被置高时才能产生峰值电流。

图12 喷油器驱动电流波形

4 喷雾试验结果分析

利用所设计的测试系统进行了不同喷油压力（2MPa，6 MPa，8 MPa）、不同环境压力（0.1 MPa，0.5 MPa，1.0 MPa）和不同环境温度（20℃，50℃，100℃，150℃）下的直喷汽油机喷油器喷雾发展过程以及喷雾宏观特性研究。

4.1 不同喷油压力下喷雾发展过程

图13为不同喷油压力下喷雾发展过程，此时环境压力Pamb=0.5 MPa。由图13可看出，喷雾基形态呈轴对称，右侧的喷雾比左侧的要短，当喷油压力Pinj为2 MPa、6 MPa，且喷射时间小于3 ms时，油束周围只有轻微的破碎蒸发现象。当喷油压力Pinj达到8 MPa时，燃油蒸发速度比其它喷油压力下要快，这说明燃油喷油压力越大，燃油的雾化效果越好，喷雾蒸发破碎趋势越明显。这是因为喷油压力较大时所喷射出的燃油粒径较小，导致油束与空气的接触面积变大，两者相互作用更加剧烈。高压喷射时喷雾的贯穿距离长，存在空气中的时间也长，所以高压喷射时喷雾在定容装置的延续时间也相对久一些。因直喷汽油机在启动过程中，高压油轨压力的建立需一定的时间，开始时喷油压力较低，所以选择合理喷油时刻对发动机的排放起着至关重要的作用。

图14为喷油压力对喷雾贯穿距的影响。由图14可看出，随着喷油压力的增大，喷雾贯穿距离增大，但当喷油压力增大到8 MPa时，贯穿距离增加的幅度略有减少，这是因为较高的喷油压力导致喷雾油滴的粒径大幅减小，进而促进燃油与空气相互作用而雾化蒸发，使得喷雾贯穿距离减小。

图15为喷油压力对喷雾锥角的影响结果。由图15可看出，喷雾锥角随喷油压力的增大呈减少趋势，但变化不明显。因为整体喷雾锥角主要取决于各喷孔的结构，虽然随着喷油压力的增大各喷孔油束的雾化速度有所增加，但对喷雾的整体锥角影响较小。

图13 不同喷油压力下喷雾发展过程

图14 不同喷油压力下喷雾贯穿距变化曲线

图15 不同喷油压力下喷雾锥角变化曲线

4.2 不同环境压力下喷雾发展过程

图16为喷射压力Pinj=6 MPa，不同环境压力下喷雾发展过程。从图16可看出，当环境压力Pamb为0.1 MPa时，油束以较快的速度从喷嘴喷出，且破碎的区域很大，当环境压力逐渐增大时，油束的运动速度有所减慢，破碎的区域减少。而当环境压力增大到1 MPa时，喷雾的贯穿距离明显缩短，油束的运动减缓，雾化的区域也减少。由此可知，随着环境压力的增大，油束破碎减少，雾化区域和速度均会降低。高环境压力对应着发动机压缩行程的缸压，高压力虽然可以减少燃油碰壁，但将导致燃油雾化不充分，燃烧不彻底，易在缸内形成积碳。所以这时需要提高喷油压力，加速燃油的雾化。

图16 不同环境压力下喷雾发展过程

图17和图18分别为环境压力对喷雾贯穿距和喷雾锥角的影响结果。由图可看出，喷雾贯穿距随环境压力的增大显著降低；环境压力从0.1 MPa增长到0.25 MPa时对喷雾锥角几乎没影响，随着压力的进一步增大，喷雾锥角逐渐减小，当压力增加到1 MPa时，喷雾锥角减至最小。

图17 不同环境压力下喷雾贯穿距变化曲线

图18 不同环境压力下喷雾锥角变化曲线

4.3 不同环境温度下喷雾发展过程

图19为环境温度对喷雾发展过程的影响，喷射压力Pinj=8 MPa，环境压力Pamb=0.1 MPa。由图19可看出，当环境温度T为20℃时，燃油喷雾雾化速度较缓慢；当环境温度为100℃时，燃油喷雾蒸发的速度明显加快。

图20为环境温度对喷雾贯穿距的影响结果。由图20可看出，当环境温度小于100℃时，环境温度的增加会使喷雾贯穿距略有增大，这主要是由于初始状态的喷雾粒径很大，适当升高温度未能使喷雾末端燃油完全蒸发，而是形成粒径更小的喷雾，并迅速地向周围扩散。当温度超过100℃后，喷雾贯穿距略有减小的趋势，主要原因是过高温度导致喷雾蒸发的速度加快。

图19 不同环境温度下喷雾发展过程

图20 不同环境温度下喷雾贯穿距的变化曲线

图21为环境温度对喷雾锥角的影响结果。由图21可看出，随着环境温度的升高，喷雾锥角呈减小趋势，这是因为温度越高加速了喷雾边界的快速蒸发，使得喷雾锥角也相应的减小。

图21 不同环境温度下喷雾锥角的变化曲线

5 结束语

本文建立了喷雾可视化测试系统，开发出采用峰值-保持电流驱动方式的直喷汽油机喷油器的驱动电路和喷油控制电路，且搭建了喷雾可视化测试系统，设计了可视化定容装置、直喷喷油器供油系统、环境温度及压力控制系统等，基于该系统进行了直喷汽油机喷雾发展过程及其宏观喷雾特性的研究。根据试验和分析结果可知：

a.提高喷油压力可使燃油破碎区域变大，促进燃油雾化速度，有利于混合气的形成；

b.增加喷油压力导致喷雾贯穿距离也随之增加，进而导致增加喷雾撞壁的概率，发动机容易造成积碳和机油稀释问题；增加环境温度可加快燃油蒸发速度，喷雾锥角略有减小；

c.增加环境压力导致燃油蒸发速度变缓，则不利于混合气形成，可导致发动机HC排放增加；

d.鉴于喷雾对环境背压的敏感性，喷油时刻的选择极为重要。

1 Zhao Fuquan,Harrington D L，Lai Mingchia.Automotive gas⁃oline direct-injection engines.Warrendale,PA:SAE Interna⁃tional，2002.

2 Mitroglou N,Nouri J M,Yan Y,et al.Spray Structure Gener⁃ated by Multi-Hole Injectors for Gasoline Direct-Injection Engines.SAE Paper,2007-01-1417.

3 Jeekuen Lee and Keiya Nishida.Breakup Process of an Ini⁃tial Spray Injected by a D.I.Gasoline Injector-Simultaneous Measurement of Droplet Size and Velocity by Laser Sheet Image Processing and Particle Tracking Technique.SAE Pa⁃per,2003-01-3107.

4 Kim S,NOURI J M,YAN Y,et al.Effects of Intake Flow on the Spray Structure of a Multi-hole Injector in a DISI En⁃gine.International Journal of Automotive Technology,2009, 10（3）:277～284.

5 刘国庆.缸内直喷汽油机冷启动燃烧与排放光学试验研究.中国机械工程,2013,24（23）:3164～3169.

6 李相超,张玉银,许敏.直喷汽油机缸内喷雾湿壁问题研究.内燃机工程,2012,33（5）:17～23.

7 范钱旺，高雅，董战力.非对称多孔喷油器撞壁喷雾特性的试验与模拟.内燃机学报,2012,30(1):35～41.

8 Qianwang Fan,Liguang Li,Zongjie Hu,Jun Deng,Ya Gao.Spray characteristics of ethanol-gasoline blends from an asymmetric multi-hole injector of DISI engines.2011 IEEE International Conference on Electric Information and Con⁃trol Engineering,2011,2618-2623

9 FAN Q,DENG J,HU Z,et al.LI.An Experimental Study on Spray Characteristics after Impinging on Piston Surface through an Asymmetrical Multi-hole Injector of DISI Gaso⁃line Engines.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D,Journal of Automobile Engineering, 2012,226（226）:399～409.

10 程强，张振东，谢乃流.喷孔结构对多孔GDI喷油器喷雾特性的影响.内燃机学报,2014,32（1）:45～51.

11 范钱旺.直喷汽油机喷雾及起动工况燃烧与失火-补火控制研究：[学位论文].上海：同济大学，2011.

（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为2016年9月12日。

Development and Experiment of Spray Visualization Testing System for GDI Injector

Shi Ling1,Wu Guoxing1,Zhang Zhendong2,Yin Congbo2
（1.Shanghai Normal University,Shanghai 201815;2.Shanghai University of Science and Technology,Shanghai 200093）

In order to effectively observe the change process of spray pattern of GDI engine injector,a visualization test platform was developed which consisted of a constant volume,fuel system,a back pressure regulator system,ambient temperature control system,fuel injection control system and high-speed cameras and other components.The spray pattern of a GDI injector was tested at different fuel injection pressure,different ambient pressure and different ambient temperature by the platform.The test results showed that injection pressure,ambient pressure and ambient temperature are the key factors to affect the development process of the spray pattern,besides with the spray pattern test platform different in-cylinder pressures and temperature conditions can be simulatecl and the spray pattern changes at different injection pressures can be tested.

GDI injector,Spray pattern,Visualization system

直喷汽油机喷油器 喷雾形态 可视化系统

U464.171；TK6

A

1000-3703（2017）01-0026-07

国家自然科学基金项目（51275309）。