高喷射压力下GDI喷油器喷雾特性研究

栾 铸， 唐火红

（合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009）

随着汽油消耗的增长以及中国在尾气排放强制性规定方面越来越严格，传统的进气道喷射汽油机已经跟不上时代的需要，缸内直喷汽油机在燃油消耗量上以及尾气排放上的优势已经越来越受到各大汽车厂商的重视。GDI汽油机喷油器的喷雾特性直接影响到发动机的动力性、经济性和排放性［1］。本文对于高喷射压力下喷雾特性的研究为GDI汽油机的研究提供理论依据。国内外对GDI喷雾特性的影响因数展开了大量的研究：何邦全等通过长距显微镜和高速摄影相结合的方法，研究了单孔直喷汽油喷油器喷孔下方1.5 mm内的近场喷雾特性［2］，研究所用喷油器压力较低。李雁飞等在定容弹中，利用高速摄影和相位多普勒粒子测试技术（PDPA）研究了喷射压力、背压和喷射脉宽对汽油直喷（GDI）发动机多孔喷油器喷雾特性的影响，包括喷雾贯穿距、粒度和速度特性［3］，虽然该文对喷雾贯穿距有所涉及，但是主要是研究喷射压力对喷雾贯穿距离的影响，并未研究对喷射角的影响。程强等研究了喷孔结构对于GDI喷油器的喷雾特性的影响［4］。蒋晟龙等利用纹影法研究了在16 MPa喷射压力下不同环境背压和喷油规律下直喷喷油器的喷雾特性［5］。李秀海研究了燃油温度对喷雾特性的影响［6］，研究的影响因素较单一。从上面的研究可以看出国内外研究的喷油器喷射压力大部分集中在15 MPa左右，对于更高的喷射压力喷雾特性研究较少。本文从实际研究需要出发，研究了35MPa喷射压力下直喷喷油器喷雾特性。

1 试验系统及测试工况

1.1 试验测试系统原理

图1 白光测试系统图

白光测试系统见图1。此系统主要包括燃油供给系统，环境气体背景压力控制，燃油温度控制，图像采集及后处理5大部分。利用高压氮气瓶连接蓄压器来保证燃油的喷射压力，利用恒温水箱连接喷油器的外围水套保证每次喷射燃油的温度不变，利用真空泵连接高压定容容器来控制环境气体背景压力的变化。图像采集及后处理部分由CCD相机、信号增强器、信号发生器、计算机及喷油器驱动组成。

喷油器喷雾白光成像测试时，喷油器安装在测试压力容器顶端，白光光源从容器一侧照亮喷雾，ICCD（配有信号增强器）相机从另一侧进行拍照捕捉喷雾图像，通过信号发生器DG645来控制光源、相机和喷油器的同步。按照之前得到的工况点，进行不同时刻条件下喷油器喷雾白光成像的测试。

测试时，从喷油器开始出油为0时刻进行拍摄，拍摄时刻为每隔0.1 ms ASOI直到喷油结束。

1.2 喷雾贯穿距离喷雾角计算方法

如图2所示，根据SAE J2715标准，多孔喷嘴的喷雾外轮廓边缘到喷孔竖直距离5 mm 和15 mm 的4个点所确定的线段AC和BD的夹角θ即为喷雾角（喷雾角的测量时刻断油前0.2 ms），某个时刻喷嘴到喷雾外轮廓最远点的垂直方向距离即为贯穿距L。

图2 喷雾贯穿距和喷雾角计算方法

1.3 测试工况及喷油器

本文利用正庚烷（100%）作为燃料试验工况，见表1。正庚烷的物理属性见表2。喷油器安装在高压定容容器的顶部，利用蓄压器来提供稳定的喷射压力，利用恒温水槽精确控制燃油的温度。喷油器采用德尔福六孔喷油器来进行试验，其外形如图3所示。

表1 测试工况

表2 正庚烷物理属性

1.4 喷油器驱动参数

在测试之前，采用示波器（记录仪）记录喷油器响应电流波形，用于测试喷油器响应参数，如图4所示，图4a为测试使用的电流曲线，图4b为从喷油器供应商处查询得到的控制参数。由图4可以看出驱动参数数值皆与查得的数值相近，可用于测试。

2 结果及分析

2.1 背温与背压对喷雾角的影响

图3 德尔福喷油器

图4 喷油器响应电流参数示意图

表3是通过CCD相机采集喷雾图片后提取其边界，并通过计算得到的喷雾角，各种工况的命名为“喷射压力_背压_背温_喷射脉宽”。①通过工况序号1、2、3的比较可以看出：在其他条件相同的情况下，随着背景压力的升高，喷雾角的数值在减小，但是喷雾角数值减小不是特别地明显。说明背景压力的变化对喷雾角的影响不是特别大。②通过工况3、4和工况5、6、7的比较可以看出：在其他条件相同的情况下，随着背景温度的升高喷雾角的数值明显减小。同时还可以看出：当背景温度越高，喷雾角减小的趋势越明显。

这是因为在高背温的情况下燃油蒸发加剧，边缘细小液滴更容易蒸发，从喷雾的外边缘向内收缩，从而造成喷雾角减小。从上面的数据比较可以看出背景温度比背景压力对喷雾角的影响大。

表3 各种工况下喷雾角计算值

2.2 背温与背压对喷雾贯穿距的影响

图5是根据每隔0.1 ms提取出的喷雾图片然后计算出喷雾贯穿距数据所绘制的各种工况下的喷雾贯穿距曲线，图5中的a～g分别对应表3中的序号1～7。①从图5a～5c中可以看出：随着背压的升高喷雾贯穿距明显减小。②从图5e～5g可以看出：随着背温的升高喷雾贯穿距也在减小。③从图5d、图5f、图5g中可以看出：贯穿距在最后的阶段出现了停滞增长。这时可以发现，贯穿距停滞增长都是在背温比较高的情况下出现的。

图5 各种工况下的喷雾贯穿距曲线

这是因为高温下燃油液滴蒸发的速率很高，与喷油器的喷油速率达到动态平衡所致。一般情况，一次喷雾下喷雾贯穿距的增长速度应该逐渐减缓，但是从图5g中可以发现，贯穿距在1.0 ms以后有加速增长的情况，原因是较强的空气卷吸反过来作用在了喷雾上，从而推动了其贯穿距增速的增长。这种情况往往和喷雾坍塌耦合发生。

3 结论

1）在35 MPa喷射压力下，喷雾角随着背温和背压升高而减小，但是背压对喷雾角的影响不是很大，背温对喷雾角的影响较大。这与低压时背温对喷雾角的影响很小［7］是有很大不同的。所以在设计高喷射压力直喷发动机时，一定要考虑背温对喷雾品质的影响。

2）在35 MPa喷射压力下，喷雾的贯穿距离随着背温和背压的升高而减小，但是当背温升高到一定程度时，喷雾的贯穿距会出现停滞增长。

3）要防止背温背压过度升高，因为这样会造成喷雾坍塌，进而影响喷雾形成的品质。`

［1］ 李波，李云清，王德福. GDI 发动机喷雾特性的数值模拟和试验［J］.内燃机学报，2012，30（1）：9-15.

［2］ 何邦全，张倓恺.直喷汽油喷油器喷射过程近场喷雾特性［J］.内燃机学报， 2013（5）：425-430.

［3］ 李雁飞，郭恒杰，王健，等.高背压下GDI 油束喷雾特性的试验［J］.内燃机学报，2016，34（4）：326-333.

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

［5］ 蒋晟龙，沈颖刚，高东志，等.高环境压力下燃油连续多段喷射喷雾特性研究［J］.内燃机工程，2016，37（1）：62-66.

［6］ 李秀海.燃油温度对GDI喷油器孔内流动及喷雾特性的影响研究［J］.汽车科技，2016，1（6）：29-34.

［7］ 黄都.GDI汽油机喷油器驱动电路及喷雾特性研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.