不同燃料自由喷雾及喷雾撞壁特性试验研究

秦 静 ，郭瑞涛 ，裴毅强，李 翔，张 丹，王 琨，许 贝，刘 懿，王晨晰

(1. 天津大学内燃机研究所，天津 300072；2. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

缸内直喷汽油(gasoline direct injection，GDI)发动机将燃油直接喷入气缸，燃料的雾化、蒸发吸热作用可使进气得到冷却，从而使发动机功率提高，在动力性和经济性方面比进气道喷射(port fuel injection，PFI)发动机表现出更大的优势和潜力．因此，GDI发动机已经成为汽油机的研究热点[1-4]．

为满足更严格的颗粒物排放法规，GDI发动机采用较高的燃油喷射压力，以获得更小粒径的液滴，从而使缸内混合气更加均匀，减少颗粒物生成[4-6]．但是，喷油压力的提高会使喷雾贯穿距增加，而较长的喷雾贯穿距易造成喷雾撞击活塞顶或缸套，出现湿壁现象，使缸内局部混合气过浓，导致发动机碳氢排放和颗粒物排放迅速升高，而且会稀释缸套壁面的机油，使其黏度下降，润滑性降低[4,7]．

国内外对于喷雾撞壁现象进行了大量的试验研究，但主要以单液滴撞壁展开[8-10]．常用喷雾撞壁模型及半经验公式均由单液滴撞壁试验的数据总结得出，且所用燃料种类单一[11-12]．然而在实际GDI喷雾中液滴密度很高，液滴间相互作用非常剧烈，因此需要对喷雾油束的撞壁特性进行试验研究；另一方面，由于不同燃料之间存在物性差异，某一种燃料不能代替其他燃料，所以有必要对多种常用燃料进行试验研究．因此需要进行多燃料 GDI喷油器喷雾撞壁试验来提供更多的数据，对现有经验公式及模型进行验证及修改．

本文运用相位多普勒(phase Doppler anemometry，PDA)系统，对汽油、乙醇、甲醇、异辛烷和甲苯参比燃料(toluene reference fuels，TRF)5种燃料自由喷雾的粒径粒速以及喷雾撞壁前后的粒径、粒速进行了试验研究．对本次试验所得的数据进行分析，并将分析结果与Stanton[11]和Mundo等[9,12]模型的结果进行对比，为模型下一步的修改和完善奠定基础、指明方向，也为认识不同燃料喷雾撞壁特性提供了一定的理论指导．

1 试验系统及试验方法

1.1 喷油器和试验环境参数

试验用喷油器是由6孔GDI喷油器改造而成的单孔喷油器．喷油器改造前后，喷孔总面积的减小会影响喷雾出口速度，进而影响喷雾贯穿距[13]．目前GDI发动机喷射压力最大值通常约为 15,MPa．通过对比，改造后喷油器在 7,MPa喷射压力条件下与改造前喷油器15,MPa喷射压力下的其中单一油束的贯穿距、喷雾锥角基本吻合[4]．因此，本文喷油压力定为 7,MPa，喷油脉宽定为 3,ms，试验在 293,K、0.1,MPa的常温、常压环境条件下进行．

1.2 试验燃料的选取

本次试验中用到的燃料包括常用的单组分燃料和多组分燃料．单组分燃料包括甲醇、乙醇、异辛烷，多组分燃料包括汽油和 TRF．其中 TRF是由正庚烷、异辛烷和甲苯按照 20%,、20%,、60%,的比例调配而成[14]．表 1列出了本次试验所用燃料在 293,K、0.1,MPa的常温、常压环境条件下的物理属性．由表1可知，TRF和醇类燃料的密度和表面张力较高，乙醇燃料的运动黏度是其他燃料的2倍以上．

表1 试验用燃料的物理属性Tab.1 Physical properties of the applied fuel

1.3 PDA试验系统

图 1所示为 PDA粒径粒速测试系统．该 PDA系统来自于Dantec Dynamics公司，包括氩离子激光器、分光器、PDA发射器、PDA接收器、信号处理器、频率为180,MHz的BSA P80多普勒信号分析仪和三维运动轨道系统．测量位置由步进电机控制的三维运动轨道系统调节，移动距离可精确到0.1,mm．用氮气罐和囊式蓄能器来控制和稳定喷射压力．

图1 PDA系统示意Fig.1 Schematic diagram of PDA system

试验过程中，氩离子激光器将激光束射入分光器，分光器将其分离成 2束波长为 514.5,nm的绿光和2束波长为488,nm的蓝光，分别用来测量液滴的纵向速度和横向速度，再由激光发射探头将4束激光聚焦在一点，构成测量体．喷雾中液滴经过测量体时，激光会发生散射，接收探头将捕获到的散射光信号传送至 PDA处理器．处理器对信号进行筛选加工，进而计算出所捕捉到液滴的粒径和粒速．对于喷雾撞壁试验，喷射频率设定为 0.25,Hz．每进行一次喷雾撞壁后，对壁面条件进行复原，以消除附壁油膜对后续喷雾撞壁过程的影响，保持每次喷雾撞壁时壁面条件的一致性[4]．

为减少试验误差，每个工况采集 20,000个以上的液滴．对采集数据结果进行后处理，得到该工况下测试点液滴的粒径、粒速分布、索特平均直径(Sauter mean diameter，SMD)与算术平均直径(arithmetic mean diameter，AMD)[4]．其中SMD和AMD的计算公式为

式中：Di为液滴直径；ni为相同直径的液滴个数；N为液滴总个数．

1.4 喷雾测量特征点的选取

试验中选取表面粗糙度为 0.4的铝合金平板为喷雾撞壁壁面．铝合金平板位于喷孔正下方 52,mm处，且与喷雾中轴线垂直．在壁面正上方 5,mm(即喷孔正下方 47,mm)所在的平面选取 PDA试验测量特征点[4]．选取喷雾中轴线与测量平面的交点为径向坐标原点．各个测量点与喷雾中轴线的垂直距离由下角标标注说明，例如x4代表距离喷雾中轴线4,mm处的测量点，如图 2所示．本文中，定义y方向和 x方向分别为正法向(U)和正切向(V)．

图2 测量点示意Fig.2 Schematic diagram of measurement points

2 试验结果与分析

本次喷雾撞壁试验中，带有正法线方向速度的液滴被定义为入射液滴，负法线方向速度的液滴被定义为反弹液滴．

2.1 粒径和粒速的分析

图3、图4所示分别为不同燃料自由喷雾和喷雾撞壁前后粒径、粒速的对比．

对比分析图 3(a)中不同燃料自由喷雾的粒径发现，在 x0处，甲醇、乙醇、TRF的 AMD 分别为14.0,µm、10.5,µm 和 11.5,µm，而汽油的 AMD 仅为9.0,µm，即甲醇、乙醇、TRF自由喷雾的AMD均大于汽油的．这是因为在自由喷雾过程中，喷雾油束的发展和液滴的雾化占据主导地位．研究表明[15-16]，在同样的喷射条件下，这个过程取决于燃料的物理属性，例如密度、表面张力、黏度和蒸气压等．从表 1中可以看到，甲醇、乙醇、TRF的黏度和密度高．由伯努利方程可知，随着密度的增大，喷射速度减小．因此在初始液滴大小相同的前提下，燃料的密度越大，速度越小，由Re=UD/ν(U是液滴法向入射速度；D是液滴直径；ν是运动黏度)得知对应的雷诺数越小，也即湍流度越小，从而对液滴破碎过程的影响减弱，出现较大的液滴．

对比分析图 3(a)和(b)发现，5种燃料自由喷雾液滴的粒径主要分布在 8～14,µm 的区间范围，而入射液滴的粒径主要分布在 12～20,µm 的区间范围，即入射液滴的粒径大于自由喷雾液滴的粒径．原因在于入射液滴在向下运动的过程中，会与壁面反弹的反弹液滴发生碰撞，产生聚合和合并，使得入射液滴粒径增加．

对比分析图 3(b)和(c)可知，5种燃料的喷雾在撞壁后，反弹液滴的粒径主要分布在 7,～12,µm的区间范围，小于入射液滴的粒径．分析其原因：喷雾撞壁时，存在飞溅和二次破碎过程，在该过程中，一个液滴破碎成多个小液滴，使得反弹液滴粒径变小．

对比分析图 4(a)和(b)发现，自由喷雾中外测点(x4、x8)液滴的法向速度均大于 20,m/s；而入射液滴的法向速度在15,m/s左右，小于前者．这是因为在入射过程中，入射液滴会与反弹液滴发生碰撞和合并等相互作用，使得入射液滴的法向运动受阻，其法向速度变小．

由图4(c)可知，5种燃料反弹液滴的法向速度均较小，分布在 0～5,m/s的速度区间范围．分析其原因：一方面是由于在撞壁过程中有较大的能量损失，导致撞壁后液滴的能量减小；另一方面是法向速度转变为切向速度，使法向速度变小．同时可知，不同燃料之间法向速度的差别变小．原因可能是：喷雾撞壁后液滴所具有的能量越大，其速度越大；而撞壁前具有较大能量的液滴，在撞壁过程中损失的能量也较多，导致不同燃料液滴的能量差距变小，使法向速度差别变小．

由图 4(a)和(b)可知，在喷雾油束边缘处，所有燃料的自由喷雾液滴和入射液滴的切向速度均增大．然而，反弹液滴的切向速度并没有出现明显的变化趋势．

由图5可知，在外侧的测量点x12和x14处，不同燃料下均观察到了带有负切向速度的入射液滴的存在，其数量甚至多于正切向入射液滴．原因是在这里形成了附壁涡流，如图 5所示．一些入射液滴开始沿着 x轴负向运动，由于仍然有正法向速度，这些液滴将会再次和壁面发生碰撞等相互作用．与此同时，一些反弹液滴也会被涡流卷吸进去，进而也开始沿着 x轴负向运动，这种现象在x14点处尤为明显．

图3 不同燃料下液滴粒径的对比Fig.3 Comparison of droplets’ size with different fuels

图4 不同燃料下液滴速度对比Fig.4 Comparison of droplets’ velocity with different fuels

图5 附壁涡流Fig.5 Wall-jet vortex

2.2 破碎过程分析

本文采用Mundo模型中采用的描述撞壁准则和过渡条件的无量纲数K[11]，其计算公式为

式中：ρ是液体密度；σ是表面张力．

由前文分析可知：不同燃料的喷雾在撞壁后，均出现破碎，反弹液滴粒径变小．但是不同燃料的破碎效果有所差异．为了研究不同燃料的喷雾在撞壁后的破碎效果，在 K大于 57.7的条件下，Mundo提出了描述反弹液滴粒径与入射液滴粒径相互关系的经验公式[12]，即

式中：Dref是反弹液滴的粒径；Din是入射液滴的粒径．

根据式(4)，可以得到反弹液滴的粒径与入射液滴粒径的比值分布，如图 6所示．由图 6可知，5种燃料中 K值较低的入射液滴均对应较大的比值，说明此时液滴的破碎效果不好；而入射液滴的K值较大时比值较小，说明破碎效果较好．对比 5种燃料发现，乙醇和异辛烷燃料的更多液滴具有较高的 K值，从而使这两种燃料的喷雾在撞壁后有较好的破碎效果．

图6 Mundo模型反弹液滴直径与入射液滴直径的比值分布Fig.6 Ratio distribution between reflected droplets’ diameter and incident droplets’ diameter in the model of Mundo

根据本文试验数据，由图 3(c)可知，乙醇燃料的反弹液滴的算术平均直径(AMD)和索特平均直径(SMD)均较小，说明乙醇燃料喷雾在撞壁后的破碎效果较好．该结果与 Mundo模型的结果具有较好的一致性．然而异辛烷的反弹液滴具有较大的算术平均直径(AMD)，甚至其索特平均直径(SMD)是最大的，说明异辛烷燃料喷雾在撞壁后并没有出现Mundo的数学模型中描述的较好的破碎效果．造成Mundo模型的结果与试验数据存在差异的原因是：Mundo模型的数据来源于乙醇和水等的单液滴撞壁试验，缺乏对更多常用燃料的试验分析，而由于不同燃料之间的物性差异较大，使得该模型在解释异辛烷等燃料的破碎效果时，与试验结果出现偏差．因此，需要更多种类燃料的试验数据，以对 Mundo模型进行修正和完善，使其适用范围更广．

2.3 液滴反弹角度分析

Stanton[11]和Mundo等[12]分别对喷雾撞壁后的反弹角度进行了研究，并且分别通过公式描述了反弹液滴反弹角度与对应的入射液滴入射角度的关系．

Stanton通过式(5)描述了反弹液滴反弹角度的大小．

Mundo等同样也用公式描述了这种角度关系，不同的是区分了光滑表面和粗糙表面，公式为

式中：β是喷雾撞壁后的反弹角度；α是喷雾撞壁时的入射角度．

本次试验中，在 x8点处，大部分液滴在撞壁时的α角度为 10°～45°．由上面的方程式可知，撞壁后大部分液滴的反弹角度将大于65°．

本文对5种燃料在x8、x12、x14点处的法向速度和切向速度进行了处理分析，如图 7所示．并对 x8、x12、x14点处的反弹角度进行了计算分析，如图 8所示．由图 8可知，不同燃料的喷雾碰撞后的反弹角度均在 0°～90°范围内变化．这意味着增大 Stanton和Mundo模型中的反弹角度将会使按模型计算的结果与试验结果更加一致．

图7 不同燃料入射液滴与反弹液滴的速度分布Fig.7 Velocity distribution of incident droplets and reflected droplets with different fuels

图8 不同燃料的反弹液滴在不同点处的反弹角度分布Fig.8 Distribution of reflected angles of reflected droplets with different fuels at different points

3 结 论

本文运用相位多普勒(PDA)系统对汽油、乙醇、甲醇、异辛烷和 TRF 5种燃料的自由喷雾及喷雾撞壁前后的粒径、粒速进行了测量和对比分析，并将本次得到的试验结果与由 Stanton和 Mundo的数学模型得出的结果进行了对比分析．得出了如下主要结论．

(1) 由于甲醇、乙醇、TRF燃料的密度和表面张力均比汽油的大，使得这3种燃料自由喷雾液滴的速度均小于汽油自由喷雾的液滴速度；而液滴粒径均大于汽油自由喷雾的液滴粒径．

(2) 由于入射液滴与反弹液滴之间发生了聚合和合并，使得入射液滴的粒径大于自由喷雾的液滴粒径；而由于喷雾撞壁的破碎作用，使反弹液滴粒径小于入射液滴粒径和自由喷雾的液滴粒径．

(3) 由于受到反弹液滴的阻碍作用，使入射液滴的法向速度小于自由喷雾液滴的法向速度；由于喷雾撞壁过程的能量损失，使反弹液滴的法向速度小于入射液滴的法向速度；同时不同燃料之间反弹液滴的法向速度的差距变小．

(4) 试验发现，同样具有高 K值和大尺寸液滴的乙醇和异辛烷燃料喷雾中，只有乙醇喷雾在撞壁后出现了较好的破碎效果，异辛烷喷雾撞壁后的破碎效果较差．因此，需要更多的试验数据以对 Mundo的模型做进一步的修改和完善．

(5) 试验发现，喷雾撞壁后反弹液滴的反弹角度在 0°～90°的范围内变化，而不是 Stanton和 Mundo的模型中得出的 65°～90°．因此，为使模型结果与试验结果有更好的一致性，应增大模型中反弹角度的变化范围．

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