缸内直喷发动机燃油喷射压力对闪沸喷雾特性的影响研究

袁志远，崔明利，李雪松，王森

(上海交通大学智能汽车研究所，上海 200240)

缸内直喷发动机在乘用车上有着广泛的应用，此类发动机中燃油通过喷油器直接喷入发动机缸内，油气混合的过程需要在较短的时间内迅速完成，以便获得较高的燃烧效率及较低的排放[1]。研究机构和工业界常用两种方法实现燃油的快速雾化和燃烧。一种是通过较高的喷射压力加大燃油和空气之间的相互作用力，进一步提高喷雾的破碎和蒸发效率。因为这种方式具有较高的可靠性，被工业界广泛应用在直喷发动机中[2-3]。有研究表明，适当地提高燃油喷射压力，有助于提升燃油的蒸发效率，同时降低排放。除此之外，研究者们发现通过提升燃油温度或者降低缸内压力，燃油在喷射之后油温高于环境压力对应的沸点，处于热力学不平衡状态，将迅速地气化回归热力学平衡态，即实现闪沸。闪沸喷雾的应用，可以使喷雾在较低的喷射压力下实现快速的雾化和蒸发[4-5]。

目前，关于闪沸喷雾的研究主要集中在多孔喷油器中[6-8]。闪沸工况下，多孔喷油器燃油喷雾油束之间的交叉干涉现象被称为“坍塌”。通过对闪沸工况下喷雾坍塌的广泛研究，研究者发现适当的喷雾坍塌有利于喷雾的蒸发和雾化效率的提升。然而，关于单孔喷油器闪沸喷雾的喷雾特征及其破碎机理的研究却是有限的。除此之外，喷射压力对闪沸喷雾破碎影响的机理研究也较为有限。本研究以单孔直喷喷油器的自由喷雾为研究对象，进行了过热度及喷射压力对闪沸喷雾形态及破碎的影响研究。

1 试验方法及测试工况

如图1所示，本研究基于背光法完成了远场喷雾形态的高速成像试验。背光试验的光源采用了高强度的氙灯(Newport,300 W)，并在光源的前端设置了滤光片，保证光源均匀分布。喷雾图像的采集采用了频率为10 kHz的高速相机(Phantom V1210)。

整个试验过程在高温高压定容弹中完成，试验工况如表1所示。本试验中容弹环境压力可控制在1 kPa～8 MPa，压力由真空泵和高压氮气源协同控制，容弹环境温度通过电加热和热电偶反馈实现。测试中采用沸点较低的正戊烷作为试验单质油品进行基础研究，保证喷雾可以在较低的试验油温下实现闪沸。试验油温选定为20，40，60 ℃，这3个温度分别代表了正戊烷的冷态、过渡态和过热态，能够较好地完成对不同过热阶段的喷雾形态的研究。喷射系统中使用特制的喷油器适配工装，能够通过水浴喷油器对燃油进行精确温度控制。燃油喷射压力选定为20，40，55 MPa，高压测试燃油由气动液压泵产生，通过控制气源压力能够准确调节油压，经高压油轨后供应喷油器进行测试。背压选定为20，60，100 kPa，由真空泵和高压氮气源进行调节。容弹内的环境温度设置为室温，即25 ℃。本试验所采用的喷油器为开孔垂直向下的单孔喷油器，喷油器的流道长度为800 μm，流道直径为143 μm，对应的长径比为5.6。本研究中沿用环境压力与燃油在对应工况下的饱和蒸汽压之比(pa/ps)作为衡量过热度的参数[9]，较低的pa/ps值表示喷雾拥有较高的过热度。如表2所示，用此方法计算可得，本研究中正戊烷的过热度变化范围为0.09～1.75，涵盖了冷态、过渡态、过热态的喷雾。

图1 背光法试验原理示意

表1 试验工况及喷嘴尺寸参数

表2 不同工况对应的燃油过热度

2 结果及讨论

2.1 过热度及喷射压力对喷雾形态的影响

图2示出了喷射压力为20 MPa，且喷射燃油的质量均为0.8 mg时，喷雾在冷态、过渡态及过热态下的宏观喷雾特征及近场喷雾特征。由图2可以看出，随着过热度的增加，喷雾形态有着显著的变化，贯穿距明显减小，喷雾宽度明显增加。其原因在于随着过热度的增加，喷雾的蒸发效率升高，引起了喷雾油束的扩张，在同等质量流量的情况下，对应喷雾的贯穿距缩短。

图2 过热度对喷雾宏观形态的影响

图3示出冷态喷雾在不同喷射压力下的宏观喷雾形态和近场喷雾。随着喷射压力的增加，喷雾的贯穿距有所下降，喷雾头部的破碎和雾化效果增强。其原因在于，随着喷射压力的增加，喷雾的流速增加，进而增强了喷雾和空气之间的相互作用力，较强的空气作用力引起了更好的喷雾破碎效果。

图3 喷射压力对喷雾宏观形态的影响 (喷射质量均为0.8 mg，pa/ps=1.75)

对比图2和图3的可知，燃油过热度和喷射压力对喷雾的影响结果有着较为明显的区别，过热度对喷雾形态及喷雾雾化的影响更加明显。

为了进一步对比两种因素对喷雾形态的影响，分别计算了油压20 MPa、不同过热度下的喷雾贯穿距和pa/ps=1.75、不同油压下冷态喷雾的贯穿距，结果见图4。由图可以看出，随着过热度的增加，喷雾的贯穿距下降更为明显。特别在燃油喷射质量为0.8 mg时，pa/ps为0.09的工况比pa/ps为1.75的工况贯穿距下降了37%。相较而言，当燃油喷射压力从20 MPa升高到55 MPa时，喷雾贯穿距仅下降了5%。

图4 喷雾贯穿距曲线

除此之外，定量计算了喷嘴下方不同位置处喷雾的宽度，研究过热度及喷射压力对喷雾宽度的影响。图5a示出燃油压力为20 MPa时，过热度对喷雾宽度的影响；图5b示出pa/ps为1.75时，喷射压力对喷雾宽度的影响。结果表明：过热度对喷雾宽度的影响较为明显。当pa/ps从1.75改变到0.09时，喷嘴下方20 mm处喷雾宽度增加了150%以上。相较而言，当喷雾喷射压力从20 MPa增加到55 MPa时，喷嘴下方20 mm处喷雾宽度仅增加了16%。此外，相比于冷态喷雾，闪沸喷雾的油束宽度在喷嘴出口处迅速增大，之后油束宽度的增速和冷态喷雾保持一致。这说明闪沸对喷雾形态的影响是一个快速剧烈的过程，主导了喷雾近场的形态，在喷雾远场，喷雾的形态则继续由喷雾与空气之间的相互作用来决定。

图5 喷雾宽度曲线

2.2 燃油喷射压力对闪沸喷雾形态和破碎的影响

图6示出不同喷射压力下喷雾的宏观形态及近场喷雾结构的对比。从图中可以看出，随着喷射压力的增加，喷雾的贯穿距有所增加，然而喷雾宽度明显下降。对比图3的结果可知，喷射压力对闪沸喷雾的影响与对冷态喷雾的影响完全相反。从图7和图8可知，当喷射压力从20 MPa增加到了55 MPa时，喷雾的贯穿距增加了将近15%，喷嘴下方20 mm处的喷雾宽度下降了约35%。Yang等[10]在透明喷嘴中的研究很好地解释了这一点，Yang指出较高的过热度导致燃油在喷嘴出口处形成了较多的气泡，主导了喷雾的初次破碎。较高的燃油压力主要是对喷雾的二次破碎起到了推动作用，对喷雾的初次破碎甚至有较小的抑制作用。

图6 喷射压力对闪沸喷雾形态的影响 (pa/ps=0.09，喷射燃油质量为0.8 mg)

图7 不同燃油喷射压力下的喷雾贯穿距(pa/ps=0.09)

图8 不同燃油喷射压力下的喷雾宽度(pa/ps=0.09)

喷雾的运动可以分为两部分：第一部分是轴向的运动，这个方向的运动影响了喷雾贯穿距的增长；第二部分是径向的运动，这个方向的运动影响了喷雾宽度的增加。轴向的速度主要由喷射压力主导，随着喷射压力的增加，喷雾在喷嘴出口处的轴向速度明显增加。相较而言，闪沸主导了喷嘴出口处的径向速度，较高的径向速度引起了较好的喷雾破碎。

对于冷态喷雾，初始径向速度很小。当油压升高时，燃油喷雾在出口处拥有较高初始速度的同时，也受到了更强的空气剪切力。因此在喷油质量相同的情况下，较高的喷射压力下燃油贯穿距较短。除此之外，更强的空气剪切力引起了较多的空气卷入，进而导致喷雾体积增大，喷雾宽度增加。对于闪沸喷雾，在孔内闪沸气泡的影响下，喷雾拥有了较高的径向初速度，所以喷雾宽度更宽，同等喷雾质量的情况下喷雾贯穿距更小。当喷射压力增加后，喷雾孔内闪沸气泡的生成受到了抑制，喷雾的径向初始速度降低，轴向速度增加，所以喷雾贯穿距增加，宽度降低。

3 结论

a) 增加燃油过热度，单孔喷油器喷雾宽度显著增加，喷雾贯穿距明显缩短；

b) 对于单孔直喷喷油器过热喷雾，增加喷雾的燃油喷射压力，喷雾宽度显著下降，喷雾贯穿距有所增加；对于单孔直喷喷油器冷态喷雾，增加喷雾的燃油喷射压力，喷雾的贯穿距减小，喷雾宽度增加不明显；

c) 通过对过热喷雾和高压喷雾不同形态特征的比较，发现高压喷雾的破碎机理与普通喷雾并无太大差异；而过热喷雾的初次破碎机理则与高压喷雾完全不同，能够显著地增加雾化效率。