李秀海

（上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

燃油溫度對(duì)GDI噴油器孔內(nèi)流動(dòng)及噴霧特性的影響研究

李秀海

（上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

為了研究燃油溫度對(duì)GDI噴油器噴霧的影響，建立了噴油器噴霧特性的數(shù)學(xué)模型，并利用流體分析軟件FLUENT在不同邊界條件下對(duì)其孔內(nèi)流動(dòng)特性的影響。當(dāng)燃油溫度升高時(shí)，空穴現(xiàn)象更加明顯；以及對(duì)噴霧形態(tài)、噴霧貫穿距、噴霧平均索特直徑及噴霧錐角進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其噴霧特性。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，當(dāng)燃油溫度升高時(shí)，噴霧霧化效果提升不明顯，噴霧貫穿距減小，索特平均直徑減小，噴霧近場(chǎng)錐角增大，遠(yuǎn)場(chǎng)錐角減小。

GDI噴油器；孔內(nèi)流動(dòng)；噴霧特性；數(shù)值模擬

李秀海

畢業(yè)于上海同濟(jì)大學(xué)，現(xiàn)任上海大眾汽車有限公司工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制。

1 概述

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，GDI噴油器相比與進(jìn)氣道式噴油器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為研究的熱點(diǎn)。GDI噴油器其噴霧特性直接影響燃油在氣缸內(nèi)分布，因而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，以及有害物的排放[1-3]。由于影響GDI噴油器噴霧特性的影響參數(shù)較多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。Keiya Nishida[4]等人利用激光吸收散射技術(shù)研究了雙孔噴射夾角對(duì)噴霧貫穿距離和錐角的影響，得到了不同溫度及壓力狀態(tài)下的噴霧液相及氣相分布特性；Ronald O.Grover[5]對(duì)噴孔的形狀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)與噴霧進(jìn)行數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究；Hiroyuki Kano[6-8]等人根據(jù)其他研究結(jié)果提出新的GDI噴油器噴霧的物理和數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行驗(yàn)證，在該理論基礎(chǔ)上對(duì)噴油器機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

本文以某款6孔GDI噴油器為例，根據(jù)建立噴油器孔內(nèi)流動(dòng)及噴霧特性的數(shù)學(xué)模型，在FLUENT仿真軟件中建立GDI噴油器三維仿真模型，針對(duì)不同燃油溫度對(duì)噴油器孔內(nèi)流動(dòng)及噴霧特性進(jìn)行仿真分析；此外，搭建GDI噴油器定容測(cè)試臺(tái)架，可以綜合地研究燃油溫度對(duì)噴油器性能的影響，為GDI汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)以及噴油器性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，也可為GDI噴油器在熱-流耦合方面性能預(yù)測(cè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

2 GDI噴油器測(cè)試系統(tǒng)

2.1 噴霧型態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

GDI多孔噴油器性能測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。GDI多孔噴油器噴霧型態(tài)系統(tǒng)主要由高速數(shù)碼攝像機(jī)、噴油器驅(qū)動(dòng)儀、定容彈、弧光燈和恒溫油箱等組成。利用高壓氮?dú)馄繛橄到y(tǒng)提供所需燃油噴射壓力，最大壓力可達(dá)13 Mpa。高速攝影系統(tǒng)則由高速攝像機(jī)以及提供背景光源的弧光燈組成。

2.2 噴霧粒徑測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試噴霧粒徑大小時(shí)，則采用激光粒度儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。主要由激光器、擴(kuò)束透鏡與接收透鏡、空間濾波器以及光電探測(cè)器等部件組成。激光發(fā)生器先發(fā)出光束，經(jīng)過(guò)空間濾波器的光在擴(kuò)束透鏡的作用下變成一束平行單色光。平行光通過(guò)測(cè)量區(qū)噴霧場(chǎng)時(shí)，在噴霧顆粒的作用下會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象。此時(shí)，接收透鏡就會(huì)采集散射出來(lái)的具有相同方向的光束。光電探測(cè)器可將散射光能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)，利用軟件即可計(jì)算出被測(cè)顆粒的尺寸分布、平均粒徑以及顆粒濃度等[9]，系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2。

2.3 噴霧錐角測(cè)試系統(tǒng)

本文測(cè)試噴霧角采用的是圖像處理技術(shù)，其測(cè)試原理如圖3所示。噴油器噴油時(shí)，由CCD攝像機(jī)將對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行拍攝，保存為BMP格式圖片，然后對(duì)所拍攝的圖片進(jìn)行特殊處理，從而計(jì)算出噴霧角度。兩束平行激光束向攝像頭發(fā)出紅光，若觸碰到噴霧場(chǎng)中的油滴時(shí)，攝像頭即可辨別出紅光，沒(méi)有油霧的區(qū)域則攝像頭不接收光線，從而能保證攝像頭拍攝到油霧的準(zhǔn)確形狀。

3 GDI噴油器噴霧模型的建立及驗(yàn)證

3.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

本文利用三維軟件建立實(shí)體模型后，將模型導(dǎo)入ICEM，對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。如圖4為球閥流道網(wǎng)格模型，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)的六面體網(wǎng)格模型，對(duì)噴孔及球閥間隙處進(jìn)行精細(xì)化處理，用以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，總網(wǎng)格數(shù)量為84萬(wàn)左右。為了計(jì)算瞬態(tài)噴霧特性，球閥間隙處進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格劃分，并且以實(shí)際仿真計(jì)算的球閥位移曲線作為仿真計(jì)算的運(yùn)動(dòng)邊界條件。

3.2 模型驗(yàn)證

不同時(shí)刻的噴油速率與噴霧特性直接相關(guān)，故在進(jìn)行噴霧數(shù)值模擬前，需要對(duì)GDI噴油器的燃油噴射規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。圖5為噴油規(guī)律圖，由圖可知，噴油時(shí)間極短，在2 ms時(shí)噴油速率達(dá)到最高且趨于平穩(wěn)，后文的數(shù)值模擬與噴霧實(shí)驗(yàn)也將在0～3 ms的噴霧時(shí)間內(nèi)進(jìn)行研究。

表1 噴油規(guī)律實(shí)驗(yàn)參數(shù)

為了準(zhǔn)確分析內(nèi)部流動(dòng)特性與噴霧特性之間的關(guān)系，需要對(duì)噴霧模型進(jìn)行驗(yàn)證。由于噴霧錐角和貫穿距離對(duì)油束在燃燒室中的空間分布影響很大，而粒徑大小則是評(píng)價(jià)霧化效果的一個(gè)重要指標(biāo)，故選擇噴霧形態(tài)、貫穿距離、索特平均直徑等三個(gè)參數(shù)作為驗(yàn)證內(nèi)容。

數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，根據(jù)Hiroyasu提出的經(jīng)驗(yàn)公式[10]來(lái)對(duì)噴霧特性的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行定義：

如果t < tB，則噴霧貫穿距離

如果t > tB，則

式中：lhole，dhole分別為噴孔長(zhǎng)度和噴孔直徑；ρG、ρD分別為氣體和液體的密度；△p為噴射壓力與環(huán)境壓力差；t為噴油時(shí)間；tB為破碎時(shí)間；v為液體運(yùn)動(dòng)黏度；μcoeff為噴孔流量系數(shù)。

為了驗(yàn)證噴霧模型的準(zhǔn)確性，利用高速攝影對(duì)不同時(shí)刻的噴霧形態(tài)進(jìn)行了拍攝，并將仿真結(jié)果與之進(jìn)行對(duì)比研究。如圖6所示為噴霧形態(tài)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的對(duì)比結(jié)果，由圖可知，采用仿真計(jì)算的噴霧形態(tài)與實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果基本一致，說(shuō)明該仿真算法具有可行性，圖中所示h1為噴霧貫穿距，定義為噴油器到噴霧最遠(yuǎn)端的距離；θ1為近場(chǎng)噴霧錐角，即離噴孔最近端的噴霧角；θ2為遠(yuǎn)場(chǎng)噴霧錐角，即噴霧兩側(cè)邊緣切線的夾角。圖7、8是將貫穿距離和索特平均直徑大小的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)比較可見(jiàn)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。圖9為近場(chǎng)噴霧錐角和遠(yuǎn)場(chǎng)噴霧錐角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比。綜上所述，噴霧形態(tài)在宏觀及微觀的數(shù)值模擬上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較一致，此噴霧模型可以作為變參數(shù)的數(shù)值模擬基礎(chǔ)。

4 GDI噴油器工作過(guò)程數(shù)值模擬

4. 1 溫度對(duì)燃油物性參數(shù)影響

由于GDI噴油器本體溫度的升高，造成噴油器內(nèi)燃油的吸熱量增加，燃油溫度的升高，當(dāng)溫度升高時(shí)，粘度降低使得雷諾數(shù)升高，流體流動(dòng)特性也發(fā)生改變。

溫度與燃油的飽和蒸汽壓成正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而影響燃油的空化數(shù)，即影響燃油流動(dòng)過(guò)程中空穴的形成和發(fā)展。

4. 2 噴孔內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬

內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬邊界條件采用常用的湍流時(shí)均流的雷諾方程對(duì)噴孔內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，其中包括動(dòng)量、質(zhì)量以及總焓的守恒方程。

為了研究噴孔內(nèi)燃油流動(dòng)的變化規(guī)律，對(duì)燃油設(shè)定壓力為10 MPa，噴油脈寬為3 ms，燃油溫度分別為20 ℃、50 ℃、80 ℃、110 ℃，GDI噴油器工作球閥最大升程時(shí)的空穴現(xiàn)象進(jìn)行了仿真分析，圖10為z=0截面上以及不同油溫下六個(gè)噴孔的氣相體積分?jǐn)?shù)。

由圖10可知， GDI噴油器內(nèi)部燃油溫度越高，氣相體積分?jǐn)?shù)越大，空穴現(xiàn)象越明顯。當(dāng)燃油溫度20 ℃時(shí)，噴孔截面的空穴現(xiàn)象并不十分明顯；當(dāng)油溫達(dá)到50 ℃時(shí)，噴孔截面的空穴現(xiàn)象明顯加強(qiáng)，氣泡區(qū)域從而擴(kuò)大；當(dāng)油溫達(dá)到110 ℃時(shí)，噴油器內(nèi)部氣泡已經(jīng)充斥了幾乎整個(gè)噴孔。由仿真結(jié)果可知，GDI噴油器燃油溫度的升高，使得燃油的飽和蒸汽壓上升，表面張力下降，從而造成空穴現(xiàn)象更加明顯。

4. 3 噴油器噴霧特性數(shù)值模擬

噴霧特性的數(shù)值模擬邊界調(diào)節(jié)采用噴霧仿真采用拉格朗日離散液滴法，噴油器入口采用不同工作與結(jié)構(gòu)參數(shù)下噴孔出口的質(zhì)量流量；出口邊界為燃燒室內(nèi)氣體壓力數(shù)據(jù)作為邊界條件。

與研究噴孔內(nèi)部流動(dòng)邊界相同，分別研究燃油溫度為20 ℃、50 ℃、80 ℃和110 ℃時(shí)GDI噴油器不同時(shí)刻的噴霧形態(tài)和索特平均直徑（SMD）。

由圖11可知，隨著GDI噴油器內(nèi)部燃油溫度的上升，燃油的噴霧貫穿距離有縮短的趨勢(shì)，噴霧角度有增大的趨勢(shì)，噴霧顆粒直徑減小。其主要原因是隨著GDI噴油器內(nèi)部燃油溫度升高，噴孔內(nèi)空穴現(xiàn)象和湍流強(qiáng)度加強(qiáng)，燃油沿噴孔徑向方向的速度加快，造成燃油出口軸向流速的下降，油滴的內(nèi)能增加，蒸發(fā)作用加強(qiáng)，因此噴霧貫穿距離縮短，噴霧近場(chǎng)錐角增大，遠(yuǎn)場(chǎng)錐角減小，噴霧顆粒直徑減小，如圖12、13、14所示。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖15為不同燃油溫度對(duì)噴霧形態(tài)試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)條件與數(shù)值模擬條件一致，可以看出隨著噴霧徑向的發(fā)展，噴霧前端與空氣的接觸面積不斷增大，與環(huán)境氣體之間的相互作用導(dǎo)致噴霧自身動(dòng)量減弱，貫穿速度降低。隨著GDI噴油器內(nèi)部燃油溫度升高，噴霧貫穿距離逐漸縮短，燃油霧化效果增強(qiáng)。燃油溫度110 ℃時(shí)，與燃油溫度20 ℃時(shí)相比，噴霧貫穿距離明顯變小，因?yàn)榇藭r(shí)噴霧前端出現(xiàn)了大尺度的渦旋結(jié)構(gòu)，將噴霧前端的油滴向上卷吸，從而減弱了向前貫穿的動(dòng)量。噴霧近場(chǎng)的角度隨著燃油溫度的升高而增大，噴霧遠(yuǎn)場(chǎng)的錐角隨溫度升高而降低。由此可見(jiàn)，燃油溫度對(duì)GDI噴油器影響的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)相吻合。

6 結(jié)論

(1) 通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的計(jì)算分析，研究了不同燃油溫度下對(duì)GDI噴油器噴孔內(nèi)流動(dòng)和噴霧特性的影響。研究表明，GDI噴油器內(nèi)部燃油溫度越高，氣相體積分?jǐn)?shù)越大，空穴現(xiàn)象越明顯，使得燃油沿噴口徑向方向速度加快，造成燃油出口軸向流速降低，從而導(dǎo)致噴霧貫穿距縮短，另外由于溫度升高，其內(nèi)能變大，蒸發(fā)作用加強(qiáng)，噴霧顆粒直徑越小。

(2) 本文通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性，這為以后GDI汽油機(jī)燃燒過(guò)程以及噴油器的優(yōu)化提供了一定的理論基礎(chǔ)。

[1]Reitz R D. Directions in internal combustion engine research[J]. Combustion and Flame, 2013, 160(1): 1-8.

[2]宋志平，王天友，楊晟華，等. 汽油直噴閃急沸騰噴霧特性的試驗(yàn)[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2013, 31(5): 420-424.

Song Zhiping, Wang Tianyou, Yang Shenghua, et al. Experiment of Flash Boiling Spray Characteristics Based on GDI Multi-Hole Injector[J]. Transactions of CSICE, 2013, 31(5): 420-424.

[3]尹叢勃，張振東，尹航，等. 直噴汽油機(jī)可變滾流進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2013, 24(15): 2005-2009. Yin Congbo, Zhang Zhendong, Yin Hang, et al. Experimental Study of Variable Tumble Intake System in a Gasoline Direct Injection Engine[J]. China Mechanical Engineering, 2013, 24(15): 2005-2009.

[4]Keiya Nishida, Jiangping Tian, Yasuki Sumoto, Wuqiang Long, Kiyutsks Sato, Masahisa Yamakawa. An experimental and numerical study on sprays injected from two-hole nozzles for DISI engines [J]. Fuel, 2009, 88: 1634-1642.

[5]Ronald O. Grover, Jr. Evaluation and Design of Injector Hole Patterns Using CFD with a Fuel Tracer Diagnostic for Gasoline Direct Injection (GDI) Engines [C]. // SAE paper, 2011-01-0840, 2011.

[6]Kano H, Kato M, Kojima T. Contribution of optimum for nozzle configuration to spray formation[C]. //SAE Paper, 1990, 1990-01-4123.

[7]Okajima M, Kato M, Tojo S. Contribution of optimum nozzle design to injection rate control [C]. //SAE Paper, 1991, 1991-01-0185.

[8]Date K, Manabe M, Kano H. Contribution of fuel flow improvement in nozzle to spray formation [C]. //SAE Paper, 1992, 1992-01-0011.

[9]Arai M, Shimizu M, Hiroyasu H. Break up Length and Spray Angle of High Speed Jet [J]. Proc. 3rd Int. Conf. on Liquid Atomization and Spray Systems, 1985, IB/4/1-IB/4/10.

[10]Keiya Nishida, Jiangping Tian, Yasuki Sumoto, Wuqiang Long, Kiyutsks Sato, Masahisa Yamakawa. An experimental and numerical study on sprays injected from two-hole nozzles for DISI engines [J]. Fuel, 2009, 88: 1.

專家推薦

王偉民：

該文通過(guò)仿真和試驗(yàn)分析了GDI噴油器噴霧特性，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，說(shuō)明仿真方法的精度是比較好的，還揭示了燃油溫度與噴霧特性的相互關(guān)系，此成果對(duì)于增壓直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有比較重要的意義。

Study on the Effect of Fuel Temperature on the Flow and Spray Characteristics of the Injector Hole in GDI Injector

LI Xiu-hai
（Shanghai Volkswagen, Shanghai 201805, China）

In order to research the influence of fuel temperature on the GDI injector spray, and the flow characteristics of the hole under different boundary conditions are analyzed by using fluid analysis software FLUENT. The cavitation phenomenon is more obvious when the fuel temperature increases. The morphology of spray, spray penetration, spray Sauter mean diameter and spray cone angle is studied by numerical simulation through the experiment to verify. The results show that the numerical simulation result and the experimental result is consistent, when the fuel temperature increases and the spray atomization effect is not obvious ascension. The spray penetration decreases, Sauter mean diameter decreases and the spray cone angle increases with the increase of the near field and the decrease of far field cone angle.

GDI injector; internal flow; spray characteristics; numerical simulation

TK421.5

A

1005-2550（2016）01-0029-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.006

2015-08-19