裴毅強(qiáng)，王?琨，張?丹，劉?斌，胡鐵剛，季思思

?

GDI噴油器超高壓乙醇噴霧的宏觀特性

裴毅強(qiáng)1，王?琨1，張?丹1，劉?斌2，胡鐵剛2，季思思2

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司動(dòng)力研究院，重慶 401120)

為探究缸內(nèi)直噴(GDI)噴油器乙醇燃料在超高噴射壓力下的噴霧宏觀特性，運(yùn)用紋影測(cè)試法和高速攝影技術(shù)對(duì)噴射壓力為10～60,MPa的噴霧進(jìn)行了測(cè)量，系統(tǒng)研究了噴霧形態(tài)發(fā)展、貫穿距、錐角以及投影面積的變化規(guī)律．結(jié)果表明：提高噴射壓力，噴霧枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)刻提前，但超高壓噴射下枝狀結(jié)構(gòu)形態(tài)界限變得模糊；噴霧整體及其核心區(qū)貫穿距在噴霧前期較快增長(zhǎng)，進(jìn)入噴霧中期后增速明顯下降；隨著噴射壓力提高，噴霧貫穿距增大，核心區(qū)貫穿距占比(P)提高，但超高壓噴射下增幅都相對(duì)較??；提高噴射壓力，核心區(qū)錐角出現(xiàn)小幅度增加；提高噴射壓力，噴霧投影面積增大，核心區(qū)面積占比(A)減小，霧化程度顯著提高．

缸內(nèi)直噴；超高壓；噴霧宏觀特性；紋影；分支狀結(jié)構(gòu)

缸內(nèi)直噴(gasoline diect injection，GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)因具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和較快的瞬態(tài)響應(yīng)特性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為汽油機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]．由于將燃油直接射入缸內(nèi)，燃油與空氣預(yù)混合時(shí)間縮短，易形成局部過濃區(qū)，混合氣均勻度下降，導(dǎo)致生成的微粒物增多．

提高噴射壓力可以加劇燃油的破碎霧化，改善混合氣質(zhì)量，從而抑制微粒物的生成[4]．Sabathil等[5]在４缸GDI汽油機(jī)上將噴油壓力從6,MPa提高至20,MPa時(shí)，微粒數(shù)量下降了60%,．Lee等[6]用激光可視化系統(tǒng)和三維激光多普勒技術(shù)，對(duì)噴射壓力為30,MPa的油束發(fā)展破碎、液滴微觀特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明噴射壓力的提高有助增加小液滴數(shù)目比例，增強(qiáng)燃油霧化蒸發(fā)能力．

與此同時(shí)，由于環(huán)境與能源問題愈發(fā)嚴(yán)峻，尋求清潔替代燃料成為一種實(shí)用可靠的解決方案，其中乙醇已成為研究熱門之一[7]．Zhuang等[8]研究了使用缸內(nèi)直噴乙醇和進(jìn)氣道噴射汽油結(jié)合的方法來改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率．李云天等[9]對(duì)乙醇和汽油噴霧及蒸發(fā)特性隨環(huán)境溫度、背壓和噴射壓力等因素的變化規(guī)律進(jìn)行了研究．Bao等[10]在一臺(tái)可視化的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)上比較了乙醇、汽油、異辛烷在噴油壓力為4,MPa、7,MPa、11,MPa和15,MPa下的貫穿距，發(fā)現(xiàn)隨噴射壓力增大，乙醇的貫穿距增幅增大．

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的諸多研究已經(jīng)證明乙醇燃料在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)上具有良好應(yīng)用前景，并對(duì)GDI噴油器的乙醇噴霧特性也進(jìn)行了相應(yīng)研究[11-13]，但現(xiàn)有文獻(xiàn)中的噴射壓力主要都局限在20,MPa以下，對(duì)GDI噴油器超高壓噴霧特性研究較為缺乏[14]，而采用乙醇燃料的GDI噴油器超高壓噴霧宏觀特性的研究領(lǐng)域更是鮮見學(xué)者探索．

為解析超高噴射壓力下乙醇噴霧破碎和霧化過程，充分認(rèn)識(shí)超高壓噴射對(duì)混合氣質(zhì)量的影響，本文運(yùn)用紋影測(cè)試法和高速攝影技術(shù)研究GDI噴油器采用10～60,MPa的噴射壓力下，乙醇噴霧宏觀形態(tài)發(fā)展以及貫穿距、噴霧錐角、面積等參數(shù)的變化規(guī)律．

1?試驗(yàn)設(shè)備及研究方法

試驗(yàn)所采用的紋影測(cè)試方法是基于不同介質(zhì)密度相異，對(duì)平行光的折射率也不同，獲取明暗不同的圖像[15]，以此捕獲噴霧氣液兩相信息．圖1為搭建的紋影法測(cè)試裝置系統(tǒng)．

試驗(yàn)采用的噴射壓力分別為10,MPa、20,MPa、30,MPa、40,MPa、50,MPa和60,MPa，供油系統(tǒng)的壓力誤差控制在±0.1,MPa以內(nèi)，乙醇燃料的溫度控制在(21±0.5)℃．試驗(yàn)選用一個(gè)５孔的GDI噴油器，噴孔的直徑為0.174,mm，采用支架將噴油器固定在容彈上端．為更加全面地了解噴霧流場(chǎng)的分布以及油束的宏觀形態(tài)，通過旋轉(zhuǎn)支架來獲取正面和側(cè)面噴霧圖像，如圖2所示．正面拍攝的圖像可以更好地呈現(xiàn)出整體噴霧的分布情況，所以采用正面圖像來進(jìn)行噴霧宏觀特性參數(shù)的計(jì)算分析，而通過側(cè)面拍攝可以清晰地捕捉到單束噴霧(圖2側(cè)面噴霧中油束1)形態(tài)，更加直觀地呈現(xiàn)噴霧發(fā)展歷程．

圖1?試驗(yàn)裝置示意

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)噴射脈寬較長(zhǎng)，容易發(fā)生燃油碰壁現(xiàn)象，為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷下噴油器的工作狀態(tài)，本試驗(yàn)將噴射持續(xù)期固定為2.8,ms．采用Photron公司所生產(chǎn)的Fastcam SA1.1 型高速攝像機(jī)，拍攝頻率選取為10,000幀/s．容彈內(nèi)溫度為293,K，背壓為0.1,MPa，容彈視窗直徑為142,mm．為了降低噴霧隨機(jī)性對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，每個(gè)試驗(yàn)工況重復(fù)50次．

圖2?噴霧形態(tài)與噴孔示意

圖3為對(duì)所拍攝的噴霧圖像進(jìn)行處理的過程，通過MATLAB軟件編寫程序，完成噴霧圖像的去除背景和灰度值轉(zhuǎn)化，之后對(duì)所得灰度圖進(jìn)行閾值處理來提取邊界．圖3(c)為取用2%,的閾值來去除背景噪點(diǎn)，以獲取噴霧整體輪廓．將噴霧圖像中的不透光部分定義為噴霧核心區(qū)，簡(jiǎn)稱核心區(qū)，該區(qū)域乙醇濃度較高且液態(tài)所占比例較大．隨著GDI發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的發(fā)展，燃油撞壁現(xiàn)象難以完全避免，所造成的濕壁程度與噴霧濃度有著密切關(guān)聯(lián)．對(duì)核心區(qū)進(jìn)行深入研究，可以充分了解混合氣中過濃區(qū)域的分布情況，進(jìn)而對(duì)氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減輕燃油撞壁具有重要指導(dǎo)意義．選取50張所拍攝的紋影噴霧圖片，找出圖中未透光部分和半透明部分的分界區(qū)域，之后將圖片灰度處理，大量采樣統(tǒng)計(jì)分界區(qū)域的灰度值，并以未透光部分最低灰度值，作為區(qū)分核心區(qū)和非核心區(qū)的臨界閾值，結(jié)果為14%,，即閾值高于14%,的區(qū)域?yàn)楹诵膮^(qū)，圖3(d)為獲取的核心區(qū)輪廓．

圖3?圖像處理過程

圖4為噴霧宏觀參數(shù)示意圖．采用SAE J2715[16]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)貫穿距、錐角和噴霧面積進(jìn)行取值．將噴霧貫穿距定義為在豎直方向上，噴霧所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離．將噴孔下方5,mm與15,mm的水平線和油束外側(cè)交點(diǎn)連線之間的夾角，即圖中和之間的夾角定義為噴霧錐角．將噴霧在垂直于高速攝像機(jī)拍攝光路的平面內(nèi)形成的投影面積定義為噴霧面積．

圖4?噴霧參數(shù)示意

2?試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1?噴射壓力對(duì)噴霧宏觀形態(tài)發(fā)展的影響

圖5為側(cè)面拍攝的乙醇噴霧在噴射開始后(ASOI)0.1～4.0,ms這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，宏觀形態(tài)的發(fā)展規(guī)律，噴射壓力為10,MPa．當(dāng)噴霧發(fā)展至1.2,ms (ASOI)，單束噴霧左側(cè)出現(xiàn)枝狀結(jié)構(gòu)[17]，該結(jié)構(gòu)會(huì)加快噴霧的破碎和霧化進(jìn)程，提高混合氣的形成質(zhì)量．為了更加系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)噴霧的破碎霧化過程，將噴霧發(fā)展分成３個(gè)階段：噴射開始至噴霧生成枝狀結(jié)構(gòu)這段時(shí)間定義為噴霧前期；從枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)到噴射結(jié)束時(shí)刻即2.8,ms(ASOI)，這段時(shí)間稱為噴霧中期；之后的噴霧階段稱為噴霧后期．

由圖5可知，在噴霧前期，噴霧輪廓較為平滑，同時(shí)噴霧邊緣與中心部分的濃度差異較小，噴霧霧化程度低．該階段未發(fā)生大規(guī)模破碎，噴霧主體沿著噴射軸向迅速發(fā)展，徑向擴(kuò)散少．隨著噴霧與空氣進(jìn)一步作用，氣液湍流運(yùn)動(dòng)更加劇烈，油束外側(cè)液滴所受徑向壓力差增大，油束表面出現(xiàn)褶皺，形成受力渦流，外圍液滴進(jìn)一步徑向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而生成枝狀結(jié)構(gòu)．進(jìn)入噴霧中期后，枝狀結(jié)構(gòu)數(shù)量增多，并發(fā)現(xiàn)枝狀結(jié)構(gòu)傾向于出現(xiàn)在靠近其他油束一側(cè)．這是因?yàn)橛褪g的交互作用造成附近流場(chǎng)擾動(dòng)增大，液滴與空氣動(dòng)量交換加劇，更有利于枝狀結(jié)構(gòu)的生成．在枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)區(qū)域，噴霧液柱開始出現(xiàn)破碎，破碎后液滴受到空氣卷吸作用，出現(xiàn)前端噴霧軸線偏離現(xiàn)象．破碎過程中還會(huì)形成液滴簇團(tuán)，噴霧與空氣接觸面增大，霧化程度提升．當(dāng)噴射結(jié)束時(shí)，進(jìn)入噴霧后期，破碎后液滴受環(huán)境中湍流運(yùn)動(dòng)和空氣卷吸作用影響不斷脫離油束主體，進(jìn)一步向外圍擴(kuò)散，噴霧面積增大.

提高噴射壓力，會(huì)加劇氣液相之間的湍流作用，增強(qiáng)噴霧表面所受切應(yīng)力，枝狀結(jié)構(gòu)形成速度加快．圖6是采用10～60,MPa噴射壓力時(shí)，乙醇噴霧形成枝狀結(jié)構(gòu)時(shí)的發(fā)展形態(tài)．噴射壓力從10,MPa提高至20,MPa時(shí)，枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)刻從1.2,ms(ASOI)提前到0.7,ms(ASOI)，噴霧前期發(fā)展時(shí)間縮短了41.7%. 而后，噴射壓力每提高10,MPa，枝狀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)時(shí)刻相應(yīng)提前0.1,ms．

本文將20,MPa及以下噴射壓力稱為常規(guī)噴射，30,MPa及以上定義為超高壓噴射．如圖6，在常規(guī)噴射壓力下枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)區(qū)域和總體數(shù)量較少，形狀狹窄尖銳．而在超高壓噴射下，由于射流速度提高，空氣作用力增強(qiáng)，壓差引起的剪切力變大，噴霧邊緣褶皺大幅度增多，枝狀結(jié)構(gòu)生成區(qū)域變廣，并且壓力越高，分布越密集．可見增大噴射壓力，可以有效促進(jìn)枝狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，加速油束的破碎過程．但超高壓噴射時(shí)，各束噴霧之間的相互作用增強(qiáng)，湍流渦旋加劇，油束寬度進(jìn)一步擴(kuò)大，并造成噴霧外圍散落液滴數(shù)量增多，導(dǎo)致枝狀結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)模糊．

圖5?噴射壓力為10,MPa噴霧發(fā)展過程

圖6?各噴射壓力下乙醇噴霧枝狀結(jié)構(gòu)形成時(shí)的發(fā)展形態(tài)

超高壓噴射時(shí)，由于針閥開啟過程中內(nèi)外瞬時(shí)壓差大，會(huì)造成大液滴在離開噴孔時(shí)具有更高的速度，形成液滴突出現(xiàn)象．如圖7所示，噴射壓力為60,MPa時(shí)，在0.5,ms(AOSI)時(shí)刻有部分較大液滴由于具有更高的動(dòng)量，運(yùn)動(dòng)在整體噴霧前鋒面之前，而在0.7,ms(ASOI)時(shí)刻，前鋒面的突出液滴被后續(xù)噴霧融合．該現(xiàn)象是由于高速運(yùn)動(dòng)的大液滴受到了更大的空氣阻力，速度下降較快，被后續(xù)噴霧追趕，進(jìn)而融合．

圖7?液滴突出現(xiàn)象

2.2?噴射壓力對(duì)貫穿距的影響

圖8反映了噴射壓力對(duì)乙醇噴霧貫穿距的影響．相同壓力下，貫穿距隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)．在噴霧前期，射出油束主要沿噴射方向上進(jìn)行動(dòng)量傳遞，不斷推動(dòng)前端噴霧在軸向上快速發(fā)展．進(jìn)入噴霧中期后，枝狀結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步形成發(fā)展加劇了噴霧主體破碎，動(dòng)量交換無序度提高．此外，破碎生成的大量液體簇團(tuán)，造成噴霧與空氣接觸面面積增大，所受運(yùn)動(dòng)阻力變大．所以噴霧在軸向上發(fā)展速度大幅度減小，貫穿距增長(zhǎng)出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后增幅明顯下降．在噴霧后期，油束噴射結(jié)束，前端噴霧液滴失去后續(xù)推力，噴霧整體的軸向運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步放緩．

在圖8中，隨著噴射壓力的提高，噴油器孔內(nèi)和環(huán)境壓力差增大，從噴孔射入環(huán)境中的初動(dòng)能更大，所以圖中壓力越高噴霧液滴相同時(shí)刻所能達(dá)到的距離也就更遠(yuǎn)，貫穿距越長(zhǎng)．但是過高的壓力提升會(huì)造成孔內(nèi)燃油波動(dòng)劇烈，帶來更高的摩擦損失以及空化現(xiàn)象，導(dǎo)致超高壓噴霧入射初動(dòng)能隨噴射壓力提高的增長(zhǎng)幅度相對(duì)減?。瑫r(shí)，進(jìn)一步提升超高壓噴射壓力時(shí)，枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時(shí)刻更早，分布范圍更加寬泛，液柱破碎更加劇烈，乙醇液滴與空氣動(dòng)量交換增強(qiáng)，所以造成前端噴霧運(yùn)動(dòng)速度下降幅度增大．上述原因?qū)е铝藞D8中在30,MPa以上時(shí)，隨噴射壓力的繼續(xù)提升貫穿距增幅較小．由于容彈視窗限制，噴射壓力在40,MPa及以上的噴霧整體貫穿距在3.3,ms (ASOI)左右時(shí)刻會(huì)達(dá)到視窗邊緣，停止增長(zhǎng)．

圖8?噴霧貫穿距隨噴射壓力變化規(guī)律

圖9為核心區(qū)貫穿距隨噴射壓力的變化規(guī)律，與噴霧整體貫穿距趨勢(shì)近似．將圖9與圖8進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)處于噴霧中期階段時(shí)，噴霧整體貫穿距要比核心區(qū)貫穿距發(fā)展得更加平滑．這是因?yàn)檫M(jìn)入噴霧中期后，枝狀結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步發(fā)展，噴霧主體部分發(fā)生大規(guī)模破碎，造成液相的內(nèi)部動(dòng)量交換無序度提高，核心區(qū)前端液滴加速度波動(dòng)范圍較大，所以核心區(qū)貫穿距增長(zhǎng)趨勢(shì)波動(dòng)幅度更大．而整體噴霧的前端部分多是以氣相或微小液滴形態(tài)存在，在軸向方向上運(yùn)動(dòng)速度受與空氣的相互作用力較大，受主體破碎影響程度相對(duì)較小．

圖9?核心區(qū)貫穿距隨噴射壓力變化規(guī)律

為了更好地認(rèn)識(shí)噴霧在軸向上的發(fā)展過程，設(shè)置參數(shù)核心區(qū)貫穿距占比p．該參數(shù)定義為在相同時(shí)刻下核心區(qū)貫穿距與噴霧整體貫穿距的比值，計(jì)算方法為

?Rp＝(Lcore/Lspray)×100%,(1)

式中：core為核心區(qū)貫穿距，mm；spray為噴霧整體貫穿距，mm．

圖10為各個(gè)噴射壓力下，p值隨時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)．在噴霧前期，噴霧并未出現(xiàn)明顯破碎，氣液兩相在軸向的擴(kuò)散帶動(dòng)噴霧整體貫穿距增長(zhǎng)，噴霧軸向上濃度梯度和速度梯度跨度增大，p值出現(xiàn)下降趨勢(shì)．當(dāng)噴霧出現(xiàn)枝狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)入噴霧中期，空氣卷吸作用進(jìn)一步增強(qiáng)，噴霧前段氣相區(qū)域在軸向方向的動(dòng)量大幅度損失．此階段噴霧貫穿距增長(zhǎng)受核心區(qū)的貫穿距增長(zhǎng)影響加劇，p值增大．

隨著噴射壓力的提高，p值隨之增加．這是因?yàn)樵趪婌F發(fā)展過程中，噴射壓力越高，枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)刻提前，數(shù)量增多，造成油束主體破碎更早，程度更劇烈，噴霧在軸向上的發(fā)展受核心區(qū)波動(dòng)破碎影響程度增加．并且由于壓力越高，油束出口射速快，后續(xù)核心區(qū)達(dá)到噴霧前端所需時(shí)間更短．以上原因?qū)е铝藟毫υ礁?，核心區(qū)貫穿距對(duì)噴霧整體貫穿距的推動(dòng)作用越大，p值越高．但超高壓噴射下，進(jìn)一步提高壓力，p值增幅相對(duì)較小．

圖10?核心區(qū)貫穿距占比隨噴射壓力變化規(guī)律

2.3?噴射壓力對(duì)錐角的影響

在噴霧過程中，隨著噴油器針閥上升行程的增大，高壓波動(dòng)所帶來的空化現(xiàn)象會(huì)造成前期核心區(qū)錐角會(huì)有一個(gè)增大趨勢(shì)，而隨著噴射的進(jìn)行，噴油器內(nèi)部壓力波動(dòng)會(huì)迅速地振蕩衰減，導(dǎo)致噴霧核心區(qū)錐角在達(dá)到最大峰值后減小，之后逐步趨近于穩(wěn)定．當(dāng)核心區(qū)錐角大小波動(dòng)在一個(gè)定值的±2°范圍內(nèi)時(shí)，將這個(gè)定值稱為該壓力下的核心區(qū)錐角穩(wěn)定值．圖11顯示了正面噴霧核心區(qū)錐角峰值及穩(wěn)定值隨噴射壓力的變化規(guī)律．

圖11?核心區(qū)錐角隨噴射壓力變化趨勢(shì)

提高噴射壓力，噴霧射入環(huán)境中的初速度增大，繼而噴霧的徑向速度分量和動(dòng)量分量也隨之增加，徑向擴(kuò)散距離增加，錐角的峰值與穩(wěn)定值都隨之增大．但提高噴射壓力帶來噴霧與空氣之間的作用力增強(qiáng)，邊緣的破碎霧化更加劇烈，氣相比例提高，所以核心區(qū)錐角增幅較?。?0,MPa下核心區(qū)錐角穩(wěn)定值僅比10,MPa增加了9.3°．從圖中可以發(fā)現(xiàn)，噴射壓力越高，核心區(qū)錐角峰值與穩(wěn)定值差值越大，這是由于噴油孔內(nèi)壓差增大，孔內(nèi)壓力波衰減幅度越大；并且高噴射壓力下核心區(qū)外圍表面生成的枝狀結(jié)構(gòu)，拓寬了核心區(qū)的徑向分布，進(jìn)一步增加錐角峰值．

2.4?噴射壓力對(duì)噴霧面積的影響

圖12和圖13分別為噴霧投影面積以及核心區(qū)投影面積在噴射持續(xù)期內(nèi)隨噴射壓力的變化規(guī)律．隨著噴射進(jìn)行，噴霧整體與核心區(qū)的投影面積都呈現(xiàn)了線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)．當(dāng)噴射壓力固定時(shí)，針閥完全開啟后，噴口處乙醇噴射流量與流速為恒定值，前端噴霧受到后續(xù)射流的持續(xù)穩(wěn)定推力，與空氣摩擦力達(dá)到一個(gè)平衡后，噴霧接近勻速地向外圍擴(kuò)散．與貫穿距在進(jìn)入噴霧中期增幅減小相比，噴霧面積的增長(zhǎng)具有更好的線性度．可見，進(jìn)入噴霧中期后，噴霧破碎導(dǎo)致噴霧在軸向上發(fā)展速度減小，液滴徑向動(dòng)量分量大幅度增加．

圖12?噴霧面積隨噴射壓力變化規(guī)律

圖13?核心區(qū)面積隨噴射壓力變化規(guī)律

提高噴射壓力，射入環(huán)境的乙醇噴霧初動(dòng)能提升，出口流量增大，噴霧前端所獲得的加速隨之增大，對(duì)應(yīng)相同時(shí)刻，高噴射壓力的面積分布范圍更廣．但當(dāng)噴射壓力大于40,MPa時(shí)，繼續(xù)提高噴射壓力，噴霧整體和核心區(qū)投影面積增幅變?。@是因?yàn)楫?dāng)壓力大于40,MPa時(shí)，噴霧射入環(huán)境之前，孔內(nèi)湍流擾動(dòng)十分劇烈，空化現(xiàn)象明顯，噴孔有效流動(dòng)橫截面積減少，造成了較大的噴射流量損失．

霧化程度是評(píng)價(jià)混合氣是否可以支持高效率、低排放燃燒的重要指標(biāo)．為了探究噴射持續(xù)期內(nèi)乙醇霧化程度，以及不同噴射壓力對(duì)霧化程度的影響，定義參數(shù)核心區(qū)面積占比A用來表征噴霧分布區(qū)域的霧化程度，即

?RA＝(Score/Sspray)×100%,(2)

式中：core為核心區(qū)投影面積，mm2；spray為噴霧整體投影面積，mm2．A值越低，核心區(qū)所占面積比例越小，霧化程度越高．

圖14為在噴射持續(xù)期內(nèi)A值隨噴射壓力的變化規(guī)律．在噴射剛開始時(shí)，所射入環(huán)境中的噴霧與空氣作用時(shí)間短，噴霧外形較為圓滑，發(fā)生破碎區(qū)域很少，乙醇在流場(chǎng)中基本都是以液態(tài)的形式存在，霧化程度低，各壓力下0.2,ms(ASOI)時(shí)刻的A值都大于80%,，其中10,MPa和20,MPa 超過了85%,．而隨著時(shí)間推移，不同噴射壓力下的A值都出現(xiàn)一個(gè)陡降，之后逐步趨于穩(wěn)定．

從圖14中可以發(fā)現(xiàn)，各噴射壓力下出現(xiàn)陡降的時(shí)刻都與枝狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時(shí)刻較為接近．噴射壓力越高，陡降出現(xiàn)的時(shí)刻越早，下降斜率越大．這是因?yàn)樘岣邍娚鋲毫r(shí)，加劇了枝狀結(jié)構(gòu)的生成，導(dǎo)致噴霧初次破碎時(shí)刻提前，破碎區(qū)域范圍更廣，而持續(xù)的強(qiáng)烈氣液相動(dòng)量交換使得完成初次破碎的大液滴，不斷破碎成更小的小液滴，與空氣接觸表面積增加，顯著提升了霧化質(zhì)量，導(dǎo)致A值降低．對(duì)比p值隨噴射壓力提高而增大這一規(guī)律，可獲知噴射壓力的提高造成空氣與液束內(nèi)部壓差增大，液滴徑向擴(kuò)散能力顯著增強(qiáng)，混合氣不斷快速向外圍擴(kuò)散，空間分布更加均勻．

圖14?核心區(qū)面積占比隨噴射壓力變化規(guī)律

可見超高壓噴射可以加劇枝狀結(jié)構(gòu)的生成，顯著地促進(jìn)乙醇噴霧的霧化蒸發(fā)，改善混合氣質(zhì)量．

3?結(jié)?論

(1) 枝狀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)會(huì)加劇噴霧的破碎，并隨噴射壓力提高，出現(xiàn)時(shí)刻提前，數(shù)量增多，分布范圍變廣，但超高壓噴射下，枝狀結(jié)構(gòu)形狀界限出現(xiàn)模糊．

(2) 噴霧貫穿距在噴霧前期快速增長(zhǎng)，進(jìn)入噴霧中期后，增速明顯下降．進(jìn)入超高壓噴射范圍后，貫穿距增幅縮小．核心區(qū)貫穿距隨時(shí)間與壓力變化規(guī)律與噴霧整體相似，但隨時(shí)間增幅波動(dòng)更大．

(3) 在噴霧發(fā)展過程中，p值先下降后上升．提高噴射壓力p值增大，核心區(qū)軸向發(fā)展對(duì)噴霧整體貫穿距影響增強(qiáng)，但超高壓下p值隨噴射壓力提高的增幅較?。?/p>

(4) 增大噴射壓力，核心區(qū)錐角峰值和穩(wěn)定值小幅增長(zhǎng)．

(5) 噴霧投影面積與核心區(qū)投影面積隨時(shí)間和壓力的變化規(guī)律一致，在噴射持續(xù)期內(nèi)線性增長(zhǎng)．各壓力下A值都在出口時(shí)刻最大，之后陡降，而后保持相對(duì)穩(wěn)定．提高噴射壓力，陡降幅度增大，A值?越低．

(6) 超高壓噴射有效提高了乙醇混合氣形成質(zhì)量，對(duì)于GDI燃用乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)減少微粒排放以及提高燃油經(jīng)濟(jì)性具有較大的應(yīng)用潛力．

［1］ Aleiferis P G，Serras-Pereira J，van Romunde Z，et al. Mechanisms of spray formation and combustion from a multi-hole injector with E85 and gasoline[J].，2010，157(4)：735-756.

［2］ 李?翔，裴毅強(qiáng)，秦?靜，等. 壁溫和機(jī)油油膜對(duì)噴霧撞壁后發(fā)展的影響[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2016，49(11)：1195-1202.

Li Xiang，Pei Yiqiang，Qin Jing，et al. Effects of wall temperature and oil film on the process of a gasoline spray after wall impingement[J].：，2016，49(11)：1195-1202(in Chinese).

［3］ Myung C L，Park S. Exhaust nanoparticle emissions from internal combustion engines：A review[J].，2012，13(1)：9-22.

［4］ Zhao F，Lai M C，Harrington D L. Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines[J].，1999，25(5)：437-562.

［5］ Sabathil D，Koenigstein A，Schaffner P，et al. The influence of DISI engine operating parameters on particle number emissions[C]//Detroit，USA，2011.

［6］ Lee S，Park S. Experimental study on spray break-up and atomization processes from GDI injector using high injection pressure up to 30,MPa[J].，2014，45(1)：14-22.

［7］ Chan Q N，Bao Y，Kook S. Effects of injection pressure on the structural transformation of flash-boiling sprays of gasoline and ethanol in a spark-ignition direct-injection(SIDI)engine[J].，2014，130(16)：228-240.

［8］ Zhuang Y，Hong G. Primary investigation to leveraging effect of using ethanol fuel on reducing gasoline fuel consumption[J].，2013，105(2)：425-431.

［9］ 李天云，許?敏，張高明. 乙醇與汽油的噴霧及蒸發(fā)特性研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2014，35(7)：1434-1438．

Li Tianyun，Xu Min，Zhang Gaoming. Study of spray evaporation of ethanol and gasoline fuel[J].，2014，35(7)：1434-1438(in Chinese).

［10］ Bao Y，Chan Q N，Kook S，et al. Spray penetrations of ethanol，gasoline and ISO-octane in an optically accessible spark-ignition direct-injection engine[J].，2014，7(3)：1010-1026.

［11］ Huang Y，Huang S，Huang R，et al. Spray and evaporation characteristics of ethanol and gasoline direct injection in non-evaporating，transition and flash-boiling conditions[J].，2016，108：68-77.

［12］ Gao J，Jiang D，Huang Z. Spray properties of alternative fuels：A comparative analysis of ethanol-gasoline blends and gasoline[J].，2007，86(10)：1645-1650.

［13］ Mastumoto A，Moore W R. Spray characterization of ethanol gasoline blends and comparison to a CFD model for a gasoline direct injector[J].，2010，3(1)：402-425.

［14］ Rivera E A. Fuel injection technology trends[EB/OL]. https://crcao.org/workshops/2014AFEE/Final%20Presentations/Day%201%20Session%202%20SI-Systems%20 Presentations/2-2%20Rivera,%20Edwin%202014%20CR C%20Fuel%20Injection%20Technology-Updated.pdf，2017-05-25.

［15］ Settles G S.：[M]. Germany：Springer Science & Business Media，2012.

［16］ Hung D L S，Harrington D L，Gandhi A H，et al. Gasoline fuel injector spray measurement and characterization：A new SAE J2715 recommended practice[J].，2008，1(1)：534-548.

［17］ Ishikawa N，Niimura K. Analysis of diesel spray structure using magnified photography and PIV[C]//Detroit，USA，1996.

(責(zé)任編輯：金順愛)

Spray Macroscopic Characteristics of GDI Injector Fueled with Ethanol Using Ultra-High Injection Pressure

Pei Yiqiang1，Wang Kun1，Zhang Dan1，Liu Bin2，Hu Tiegang2，Ji Sisi2

(1．State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2．Powertrain Engineering R&D Center，Chongqing Changan Automobile Co.，Ltd，Chongqing 401120，China)

The aim of this study was to explore the spray macroscopic characteristics of gasoline direct injection(GDI)injector fueled with ethanol under ultra-high injection pressure conditions．Spray images were obtained by schlieren and high-speed photography technology under the injection pressure from 10,MPa increasing to 60,MPa，and the various parameters including spray development process，penetration，cone angle，and spray area were systematically analyzed．The results indicate that branch-like structures occurring time decreases，but the branch-like structure of spray becomes a bit blurry under ultra-high injection pressure．The penetration of spray and its liquid core increases rapidly in the initial stage，but growth rate decreases significantly in the middle stage．Spray penetration and penetration ratio of liquid core(P)increase with the increase of injection pressure，but the increases are relatively small under ultra-high injection pressure conditions．The liquid cone angle at core area increases a little with increasing injection pressure．Spary area increases，area ratio of liquid core(A)decreases，and the degree of atomization enhances significantly with the increase of the injection pressure.

gasoline diect injection(GDI)；ultra-high injection pressure；spray macroscopic characteristics；schlieren；branch-like structures

10.11784/tdxbz201706059

TK411

A

0493-2137(2018)07-0755-08

2017-06-25；

2017-08-09.

裴毅強(qiáng)（1967—），男，博士，副教授

裴毅強(qiáng)，peiyq@tju.edu.cn.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014BAG10B01).

the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China (No.,2014BAG10B01).