基于多种光学诊断的汽油直喷喷油器喷雾特性试验研究

姚博炜,黄勇,邱舒怿,刘高领,尹曦林,李雪松

(1.柳州赛克科技发展有限公司,广西 柳州 545616;2.上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240)

在“碳达峰”和“碳中和”的大背景下,结合零碳燃料的应用,内燃机在未来很长一段时间内仍将是主流动力机械。随着国家对油耗和排放法规逐步加严,具有高热效率和低排放的混合动力汽车近年来受到越来越多的重视。在电机的配合下,内燃机可以仅在特定工况点工作,实现更高的热效率和低排放。在特定工况点下工作的特点使得利用缸内直喷技术、更精确控制气缸内的喷雾和油气混合成为可能。燃油通过直喷喷油器喷射入气缸,使燃油与空气在极短的时间内完成混合,形成易于燃烧的混合气体,从而提高发动机的燃烧效率,并降低污染物排放[1]。喷雾良好雾化并生成易于燃烧的混合气对随后的高效燃烧和低排放至关重要。不良的喷油器布置和喷射策略容易导致喷雾撞壁,液膜在壁面沉积,恶化燃烧和排放[2-3]。

共享经济是新时代经济下发展的产物，有利于对社会闲置服务和资源进行合理配置，是一种绿色的新型经济。它保障了供应者和需求者合作共赢，为社会提供最优化的服务。共享经济不但改变了人们的生活，而且改变了经济发展的模式，是推动中国经济发展的一股强大力量。

光学诊断具有非侵入性、易于测量的特点,适合于内燃机喷雾瞬态流场的测量。 邱舒怿等[2]利用高速摄影法测量了汽油直喷喷油器(GDI)喷雾撞壁过程,捕获了瞬态喷雾宏观特征,如喷雾贯穿距、锥角等。 吴胜奇等[4]使用平面高速米氏散射摄影测量了喷油器轴线下方特定位置的喷雾落点并分析了油束干涉过程。相比于体积光摄影法,使用平面摄影法更容易揭示羽流间的相互作用。 相位多普勒干涉法(PDI)是一种用于液滴粒径测量的方法,它利用干涉光与粒径之间的关系来测量液滴尺寸。郭恒杰等[5]首次利用 PDI 测量光学发动机中的液滴尺寸。 作为一种成熟的粒径测量方法,PDI 还可用于开发和验证新型诊断方法。李雪松等[6]利用PDI对自主研发的平面液滴粒径测试方法——SLIPI-LIEF/Mie方法进行了标定验证。

发动机缸内燃油的雾化和蒸发,以及燃油与空气的混合程度,对缸内燃烧过程的好坏起着决定性的作用。由于燃油雾化质量很大程度上决定了内燃机燃烧和排放性能,目前国内外已有很多内燃机喷雾相关研究,其中包括燃油喷雾形态、粒径及相关破碎雾化机理研究[7-8]。吴伟亮等[9]研究了横向气流对喷雾粒径的影响,发现在喷雾雾滴与横向气流间相对速度相差较大区域,计算与试验结果一致性变差。李波等[10]通过数值模拟和试验相结合,研究了不同边界条件下喷雾贯穿距及锥角的变化。在低背压下,喷雾呈现出空锥、较大范围的分布形态,有利于实现燃油与空气的均质混合;在高背压下,喷雾呈现出紧凑密集的分布形态,有利于实现燃油与空气的分层混合。Petter等[11]研究了旋转对称喷嘴和非对称喷嘴的喷雾特性和喷雾引起的空气运动特性,发现采用旋转对称构型会产生非相干的孤立燃料云,而采用非对称配置(孔沿马蹄形弧形放置),更容易获得一致的燃料云。虞浏等[12]研究了喷油压力对汽油喷雾前锋粒径分布特性的影响,发现喷射压力增大有助于改善雾化质量,促使喷雾前锋粒径分布重心向小粒径方向移动。

然而目前的研究多仅分析单一喷雾特性,且缺乏大范围热力学条件下,多种不同边界条件对喷雾特性影响的研究[13]。以一款顶置直喷汽油机的5孔直喷喷油器为研究对象,利用多种喷雾光学诊断方法,系统测试了不同边界条件下的喷雾宏观和微观特征,包括喷雾形态、喷雾落点及喷雾粒径等,并分析了不同边界条件对喷雾特性的影响,为汽油直喷发动机燃烧系统的设计开发提供了理论和实践支持。

如图 3所示,喷雾锥角θ定义为喷雾外部轮廓边缘到喷油孔垂直距离为5 mm和15 mm的4个点所定义的线段AC和BD的夹角,贯穿距L定义为喷油孔到喷雾外部轮廓周向最远点的距离。

1 试验设置

1.1 测试喷油器及工况

试验用的喷油器为一款直喷汽油机顶置5孔喷油器。根据发动机台架测试,选择典型工况。最终确定以喷射压力、喷射背压、喷射脉宽为变量进行喷雾测试。喷油器参数及喷雾测试工况见表1。测试工况由发动机台架测试的常见工况结合喷雾特性研究需求决定。根据SAE J2715标准,选择使用与汽油性质最相似、物性确定的正庚烷作为测试燃料。

表1 喷油器参数及喷雾测试工况

试验过程中,喷油器的电流曲线由安装在发动机上的霍尔传感器实时测量得到,然后通过喷油器驱动器模拟出相同的喷油器信号,供喷油器测试使用。图 1示出喷油器测试用电流波形。

图1 喷油器测试用电流波形

1.2 喷雾形态测试试验系统

2.2.2 背压的影响

图2 喷雾形态测试试验系统

例 3：“And she tried to curtsey as she spoke—fancy,curtseying as you’re falling through the air!Do you think you can manage it?”

图3 喷雾贯穿距和喷雾锥角定义

1.3 喷雾落点测试试验系统

喷雾落点分布测试中采用平面激光Mie散射高速摄影法,图 4示出落点分布测试系统。试验使用Nd：YAG激光器,波长为266 nm。利用ICCD(配有信号增强器)相机收集图像。在定容弹一侧窗口安装喷油器,在喷油器轴线方向放置相机,同时调节激光,使激光片照射在喷油器轴线下方50 mm位置,实现喷油器下方50 mm处落点测试。

陈献章、庄昶在世时，“陈庄体”这一称谓即已出现。与陈献章“以道相契”［1］卷二，40叶b的双槐先生黄瑜在《双槐岁钞》中记道：

图4 喷雾落点分布测试试验示意

处理后的喷雾落点结果见图 5,图中显示了5束喷雾油束及喷油器尖端(tip)的位置,将喷油器尖端位置定义为坐标原点。图 5中心位置的“+”为喷油器尖端位置点,分布在油束上的“+”则为油束几何中心,5个数字为5束喷雾对应编号。测试过程记录5束喷雾的形状中心和质量中心,为了降低喷雾循环变动的影响,并获取喷雾的平均特性,进行20次测试并取平均值。

图5 喷雾落点数据示意

1.4 喷雾粒径测试试验系统

喷油器喷雾粒径测试试验运用相位多普勒干涉法(PDI),获取喷雾的粒径特性。

喷雾粒径测试试验系统见图 6。进行喷雾粒径分布测试时,喷油器安装在定容弹的顶端,PDI发射器(Transmitter)激光从定容弹的一侧定位到一束喷雾中心,PDI接收器(Receiver)在同一水平面从与激光入射轴线呈150°的另外一侧接收数据,并且通过可以三轴控制的滑移台同时移动PDI发射器和PDI接收器,使得测试空间位置点能够扫略过完整的一束油束,PDI系统与喷油器的同步控制通过信号发生器来实现。

2.1.1 喷油压力的影响

图6 喷油器喷雾粒径测试试验系统

喷油器轴线下方50 mm处的平面设定为粒径测试平面,并选择图 5中的1号油束进行粒径测量。根据SAE J2715标准,对通过油束中心以及喷油器tip沿喷油器轴线下方50 mm平面处的一条线上5个位置点的粒径分布特性进行测试(如图 7所示)。单个测试点采集5 000个有效粒子,并获得不同工况条件下D10、D32、Dv50和Dv90等喷雾粒径统计结果,其中D10、Dv50和Dv90代表小于该粒径粒子的累计体积为总液滴体积的10%、50%和90%时对应的粒子直径,D32表示索特平均直径(Sauter Mean Diameter,SMD)。

图7 喷油器粒径测试示意

2 结果与讨论

2.1 喷雾形态

面部激素依赖性皮炎主要是由于长期使用糖皮质激素引起的。近年来，其发病率逐年上升[1]。激素依赖性皮炎是由不适当的局部外用糖皮质激素制剂引起的炎性皮肤病，其导致皮肤屏障功能受损，出现红斑、色素沉着过度、毛细血管扩张等症状，治疗难度大。本研究分析了面部激素依赖性皮炎治疗中清迈解毒饮的应用及观察，报道如下。

图 8示出燃油温度为25 ℃,背压为100 kPa时,不同喷油压力下喷雾形态随着喷油时间的发展情况。由图 8可以看出,汽油喷出后,在向下运动的同时逐步向径向扩散。随着喷油压力的增加,油束轮廓逐渐变模糊,表明其粒子数密度和直径更小。其原因是喷油压力增加,喷雾速度也随之增加,从而增强了喷雾油束在缸孔内与空气的相互作用,使喷雾油滴的雾化效果更好。

图8 不同喷油压力下的喷雾发展

图 9示出不同喷油压力下喷雾贯穿距随时间的变化。由图 9可以看出,在相同的喷油压力下,喷雾贯穿距随着喷油时间的增加而逐步增大,贯穿距的增大幅度在喷雾初期比在喷油后期大,这是由于喷雾液滴的动能在向下游运动过程中逐渐损失。随着喷油压力增大,喷雾油束速度增加,喷雾贯穿距也随之增大。在同一喷油时刻,随着喷油压力的升高,喷油贯穿距在喷雾初期增加较少,在喷雾后期增加较多。该贯穿距发展规律与经典的Hiroyasu-Arai模型得出的结论一致[14],即高速液体射流的破碎在时间轴上经历了两个阶段：在第一阶段,连续液体被分解成离散液柱和大液滴;在第二阶段,液柱和大液滴被分解成更小的液滴。针对不同阶段提出了对应的模型,第一阶段液体和环境气体的压差对射流破碎具有重要影响,该阶段射流贯穿距随时间变化成正比;第二阶段的环境压力对射流破碎有显着影响,射流贯穿距和时间的0.5次方成正比。 Hiroyasu-Arai 模型的两个阶段分别对应于液体射流的初级和次级破碎。

图9 不同喷油压力下的喷雾贯穿距

图 10示出不同喷油压力下的喷雾锥角随时间的变化趋势。可以看出,喷雾锥角在最初时刻由于贯穿距较小,未达到计算喷雾锥角的距离,因此0.1 ms时刻的锥角记录为0°。随着时间的增加,喷雾锥角快速增大,并迅速达到最大值。随着喷油压力的升高,喷油锥角在喷雾初期增加较多,在喷雾后期几乎没有变化,说明在喷雾后期,喷油压力对喷雾锥角的作用不明显。喷油锥角可以在一定程度上表征喷雾径向速度和轴向速度的比值,即大的锥角对应大的径向/轴向速度比。在喷射前期,针阀处于从关闭到开启的非稳定状态,高喷射压力下喷雾的径向/轴向速度比更大,故表现出更大的锥角。然而当针阀完全打开后,喷射压力不会影响喷雾的径向/轴向速度比,因此各喷射压力下喷雾锥角基本一致。

图10 不同喷油压力下的喷雾锥角

2.1.2 背压的影响

图 11示出了燃油温度为25 ℃,喷油压力为20 MPa时,不同背压下喷雾形态随时间的发展情况。由图 11可以看出,在低背压下,喷雾油束在径向扩散的距离较长;随着背压的增大,喷雾油束逐渐收拢,在径向扩散的距离变短。

由图 12可以看出,随着背压的增加,喷雾贯穿距呈减小的趋势。背压增加使缸内气体密度增大,导致喷雾油束向下运动受到的阻力增加,喷雾速度降低。在同一喷油时刻,随着背压降低,喷油贯穿距在喷雾初期增加较少,在喷雾后期增加较多。由于贯穿距体现的是喷雾羽流发展过程中受到阻力的累计值,即贯穿距大意味着喷雾累计所受阻力小。因此随着时间发展,不同背压下喷雾累计所受阻力的差值逐渐增加,导致不同背压下的贯穿距差异逐渐增大。

图11 不同背压下的喷雾发展

图 13示出不同背压下喷雾锥角随时间的变化趋势。可以看出,随着背压的升高,喷油锥角变化不大,背压对喷雾锥角的作用不明显。

图13 不同背压下的喷雾锥角

2.2 喷雾落点

（103）刺叶羽苔 Plagiochila sciophila Nees ex Lindenb. 熊源新等（2006）；杨志平（2006）；李粉霞等（2011）；余夏君等（2018）

图 14和图 15分别示出燃油温度25 ℃,背压100 kPa,喷油脉宽1.4 ms时,喷雾在不同喷油压力下的喷雾落点分布和坐标。由图 14可以看出,随着喷油压力的升高,喷雾落点分布更集中。随着喷油压力的升高,喷雾油束的速度增加,雾化更好,在同样测试时刻下,更早发生喷雾干涉,即在同一截面上显示出来的喷雾落点更密集。由图 15可以看出,喷雾油束的几何形心坐标随着喷油压力升高的波动大于质量中心坐标。2号喷雾油束的几何形心和质量中心的坐标随着喷油压力的升高波动最明显,说明高喷射压力导致的喷雾羽流间干涉对2号羽流的偏离作用最大。

图14 不同喷油压力下喷雾落点分布

图15 不同喷油压力下喷雾落点坐标

喷雾形态试验可以得到喷雾整体轮廓、喷雾贯穿距及锥角。进行形态测试的高速背光试验时(试验系统见图 2),喷油器安装在定容弹顶端,氙灯光线经漫射片,从定容弹一侧照亮喷雾,高速相机从另外一侧对喷雾图像进行捕捉拍照,通过信号发生器来控制光源、相机和喷油器的同步。高速相机拍摄频率为 10 kHz,相邻两张照片的间隔时间为0.1 ms。

2.2.3 喷油脉宽的影响

在地方层面，除个别地区，县以上各级人民政府均成立了绿化委员会，各地相关部门也相应地进行了城市园林立法工作，制定了一系列地方性法规，如《北京市城市绿化条例》《杭州市西湖水域管理条例》及《西安市公园条例》等。

图16 不同背压下喷雾落点分布

图17 不同背压下喷雾落点坐标

图 16和图 17示出燃油温度为25 ℃,喷油压力20 MPa,喷油脉宽1.4 ms时,喷雾在不同背压下的喷雾落点分布和坐标。由图 16可以看出,随着背压的升高,喷雾发生干涉的时刻推迟。其原因是随着背压的提高,喷雾油滴在缸内的运动阻力增加,喷雾油束速度降低,因此在同一时刻,较高背压下的喷雾油束扩散程度相对较弱,所以在同一截面上,喷雾落点更分散。由图 17可以看出,喷雾油束的几何形心坐标和质量中心坐标随着背压的变化波动不大。

2.2.1 喷油压力的影响

图 18和图 19示出燃油温度25 ℃,喷油压力20 MPa,背压100 kPa时,喷雾在不同喷油脉宽下的喷雾落点分布和坐标。由图 18可以看出,喷油脉宽越大,喷雾落点分布越集中,喷雾干涉程度越大。可能的原因[15]是：在长脉宽下,喷雾前端和外围的油滴会对内部的油滴形成一定的“保护”作用,使其与空气的相互作用程度减弱,破碎程度减弱;同时,长脉宽会增加油滴碰撞的概率,提高了油滴聚合的可能性。由图 19可以看出,随着喷油脉宽的增大,喷雾油束的几何形心坐标均朝坐标增大的方向变化,变动较为明显;质量中心坐标随着喷油脉宽的变化波动不大。

图19 不同喷油脉宽下喷雾落点坐标

2.3 喷雾粒径

2.3.1 喷油压力的影响

观察组的肠鸣音恢复时间、肛门自主排气时间均明显少于对照组，其护理满意度大于对照组（P＜0.05），具体见表1。

图 20和图 21分别示出燃油温度25 ℃,背压100 kPa时,不同喷油压力下喷雾粒径的统计特征和直方图。由图 20可以看出,随着喷油压力的增大,喷雾粒径呈减小的趋势,表明高喷油压力有利于提高燃油的雾化质量,其中Dv90从28 μm下降到了20 μm,变化幅度最大。由图 21可以看出：随着喷油压力的增大,粒径60 μm以内的喷雾颗粒数量几乎不变;粒径10 μm以下的颗粒数量随着喷油压力增大占比增大,小颗粒液滴的数量明显增多,雾化更好;30 μm以下的颗粒数量占比均超过了98%。

图20 不同喷油压力下的喷雾粒径

图21 不同喷油压力下的喷雾粒径数量直方图

2.3.2 背压的影响

图 22和图 23分别示出燃油温度25 ℃,喷油压力20 MPa时,不同背压下喷雾粒径的统计特征和直方图。由图 22可以看出,随着背压的增大,喷雾粒径呈变大的趋势。其原因可能是背压的增加使缸内气体的密度增大,导致喷雾油束扩散受到的阻力增大,雾化变差。

图22 不同背压下的喷雾粒径

由图 23可以看出,随着背压的增大,粒径60 μm以内的喷雾颗粒数量几乎不变。粒径10 μm以下的颗粒数量随背压增加占比减小,大颗粒液滴的数量明显增多,雾化更差。其中,30 μm以下的颗粒数量占比均超过了98%。

我和李咏虽说不是青梅竹马，也算得上一块儿长大。当年我十八，他十九，我属鸡，他属猴，进大学没俩月就谈上了恋爱。我爸一提起这事儿就忧心忡忡：“老话说，鸡猴不到头儿。你们啊，哎……”

首先是结构论的当代意义，李渔的“立主脑”和“密针线”结构论，强调戏剧作品的局部与整体的有机统一性，李渔“以戏曲结构形式为纲领，以观众接受意识为轴心，建构了融剧情、剧本、剧场表演为一体的戏曲结构形式理论体系”，［4］为后世的戏剧创作树立了一个标准的模板。

图23 不同背压下的喷雾粒径数量直方图

3 结论

a) 更大的喷油压力和喷油脉宽使得喷雾油束速度更快,喷雾落点分布更集中,更早发生喷雾干涉;背压的升高使得喷雾油束速度降低,喷雾发生干涉的时刻更晚;喷油脉宽越大,喷雾落点分布越集中,更早发生喷雾干涉;

b) 随着喷油压力的增加,喷雾油束的速度增大,喷雾贯穿距也随之增大,喷油锥角在喷雾初期增加较多,在喷雾后期几乎没有变化;在同一喷油时刻,随着喷油压力的升高,喷油贯穿距在喷雾初期增加较少,在喷雾后期增加较多;增加背压,喷雾贯穿距减小,喷油锥角略有降低;

c) 随着喷油压力的增大,喷雾粒径逐渐减小,有利于提高燃油的雾化质量;背压增大,喷雾粒径逐渐增大;喷油压力及背压对粒径60 μm以内的液滴颗粒数量影响不大,粒径10 μm以下的颗粒数量随喷油压力增加而占比增加,随背压增加而占比降低。