環(huán)境背壓對多孔式噴油器霧化形態(tài)特征影響的數(shù)值解析*

趙洪雪，靜大亮，丁海春，帥石金，龐昌樂

（1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088； 2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京 101300； 4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

前言

由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)汽油機(jī)具有更高的燃燒效率，目前在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用［1-2］，盡管GDI發(fā)動(dòng)機(jī)具有高效節(jié)油等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其噴油器安裝在氣缸內(nèi)導(dǎo)致的混合氣不均勻而引起的排放問題備受關(guān)注。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的混合氣的均勻程度對其燃燒效率、污染物排放水平有著至關(guān)重要的影響［3］。大量研究表明由于GDI汽油機(jī)中噴霧碰壁產(chǎn)生油膜及缸內(nèi)混合氣不均勻?qū)е铝颂紵煹拇罅可桑?-9］。隨著歐六排放法規(guī)對顆粒物數(shù)量及質(zhì)量的嚴(yán)格限制，對噴霧系統(tǒng)的優(yōu)化以減少碳煙的生成必不可少。且噴霧碰壁導(dǎo)致潤滑油稀釋增大了活塞與氣缸的摩擦損耗從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命［10］。因此，燃油噴射控制的重要性尤為突出，在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)過程中從壁面引導(dǎo)、空氣引導(dǎo)到最新一代的噴霧引導(dǎo)系統(tǒng)都存在著一定的噴霧碰壁現(xiàn)象［11］。新一代GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中，常見的噴油器為多噴孔非對稱緊湊布置，油束間夾角較小，此種布置形式使噴霧過程更加復(fù)雜化，油束間相互作用開始引起廣泛關(guān)注，有學(xué)者通過大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在較高的環(huán)境壓力下GDI噴油器的噴霧油束會(huì)發(fā)生形變及閃極沸騰現(xiàn)象［12-15］。近年來大量學(xué)者對GDI發(fā)動(dòng)機(jī)多孔噴油器噴油壓力展開了研究［16-18］，發(fā)現(xiàn)提高噴油壓力對噴霧貫穿距、質(zhì)量流率、霧化質(zhì)量均有一定的提高，但高噴射壓力對SMD影響的測試結(jié)果結(jié)論不一［17-18］。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)目前噴油壓力多采用15～20MPa，且30MPa的噴油壓力系統(tǒng)將會(huì)被應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)中［19］。

GDI多孔噴油器在高背壓下的噴霧形變已引起相關(guān)學(xué)者的高度重視，但仍然缺乏系統(tǒng)的研究工作。為此，本文中選用一5孔噴油器，利用三維模擬手段對該噴油器在不同噴射壓力和環(huán)境背壓下的噴霧形變機(jī)理進(jìn)行了較為詳細(xì)的解析。研究結(jié)果有助于深入理解噴霧過程，同時(shí)為改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)提供理論與試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

噴霧特性試驗(yàn)在定容彈試驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示。定容彈的設(shè)計(jì)壓力為6.0MPa。試驗(yàn)中環(huán)境背壓由高壓氮?dú)馓峁?。定容彈視窗材料為石英，有效直徑?05mm，厚度為55mm。LED燈從一側(cè)視窗打光照亮定容彈內(nèi)部，燃油噴射過程由布置在另一側(cè)視窗處的高速相機(jī)捕捉。試驗(yàn)用高速相機(jī)為Photron SA X2，該相機(jī)的最大拍攝速度可達(dá)1 000 000幀／s。為了防止多次噴霧產(chǎn)生的大量油滴懸浮于定容彈內(nèi)干擾測量，定容彈內(nèi)的氣體以緩慢的速度連續(xù)流動(dòng)，將噴霧產(chǎn)生的油滴及時(shí)帶出定容彈。

圖1 高速攝影及微觀噴霧特性試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

試驗(yàn)用定容彈專為相位多普勒粒子分析儀（phase doppler particle analyzer，PDPA）測量設(shè)計(jì)。定容彈側(cè)面開有兩個(gè)夾角為110°的視窗，在此夾角下PDPA測得的信號具有最高的信噪比，PDPA系統(tǒng)由Dantec公司引進(jìn)，所用激光器為Coherent公司的Innova 70C氬離子激光器。激光發(fā)出后經(jīng)布拉格單元，分為波長514.5和488nm的4束激光，用于測量噴霧中油滴的二維速度和粒徑。發(fā)射探頭和接收探頭置于移動(dòng)精度為0.1mm的三維坐標(biāo)架上，以實(shí)現(xiàn)信號的快速自動(dòng)采集。測量時(shí)發(fā)射探頭與接收探頭分別垂直于定容彈上的兩個(gè)視窗。

1.2 試驗(yàn)

噴油器噴油壓力分別采用5，10，15和20MPa，環(huán)境背壓分別為 0.1，0.5和 1MPa；噴油脈寬為1.5ms；相機(jī)拍攝速度為 25 000fps，快門速度為1／160000s，相機(jī)分辨率640×768像素。每個(gè)工況重復(fù)5次試驗(yàn)。噴霧特性試驗(yàn)條件見表1。

PDPA測量位置如圖2所示，沿目標(biāo)油束以10mm為間距測量5-9個(gè)空間位置的測量點(diǎn)。測量時(shí)，目標(biāo)油束與激光入射方向垂直，保證能夠準(zhǔn)確測量目標(biāo)截面上油滴的X方向和Y方向的速度分量。

本研究使用的CFD模型需要基于試驗(yàn)中油束落點(diǎn)位置確定油霧的噴射方向，試驗(yàn)用噴油器為5孔噴油器，圖3所示為5束油束落點(diǎn)位置及編號。

表1 噴霧特性試驗(yàn)條件

圖2 測量位置空間點(diǎn)

在噴霧試驗(yàn)中，高速攝影和PDPA主要針對1號油束的噴霧貫穿距、噴霧油滴SMD等噴霧特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。

2 模擬計(jì)算

2.1 建模

采用CONVERGE內(nèi)置前處理模塊，建立直徑為100mm、高度為105mm的圓柱形定容彈CAD模型，如圖4所示。采用CONVERGE自適應(yīng)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺度設(shè)定為2mm，并基于流動(dòng)速度梯度加密23，基于溫度梯度加密23。模型中環(huán)境溫度為293K，與試驗(yàn)一致。

2.2 模擬驗(yàn)證

2.2.1 噴霧貫穿距驗(yàn)證

在模擬計(jì)算得到的5束油束中，選取試驗(yàn)中對應(yīng)標(biāo)記的1號油束進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證。

圖4 定容彈CAD網(wǎng)格

圖5 CONVERGE自適應(yīng)網(wǎng)格與加密

本研究中模型的選擇如表2所示，噴霧破碎模型采用KH-RT模型。KH模型［20］基于柱狀液體射流不穩(wěn)定理論計(jì)算破碎過程，由于液滴在運(yùn)動(dòng)過程中與周圍氣體的相互作用，在液滴表面產(chǎn)生Wave波，該波在達(dá)到一定條件后會(huì)引起液滴表面的破碎。KH模型中決定液滴破碎的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)分別為破碎時(shí)間tbu、破碎后產(chǎn)生新液滴的半徑rnew和破碎速率 d r／d t。RT模型［21］基于 RAYLEIGH-TAYLOR不穩(wěn)定波計(jì)算破碎過程，由于液滴加速度的變化而引起液滴整體形狀的變化，在達(dá)到一定條件后會(huì)引起整個(gè)粒子的破碎。RT模型的關(guān)鍵參數(shù)包括破碎后的液滴粒徑dnew和破碎時(shí)間trt。KH-RT模型將KH模型與RT模型結(jié)合，并引入了液柱長度的定義，在破碎長度Lb以內(nèi)使用KH模型計(jì)算初次破碎，在Lb以外RT模型與KH模型一起參與二次破碎的計(jì)算。

表2 噴霧模型選擇

在噴霧驗(yàn)證過程中主要模型里對噴霧破碎影響較大的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，其中KH模型中的參數(shù)B0為破碎粒徑系數(shù)，其值的大小直接影響破碎后子液滴的粒徑大小rnew；B1為破碎特征時(shí)間系數(shù)，影響液體的破碎時(shí)間tbu和破碎速度，與噴霧貫穿距直接相關(guān)。在RT模型中C0破碎特征時(shí)間系數(shù)與破碎時(shí)間trt相關(guān)聯(lián)，控制破碎時(shí)間；C1為破碎粒徑系數(shù)，與破碎后粒徑的直徑大小dnew相關(guān)。經(jīng)過大量的模擬與試驗(yàn)的對標(biāo)驗(yàn)證，得到一組適用于本文的參數(shù)設(shè)置，如表3所示。

表3 破碎模型參數(shù)

圖6所示為環(huán)境背壓為0.1MPa時(shí)，試驗(yàn)與模擬分別采用5，15和20MPa噴油壓力得到的噴霧貫穿距離隨時(shí)間的變化，其中試驗(yàn)值標(biāo)注了多次試驗(yàn)結(jié)果的誤差帶。隨著噴油壓力增加，同一時(shí)刻噴霧貫穿距呈增大趨勢，且噴油壓力為15和20MPa工況時(shí)模擬值與試驗(yàn)值吻合程度更高。

圖6 0.1MPa背壓下不同噴油壓力噴霧貫穿距離

圖7 所示為噴油壓力為20MPa時(shí)，試驗(yàn)與模擬分別采用0.1，0.5和1MPa環(huán)境背壓得到的噴霧貫穿距離隨時(shí)間的變化，其中試驗(yàn)值標(biāo)注了多次試驗(yàn)結(jié)果的誤差帶。隨環(huán)境背壓增加，同一時(shí)刻噴霧貫穿距呈現(xiàn)減小趨勢，尤其在發(fā)出噴射信號300μs后更為顯著。3種背壓條件下，模擬計(jì)算得到的噴霧貫穿距均能與試驗(yàn)值較好地吻合，對于高背壓工況，在50μs時(shí)刻前后，雖然模擬值略低于試驗(yàn)值并超出了試驗(yàn)誤差帶，但仍在模擬計(jì)算可接受的誤差范圍內(nèi)。試驗(yàn)中各工況噴射延遲期（從噴射信號發(fā)出至油束射出噴孔的時(shí)間差）均為200μs左右，模擬計(jì)算中已經(jīng)對這一延遲時(shí)間進(jìn)行了補(bǔ)償。

圖7 20MPa噴油壓力下不同環(huán)境背壓噴霧貫穿距離

2.2.2 噴霧油滴SMD標(biāo)定

噴霧油滴SMD標(biāo)定通過對距離噴孔下游20，30和40mm位置噴霧油滴索特平均直徑（SMD）的試驗(yàn)值和模擬計(jì)算值的對比分析進(jìn)行。其中，試驗(yàn)值為1號油束PDPA試驗(yàn)數(shù)據(jù)相應(yīng)位置的平均值，模擬計(jì)算值為1號油束模擬計(jì)算結(jié)果相應(yīng)位置截平面內(nèi)油滴的平均值。

圖8（a）所示為環(huán)境背壓0.1MPa，噴油壓力分為5，15和20MPa時(shí)不同位置油滴SMD模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比。圖中SMD的試驗(yàn)值為相應(yīng)位置1號油束PDPA試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)的平均值，模擬值為相應(yīng)位置截平面內(nèi)1號油束液滴的平均值。隨噴油壓力增加，各個(gè)測量位置油滴SMD逐漸減小，且距離噴嘴越遠(yuǎn)，油滴SMD的降幅越大。噴油壓力較高時(shí)，隨著噴油壓力的增加，油滴SMD的降幅減弱。對比模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可知，模擬計(jì)算能很好地預(yù)測上述變化，且在絕大部分測量點(diǎn)均與試驗(yàn)值較好吻合。

圖8（b）所示為噴油壓力為20MPa，環(huán)境背壓分別為0.1，0.5和1MPa時(shí)不同位置噴霧油滴SMD模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比。從圖中可知，環(huán)境背壓為0.1MPa時(shí)，油滴SMD隨著參考位置向噴霧下游移動(dòng)而變化不大；0.5和1MPa較高的環(huán)境背壓條件下，油滴SMD值呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。對比模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可知，模擬計(jì)算能很好地預(yù)測上述變化，且與試驗(yàn)值能較好地吻合。

圖8 不同噴油壓力及環(huán)境背壓下SMD的標(biāo)定

圖9 所示為噴射壓力為20MPa，不同環(huán)境背壓條件下模擬所得到的容彈內(nèi)噴霧未蒸發(fā)的燃油質(zhì)量及霧化粒子數(shù)量。從圖中可知，高背壓下燃油的蒸發(fā)質(zhì)量少于低背壓環(huán)境下燃油的蒸發(fā)質(zhì)量。高背壓下的燃油粒子的數(shù)量小于0.1MPa環(huán)境壓力下的粒子數(shù)量，且蒸發(fā)量小，說明在高背壓下燃油粒子的粒徑更大，與上述SMD的在高背壓下較大結(jié)果一致。

綜上所述，提高噴射壓力可以得到更小的噴霧SMD，實(shí)現(xiàn)更好的噴霧霧化效果。SMD升高主要是由于具有較大動(dòng)量的大噴霧油滴運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的位置，隨著背壓的增大，環(huán)境氣體對噴霧的影響逐漸變大，較高的背壓導(dǎo)致環(huán)境氣體的密度增大，進(jìn)而對噴霧油滴的阻力增大，大顆粒在與環(huán)境氣體的相互作用下進(jìn)一步破碎成較小液滴，而較小的油滴在運(yùn)動(dòng)過程中由于受到氣體阻力很難達(dá)到遠(yuǎn)端。從而呈現(xiàn)出SMD先升高后降低的趨勢。且在高背壓下不利于燃油粒子迅速蒸發(fā)。

3 結(jié)果與討論

3.1 噴霧宏觀形態(tài)

圖9 容彈內(nèi)噴霧蒸發(fā)及粒子數(shù)量

（1）噴射壓力的影響

圖10所示為環(huán)境背壓為0.1MPa，噴油壓力分別為5，10，15和20MPa工況下噴霧宏觀形態(tài)隨時(shí)間的變化。噴油壓力的增大提高了燃料的出口速度，因此隨噴油壓力增大，同一時(shí)刻對應(yīng)的噴霧貫穿距增加。噴油壓力增大還導(dǎo)致瞬時(shí)噴射率增加，使單位時(shí)間內(nèi)噴出的燃料增多，噴霧的霧化效果也會(huì)提升，油滴的粒徑減小而數(shù)量上升，因此隨噴油壓力增大，噴霧中液滴的濃度增大。另外，試驗(yàn)中噴霧亮度的增強(qiáng)也表明噴霧中液滴的濃度增大。

（2）環(huán)境背壓的影響

圖11所示為噴油壓力為20MPa，環(huán)境背壓分別為0.1，0.5和1MPa工況下噴霧宏觀形態(tài)隨時(shí)間的變化。背壓升高使空氣密度增加，導(dǎo)致噴霧受到的阻力增加，延緩噴霧進(jìn)程，因此，隨環(huán)境背壓升高，同一時(shí)刻噴霧貫穿距和噴霧面積均顯著降低。

圖10 不同噴油壓力下噴霧的宏觀形態(tài)隨時(shí)間的變化（背壓0.1MPa）

圖11 不同背壓下噴霧的宏觀形態(tài)隨時(shí)間的變化（噴油壓力20MPa）

當(dāng)背壓較低時(shí)（0.1MPa），各油束間存在較為明顯的分界。當(dāng)背壓較高時(shí)（0.5和1MPa），在噴油過程初期（0.60ms以前），各油束之間的邊界較明顯；在噴油過程后期（0.60ms以后），各油束之間不存在明顯的邊界。導(dǎo)致以上現(xiàn)象的原因是，背壓的增大導(dǎo)致噴霧內(nèi)外的壓差增大，使得油束向內(nèi)側(cè)偏移，使各油束之間的距離減小，同時(shí)隨著背壓的增加，空氣卷吸作用較強(qiáng)，在噴霧的外側(cè)形成了一團(tuán)較濃的液滴群。

3.2 噴霧橫斷面壓力及速度場分布

（1）噴射壓力的影響

圖12所示為環(huán)境背壓為0.1MPa，噴油壓力分別為5，10，15和20MPa工況下距噴孔下端20mm位置處橫斷面氣流運(yùn)動(dòng)及環(huán)境壓力隨時(shí)間的變化。箭頭表示截面切向速度場的方向。從圖中可以看出，噴油壓力較低時(shí)，容彈內(nèi)的氣流流動(dòng)及壓力梯度均較??；隨噴油壓力增加，油束對容彈內(nèi)氣流的影響增大，油束區(qū)域有明顯的壓降，氣流運(yùn)動(dòng)及撞擊也較為劇烈，隨著時(shí)間推移油束受到氣流的沖擊也較為明顯。噴霧初期油束形態(tài)在橫截面上的分布基本一致，這是由于噴霧初期油束尚未破碎完全，油束形態(tài)主要取決于出口速度，受環(huán)境氣體的影響較?。欢趪婌F發(fā)展的第2階段，油束大部分已經(jīng)破碎成液滴，環(huán)境氣體對液滴的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，且隨著噴油壓力增大，油束對環(huán)境氣體的沖擊和擾動(dòng)也更大，噴霧貫穿距受其影響較大，此時(shí)油束形態(tài)在橫截面上的分布差異較大。

圖12 不同噴射壓力下噴嘴下端20mm處壓力及速度場分布（0.1MPa背壓）

（2）環(huán)境背壓的影響

圖13所示為噴油壓力為20MPa，環(huán)境背壓分別為0.1，0.5和1MPa工況下距噴孔下端20mm位置處橫截面缸內(nèi)壓力及氣流運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間的變化。從圖中明顯可以看出高環(huán)境背壓下油束較難貫穿。隨著環(huán)境背壓增加，油束在距噴孔20mm位置處的落點(diǎn)向中心聚攏，且環(huán)境背壓為1MPa時(shí)，油束在壓力的作用下隨時(shí)間的進(jìn)展相互融合。

圖13 不同背壓下噴嘴下端20mm處壓力及速度場分布（20MPa噴射壓力）

圖14 所示為噴油壓力為20MPa，環(huán)境背壓為1MPa時(shí)的速度場及油束聚攏現(xiàn)象，可以較清晰地看出其發(fā)展趨勢，進(jìn)一步驗(yàn)證了較高的環(huán)境背壓會(huì)引起噴霧的形變。

圖14 噴射壓力20MPa、環(huán)境背壓1MPa噴嘴下端20mm處壓力、速度場壓力線和噴霧形變

3.3 高背壓作用下的噴霧形態(tài)解析

圖15 所示為噴油壓力為20MPa，環(huán)境背壓分別為0.1和1MPa工況下油束1和油束3縱切面壓力場和速度場隨時(shí)間的變化，為了較清晰觀察速度場的變化情況，將油束3隱藏?？梢钥闯?，環(huán)境背壓為0.1MPa時(shí)，油束外邊緣有一定的空氣卷吸作用，但效果不明顯；且油束1與油束3之間的相互作用較小。環(huán)境背壓為1MPa時(shí)，油束外邊緣明顯受到較強(qiáng)的空氣卷吸作用，油束末端外邊緣處分布較多的小液滴。

圖15 噴油壓力20MPa、不同環(huán)境背壓下噴霧的形變及速度場分布

圖16 為噴油壓力為20MPa，環(huán)境背壓分別為0.1和1MPa工況下鄰近的油束1與油束5縱切面上油束形態(tài)及周圍速度場隨時(shí)間的變化?？梢钥闯鲈诘捅硥?.1MPa時(shí)，油束變形較小，基本保持貫穿距不斷增加的態(tài)勢，油束兩側(cè)氣體存在一定的卷吸作用，但對噴霧的形態(tài)影響較?。挥伤俣葓龅姆植记闆r可以看出臨近的兩束油之間也有一定的空氣卷吸作用。在高背壓1MPa時(shí)，兩束油間距明顯縮小，油束的變形較大，靠近油束尖端位置的兩側(cè)卷吸作用強(qiáng)烈，使油束中的液滴隨氣流向上運(yùn)動(dòng)至接近噴油器軸線位置。由壓力場的分布情況可以看出，油束外部壓力高于油束內(nèi)部壓力，且噴油壓力越高引起的氣流擾動(dòng)越大，油束內(nèi)外的壓差越明顯，導(dǎo)致油束外部向內(nèi)擠壓油束，兩油束之間夾角變小從而出現(xiàn)噴霧形變現(xiàn)象。在氣流的卷吸及噴霧形變的共同作用下使得油束之間界限模糊相互融合。

圖16 20MPa噴射壓力下噴嘴下端20mm兩油束間的速度場分布

4 結(jié)論

本文中旨在通過數(shù)值模擬方法研究不同環(huán)境背壓對缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴霧形態(tài)的影響，首先建立了噴霧定容彈三維CFD模型，并通過高速攝影以及PDPA光學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)而研究了不同環(huán)境背壓對缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴霧形態(tài)的影響，研究結(jié)論如下。

（1）對于多孔GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，環(huán)境背壓可引起明顯的噴霧形變，油束向噴油器軸線方向偏轉(zhuǎn)，并隨著時(shí)間推移而發(fā)生匯聚進(jìn)而產(chǎn)生油束形變，油滴在噴霧前端產(chǎn)生顯著的卷吸回旋，油束與油束之間產(chǎn)生交互而不再獨(dú)立。同時(shí)高背壓下的噴霧貫穿距減小，噴霧前端因卷吸作用而變寬，后端由于油束的中心偏轉(zhuǎn)而使錐角變小。

（2）噴霧形變產(chǎn)生的主要原因是由于噴霧區(qū)域內(nèi)外壓力差及噴霧前峰面卷吸的共同作用。高背壓條件下噴霧區(qū)域產(chǎn)生明顯的低壓區(qū)，油束外圍氣體轉(zhuǎn)為向內(nèi)部低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將原本沿油束軸線運(yùn)動(dòng)的噴霧向內(nèi)壓縮，同時(shí)噴霧外圍區(qū)域的卷吸回旋明顯更強(qiáng)。

（3）隨著噴射壓力與背壓的升高，油束形變現(xiàn)象明顯。由于油束向噴霧中心偏轉(zhuǎn)，噴霧內(nèi)側(cè)液滴在碰撞聚合的作用下使得液滴粒徑變大。