直喷汽油机喷雾撞壁特性试验与模拟

直喷汽油机喷雾撞壁特性试验与模拟
王艳华;李波;李云清;陈峰
【摘要】To study the characteristics of gasoline spray after wall impingement from a high-pressure gasoline direct injector, a visible test rig was built to detect impinging spray development height, spray radius and spray tip growth rate. The impinging spray process was numerically simulated and verified by experimental data. According to experiment results and simulation, the effects of different injection pressure, ambient pressure, wall distance and angle and wall temperature on the characteristics of spray impingement were discussed. The results show that the spray high and radius are decreased with the increasing of ambient pressure. It is the opposite situation with the increasing of injection pressure. When the wall distance increases, spray high and fuel film thickness decrease, while spay radius increases. Increasing wall inclination and wall temperature can reduce the film thickness, while impingement wall time appear ahead for the enhenced wall inclination.%为了研究缸内直喷汽油机喷雾撞壁特性,建立了可视化喷雾试验台,测量了撞壁喷雾的高度、喷雾半径及喷雾远端发展速度.对喷雾撞壁过程进行了三维数值模拟,利用试验数据进行了校核.通过试验和模拟,分析了不同喷射压力、环境背压、喷嘴到壁面的距离、壁面倾角及壁面温度等因素对撞壁喷雾特性的影响.结果表明:环境背压的增大导致撞壁喷雾的高度和喷雾半径减小；在低背压条件下,由于环境气体对喷雾动量的反作用力较小,喷雾撞壁时刻明显早于高背压条件,且具有较大的喷雾远端速度；随着壁面距离的增大,撞壁喷雾高度和油膜厚度减小,喷雾半径增大；增大壁面倾角,撞壁时间
提前,油膜厚度减小,撞壁喷雾高度和喷雾半径略有增大；壁面油膜随温度升高而减小.
【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(032)004
【总页数】6页(P410-415)
【关键词】汽油缸内直喷;喷雾撞壁;撞壁喷雾特性;壁面距离;壁面倾角;壁面温度
【作者】王艳华;李波;李云清;陈峰
【作者单位】北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191;中国汽车技术
研究中心,天津300162;北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191;北京
航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191
【正文语种】中文
【中图分类】TK421
汽油缸内直喷技术(GDI)的出现，在提高燃油经济性、降低污染物排放等方面具有
潜在的优势，尤其在部分负荷工况时通过分层充量稀燃技术(DISC)来降低燃油消耗，即在火花塞处形成具有理论空燃比或稍浓的混合气，而在燃烧室的剩余部分充满了纯空气或燃烧循环产物稀释了的空气［1-6］.由于汽油机大多缸径较小，所以采用缸内直喷技术喷雾撞壁现象不可避免，尤其是在部分负荷工况时.在一定工况下，
喷雾撞壁能加强燃油的升温和蒸发过程［7］，撞击破碎的燃油增加了与燃烧室接触的面积，而且近壁面的气体涡流加速了喷雾射流的扩散，提高了燃油与空气的混合程度.同时，喷雾撞壁后，在壁面形成了油膜，从而出现了液滴二次雾化现象，
引起蒸发速率下降，部分燃油甚至脱离了主要燃烧阶段，液滴被氧化，以未燃碳氢化合物的形式排出［8］，尤其是在发动机冷启动和低速、低负荷运行工况时.在缸内直喷汽油机的研究中，人们发现缸套和活塞顶上的燃料油膜是产生较高HC和PM排放的重要原因［9-10］.喷雾撞壁角度和撞壁位置也是混合物形成的重要因
素［11］.为了进一步开发DISI火花点火发动机，提高效率，降低排放，需要进一步研究喷雾撞壁现象.国内对汽油机燃油撞壁的研究较少，笔者通过试验和模拟分析，对汽油喷雾撞壁过程进行研究分析，考虑喷油压力、环境背压、壁面倾角、喷嘴距壁面的距离、燃油撞壁时间等因素对撞壁喷雾的影响，为燃烧室的设计、火花塞和喷油器的布局、进气道形式、喷油时刻的确定提供设计依据.
1 试验装置
1.1 喷雾撞壁试验
试验用BOSCH公司的GDI喷油器，喷孔直径为0.5 mm.图1为高压燃油喷雾试
验系统.高压压缩的氮气将燃油加压后传递到喷油器端.两端装有石英玻璃的定体积
压力容器与另一装有高压压缩混合气(混合后的分子量与空气相当)的气瓶相连.一个经过研磨的、可调整角度和高度的壁板安装在容器内部.光源为镝灯，功率为1.8 kW.喷油信号由ST Micro-electronics L9707模块控制，输出的5 V TTL电平用
于同步触发高速摄像机(Phantom公司生产)，分辨率为512×512，采样频率为10000帧·s-1.
图1 燃油喷雾试验系统Fig.1 Fuel spray test system
1.2 撞壁喷雾试验条件
试验过程中每次喷油量为26.66 mg，喷油脉宽由喷油压力决定.喷油压力设为
6.00 MPa，调整定压容器内压力从0.05～1.20 MPa变化.在容器内设置碰撞壁面，壁面中心到喷孔出口的距离取30，40，50，60 mm，调整不同壁面距离时的倾
角分别为0°，30°，45°和60°.整个喷雾撞壁试验在环境温度且无空气扰动的情况
下完成.
1.3 喷雾撞壁参数定义
为了描述撞壁后喷雾的发展，这里引入撞壁喷雾高度h和喷雾半径R.图2为垂直
和倾斜喷雾撞壁参数示意图.
图2 喷雾撞壁参数Fig.2 Parameters of spray impingement
图2中喷雾半径R为撞壁后喷雾射流沿着壁面方向的贯穿距离;撞壁喷雾高度h为垂直于壁面方向的贯穿距离;L为从喷嘴到壁面的距离;θ为壁面倾角.采用基于Matlab软件自行开发的图像处理方法获得喷雾特性的定量化研究［12］.
2 数学模型
利用计算流体力学软件AVL Fire软件对喷雾撞壁过程进行模拟计算分析.对喷雾过程选用Han Sheet+TAB模型模拟初始雾化和二次雾化.燃油从喷孔喷出后，形成
空心圆锥形的燃油薄膜.随着空气动力产生的表面波不断增长，在薄膜表面出现扰动，进而薄膜破碎成油线.不稳定的油线进一步破碎成较大的油滴.油滴在各种外力
的作用下发生振动，分散成小液滴.
采用Bai Gosman的撞壁模型.该模型考虑了液滴的黏附、铺展、反弹、飞溅.以入射液滴的韦伯数We为衡量标准.对于干壁面:① 附壁:We≤ALa-0.18;② 飞溅:We＞ALa-0.18，其中:A 为与壁面粗糙度有关的常数，这里A=2065;La为Laplace数，根据试验条件进行模拟计算.对于湿壁面:①反弹:We≤5;② 铺展:5＜We≤1320La-0.18;③ 飞溅:We＞1320La-0.18.
3 结果和分析
3.1 垂直喷雾撞壁发展过程
图3为壁面距离L为50 mm，壁面倾角为0°，在环境背压 pamb为0.10，1.00 MPa，喷油压力 pinj为6.00 MPa时的喷雾撞壁发展过程试验与模拟对比.t1为燃油喷射从启动到喷雾撞壁时的时间.
图3 垂直喷雾撞壁发展过程试验与模拟对比Fig.3 Comparison of vertical spray impingement processes in experiment and simulation
由于环境温度为297 K，所以喷雾撞壁后产生附壁和飞溅现象.在喷雾撞壁发展过
程中，由于喷雾射流和环境气体的相互作用，在高背压条件下形成明显的喷雾撞壁涡旋结构，气流运动阻碍了喷雾速度的发展.从图3可以看出，喷雾模拟结果和试
验结果相近.在低背压环境下，喷雾为中空锥形，在壁面上形成的油膜较薄且与壁
面有较大的接触面积，从而能加快液滴的蒸发、扩散.然而，随着环境背压的增大，喷雾锥角减小，喷雾液滴密集，撞壁后所形成的油膜较厚且分布在较小的范围内，不利于液滴的蒸发、扩散.撞壁后，由于环境气体的阻力作用，喷雾射流的动量快
速递减.
在pinj=6.00 MPa，θ=0°时，不同壁面距离的喷雾高度随撞壁后时间t2的变化，如图4所示.
随着壁面距离的增加，撞壁喷雾高度递减.以撞壁时刻为时间零点，喷雾高度在2.4 ms时达到最大值，之后随着燃油喷雾与环境气体相互作用，液滴动量减小并伴随有蒸发，喷雾高度开始降低.
图4 喷雾高度变化对比Fig.4 Varying of spray impinging wall height
在 pinj=6.00 MPa，θ=0°时，喷雾半径随撞壁后时间的变化，如图5所示.撞壁喷雾半径随着壁面距离的增大而增大.低背压条件下喷雾锥角较高背压大，所以其喷
雾撞击点半径较大.撞击壁面后喷雾半径的增大，使液滴与壁面有较大的接触面积，易于快速蒸发、扩散.
图5 喷雾半径变化Fig.5 Varying of spray impinging wall radius
模拟计算不同环境背压(0.10，1.00 MPa)的喷雾撞壁，喷油压力为6.00 MPa，壁面距离为40 mm，喷雾外形如图3-5所示.撞壁喷雾高度和喷雾半径随背压增大而减小，主要是因为高压环境，气体密度较大，所以对液体产生较大的运动阻力.
3.2 倾斜喷雾撞壁发展过程
壁面距离L为30 mm，壁面倾角为30°，喷油压力为6.00 MPa，在不同环境背压(0.10，1.00 MPa)下的喷雾撞壁发展过程，如图6所示.雾发展［13］.图7为环境背压为0.10 MPa，壁面倾角为30°，45°和60°，对撞壁喷雾高度和撞壁喷雾半径的影响.
图6 倾斜喷雾撞壁发展过程试验与模拟对比Fig.6 Comparison of inclination spray impingement developments in experiment and simulation
从图6可以看出，模拟结果与试验结果基本一致.由于撞壁喷雾在沿壁面向上方向的贯穿距离较小，因此，这里仅考虑撞壁喷雾沿倾斜壁面向下的喷
图7 壁面倾角对撞壁喷雾高度及喷雾半径的影响Fig.7 Influence of wall inclination and wall inclination on spray height
随着壁面倾角的增大，撞壁喷雾高度和半径都略有增大，表明:增加的壁面倾角减小了撞壁对喷雾发展的影响，更多的喷雾动量沿壁面向下发展.
3.3 自由喷雾和撞壁喷雾的喷雾发展速度
撞壁喷雾发展可以分成2部分:自由喷雾(从喷嘴到壁面段)和撞壁喷雾(从喷雾最初撞壁到撞壁结束段).这里引入撞壁时间tw作为2段喷雾的转折点.
图8为不同壁面距离下，自由喷雾和撞壁喷雾远端的速度v发展情况.t3为开始喷油后时间.
图8 壁面距离对撞壁喷雾发展速度的影响Fig.8 Influence of wall distance on velocity
喷雾远端的速度增长自撞壁点处开始迅速递减，较小的壁面距离伴随较短的撞壁时间，壁面距离为50 mm时的撞壁时间为1.1 ms，壁面距离为40 mm时的撞壁时间为1.0 ms，壁面距离为30 mm时的撞壁时间为0.9 ms，从3.5 ms开始，喷雾发展速度保持在15 m·s-1即喷雾动量在于环境气体的作用中趋于平衡.
在不同环境背压条件下的喷雾发展速度，如图9所示.在低背压条件下，由于环境
气体对喷雾动量的反作用力较小，喷雾撞壁时刻较早，如环境背压为0.05 MPa时，撞壁时间为1.1 ms;而环境背压为1.00 MPa时，撞壁时间为3.2 ms.
图9 环境背压对撞壁喷雾发展速度的影响Fig.9 Influence of ambient pressure on velocity
3.4 喷雾撞壁油膜发展
燃料油膜的形成，直接影响混合气形成和排放.图10-12为不同温度、不同撞击壁
面距离以及壁面倾角下油膜质量变化的模拟结果.
在pinj=6.00 MPa，pamb=0.05 MPa，L=40 mm，θ=30°，壁面油膜质量随温度变化，如图10所示.
图10 壁面油膜质量随温度变化Fig.10 Effect of wall temperature on fuel film mass
从图10可以看出，随壁面温度的升高，壁面油膜厚度减小.当壁面温度较低(300K)，油膜质量m1约为喷油总质量m的20%，φ=m1/m，当壁面温度超过汽油的平
均沸点温度460 K时，壁面基本没有油膜存在.
在 pinj=6.00 MPa，pamb=0.05 MPa，T=300 K，θ=30°，不同撞壁距离下喷
雾油膜的变化，如图11所示.
图11 不同撞壁距离下喷雾油膜变化Fig.11 Effect of wall distance on fuel film mass
从图11可以看出，随着壁面距离的加大，油膜质量减少，主要是因为远距离撞击壁面的液滴动量相对较小，而近距离撞击壁面时，液滴不仅具有较大的动量而且飞溅现象比较明显.
在 pinj=6.00 MPa，pamb=0.05 MPa，T=300 K，L=40 mm，不同壁面倾角下喷雾油膜的变化，如图12所示.
图12 不同壁面倾角下喷雾油膜变化Fig.12 Effect of wall inclination on fuel film mass
壁面倾角直接影响喷雾撞击距离，从图12可以看出，随壁面倾角的减小，撞壁时间相继滞后约0.1 ms，但是油膜厚度的形成速率递增.壁面倾角越小形成的油膜厚度越大.
4 结论
1)随着环境背压的增大，撞击喷雾高度和半径减小.较低背压下形成的喷雾具有较大的中空锥结构，撞壁后所形成的油膜较薄且分布面积较大，增大了燃油撞壁的接触面积，加速了喷雾的发展;有利于燃油液滴的蒸发、扩散，而在较大的背压下刚好相反.
2)在低背压条件下，由于环境气体对喷雾动量的反作用力较小，喷雾撞壁时刻明显早于高背压条件，且具有较大的喷雾远端速度.
3)随着撞击壁面距离的增大，喷雾粒子撞击壁面时具有的动量减小，撞壁喷雾高度减小，而喷雾撞壁半径增大.同时，增大撞击壁面距离，将延迟撞壁时刻，产生较小的喷雾远端速度和油膜厚度.
4)壁面倾角的增大将减小撞壁阻力，有利于油雾向前发展，撞壁喷雾高度和喷雾半径略有增大.壁面油膜质量受壁面倾角的影响，壁面倾角增大，油膜厚度减小. 5)壁面油膜随温度升高而减小.当壁面温度超过汽油的平均沸点温度460 K时，壁面基本没有油膜存在.
参考文献(References)
【相关文献】
［1］Shim Y S，Choi G M，Kim D J.Numerical and experimental study on hollow-cone
fuel spray of high-pressure swirl injector under high ambient pressure condition
［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2008，22:320-329.
［2］邓巍，何雄奎，丁为民.基于压力变量喷雾的雾化特性及其比较［J］.江苏大学学报:自然科学版，2009，30(6):545-548，563.Deng Wei，He Xiongkui，Ding Weimin.Characteristics and comparison of pressure-based variable spray［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2009，30(6):545-548，563.(in Chinese)
［3］Wang Xibin，Gao Jian，Jiang Deming，et al.Spray characteristics of high-prssure swirl injector fueled with methanol and ethanol［J］.Energy ＆ Fuels，2005，19:2394-2401.
［4］杨超珍，吴春笃，陈翠英，等.静电喷雾电晕充电特性研究［J］. 排灌机械，2008，
24(1):27-30.Yang Chaozhen，Wu Chundu，Chen Cuiying，et al.Characteristics of corona charging electrostatic spraying［J］.Drainage and Irrigation Machinery，2008，24(1):27-30.(in Chinese)
［5］Fan L，Li G，Han Z，et al.Modeling fuel preparation and stratified combustion in a gasoline direct injection engine［C］∥SAE Technical Paper A:SAE Publication Group，Paper Number:1999-01-0175.
［6］Kim H J，Suh H K，Park S H，et al.An experimental and numerical investigation of atomization characteristics of biodiesel，dimethyl ether，and biodiesel-ethanol blended fuel［J］.Energy ＆ Fuels，2008，22(3):2091-2098.
［7］Milton B E.Atomization of liquid droplets on surfaces exposed to moving shock waves ［J］.Shock Waves，2006，16:95-107.
［8］Lindagren R，Denbratt I.Influence of wall properties on the characteristics of a gasoline spray after wall impingement［C］∥ SAE Technical Paper A:SAE Publication Group，Paper Number:2004-01-1951.
［9］Huang Yiqun，Matthews R，Ellzey J.Effects of fuel volatility，load and speed on HC emissions due to piston wetting［C］∥SAE Technical Paper A:SAE Publication Group，Paper Number:2001-01-2024.
［10］Warey A，Huang Y Q，Matthews R，et al.Effects of piston wetting on size and mass of particulate matter emissionsin a DISI engine［C］∥SAE Technical Paper
A:SAE Publication Group，Paper Number:2002-01-1140.
［11］Giulio L，Daniele W.Theoretical and experimental analysis of spray flow and evaporation in sprinkler irrigation［J］.Irrigation and Drainage Systems，2004，18:155-166.
［12］李波，李云清，王德福.往复式汽油直喷发动机燃油喷雾特性研究［J］.航空动力学报，2010，25(8):1723-1727.Li Bo，Li Yunqing，Wang Defu.Study on fuel spray characteristics of gasoline direct injection reciprocating engine［J］.Journal of Aerospace Power，2010，
25(8):1723-1727.(in Chinese)
［13］Lee C H，Lee K H.Experimental study on macroscopic spray characteristics after impingement in a slit-type GDI injector［J］.International Journal of Automotive Technology，2008，9(3):373-380.。