缸內(nèi)直噴（GDI）汽油機(jī)具有油耗低、響應(yīng)快和空燃比控制精確等優(yōu)勢，應(yīng)用日趨廣泛。但是，GDI會出現(xiàn)燃油撞擊活塞表面形成油膜的現(xiàn)象，在后續(xù)燃燒過程中產(chǎn)生池火，進(jìn)而造成碳煙排放惡化、燃油經(jīng)濟(jì)性降低及未燃碳?xì)湓黾?。對活塞表面的油膜厚度分布進(jìn)行瞬態(tài)高速定量測試，獲取其隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律，對探索GDI 發(fā)動機(jī)的碳煙生成機(jī)理及優(yōu)化相應(yīng)燃燒過程具有重要意義。本期推文筆者在定容燃燒彈上，采用折射率匹配法（RIM）方法，獲取了不同燃油溫度下噴霧射流撞壁和油膜沉積等信息，探究了燃油溫度對噴霧結(jié)構(gòu)和附壁油膜生成特性的影響。

1、試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用的定容燃燒彈邊長為160 mm，有4個(gè)直徑為80 mm的圓形視窗，容彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，GDI噴油器被安裝在容彈頂部，在容彈側(cè)面安裝支架，石英玻璃固定在支架上，LED 燈帶纏繞于圓柱形石英玻璃側(cè)面，照亮石英玻璃表面。通過調(diào)整支架位置保證石英玻璃位于噴油器正下方，噴嘴與石英玻璃上表面相距為37 mm。采用氮?dú)庾鳛榄h(huán)境介質(zhì)，環(huán)境壓力維持在常壓為0.1 MPa。采用熱電偶監(jiān)控容彈內(nèi)環(huán)境溫度，在向容彈內(nèi)部充氣過程中，容彈內(nèi)環(huán)境溫度會略有上升，靜置一段時(shí)間后，待溫度達(dá)到(43±2) ℃即可開始試驗(yàn)。圖2為試驗(yàn)裝置示意，試驗(yàn)采用的高速相機(jī)為Phantom高速相機(jī)，拍攝速度為9 900 幅/s，曝光時(shí)間為10 μs，采用Sigma鏡頭，光圈為f/2.8，拍攝得到的圖像分辨率為512×512。一臺高速相機(jī)通過容彈下方45°反射鏡來獲取油膜沉積、發(fā)展和蒸發(fā)信息；使用一臺500W 鏑燈從容彈右側(cè)視窗照亮噴霧場，利用容彈左側(cè)的高速相機(jī)拍攝噴霧宏觀形態(tài)信息。


圖1 容彈內(nèi)結(jié)構(gòu)示意


圖2 試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)條件如表1所示，容彈內(nèi)溫度為(43±2)℃，壓力為0.1 MPa，采用5孔GDI噴油器，噴孔直徑為0.18 mm，長徑比為0.93，噴油脈寬為1.5 ms。正己烷對應(yīng)汽油中的中低沸點(diǎn)組分，且與汽油有更相近的閃沸特征，因而選用正己烷為試驗(yàn)燃油，噴油壓力為10 MPa，在10 MPa 下針閥全開、噴油器流量為8.01 g/s。利用容彈頂部的加熱系統(tǒng)，燃油溫度可控制在40～120 ℃。試驗(yàn)標(biāo)定燃油為異辛烷和十二烷。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

折射率匹配法（RIM）測試技術(shù)相關(guān)內(nèi)容詳見源文獻(xiàn)[1]。

2、結(jié)果分析

燃油溫度是影響燃油碰壁油膜厚度的關(guān)鍵因素之一。特別對多孔噴油器而言，在不同的燃油溫度下，噴霧可能發(fā)生閃沸，產(chǎn)生不同程度的坍塌，導(dǎo)致附壁油膜的體積、面積和厚度發(fā)生變化。對不同燃油溫度下附壁油膜的形態(tài)與厚度進(jìn)行分析。

2.1 噴霧形態(tài)分析

不同燃油溫度可直接影響噴霧形態(tài)與附壁油膜形態(tài)，圖3為不同燃油溫度下噴霧圖像示意。當(dāng)燃油溫度從40 ℃增加到80 ℃時(shí)，可以從噴霧圖像中看到清晰的獨(dú)立霧束；燃油溫度升高至90 ℃，噴霧在噴嘴出口處明顯坍塌，出現(xiàn)了閃沸的典型噴霧現(xiàn)象；隨著燃油溫度繼續(xù)升高，5 束燃油最終完全坍塌。閃沸引起的坍塌已經(jīng)被廣泛研究，原因歸結(jié)為在噴嘴出口處形成了封閉的低壓區(qū)。離開噴嘴的燃油發(fā)生閃沸而劇烈霧化，油束在噴嘴出口處膨脹且寬度增加，多個(gè)油束重疊阻礙油束間的氣體與外界交換，導(dǎo)致內(nèi)部的壓降無法得到補(bǔ)償，低壓區(qū)形成。在環(huán)境壓力的作用下油束逐漸聚合，直至完全坍塌。


圖3 不同燃油溫度下噴霧圖像示意

2.2 附壁油膜形態(tài)分析

燃油溫度也直接影響附壁油膜的形態(tài)。圖4為油膜面積最大時(shí)刻的油膜厚度偽彩。燃油溫度較低，每個(gè)噴孔處的油束在壁面形成獨(dú)立油膜；隨著燃油溫度升高，閃沸越來越劇烈，發(fā)生坍塌現(xiàn)象，獨(dú)立的油束合并成一個(gè)油束，油膜逐漸向中心聚合，最終形成一片完整的油膜。當(dāng)燃油溫度從40 ℃升至70 ℃，閃沸現(xiàn)象未發(fā)生，油束之間幾乎無相互作用，因而在壁面上留下各自獨(dú)立的油膜，溫度低、燃油厚度較大。隨著燃油溫度增加到80 ℃，油膜明顯變薄，在噴霧圖像中可以看出霧束的直徑明顯增加，因?yàn)?0 ℃時(shí)過熱度Rp為1.43，閃沸現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)生，閃沸極大促進(jìn)了燃油的霧化與噴霧液滴的蒸發(fā)。從90 ℃升至120 ℃，噴霧的閃沸程度增加，油束間的相互作用力越來越強(qiáng)，不同油束向中心聚合，最終坍塌成一束噴霧霧柱，在壁面形成一片完整的油膜。溫度越高坍塌程度越高，壁面油膜形狀越圓潤、厚度越大。


圖4 不同燃油溫度下油膜厚度偽彩

2.3 附壁油膜厚度分布

為了定量分析圖4所示的燃油厚度分布，取燃油溫度為50、80 和120 ℃，將附壁油膜的厚度按從小到大排列成柱狀如圖5所示。當(dāng)燃油溫度為50 ℃時(shí)，油膜超過1.0 μm 的燃油所占比例不足25%，因?yàn)樵?0℃時(shí)燃油未發(fā)生坍塌，壁面形成5束獨(dú)立油膜，油膜體積大、厚度高。當(dāng)燃油溫度升高至80 ℃時(shí)，不同厚度油膜所占比例均勻，未形成壁面厚度過大的燃油。在80℃時(shí)，燃油的過熱度Rp為1.43，噴霧閃沸已經(jīng)發(fā)生，極大促進(jìn)了燃油液滴的破碎與霧束蒸發(fā)；同時(shí)該過熱度又不能有效誘發(fā)坍塌，因而薄油膜的比例增加。當(dāng)燃油溫度升至120 ℃，低厚度區(qū)域占比減小，厚油膜占比激增，1.0 μm以上的油膜厚度占比遠(yuǎn)大于35%。這主要?dú)w于過熱度提高引起的噴霧坍塌所導(dǎo)致，形成了一束噴霧射流，各噴孔噴射的燃油撞擊到相同的區(qū)域，形成較為集中的油膜。


圖5 不同燃油溫度下附壁油膜厚度概率分布

2.4 附壁油膜體積變化

圖6展示了燃油溫度為50、80 和120 ℃下附壁油膜體積隨時(shí)間的變化。噴霧撞壁后油膜體積迅速增加，達(dá)到最大油膜體積后再緩慢蒸發(fā)。在50 ℃下，噴霧未發(fā)生閃沸，大量未霧化的液相燃油撞擊壁面，附壁燃油體積大、厚度高，高厚度油膜抑制了附壁油膜蒸發(fā)，且此溫度下燃油溫度低，因而油膜蒸發(fā)速度較慢；燃油溫度為80 ℃時(shí)，噴霧發(fā)生閃沸，與燃油溫度為50 ℃的工況相比，部分燃油在附壁前就已霧化，附壁燃油體積小、油膜薄；在120 ℃下，噴霧劇烈閃沸，燃油霧化程度極高，大部分燃油在附壁前就已經(jīng)蒸發(fā)，但霧束發(fā)生坍塌，附壁燃油面積小，壁面油膜厚度大，高燃油溫度下的蒸發(fā)速度反而極慢。


圖6 附壁油膜體積隨時(shí)間變化

3、結(jié)論

本文研究使用了折射率匹配法對附壁油膜的形態(tài)、體積與厚度進(jìn)行測量與分析，在環(huán)境壓力為0.1 MPa時(shí)不同的燃油溫度對燃油碰壁過程的影響。

(1) 在低燃油溫度區(qū)間，噴霧未發(fā)生閃沸，噴霧霧束互不影響，在壁面上可形成各自獨(dú)立的小油膜，且低溫區(qū)間內(nèi)油膜厚度變化不大，蒸發(fā)速度較慢。

(2) 隨燃油溫度增加至80 ℃以上，過熱度大于1，噴霧閃沸發(fā)生，燃油霧化增強(qiáng)，且隨溫度升高燃油分子更活躍，因而油膜體積降低。

(3) 高燃油溫度下，噴霧過熱度升高，霧束向中心聚攏，直至形成一束霧柱，附壁油膜也隨之向壁面中心聚合，直至形成一片完整的圓形油膜且油膜體積減?。浑S溫度升高，厚油膜所占比例增加，過熱度越高，噴霧坍塌程度越高，油膜邊界越圓滑。



文獻(xiàn)來源

[1]何 旭,劉 聰,李彥凱,等.基于折射率匹配法GDI發(fā)動機(jī)附壁油膜特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2021,(03):233-240.