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0 前言

直接喷射系统中喷油器的深入开发是汽车零部件供应商目前正在进行的工作。降低油耗、提升性能，以及进一步限制有害物质排放是开发工作的主要目标。为了满足未来的排放法规，需要理解发动机从燃油喷射开始直到有害物质生成的整个反应链。在前期研究中介绍了喷嘴几何形状对碳烟表现的影响潜力，尤其是颗粒数(PN)。除了几何特性，也介绍了多种喷雾测试技术，这些技术有助于理解出现在现代直接喷射点燃(DISI)式发动机上的物理现象。另外，对喷嘴前端湿壁的近场成像技术在前期的前端湿壁研究中进行了详细的讨论。基于前期论文的研究和前端湿壁可能发生在喷射期间和喷射后的结论，本文重点介绍了更多的降低前端湿壁从而减少喷嘴前端的碳烟沉积物的重要特性。采用3种测试技术阐明喷射期间和喷射后的流动现象，以此来更进一步完善从喷射到前端碳烟生产的整个反应链。

1 测试技术

除了发动机和汽车的性能与有害物质关系的排放试验，喷油器布局的流体机械特性可以单独地进行部分测试。通常在光学喷雾室利用米氏(Mie)散射或者阴影成像技术研究喷雾。部分情况下使用类发动机工况获得一种特定喷油器布局喷射质量的额外信息。本文中使用的第一种测试技术是阴影成像技术。采用1个快速的发光二极管(LED)矩阵(6×5 in*为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。)与带有高光接口的喷雾室和1个高速摄像机(Photron Fastcam SA-Z)集成。由于LED矩阵巨大，喷雾被喷雾室的背面均匀照亮(图1)。

图1 采用喷雾室和阴影成像技术实现喷雾特性宏观可见的原理图

喷雾室中包含液丝和液滴喷雾区域的每个点都及时地在CCD芯片上生成对应的暗区。喷雾特性与时间和空间有关。本文中只使用标准边界条件(pback=1 个大气压，psys=20 MPa)来获得布局，以便使用深入的测试技术研究。本文使用高速摄像机的主要优点是记录一系列图像时，减少了每次喷射的测试时间。

第二种测试技术是高速纹影技术。这种技术再次用到喷雾室和快速LED矩阵。光的一部分被光学透镜收集并在小孔上进行聚焦。在更下游端，光束被校准到能照亮喷嘴前端近场的尺寸。光束在喷雾室中以不同的折射率被部分折射。喷雾室中大部分均质折射率的变化主要是由燃油喷雾或温度梯度引起的。如此一来，一部分光被纹影切断光栅(刀片)所折射和阻挡(图2)。 剩下的光被高速摄像机记录下来。阴影成像技术只能描绘液体燃油喷雾特性的差异，而纹影成像技术可以解决在折射率上表现出的微小差异，甚至稀释喷雾蒸发阶段也能被记录。本文分析了喷射后的喷雾特性，出现在喷嘴和喷孔死点体积的液态燃油在针阀已经关闭时以蒸气释放。这种特性随着不同的喷嘴布局和边界条件存在着差异。

图2 喷射后测试喷嘴附近蒸气释放的高速纹影技术装置

相比于喷雾的简单检测，获得喷嘴内部流动信息是1项极具挑战性的工作，因为阀体是金属的，不能使用光学方法看到其内部。然而，可以通过其他方法获得喷嘴内部流动信息。使用透明喷嘴是一种可行的方法，这种方法在研究和开发中经常用到。另外一种方法是通过计算流体动力学(CFD)进行仿真。还有一种可以在不同条件下测试喷嘴流量用于评价喷嘴布局可靠性的方法，被称为液压变化分析(HDA)技术(图3)。

图3 采用包含回油阀的HDA装置和测试技术原理图

这种技术基于喷油器流量，随着背压的变化而变化。这种装置包含1个充满正庚烷的定容器。喷射燃油与定容器中的燃油相同。喷射时定容器内的燃油压力增大。压力增大的多少取决于所用测试液体的压缩率。压缩率、密度和温度对测试结果会产生负面影响，但是测试声速可以解决这个问题。随着介质方程可以被忽略，允许使用不同的测试燃油。

为了对比实际质量流量特性和无损流量特性，与压力有关的实际流量与基于伯努利定律的流量趋势进行了对比，见式(1)。

(1)

本文中提出的相对质量流量，其与cD、A和ρD无关，是将绝对质量流量转化到pHDA=0.6 MPa时的绝对质量流量，见式(2)。

(2)

为了有高的统计可靠性，对于每个测试点重复测试50次。HDA装置使用另外1个喷油器作为回油阀。如此一来，虽然测试时间大约为喷射持续期的两倍，大量的单独测试可以在接受的测试时间内实现。喷射持续期设定为3 ms。压力pHDA和psys都为静态压力，这是研究前预定义的。

1.1 喷射和喷嘴设计的物理背景

影响喷射量的主要因素有：(1)系统压力；(2)实际背压；(3)喷嘴布局；(4)喷油器损失；(5)喷射持续期包括开启和关闭持续期。

使用HDA方法时，每次喷射的质量流量和总的喷射量都可以进行测试。本文的初步研究调查了不同的评价方法以获得平均流量，这是喷嘴对比所必需的。图4示出了1个典型的喷射曲线，其结合了不同的平均化过程以确定某个指定工况点的质量流量。第一个(手动)是在压力波动处于最小水平后进行平均。图中的数据表明这是近似真实的质量流量，然而，手动平均的过程只采用了较短的时间片断。第二个(简单平均)是相对简单的方法，只使用HDA电子技术评价装置测试的开启和关闭信号作为边界。质量流量通过总喷射量划分到开启和关闭信号之间的时间段计算(图4中红色虚线之间部分的积分)。尽管对较短的喷射持续期内流量略有低估，但是更倾向于采用简单的时间平均评估方法。其中，喷油器类型相同，所有展示的测试结果保持恒定偏差。此外，采用3 ms的较长喷射持续期。开启和关闭的持续期(两者都为0.2～0.4 ms)与恒定的喷油时期相比是较短的。所有的布局都基于相同的动态功能，从而有相同的开启和关闭特性。接下来只深入分析平均质量流量。另外，绝对平均质量流量是被转化到pHDA=0.6 MPa时测试的质量流量，见式(3)。

(3)

如此一来，得到了测试的相对质量流量和计算的相对质量流量(式(2))的对比。尽管在短的喷射持续期内流量和喷射量略有低估，但是更倾向于采用简单的时间平均评估方法。

图4 某个指定布局和背压下的单个质量流量测试的两种不同评价方法的对比

与背压有关的质量流量包含了喷嘴布局的空化趋势有关的信息。为了展示这一影响，图5示出了不同背压和恒定喷孔直径下定性的与空化有关的流量特性分类。喷孔直径恒定，具有较高初始液态燃油体积分数(较低的背压)的喷嘴有较高的质量流量。在理想的装置中类似于伯努利定律的质量流量显示了无损的表现。图中暗示的基于伯努利方程的无损流量与无空化但有损耗流量之间的微小差异，表明了由于质量流量的绝对量的缩放效应带来的流量损耗(如在喷油器中的损耗)。

图5 不同背压和恒定喷孔直径下定性的与空化有关的流量特性分类示意图

质量流量通常取决于液态燃油体积分数。然而，不同布局的液态燃油体积分数的差异通过不同的喷孔直径弥补，使文中所有的布局在环境背压下都获得恒定的名义质量流量。

流量特性取决于背压可以分为3个不同的区域进行解释。在区域1中“期望的特性”趋势依据自然规律与空化控制喷射特性对应(图5)。如果各自喷射到液态中则更精确地称为流动，喷雾表现出基于永久空化的自由射流。因此，背压的适度增加不会导致流量的减少。与基于伯努利定律的流动相比，有损耗的无空化流动会表现出微小的偏差。区域2示出了局部和临时出现的空化特性特性。背压越高，流量越小。区域3代表了空化随着背压的进一步提高也得到进一步抑制。因此，实际期望的特性也逐渐表现出与有损耗的无空化相同的趋势。对于更高的背压，稳态压力则高于蒸发压力。最后，燃油系统压力等于背压，从而测不到流量。

一般来说，实际流量和基于伯努利定律的理论流量之间的差异提供了预测喷嘴喷孔空化趋势的潜力，然而，典型的流量都适应于环境背压。因此，典型环境背压下空化程度较低的布局需要较小的喷孔直径。本文中研究的所有喷嘴布局在环境压力下的流量都保持为恒定。与图5中的模型概念示意图相比，对于所有的布局，3种流动类型的质量流量通过调整喷孔直径在最小背压(1个标准大气压)下达到相同的质量流量。

图5示出了恒定燃油压力、不同背压下的不同流量表现。为了对比不同布局的空化趋势，与图5中的示意图特性相比，图6展示了相对函数。文中每个布局的实际流量特性和相对伯努利函数之间的差异用相对空化数(rel.CN)表示。rel.CN描述的是上述函数之间的区域。

这种方法的优点是对于所有布局图，图5中期望的特性并不经常出现，这是因为单个喷孔的倾角不同。每种单个喷孔的自由射流特性末段不同，测试的空化依赖代表所有喷孔。对比rel.CN值的方法在重复性方面具有较好的可靠性。为了评价测试rel.CN的精确性，对于相同的喷油器在相同的条件下进行重复测试。如图6所示，测试系列1和系列2之间的绝对差异值Δrel.CN=1.6。这对于平均值rel.CN=39.9的相对偏差是±2%。

除了其他效果外，空化趋势(用空化数rel.CN量化表达)可能有其重要性，因为空化趋势会影响喷孔内的质量和速度分布。喷孔出口的这些动量分布可能影响初次破碎，从而部分影响更下游的宏观喷雾特性。除了喷雾特性，假设动量分布可能影响前端湿壁，因为速度径向分量可能在预孔出口碰壁。本文中的模型概念是当喷雾油束太低，更高的燃油体积分数可能在燃烧过程中和燃烧过程后继续留在喷嘴前端，最后形成碳烟沉积。因此，假如动量分布太广，喷雾可能以不理想的方式碰到前端，以至于预孔周边的湿壁面积相当大(图7)。这种影响会随着边界条件的不同而不同，尤其是对闪急沸腾边界条件时的影响特别大。然而，前端湿壁的影响未被完全理解且正在被研究。一种应对严重前端湿壁的补救方法是改变预孔设计以影响喷雾的动量分布。

图7 基本喷嘴设计的一般流动趋势及喷嘴近场喷雾特性示意图

通过几何迭代可以使空气卷吸趋于稳定。假设前端的液丝和液滴会再次进入喷雾区域，这样可以减轻湿壁效应。在这种情况下，喷孔和预喷孔两者共同影响混合物的生成。除了喷孔和预喷孔几何形状，喷嘴和喷油器的几何特性也会影响前端湿壁和喷雾特性。作为降低PN及控制喷雾特性可能性的一种方法，本文试图改变空化趋势。使用rel.CN对比不同的喷嘴布局，之后部分喷嘴布局用于PN排放特性的研究。本文只展示了降低PN和控制喷雾特性可能性的一小部分，同时几何特性和热力学的相互作用可能进一步影响碳烟特性。接下来改变喷孔锥角及喷孔长度。为了实现这些几何形状，按照图8更改了阀座。本文中使用的短和长的喷孔都带有预喷孔。最大喷孔长度通过取消预喷孔来实现，不同的喷孔锥角也相应地进行了改变。

图8 使用的喷孔和预喷孔布局几何形状

2 讨论

为了达到更低的PN值，前端湿壁和喷雾特性都需要予以考虑。在阴影成像技术预选的布局中，提取了需要进一步优化的布局。

2.1 宏观喷雾特性

为了在喷嘴前端获得低的前端湿壁和稳定的卷吸，在使用的标准质量流量、环境条件下改变了喷孔长度和预喷孔直径。本文展示的4种不同喷嘴几何形状的模型只是整个设计迭代过程的一小部分，设计迭代的目的是获得最优的喷雾特性和发动机性能。通过对比表明，在环境压力和温度下4种模型的喷雾已经表现出了非常大的不同。对于某个指定发动机的基本设计主要对喷雾贯穿距离进行了优化(图9)。然而，PN的优化步骤不应当影响喷雾质量。如此一来，使用的布局需要表现出足够好的喷雾特性。图9示出了4种不同喷嘴布局的宏观喷雾特性。每个布局单次喷射的25张图片中的中间图片以倒置的插图展示。喷射电控开始的时间点保持恒定，所有布局的质量流量也保持恒定。这些布局的质量总量相同，分布却大不相同。

图9 4种不同喷嘴布局在恒定喷射开始时间点的单次喷射时的中间图片

对于基本设计喷雾前端和外围喷雾油束区域出现一定的稀释，较窄和极窄的预喷孔型式喷油器出现的喷雾油束非常纤细和密集。简单地减小预喷孔直径可能会带来更纤细的油束(图9)。对于单个图像这些差异也是有效的。

极窄的阶梯孔的范例模型展示了几何形状的限制，同时燃油质量没有大范围扩散。如此一来，在这种情况下燃油动量分布太紧凑，可能形成碰壁并可能产生不理想的湿壁。折中的方式是利用窄预喷孔来改善前端湿壁带来的PN排放，但又不能太纤细，以避免活塞和缸套的湿壁。然而，就喷雾破碎和高度雾化来讲，一种优化的深且窄的设计(几何迭代)达到了类似的强化喷雾质量，从而在不同的边界条件下潜在的快速气化和有效地生成混合物。这和描述的阶梯孔几何形状的限制相反。这些考虑只适用于合理布局的预选以便使用空化趋势进行实际对比。

展示布局的喷雾特性取决于发动机或燃烧室的热力学边界条件，燃油压力和油束/气体和油束/油束相互影响。然而，喷嘴内部流动也会影响宏观喷雾。布局中的大部分都表现出了可以接受的喷雾特性(基于深且窄布局)，对这些布局的内部流动特性进行分析。

2.2 喷孔锥角对空化趋势的影响

空化趋势首先对比测试的是3种不同喷孔锥角，在参考条件下使用相同的质量流量。然而，基于相对伯努利函数流动，3种布局的实际直径是不同的(图10)。

图10 对于不同喷孔锥角下相对流量—背压的对比

很明显，喷孔锥角影响空化趋势，即与低收敛和圆柱形喷孔相比，高度收敛的喷孔锥角更能抑制空化。表1更进一步表明了在相对空化数方面的差异。在此对比中使用的所有布局中相对空化数不同主要是因为喷油器损失。假设当喷孔进口直径稍微变大，喷嘴内的流动更容易改变方向。原因之一可能是喷嘴附壁液体分离的限制(喷孔入口处)变小。在这种情况下，喷孔长度的更大部分可能会引导液体流向喷孔出口。

表1 不带预孔喷嘴布局的不同锥角的对比

2.3 喷孔长度对空化趋势的影响

第二种几何形状的对比是喷孔长度。对3种不同喷嘴喷孔长度进行试验，本文的研究中最长的喷孔设计成不带预喷孔，这允许了喷孔长度可以达到非常长。

图11 带预孔和不带预孔不同喷嘴布局的对比

对比中，喷孔的基本布局稍微收敛但保持恒定。通过对比发现，短的喷孔具有最高的空化趋势，其次是长度居中的喷孔。最长喷孔表现了最小的相对空化数(表2)。因此，在空化趋势方面喷孔长度也起着重要作用，增加喷孔长度相对空化数的偏差近似合理。因此，喷孔长度的增加简化了燃油方向改变的情况。对于收敛喷孔，初次破碎的开始似乎是受到长度抑制的。

表2 带预孔和不带预孔不同喷嘴布局的对比

由图12所示，空化影响因素差异非常大。总体上可以认为通过加长喷孔能够简单地获得较小的相对空化数。然而，研究发现两种包络函数的重叠超过50%。因此，也可能通过短喷孔布局获得低空化喷射。表3展示了更短和更长喷孔各自的最小和最大相对空化数。

图12 大量带预喷孔和不带预喷孔布局的相对流量特性与相对伯努利函数特性的对比

表3 大量布局带预孔和不带预孔的喷孔布局的对比

对于长和短喷孔都能够很有效地抑制空化。喷孔长度和锥角只是众多影响空化趋势几何特性中的其中两个因素。空化趋势只是评价影响发动机碳烟特性的方法之一。基于所有热力学表现和发动机几何形状，由于空化引导喷射通常带来有效的初次破碎，这种效应也会导致不理想的PN特性。

2.4 定性PN值和空化趋势的对比

如图13所示，空化趋势与PN值也有关。图中一部分喷嘴布局的相对空化数与内部研发发动机的PN值进行对比。平均负荷扫描中PN值用数字表示，平均有效制动压力(BMEP)从0.5～1.5 MPa，其中1代表低PN值(<1×105/cm3)，10代表最大PN值(>2×106/cm3)，这可以从没有优化的布局中找到。发动机运行在转速2 000 r/min，按照前期的研究对喷油器运行初始结焦程序。

图13 定性PN(1代表低，10代表高)和空化趋势(相对空化数)的对比

将基本设计与4种不同布局进行对比，5种布局提前用HDA进行测试。这些展示的布局表现出了相对空化数和PN特性之间合理的相关性。由于相对空化数的比例与PN定性数值相匹配，方案1布局表现了非常好的相关性。该优化步骤可以归于较低的空化趋势。对于方案2的布局，其布局的PN值小于基本设计布局，相对空化数却非常高。形成这种效果的原因可以归于新评价技术只适用于相似的多孔布局。喷嘴内部流动差异越大，这种技术就越不能用于布局之间的决策。方案3和方案4表现出了很好的相关性，对于方案4，PN略微地高估了相对空化数。

从图13可以看出，最低的定性PN值大概为2，最低的PN结果没有展示，因为本研究中只提取了整个影响几何特性中的一部分进行了描述。对于现代直接喷射点燃式发动机，除了空化趋势，更多的特性需要予以考虑以达到低的喷嘴前端沉积，从而达到低的PN值。最优的布局取决于各自的发动机和其热力学特性。为了达到低的PN值，喷油器和喷嘴需要根据各自的发动机进行调整以获得最好的性能(表4)。

表4 用于发动机PN排放和HDA空化趋势

2.5 优化的喷嘴布局喷射结束后喷嘴前端气化的对比

图14展示了空化趋势和喷雾特性之间的最后交叉对比。为此使用最初展示的纹影技术装置来分析喷射结束后的喷嘴近场气化“溃灭”。除了在前期的研究中展示的长焦显微测试技术，纹影技术是另外一种分析前端湿壁的技术。喷嘴前端残留的燃油量取决于等相喷射的湿壁程度、喷嘴关闭时的湿壁和主喷雾的剩余动量，这就使主喷雾会夹带燃油气尾。

图14 高空化趋势布局(a)和低相对空化数布局(b)的对比

当其离开喷嘴前端时，所有低空化趋势的喷嘴布局表现了比较大的纹影气化射流。这在喷射结束时更加明显。发现气化射流在尺寸和分布，尤其是长度方面展示了相似的特性。低空化布局展示了比较纤细的气化油束。高空化布局展示了气化油束比较短的破碎长度，同时高空化布局似乎没有导向性。更短的气化油束看起来是小范围的，这可能再次产生较好的PN特性，其取决于发动机的气流运动和热力学。同时，为了研究喷嘴前端湿壁的气化“溃灭”原理，研究人员与相关物理学家进行了下一阶段的合作。

3 结语

本文展示了喷油器喷嘴的设计与迭代过程。这些布局是对PN优化过程的提取。本文展示了两种光学喷雾测试技术，即阴影成像技术和纹影成像技术。这两种技术都能在传递喷雾特性方面显示喷嘴特性差异方面的信息。在初选布局时使用阴影成像技术，相对于光学测试，展示了HDA技术，其作为液压喷雾测试的可能性，可以获得相应喷嘴内部流动特性。为了获得这种内部流动信息，开发了一种新的评价流程并进行了详细的展示。引进了1个分类数(相对空化数)来增强不同喷嘴布局的可比性。

用空化趋势对6种不同喷嘴布局进行了评价。为此特别研究了不同喷孔长度、喷孔锥角代表的喷孔形状。研究表明，喷孔长度越长，空化趋势越低，对于喷孔锥角也有同样的趋势。高度收敛喷孔的喷嘴展示了低的空化趋势，因而有高的喷孔填充度。另外利用空化数分析了5种布局，并使用相同喷油器布局对比了PN值，研究了相关性。然而，5种布局中有种布局显示了相反的结果。这种特性的反常可能源于喷嘴设计，因为相比于剩下的其他布局，不同布局采用了不同的内部流动几何形状。因此，空化趋势方法只能用于相似布局之间的相对比较。

采用纹影成像方法用来描述喷射结束后的气化“溃灭”，以此来完善内部流动时空化特性差异。纹影技术可见的气化产生于喷油孔，以及喷嘴孔和预喷孔的死角。低空化趋势的布局具有小的气化射流破碎长度相比于较高空化喷嘴的快速溃灭的微观油束较长的共性。但这种特性需要在后续研究中详细观察。

最后，本文中发现的流动特性只能区别相似的喷嘴布局，因为喷嘴和喷油器的很多几何特性都影响喷雾和前端湿壁特性。因此，对于未来高效直接喷射点燃式发动机，要改变喷嘴布局来适应不同的发动机以获得相对较高的动力性能。