打开文本图片集

摘 要：为了研究燃油温度对GDI喷油器喷雾的影响，建立了喷油器喷雾特性的数学模型，并利用流体分析软件FLUENT在不同边界条件下对其孔内流动特性的影响。当燃油温度升高时，空穴现象更加明显；以及对喷雾形态、喷雾贯穿距、喷雾平均索特直径及喷雾锥角进行数值模拟研究，并通过试验来验证其喷雾特性。结果表明，数值模拟结果与试验结果相吻合，当燃油温度升高时，喷雾雾化效果提升不明显，喷雾贯穿距减小，索特平均直径减小，喷雾近场锥角增大，远场锥角减小。

关键词：GDI喷油器；孔内流动；喷雾特性；数值模拟

中图分类号：TK421.5 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）01-0029-06

Abstract： In order to research the influence of fuel temperature on the GDI injector spray， and the flow characteristics of the hole under different boundary conditions are analyzed by using fluid analysis software FLUENT. The cavitation phenomenon is more obvious when the fuel temperature increases. The morphology of spray， spray penetration， spray Sauter mean diameter and spray cone angle is studied by numerical simulation through the experiment to verify. The results show that the numerical simulation result and the experimental result is consistent， when the fuel temperature increases and the spray atomization effect is not obvious ascension. The spray penetration decreases， Sauter mean diameter decreases and the spray cone angle increases with the increase of the near field and the decrease of far field cone angle.

Key Words： GDI injector； internal flow； spray characteristics； numerical simulation

1 概述

随着汽车工业的不断发展，GDI喷油器相比与进气道式喷油器具有诸多优点，现已成为研究的热点。GDI喷油器其喷雾特性直接影响燃油在气缸内分布，因而影响发动机的燃烧效率，以及有害物的排放[1-3]。由于影响GDI喷油器喷雾特性的影响参数较多，国内外学者对其进行了大量的研究。Keiya Nishida[4]等人利用激光吸收散射技术研究了双孔喷射夹角对喷雾贯穿距离和锥角的影响，得到了不同温度及压力状态下的喷雾液相及气相分布特性；Ronald O.Grover[5]对喷孔的形状进行改进设计，并对其内部流动与喷雾进行数值仿真与实验研究；Hiroyuki Kano[6-8]等人根据其他研究结果提出新的GDI喷油器喷雾的物理和数学模型，并通过实验手段进行验证，在该理论基础上对喷油器机构进行了优化。

本文以某款6孔GDI喷油器为例，根据建立喷油器孔内流动及喷雾特性的数学模型，在FLUENT仿真软件中建立GDI喷油器三维仿真模型，针对不同燃油温度对喷油器孔内流动及喷雾特性进行仿真分析；此外，搭建GDI喷油器定容测试台架，可以综合地研究燃油温度对喷油器性能的影响，为GDI汽油机燃烧系统的开发以及喷油器性能的优化设计提供理论指导，也可为GDI喷油器在热-流耦合方面性能预测提供一定的理论基础。

2 GDI喷油器测试系统

2.1 喷雾型态测试系统

GDI多孔喷油器性能测试系统如图1所示。GDI多孔喷油器喷雾型态系统主要由高速数码摄像机、喷油器驱动仪、定容弹、弧光灯和恒温油箱等组成。利用高压氮气瓶为系统提供所需燃油喷射压力，最大压力可达13 Mpa。高速摄影系统则由高速摄像机以及提供背景光源的弧光灯组成。

2.2 喷雾粒径测试系统

测试喷雾粒径大小时，则采用激光粒度仪进行实验。主要由激光器、扩束透镜与接收透镜、空间滤波器以及光电探测器等部件组成。激光发生器先发出光束，经过空间滤波器的光在扩束透镜的作用下变成一束平行单色光。平行光通过测量区喷雾场时，在喷雾颗粒的作用下会产生散射现象。此时，接收透镜就会采集散射出来的具有相同方向的光束。光电探测器可将散射光能量转换为电信号，经过放大和模数转换后送入计算机，利用软件即可计算出被测颗粒的尺寸分布、平均粒径以及颗粒浓度等[9]，系统原理图见图2。

2.3 喷雾锥角测试系统

本文测试喷雾角采用的是图像处理技术，其测试原理如图3所示。喷油器喷油时，由CCD摄像机将对喷雾场进行拍摄，保存为BMP格式图片，然后对所拍摄的图片进行特殊处理，从而计算出喷雾角度。两束平行激光束向摄像头发出红光，若触碰到喷雾场中的油滴时，摄像头即可辨别出红光，没有油雾的区域则摄像头不接收光线，从而能保证摄像头拍摄到油雾的准确形状。

3 GDI喷油器喷雾模型的建立及验证

3.1 网格划分及边界条件

本文利用三维软件建立实体模型后，将模型导入ICEM，对该模型进行网格的划分。如图4为球阀流道网格模型，网格采用非结构的六面体网格模型，对喷孔及球阀间隙处进行精细化处理，用以保证计算的准确性，总网格数量为84万左右。为了计算瞬态喷雾特性，球阀间隙处进行动网格划分，并且以实际仿真计算的球阀位移曲线作为仿真计算的运动边界条件。

3.2 模型验证

不同时刻的喷油速率与喷雾特性直接相关，故在进行喷雾数值模拟前，需要对GDI喷油器的燃油喷射规律进行实验分析验证，实验参数如表1所示。图5为喷油规律图，由图可知，喷油时间极短，在2 ms时喷油速率达到最高且趋于平稳，后文的数值模拟与喷雾实验也将在0～3 ms的喷雾时间内进行研究。

为了准确分析内部流动特性与喷雾特性之间的关系，需要对喷雾模型进行验证。由于喷雾锥角和贯穿距离对油束在燃烧室中的空间分布影响很大，而粒径大小则是评价雾化效果的一个重要指标，故选择喷雾形态、贯穿距离、索特平均直径等三个参数作为验证内容。

为了验证喷雾模型的准确性，利用高速摄影对不同时刻的喷雾形态进行了拍摄，并将仿真结果与之进行对比研究。如图6所示为喷雾形态实验与数值模拟的对比结果，由图可知，采用仿真计算的喷雾形态与实验的测试结果基本一致，说明该仿真算法具有可行性，图中所示h1为喷雾贯穿距，定义为喷油器到喷雾最远端的距离；θ1 为近场喷雾锥角，即离喷孔最近端的喷雾角；θ2 为远场喷雾锥角，即喷雾两侧边缘切线的夹角。图7、8是将贯穿距离和索特平均直径大小的数值模拟和实验进行对比，通过比较可见数值模拟和实验结果接近。图9为近场喷雾锥角和远场喷雾锥角的实验结果和数值模拟结果对比。综上所述，喷雾形态在宏观及微观的数值模拟上与实验结果较一致，此喷雾模型可以作为变参数的数值模拟基础。

4 GDI喷油器工作过程数值模拟

4. 1 温度对燃油物性参数影响

由于GDI喷油器本体温度的升高，造成喷油器内燃油的吸热量增加，燃油温度的升高，当温度升高时，粘度降低使得雷诺数升高，流体流动特性也发生改变。

温度与燃油的饱和蒸汽压成正相关关系，进而影响燃油的空化数，即影响燃油流动过程中空穴的形成和发展。

4. 2 喷孔内部流动过程数值模拟

内部流动的数值模拟边界条件采用常用的湍流时均流的雷诺方程对喷孔内部流动过程进行数值模拟，其中包括动量、质量以及总焓的守恒方程。

为了研究喷孔内燃油流动的变化规律，对燃油设定压力为10 MPa，喷油脉宽为3 ms，燃油温度分别为20 ℃、50 ℃、80 ℃、110 ℃，GDI喷油器工作球阀最大升程时的空穴现象进行了仿真分析，图10为z=0截面上以及不同油温下六个喷孔的气相体积分数。

由图10可知， GDI喷油器内部燃油温度越高，气相体积分数越大，空穴现象越明显。当燃油温度20 ℃时，喷孔截面的空穴现象并不十分明显；当油温达到50 ℃时，喷孔截面的空穴现象明显加强，气泡区域从而扩大；当油温达到110 ℃时，喷油器内部气泡已经充斥了几乎整个喷孔。由仿真结果可知，GDI喷油器燃油温度的升高，使得燃油的饱和蒸汽压上升，表面张力下降，从而造成空穴现象更加明显。

4. 3 喷油器喷雾特性数值模拟

喷雾特性的数值模拟边界调节采用喷雾仿真采用拉格朗日离散液滴法，喷油器入口采用不同工作与结构参数下喷孔出口的质量流量；出口边界为燃烧室内气体压力数据作为边界条件。

与研究喷孔内部流动边界相同，分别研究燃油温度为20 ℃、50 ℃、80 ℃和110 ℃时GDI喷油器不同时刻的喷雾形态和索特平均直径（SMD）。

由图11可知，随着GDI喷油器内部燃油温度的上升，燃油的喷雾贯穿距离有缩短的趋势，喷雾角度有增大的趋势，喷雾颗粒直径减小。其主要原因是随着GDI喷油器内部燃油温度升高，喷孔内空穴现象和湍流强度加强，燃油沿喷孔径向方向的速度加快，造成燃油出口轴向流速的下降，油滴的内能增加，蒸发作用加强，因此喷雾贯穿距离缩短，喷雾近场锥角增大，远场锥角减小，喷雾颗粒直径减小，如图12、13、14所示。

5 试验验证

图15为不同燃油温度对喷雾形态试验测试，试验条件与数值模拟条件一致，可以看出随着喷雾径向的发展，喷雾前端与空气的接触面积不断增大，与环境气体之间的相互作用导致喷雾自身动量减弱，贯穿速度降低。随着GDI喷油器内部燃油温度升高，喷雾贯穿距离逐渐缩短，燃油雾化效果增强。燃油温度110 ℃时，与燃油温度20 ℃时相比，喷雾贯穿距离明显变小，因为此时喷雾前端出现了大尺度的涡旋结构，将喷雾前端的油滴向上卷吸，从而减弱了向前贯穿的动量。喷雾近场的角度随着燃油温度的升高而增大，喷雾远场的锥角随温度升高而降低。由此可见，燃油温度对GDI喷油器影响的数值模拟结果与试验相吻合。

6 结论

（1） 通过计算流体力学的计算分析，研究了不同燃油温度下对GDI喷油器喷孔内流动和喷雾特性的影响。研究表明，GDI喷油器内部燃油温度越高，气相体积分数越大，空穴现象越明显，使得燃油沿喷口径向方向速度加快，造成燃油出口轴向流速降低，从而导致喷雾贯穿距缩短，另外由于温度升高，其内能变大，蒸发作用加强，喷雾颗粒直径越小。

（2） 本文通过试验验证了数值模拟的可行性，这为以后GDI汽油机燃烧过程以及喷油器的优化提供了一定的理论基础。

参考文献：

[1]Reitz R D. Directions in internal combustion engine research[J]. Combustion and Flame， 2013， 160（1）： 1-8.

[2]宋志平，王天友，杨晟华，等. 汽油直喷闪急沸腾喷雾特性的试验[J]. 内燃机学报，2013， 31（5）： 420-424.

Song Zhiping， Wang Tianyou， Yang Shenghua， et al. Experiment of Flash Boiling Spray Characteristics Based on GDI Multi-Hole Injector[J]. Transactions of CSICE， 2013， 31（5）： 420-424.

[3]尹丛勃，张振东，尹航，等. 直喷汽油机可变滚流进气系统实验研究[J]. 中国机械工程， 2013， 24（15）： 2005-2009.

Yin Congbo， Zhang Zhendong， Yin Hang， et al. Experimental Study of Variable Tumble Intake System in a Gasoline Direct Injection Engine[J]. China Mechanical Engineering， 2013， 24（15）： 2005-2009.

[4]Keiya Nishida， Jiangping Tian， Yasuki Sumoto， Wuqiang Long， Kiyutsks Sato， Masahisa Yamakawa. An experimental and numerical study on sprays injected from two-hole nozzles for DISI engines [J]. Fuel， 2009， 88： 1634-1642.

[5]Ronald O. Grover， Jr. Evaluation and Design of Injector Hole Patterns Using CFD with a Fuel Tracer Diagnostic for Gasoline Direct Injection （GDI） Engines [C]. // SAE paper， 2011-01-0840， 2011.

[6]Kano H， Kato M， Kojima T. Contribution of optimum for nozzle configuration to spray formation[C]. //SAE Paper， 1990， 1990-01-4123.

[7]Okajima M， Kato M， Tojo S. Contribution of optimum nozzle design to injection rate control [C]. //SAE Paper， 1991， 1991-01-0185.

[8]Date K， Manabe M， Kano H. Contribution of fuel flow improvement in nozzle to spray formation [C]. //SAE Paper， 1992， 1992-01-0011.

[9]Arai M， Shimizu M， Hiroyasu H. Break up Length and Spray Angle of High Speed Jet [J]. Proc. 3rd Int. Conf. on Liquid Atomization and Spray Systems， 1985， IB/4/1-IB/4/10.

[10]Keiya Nishida， Jiangping Tian， Yasuki Sumoto， Wuqiang Long， Kiyutsks Sato， Masahisa Yamakawa. An experimental and numerical study on sprays injected from two-hole nozzles for DISI engines [J]. Fuel， 2009， 88： 1.