基于折射率匹配法GDI 发动机附壁油膜特性

缸内直喷（GDI）汽油机具有油耗低、响应快和空燃比控制精确等优势，应用日趋广泛。但是，GDI会出现燃油撞击活塞表面形成油膜的现象，在后续燃烧过程中产生池火，进而造成碳烟排放恶化、燃油经济性降低及未燃碳氢增加。对活塞表面的油膜厚度分布进行瞬态高速定量测试，获取其随曲轴转角变化的规律，对探索GDI 发动机的碳烟生成机理及优化相应燃烧过程具有重要意义。本期推文笔者在定容燃烧弹上，采用折射率匹配法（RIM）方法，获取了不同燃油温度下喷雾射流撞壁和油膜沉积等信息，探究了燃油温度对喷雾结构和附壁油膜生成特性的影响。

1、试验装置

试验选用的定容燃烧弹边长为160 mm，有4个直径为80 mm的圆形视窗，容弹内部结构如图1所示，GDI喷油器被安装在容弹顶部，在容弹侧面安装支架，石英玻璃固定在支架上，LED 灯带缠绕于圆柱形石英玻璃侧面，照亮石英玻璃表面。通过调整支架位置保证石英玻璃位于喷油器正下方，喷嘴与石英玻璃上表面相距为37 mm。采用氮气作为环境介质，环境压力维持在常压为0.1 MPa。采用热电偶监控容弹内环境温度，在向容弹内部充气过程中，容弹内环境温度会略有上升，静置一段时间后，待温度达到(43±2) ℃即可开始试验。图2为试验装置示意，试验采用的高速相机为Phantom高速相机，拍摄速度为9 900 幅/s，曝光时间为10 μs，采用Sigma镜头，光圈为f/2.8，拍摄得到的图像分辨率为512×512。一台高速相机通过容弹下方45°反射镜来获取油膜沉积、发展和蒸发信息；使用一台500W 镝灯从容弹右侧视窗照亮喷雾场，利用容弹左侧的高速相机拍摄喷雾宏观形态信息。


图1 容弹内结构示意


图2 试验装置示意

试验条件如表1所示，容弹内温度为(43±2)℃，压力为0.1 MPa，采用5孔GDI喷油器，喷孔直径为0.18 mm，长径比为0.93，喷油脉宽为1.5 ms。正己烷对应汽油中的中低沸点组分，且与汽油有更相近的闪沸特征，因而选用正己烷为试验燃油，喷油压力为10 MPa，在10 MPa 下针阀全开、喷油器流量为8.01 g/s。利用容弹顶部的加热系统，燃油温度可控制在40～120 ℃。试验标定燃油为异辛烷和十二烷。

表1 试验参数

折射率匹配法（RIM）测试技术相关内容详见源文献[1]。

2、结果分析

燃油温度是影响燃油碰壁油膜厚度的关键因素之一。特别对多孔喷油器而言，在不同的燃油温度下，喷雾可能发生闪沸，产生不同程度的坍塌，导致附壁油膜的体积、面积和厚度发生变化。对不同燃油温度下附壁油膜的形态与厚度进行分析。

2.1 喷雾形态分析

不同燃油温度可直接影响喷雾形态与附壁油膜形态，图3为不同燃油温度下喷雾图像示意。当燃油温度从40 ℃增加到80 ℃时，可以从喷雾图像中看到清晰的独立雾束；燃油温度升高至90 ℃，喷雾在喷嘴出口处明显坍塌，出现了闪沸的典型喷雾现象；随着燃油温度继续升高，5 束燃油最终完全坍塌。闪沸引起的坍塌已经被广泛研究，原因归结为在喷嘴出口处形成了封闭的低压区。离开喷嘴的燃油发生闪沸而剧烈雾化，油束在喷嘴出口处膨胀且宽度增加，多个油束重叠阻碍油束间的气体与外界交换，导致内部的压降无法得到补偿，低压区形成。在环境压力的作用下油束逐渐聚合，直至完全坍塌。


图3 不同燃油温度下喷雾图像示意

2.2 附壁油膜形态分析

燃油温度也直接影响附壁油膜的形态。图4为油膜面积最大时刻的油膜厚度伪彩。燃油温度较低，每个喷孔处的油束在壁面形成独立油膜；随着燃油温度升高，闪沸越来越剧烈，发生坍塌现象，独立的油束合并成一个油束，油膜逐渐向中心聚合，最终形成一片完整的油膜。当燃油温度从40 ℃升至70 ℃，闪沸现象未发生，油束之间几乎无相互作用，因而在壁面上留下各自独立的油膜，温度低、燃油厚度较大。随着燃油温度增加到80 ℃，油膜明显变薄，在喷雾图像中可以看出雾束的直径明显增加，因为80 ℃时过热度Rp为1.43，闪沸现象已经发生，闪沸极大促进了燃油的雾化与喷雾液滴的蒸发。从90 ℃升至120 ℃，喷雾的闪沸程度增加，油束间的相互作用力越来越强，不同油束向中心聚合，最终坍塌成一束喷雾雾柱，在壁面形成一片完整的油膜。温度越高坍塌程度越高，壁面油膜形状越圆润、厚度越大。


图4 不同燃油温度下油膜厚度伪彩

2.3 附壁油膜厚度分布

为了定量分析图4所示的燃油厚度分布，取燃油温度为50、80 和120 ℃，将附壁油膜的厚度按从小到大排列成柱状如图5所示。当燃油温度为50 ℃时，油膜超过1.0 μm 的燃油所占比例不足25%，因为在50℃时燃油未发生坍塌，壁面形成5束独立油膜，油膜体积大、厚度高。当燃油温度升高至80 ℃时，不同厚度油膜所占比例均匀，未形成壁面厚度过大的燃油。在80℃时，燃油的过热度Rp为1.43，喷雾闪沸已经发生，极大促进了燃油液滴的破碎与雾束蒸发；同时该过热度又不能有效诱发坍塌，因而薄油膜的比例增加。当燃油温度升至120 ℃，低厚度区域占比减小，厚油膜占比激增，1.0 μm以上的油膜厚度占比远大于35%。这主要归于过热度提高引起的喷雾坍塌所导致，形成了一束喷雾射流，各喷孔喷射的燃油撞击到相同的区域，形成较为集中的油膜。


图5 不同燃油温度下附壁油膜厚度概率分布

2.4 附壁油膜体积变化

图6展示了燃油温度为50、80 和120 ℃下附壁油膜体积随时间的变化。喷雾撞壁后油膜体积迅速增加，达到最大油膜体积后再缓慢蒸发。在50 ℃下，喷雾未发生闪沸，大量未雾化的液相燃油撞击壁面，附壁燃油体积大、厚度高，高厚度油膜抑制了附壁油膜蒸发，且此温度下燃油温度低，因而油膜蒸发速度较慢；燃油温度为80 ℃时，喷雾发生闪沸，与燃油温度为50 ℃的工况相比，部分燃油在附壁前就已雾化，附壁燃油体积小、油膜薄；在120 ℃下，喷雾剧烈闪沸，燃油雾化程度极高，大部分燃油在附壁前就已经蒸发，但雾束发生坍塌，附壁燃油面积小，壁面油膜厚度大，高燃油温度下的蒸发速度反而极慢。


图6 附壁油膜体积随时间变化

3、结论

本文研究使用了折射率匹配法对附壁油膜的形态、体积与厚度进行测量与分析，在环境压力为0.1 MPa时不同的燃油温度对燃油碰壁过程的影响。

(1) 在低燃油温度区间，喷雾未发生闪沸，喷雾雾束互不影响，在壁面上可形成各自独立的小油膜，且低温区间内油膜厚度变化不大，蒸发速度较慢。

(2) 随燃油温度增加至80 ℃以上，过热度大于1，喷雾闪沸发生，燃油雾化增强，且随温度升高燃油分子更活跃，因而油膜体积降低。

(3) 高燃油温度下，喷雾过热度升高，雾束向中心聚拢，直至形成一束雾柱，附壁油膜也随之向壁面中心聚合，直至形成一片完整的圆形油膜且油膜体积减小；随温度升高，厚油膜所占比例增加，过热度越高，喷雾坍塌程度越高，油膜边界越圆滑。



文献来源

[1]何 旭,刘 聪,李彦凯,等.基于折射率匹配法GDI发动机附壁油膜特性[J].内燃机学报,2021,(03):233-240.