外开式直喷氢气喷嘴射流特性研究

张策，孙柏刚，汪熙，包凌志，柴华

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

在能源危机和环境污染的严峻形势下，内燃机行业面临着极大的挑战[1-2]。随着“欧六”、“国六”等非常严格的最新排放法规陆续出台，加之“巴黎协定”对温室气体排放提出的限制，寻找高效、清洁、可持续的替代燃料已成为汽车行业的重要任务。氢气是无碳能源，作为车用燃料可以消除排放污染，而且是可持续的能源。近年来，随着氢能制取、储存和利用技术的日趋成熟，以氢气为燃料的内燃机也备受关注。

氢内燃机从氢气喷射方式上主要分为进气道喷射(Port Fuel Injection,PFI)和缸内直喷(Direct Injection,DI)。对于PFI氢内燃机，氢气占据一部分气缸工作容积会导致输出功率较低[3-4]，同时有可能诱发爆震、回火等异常燃烧[5-6]。DI氢内燃机避免了氢气占据气缸工作容积的问题，而且可以抑制回火、早燃的发生[7]。但是，DI氢内燃机的热效率和NOx排放与氢气、空气的缸内混合质量有很大关系[8]。而DI内燃机的混合气形成过程受喷射特性、气流运动特性及燃烧室的综合影响，其中气体射流特性居于主导地位，气体射流引起的湍流会进一步影响燃烧和排放[9]。喷射时刻、喷射压力、喷射方向、喷孔数量等喷射参数被广泛研究。S.Kaiser等[10]研究了侧置喷嘴的喷氢时刻对混合气形成的影响，研究表明早喷时氢气射流增加了缸内流场的速度，而中喷和晚喷对缸内流场影响不大。Salazar Victor M等[11]研究了喷嘴数量对混合气形成的影响，研究发现单孔喷嘴的氢气射流不受缸内滚流的影响；对于5孔和6孔喷嘴，早喷时可观察到射流快速贯穿气缸，混合过程中射流撞壁。T.Wallner等[12]研究了喷嘴数量和喷嘴位置对DI氢内燃机的影响，侧置喷嘴的氢气射流朝向火花塞，中置喷嘴的氢气射流朝向活塞，试验发现侧置喷嘴的燃烧持续期较中置喷嘴降低50%。R.Scarcelli等[13]通过试验和CFD仿真(RANS)研究了单孔喷嘴喷射压力对混合气形成的影响，发现对于中置式单孔喷嘴，低压喷射(2.5 MPa)较高压喷射(10 MPa)在点火时刻形成了更为理想的混合气。

综上所述，氢气射流的相关研究多围绕单孔或多孔喷嘴。直喷喷嘴还可以采用压电晶体外开轴针式喷嘴，它具有环形外斜置喷孔，而且响应时间快、喷雾形态稳定性高、径向贯穿距离大、喷雾锥角大，更适用于气体燃料的喷射。而关于此类型喷嘴的氢气射流研究很少，本研究针对该类型喷嘴展开氢气射流特性研究，明确喷射参数对射流特性的影响规律，为直喷氢内燃机喷射策略的制定提供依据。

1 氢气射流特性试验研究

1.1 试验台架

针对一款压电晶体外开轴针式氢气喷嘴，设计搭建了喷嘴可视化试验平台(见图1)，采用纹影法对氢气射流形态进行测量。

1—计算机；2—时序控制装置；3—数据采集；4—高速相机；5—电流卡钳；6—瞬态压力传感器；7—瞬态压力传感器；8—温度传感器；9—稳压腔；10—减压阀；11—氢气；12—氢气喷嘴；13—刀口；14—球面镜；15—定容装置；16—球面镜；17—卤素灯；18—压力表；19—放气阀；20—截止阀；21—氮气。

喷嘴可视化测试平台主要包括定容喷雾模拟装置、氢气和氮气充排气系统、光学测量系统、数据采集及控制系统。定容喷雾装置为容积1.6 L的立方体，观察窗由石英玻璃制成，尺寸为127 mm×107 mm，厚度为20 mm。试验中采用Phantom V7.3高速摄像机，它的最大分辨率为512×384，最高拍摄速度为15 037帧/s，曝光时间为20 μs，并且支持外部触发拍摄，因此能够保证在氢气喷射的同时，完整记录喷射过程中定容装置内部流场的变化。

1.2 试验方法

试验采用轴针锥角90°的喷嘴，针阀最大升程为30 μm，喷嘴结构见图2。

图2 喷嘴内部结构示意

驱动信号为方波TTL信号，驱动电压幅值为146 V，最大电流为8 A，脉宽范围从0.5 ms到5 ms。喷嘴垂直安装在定容弹顶部。为避免射流受康达效应的影响，即流体如果与壁面过近时可能在偏离原本的流动方向的同时产生随壁面方向流动的倾向，喷嘴安装在定容弹内部，喷嘴顶端距离定容弹内表面6 mm。

直喷氢内燃机在整个压缩行程都可进行氢气喷射，压缩行程中缸内压力变化大，将对氢气射流的贯穿距离和喷射锥角产生影响。所以需要在不同喷射压力、不同喷射背压条件下研究氢气射流贯穿距离、锥角、卷吸率等主要参数的变化规律，具体试验参数见表1，每组试验重复10次，每次喷射间隔2 min，以确保定容弹内的气体处于静止状态。

表1 氢气射流试验参数

1.3 数据处理

对试验过程中高速摄影拍照得到的图像进行处理，利用Matlab将射流图像处理成灰度图，通过减弱背景深度以突出显示射流主体图。邓俊等[14]在研究单孔电磁阀式喷嘴的氢气射流贯穿距离时主要关注了轴向贯穿距离，而外开轴针式喷嘴的射流具有更强的径向扩散性。Sankesh等[15]在外开轴针式喷嘴的天然气射流特性的研究中定义了轴向贯穿距离、径向贯穿距离和射流锥角，本研究也采用此方法测量贯穿距离、锥角等重要射流参数(见图3)。

图3 射流贯穿距离和锥角示意

将射流图像沿轴向分为左右两半，分别测量轴向最长距离y1、y2和径向最长距离x1、x2，进而利用式(1)和式(2)计算轴向贯穿距离和径向贯穿距离。

(1)

x=x1+x2。

(2)

卷吸率是指射流主体区域中混入背景气体的比例，它可以反映气体射流混合情况，如式(3)所示。其中VH2表示射流图像中氢气射流主体所占体积，Vinj表示实际氢气的喷射量。其中，对于射流体积VH2的计算，由于喷嘴结构具有轴对称性，可以先对图像中射流主体进行微分并计算每段微元的体积(见式(4))，取r(x)为每个dV微元下的平均半径，然后进行积分求出总射流体积。

(3)

dVH2=πr2(x)dx。

(4)

为了获取实际的氢气喷射量Vinj，利用定容弹对喷嘴展开氢气射流流量试验。测量方法是在某一喷氢脉宽下将氢气重复喷射，然后利用气体状态方程根据定容弹的压力增加值来计算每次喷射的平均质量流量。由于不同喷射压力和不同背景压力下氢气射流过程都远大于临界压力比，因此，根据喷射理论[16]，氢气射流的质量流量只和定容弹的压力、温度、密度等有关。Vinj可根据喷射时间由氢气射流的体积流量求出，氢气射流流量见表2。

表2 氢气射流的流量

2 试验结果分析

2.1 氢气喷射历程

如图4所示，在喷射压力为8 MPa和14 MPa、背景压力0.1 MPa和0.5 MPa的4种工况下，对氢气喷射过程中取5个时间点，图像为处理后的灰度图，并观察射流发展特征。对比不同喷射压力下的氢气射流特征可以发现，喷射压力增加会促进氢气射流的轴向贯穿距离的增加，同时会增强射流向径向空间的扩张，进而增大径向贯穿距离。对比不同背景压力下的氢气射流特征可以看出，环境压力的增大不仅会明显减小氢气射流的贯穿距离，同时还会抑制径向贯穿距离的增加。另外图像颜色越深代表该区域氢气浓度越高，可以明显看出背景压力增大使氢气射流更加集中，浓度更高。

图4 不同喷射压力、背景压力下的氢气喷射发展过程

通过观察射流的发展过程可以发现，氢气从外开式喷嘴喷出后，形成了沿轴针锥角方向的射流轨迹线，这些射流轨迹线呈锥面形状发展，组成从喷嘴射出的初步发展形态。董全等[17]研究发现汽油的油线会延伸到喷雾的前锋面，且油线状态十分稳定，同时在最前端出现雾化和大尺度涡流。对比不同时间节点的图像发现，氢气射流发展过程中，氢气线非常短小，然后会迅速膨胀并向远场发展，与空气产生较深程度的掺混现象。

从喷射后0.3 ms开始，可以发现在圆锥形射流的远场处产生了一个很大的气体涡流，如图4中的曲线圈所示。该涡流处的径向贯穿距离明显大于射流近场的径向贯穿距离，同时随着喷射脉宽的发展，涡流半径随之增大。背景压力的增大抑制了涡流的产生，使射流更集中于喷嘴轴线附近，进而抑制了射流体积扩大。而喷射压力的增大促进了涡流的产生，涡流半径更大，氢气射流更容易朝径向发展。从图中颜色深度可以发现，大尺度涡流大大降低氢气局部浓度，促进稀燃，同时与喷嘴附近较高浓度的氢气线加强了分层燃烧，有助于加快燃烧、降低局部燃烧温度。

2.2 射流贯穿距离及锥角

图5示出了背景压力分别为0.1 MPa和0.5 MPa时氢气射流的轴向贯穿距离随喷射压力的变化。

图5 轴向贯穿距离变化

在喷射脉宽较小时，喷射压力对射流轴向贯穿距离的影响较小，这是由于喷射初期氢气喷射流量并不稳定。轴向贯穿距离随着喷射压力的增加而增加，随背景压力的增大而减小。这是由于氢气射流拥有更大的质量流量或更小的环境阻力，进而增加了射流的扩散范围。

图6示出背景压力分别为0.1 MPa和0.5 MPa时氢气射流的径向贯穿距离随喷射压力的变化。通过对比不同喷射脉宽可以发现，射流在脉宽较小时径向扩散更快，然后随着时间的发展逐渐变慢。同时，喷射压力的增大会促进径向贯穿距离的增大，背景压力的增大会抑制径向贯穿距离的增大。通过对比图4和图6发现，喷射压力增大可以促进大尺度涡流的形成，这种涡流不仅可以促进混合气形成，还可以推动环境气体形成大尺度滚流，进而加快火焰传播速度，提高稀燃能力。

图6 径向贯穿距离变化

射流锥角是评价射流质量的关键参数之一。图7示出射流锥角随喷射压力和背景压力的变化。由图中可以看出射流锥角曲线基本重合为一条曲线，这表明射流锥角受喷射压力和背景压力的影响较小。在喷射初期，射流锥角达到最大，为80°左右，然后随着喷射脉宽的发展而逐渐减小，最后稳定在22°左右。这说明在直喷氢内燃机喷氢过程中，尽管活塞上行会改变缸内压力，或随着喷射策略改变喷射压力时，氢气射流锥角的发展都不受影响。因此可以采用多次喷射的方式以获得更大的射流锥角，有利于混合气的形成。

图7 喷射压力及背景压力对射流锥角的影响

2.3 射流体积及卷吸率

图8示出了射流体积随喷射压力和背景压力的变化。喷射压力的增大可以使射流体积更大，而背景压力的增大会抑制射流体积的增大，但随着背景压力的增大，抑制作用逐渐减弱。

图8 喷射压力及背景压力对射流体积的影响

图9a和图9b分别示出喷射压力和环境压力对氢气射流卷吸率的影响。可以看出，射流卷吸率随喷射压力的增加而减小，但随着喷射压力的增加，抑制效果逐渐减弱。另外，射流卷吸率随背景压力的增加而增加。射流质量随着喷射时间的发展持续增加，这导致卷吸率的增长逐渐放缓。卷吸率φ由实际氢气的喷射量Vinj和射流体积VH2决定，虽然喷射压力增大促进射流体积VH2，但是实际氢气的喷射量Vinj会增大更多，因此卷吸率φ反而会更小，而背景压力增大的效果正好相反。氢气与空气在化学计量比下的体积比是2.38，则在理论空燃比下氢气射流的卷吸率为1.38。而从图中可以看出，尽管大喷射压力或小背景压力下的氢气射流卷吸率很小，但都高于理论空燃比下的卷吸率，这有助于直喷氢内燃机的稀薄燃烧和分层燃烧。

图9 喷射压力及背景压力对卷吸率的影响

2.4 贯穿距离归一化

在不同喷射压力、背景压力下，轴向和径向贯穿距离的绝对数值很难进行横向的比较分析，而且过小的贯穿距离绝对数值容易被忽视，因此对轴向和径向贯穿距离作归一化处理可以更准确地研究相对关系。在研究单孔喷嘴的贯穿距离特性时经常用到自相似参数x/y，本研究也利用此方法研究外开轴针式喷嘴的氢气射流贯穿距离特性。不同喷射压力、背景压力下自相似参数的变化见图10。

图10 自相似参数曲线

在不同喷射压力、背景压力下，自相似参数x/y在喷射脉宽为0.25 ms以后逐渐趋近于一条曲线上，并逐渐稳定在0.59左右。自相似参数x/y越大，表明了相对于轴向贯穿距离来说径向贯穿距离越大，这说明射流更易于朝径向空间发展。Rogers T等[18]的研究发现，单孔喷嘴氢气射流的自相似参数为0.25，这说明外开式喷嘴的氢气射流与单孔喷嘴的氢气射流在同等喷射工况下相比，径向贯穿距离更大，拥有更优异的径向扩散性，更利于氢气与空气混合。

3 结论

a)与孔式喷嘴不同，外开式喷嘴的氢气射流近场呈现锥形结构，且形成了沿轴针锥角方向的轨迹线,而射流远场发展成大尺度球形涡流结构;

b)喷射压力增大，轴向和径向贯穿距离增大而卷吸率减小；背景压力增大，轴向和径向贯穿距离减小而卷吸率增大；射流锥角的变化与喷射压力或背景压力的关系不大，但随喷射脉宽的增大从80°逐渐变小并趋近于22°;在使用外开式直喷氢气喷嘴时，采用合适的喷射压力和背景压力、采取多次喷射方式有利于混合气形成;

c)在不同的喷射压力和背景压力下，氢气射流在喷射脉宽0.25 ms后都具有较好的自相似性，并且自相似参数(x/y)逐渐趋近于0.59左右，径向扩散性优于单孔喷嘴氢气射流。