随着汽车工业的迅速发展，对能源利用效率和环境保护的要求不断提高，深入理解汽油内燃机的工作原理并优化其性能变得至关重要。喷射压力作为影响汽油内燃机燃烧过程和性能的关键因素之一，其作用和影响机制尚未得到充分揭示和理解。汽油内燃机作为现代交通工具和动力设备的核心部件，在降低能源消耗和减轻环境污染方面面临着巨大的挑战。为了满足日益严格的排放标准，提高燃油经济性，对内燃机燃烧过程优化成为了研究的焦点。燃油喷射系统作为控制燃油供给和混合气形成的关键部件，其喷射压力的大小直接影响燃油的雾化、蒸发和混合质量，进而对燃烧过程和发动机性能产生重要影响。

近年来，国内外学者针对喷射压力对汽油内燃机的影响开展了大量的研究。包凌志等^[1]基于一台2.0 L涡轮增压直喷氢内燃机研究了不同喷射压力对其排放特性的影响，发现适当提高喷射压力可以改善燃油的雾化质量，促进混合气的均匀分布，从而提高燃烧效率，降低排放。李玉兰等^[2]采用CFD软件研究了不同天然气喷射压力对船用柴油引燃天然气直喷发动机燃烧性能的影响，结果表明，喷射压力越高，动能越大，混合越均匀，燃烧越充分。然而，过高的喷射压力可能会导致燃烧不稳定、缸内压力波动增大等问题。刘海峰等^[3]基于一台光学发动机研究了喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机缸内燃烧的影响规律，结果表明，直喷燃料喷射压力降低会导致正十二烷浓度分层增大，自燃着火点增多，更有利于正十二烷引燃均质预混合的氨气。张丹等^[4]采用阴影法对喷射压力为5～60 MPa的喷雾进行测量，分析了喷射压力对油束发展历程、贯穿距离、喷雾锥角、喷雾面积以及喷油器尾喷现象的影响，发现随着喷雾发展，贯穿距离和喷雾面积均呈现一定程度的线性增大。此外，不同的发动机结构和运行工况对喷射压力的响应也存在差异。秦超群等^[5]基于电热塞引燃式直喷甲醇发动机，采用三维数值模拟方法研究了喷射压力对甲醇雾化、空燃混合、燃烧、排放的影响，结果表明，提高喷射压力使可燃混合气的均匀程度提高，缸内平均温度和压力降低。晏飞等^[6]以某船用孔式喷油器为研究对象，运用液滴破碎模型、大涡湍流模型、液滴碰撞聚合模型对燃油喷雾过程进行数值分析，研究了喷射压力对喷雾特性的影响规律，发现喷雾初期贯穿距离与时间成正比；而喷雾中后期，贯穿距离增大的速度逐渐减缓，喷雾锥角随着喷射压力的增加而增大。因此，喷射压力对汽油内燃机性能的影响还需要进一步的系统研究和综合分析。

本研究运用20 L球形燃爆装置来探究不同喷射压力对汽油雾化的影响，通过高速摄像机拍摄汽油爆炸时的火焰传播过程，基于比色测温方法对爆炸温度场进行重构，对平均温度变化进行测量，并对实验结果进行分析和讨论，旨在系统地探究喷射压力对汽油内燃机性能指标的影响，为进一步提高汽油内燃机的效率和经济性提供理论参考。

1.   实　验

1.1   实验材料

实验使用的汽油燃料为中国石油天然气集团公司生产的92汽油，实验前通过GC-MS（美国Thermo Fisher公司生产）对所用汽油的组分及基本物化参数进行测试，实验原料符合GB 17930—2016《车用汽油》标准的要求；空气（21% O₂+79% N₂，纯度为99.9%）由中国合肥恒隆电气有限公司提供。

1.2   实验装置

如图1所示，实验使用的仪器有20 L球形液体燃爆测试装置（适用标准GB/T 16426—1996，吉林市宏源科学仪器有限公司生产）和可编程逻辑控制器（PLC，佛山市敏控科技有限公司生产）。液体燃料爆炸测试系统主要由20 L球形爆炸罐体、燃料喷洒系统、点火系统、数据采集系统和同步控制系统组成。罐体对称两侧均有直径为14 cm的光学观察窗，便于高速摄像机（Memrecam HX-3）捕捉火焰形态，球体顶部有1个直径为20 cm的操作口，用于清洁球体。燃料喷洒系统主要由2个分散喷嘴、2个70 mL燃料储液罐、2个电磁控制阀、2个1.5 L储气罐和1个高压气瓶组成；点火系统主要由2个间隙为1.5 mm的纯钨电极和1个电火花发生器组成，实验中所用的电火花发生器通过连续脉冲回路放电；数据采集系统包含1个PCB压力传感器（PCB 113B24）和1个示波器（Teledyne Lecroy HDO4034），通过示波器采集和压力传感器接收爆炸超压信号；同步控制系统包含1个编程逻辑控制器，用于控制点火延迟时间以及点火能量。点火延迟时间设置为100 ms，以保证云雾有足够的静置时间^[7]；点火能量设置为60 J。实验在室温（298 K）、常压（0.1 MPa）环境下进行。实验选用的汽油的质量浓度为160 g/m³。每组实验进行3次以上，以保证实验的重复性和准确性。

图  1  20 L球形测试装置示意图

Figure  1.  Schematic diagram of 20 L spherical test device

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1.3   比色测温方法

在进行正式的温度测量之前，需在室内无光照条件下对液体燃爆温度进行标定^[8]。比色测温标定系统包括：20 L液体爆炸罐、高速相机、衰减片、钨丝灯、直流稳压电源、电压表、电流表、Python标定程序，标定实验装置如图2(a)所示。本实验选用钨丝灯进行温度标定，通过改变电源的电流，记录电流表以及电压表的相关数据，计算其阻值，并通过高速相机拍摄钨丝灯，采用Python程序将高速相机捕捉到的8 bit灰度图像通过插值算法处理，计算出每个像素点对应的R/G值，最后将钨丝灯的实际温度与计算得出的R/G值进行拟合，如图2(b)所示。从图2(b)中可以看出，该系统拟合效果极佳，相关系数R²=0.996 98，具体函数关系为

图  2  比色测温标定

Figure  2.  Calibration for colorimetric temperature measurement

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式中：T为钨丝灯的实际温度，K；R、G分别为像素点红色和绿色的分量值。

2.   结果与讨论

2.1   喷射压力对汽油燃爆特征参数的影响

喷料时间（t_i）会影响汽油在球罐内的云雾形态^[9–10]。为此，对喷料时间进行测试，喷射压力取0.8 MPa。如图3所示，通过研究不同喷料时间对汽油燃爆的影响，发现随着喷料时间的增加，最大燃爆压力（p_max）、最大燃爆压力上升速率（(dp/dt)_max）均呈现先升后降的变化趋势，在t_i为100 ms时达到峰值，分别为1.05 MPa和57.05 MPa/s；燃爆持续时间t_d则呈现先降后升的变化趋势，在t_i为100 ms时达到最小值26.6 ms。

图  3  喷料时间对p_max、(dp/dt)_max和t_d的影响

Figure  3.  Influence of fuel spray time on p_max, (dp/dt) _max and t_d

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通过喷气的形式使汽油燃料进入罐内时，会在球罐中形成湍流，湍流的强度^[11]会影响汽油的燃爆特性。选用实验得出的最佳喷料时间100 ms，研究液体喷射压力（p_i，0.4～1.2 MPa）对汽油云雾燃爆的影响。图4揭示了不同喷射压力下p_max、(dp/dt)_max和t_d 的变化趋势。可以看出，随着喷射压力的增加，p_max和(dp/dt)_max均呈线性增加趋势，而t_d则呈线性下降趋势。p_max、(dp/dt)_max、t_d与喷射压力均呈良好的线性关系。与喷射压力为0.4 MPa时的p_max（0.86 MPa）和(dp/dt)_max（44.16 MPa/s）相比，喷射压力为1.2 MPa时的p_max和(dp/dt)_max分别为1.17 MPa和68.35 MPa/s，增幅分别为36.05%和54.78%，燃爆持续时间则下降了71.31%。喷射压力的变化对燃爆持续时间的影响更显著，使得汽油的燃爆速率随着液体喷射压力的增加而显著增加。

图  4  喷射压力对p_max、(dp/dt)_max和t_d的影响

Figure  4.  Influence of injection pressure on p_max, (dp/dt) _max and t_d

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2.2   喷射压力对汽油爆炸火焰传播过程的影响

图5给出了不同喷射压力（0.4、0.8、1.2 MPa）下汽油云雾的火焰传播过程。由图5可知，3种喷射压力下，火焰锋面到达观察窗口边界的时间不同，喷射压力为0.4、0.8和1.2 MPa时，到达时间分别为37、12和6 ms。3种喷射压力均可以使汽油液滴分散，分散开的液滴会不断挥发，使得在球罐中出现多处局部蒸气燃爆。当火焰中心变成一个明亮的白色区域并迅速填满整个观察窗时，火焰前沿发展到观察窗口之外，火焰锋面变得不可观测。t=6 ms时，喷射压力为0.4和0.8 MPa的火焰锋面还未到达观察窗边缘，并且云雾主要分散在球罐的中部和上方；而喷射压力为1.2 MPa的火焰锋面已经到达了观察窗边缘，汽油云雾分布于整个球罐中，并且产生了耀眼的光亮。由于挥发出来的蒸气比液滴更容易被点燃，产生的能量用于预热未燃的液滴^[12–13]，因此，较高的喷射压力会加速燃料的蒸发，使汽油云雾更容易发生燃爆产生高温高压区域，对其他未燃区域进行预热，从而加速液滴的预热和蒸气的挥发及燃爆。

图  5  不同喷射压力下汽油爆炸的火焰传播过程

Figure  5.  Flame propagation process of gasoline explosion under different injection pressures

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2.3   喷射压力对汽油燃爆火焰温度的影响

基于黑体辐射的比色测温技术对汽油燃爆过程中的火焰传播过程进行了温度场重构。从图6可以看出，喷射压力为0.4 MPa时，温度分布较为均匀，这是因为当喷射压力较低时，形成的云雾中液滴的沉降效应明显^[14]，使得燃爆以已存在的局部蒸气燃爆为主导，而蒸气燃爆通常是均相爆炸^[12]，分子间间隙大，蒸气分布均匀。喷射压力为0.8 MPa时，可以观察到液滴的预热过程，这是因为喷射压力增大使得液滴挥发出的蒸气增多，爆炸反应速率增大，较快的反应速率又会加快球罐内温度升高，使得汽油蒸气的氧化反应加快，从而形成正反馈作用，加速反应的进行。喷射压力为1.2 MPa时，喷出液体的雾化更为明显和均匀，初始蒸气的燃爆现象较多，使得罐内温度快速升高^[15]。

图  6  不同喷射压力下汽油爆炸的火焰温度场

Figure  6.  Flame temperature field of gasoline explosion under different injection pressures

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对不同喷射压力下汽油燃爆的火焰传播过程进行了温度测量，结果如图7所示。在点火后，平均温度（T_ave）随时间增加呈先下降后上升再下降的趋势，这是因为点火后会有已经挥发的蒸气发生燃爆，但产生的热量会通过热传递及热辐射的方式预热未燃区域，热量被未燃烧的液滴和球罐内壁吸收，导致火焰温度有所下降。在罐内预热完成后，罐内蒸气含量大幅增加，蒸气的集中燃爆产生大量热量，使得罐内温度骤升。平均温度达到峰值后，由于爆炸产生了大量的水和碳黑，阻碍了反应的进行并对罐内热量进行了吸收，容器内壁也持续对产生热量进行吸收，使得反应速率减小，平均温度下降。平均温度随时间变化出现波动，这是因为液滴的燃烧通常属于非均相燃烧，在燃爆过程中会有少量液滴受热燃烧使得局部产生高温，导致平均温度出现振荡。随着喷射压力的增加，最高平均温度（T_am）与喷射压力呈线性关系，最高平均温度随着喷射压力的增加而升高，喷射压力为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa时的T_am分别为2 021、2 150、2 265、2 372和2 459 K。T_am与p_i的关系为

图  7  不同喷射压力下火焰传播过程中温度的演化曲线

Figure  7.  Temperature evolution curves of flame propagation under different injection pressures

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式(2)可用于预测更高喷射压力下汽油在20 L球形容器内燃爆的温度变化。

3.   分析与讨论

喷射压力主要影响系统内气体湍流的变化。Kolmogorov等^[16]指出，湍流区域内湍流的空气动力学效应对液体雾化形成的液滴尺寸起着至关重要的作用^[17–18]，并给出了等熵流中临界韦伯数的表达式

式中：$W{e'_{\text{b}}}$为临界韦伯数；ρ_gas为液滴周围的气体密度，kg/m³；u为液滴表面空气湍流脉动的平均速度，m/s；D_max为液滴最大直径，m；σ_l为液面张力系数，N/m。

Batchelor提出，液滴表面空气湍流脉动的平均速度u与单位时间内气体的动能E_gas和质量有关，即

因此，临界韦伯数可以转换为

稳定液滴的最大直径D_max为

式中：C为常数。可以推断，随着喷射压力的增加，汽油液滴的粒度逐渐减小，有助于较小颗粒尺寸的液滴悬浮并形成更均匀的可燃预混合物。此外，研究显示，液体云雾的蒸发速率与湍流强度^[19–21]有关

式中：v^t为液滴蒸发率，g/(m³·s)；A、B均为通过实验测定的系数；D₃₂为液滴平均直径，m；u_rms为湍流均方根速度。u_rms表示为

式中：u_i、v_i为X和Y方向上的湍流分量，m/s；$\bar u$、$\bar v$分别为X和Y方向上的平均湍流分量，m/s，$\bar{u}=\dfrac{1}{N} \sum\limits_{i=1}^{N} u_{i}$，$\bar{v}=\dfrac{1}{N} \sum\limits_{i=1}^{N} v_{i}$。

因此，喷射压力的增加会造成初始湍流加剧，使得汽油云雾的蒸发速度变得更快，即在同一时间段内蒸发更多的可燃气体，可燃气体的积累和集中燃爆会释放更多的热量。这表明，改变喷射压力在本质上是影响液滴的直径和蒸发速率，从而影响汽油的燃爆特性。

4.   结　论

(1) 随着喷料时间的延长，最大燃爆压力和最大燃爆压力上升速率均呈现先升后降的变化趋势，在喷料时间为100 ms时达到峰值，分别为1.05 MPa和57.05 MPa/s，燃爆持续时间则呈现先降后升的变化趋势，在喷料时间为100 ms时达到最小值26.6 ms，因此，最佳喷料时间为100 ms。

(2) 随着喷射压力的增加，最大燃爆压力和最大燃爆压力上升速率呈线性增加趋势，而燃爆持续时间呈线性下降趋势。与喷射压力为0.4 MPa时的最大燃爆压力（0.86 MPa）和最大燃爆压力上升速率（44.16 MPa/s）相比，喷射压力为1.2 MPa时其值分别为1.17 MPa和68.35 MPa/s，增幅分别为36.05%和54.78%，燃爆持续时间则下降了71.31%。

(3) 对不同喷射压力下汽油爆炸的火焰传播过程进行了温度测量，发现平均温度呈现先下降后上升再下降的趋势。随着喷射压力的增加，最高平均温度与喷射压力呈线性关系，最高平均温度随着喷射压力的增加而增大，喷射压力为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa时的最高平均温度分别为2 021、2 150、2 265、2 372和2 459 K。随着喷射压力从0.4 MPa增至1.2 MPa，最高平均温度升高了21.67%。