高背压下GDI发动机多孔喷嘴油束间的相互作用

在一定容弹中,利用高速摄影和相位多普勒粒子分析仪(PDPA)研究了某5孔直喷汽油机喷嘴在不同喷射压力与背压下的喷雾形态和液滴特性.结果表明:在高背压条件下,喷雾形态在近喷嘴区域受到挤压,而在喷雾远端发生卷吸.油束间的相互作用使得油束包裹区域内产生了低压区,导致喷雾受到挤压.随着喷射压力与背压的升高,喷雾挤压更为明显.将挤压与卷吸之间的过渡位置定义为转折位置,随着背压的增加与喷射压力的降低,转折位置向喷嘴方向靠近.利用PDPA测量喷雾粒径以及速度分布,结果进一步验证了喷雾的偏转现象.由于喷雾挤压,喷雾内侧液滴聚合概率增加使得内侧出现较大粒径的液滴.     

背压对多孔GDI喷油器闪急沸腾喷雾形貌的影响

通过定容燃烧弹,利用高速摄影技术,研究了背压对多孔汽油缸内直喷(GDI)喷油器闪急沸腾喷雾形貌的影响.燃油为正己烷,油温变化范围为20~100,℃,背压变化范围为5.0~101.3,k Pa.结果表明:过热度并不是决定闪急沸腾喷雾形貌的唯一主要因素.不同轴向距离处的喷雾宽度同时受到过热度和背压的影响.在轴向距离7,mm以内,通过增加油温与降低背压来提高过热度均会导致喷雾宽度的增加.在轴向距离7,mm之后,喷雾宽度对背压十分敏感:当背压大于30,k Pa时,喷雾宽度随着过热度增加而变窄;当背压小于30,k Pa时,喷雾宽度随过热度增加而增加.在较高背压下,由于较大的空气阻力下蒸气不易扩散,导致浓度会较高,会促进冷凝,并降低局部压力,进一步引起喷雾坍塌;背压较低时,空气阻力较小,易于喷雾扩散,导致蒸气浓度较低,冷凝引起的压降不足以产生影响,导致喷雾宽度增加.     

柴油耦合喷嘴内空化流动对近场喷雾影响的模拟

柴油机共轨压力的提高使空化现象快速发生而影响柴油近场喷雾的初次破碎,进而对后续燃烧和排放产生作用.因此搭建了单孔柴油喷油器内外流耦合喷嘴三维数值模型,并进行了验证.在此基础上,模拟研究了针阀开启初期不同喷油压力下空化流动对近场喷雾特性的影响.模拟结果表明,喷孔内空化发展经历了3个阶段:单相流区(Fv<0.3%)、空化发展区(0.3%21%),且空化发展中会伴随云空化的产生.喷油压力越大,空化初生时间越早,发展速度越快.进入超空化区后,空化气泡溃灭最先引起近场喷雾上游的主液柱区的破碎,破碎区逐步向喷雾下游延伸.空化引起喷雾破碎粒径减小,液滴数增加.空化使得喷雾径向速度增大,径向扩展能力增强,使得喷雾锥角增大.空化区涡值大,旋涡结构小且旋转强度大,进入喷射腔后增强了对喷雾的扰动,使得喷雾液芯变细,促进了液芯外侧的喷雾破碎.     

交叉喷孔喷油嘴喷雾特性的试验

设计加工了交叉喷孔的喷油嘴,进行了喷孔尺寸检测和喷油规律的试验,以及不同孔径和角度交叉的喷雾特性的试验.小角度交叉试验中,相同孔径的喷雾贯穿距离最小,喷雾锥角最大.交叉的上孔孔径越大,角平分线和重心的位置角度越大,即越靠近上平面.相同孔径改变交叉角度的试验中,大交叉角度时随着交叉角度的增大,贯穿距离减小,喷雾锥角增大,而且贯穿距离小于单孔喷雾,喷雾锥角大于单孔喷雾.小交叉角度双孔喷雾的贯穿距离大于单孔喷雾,而喷雾锥角与单孔喷雾基本相当.交叉喷雾特别是大交叉角度在喷雾开始和结束的时候,喷雾会出现摆动现象,下面的孔在开始和结束段起主要作用.下层喷孔入口处对应的压力室内的压力较大是主要原因.单孔喷雾的角平分线和重心的位置角度要比喷孔几何中心对应的角度大2°,将有助于喷油嘴和燃烧室的配合设计.     

外开环直喷喷油器在不同燃油过热度下的喷雾特性研究

采用平面激光米氏散射和相位多普勒干涉(PDI)等激光测试技术,从宏观与微观两方面对不同燃油过热度下外开环直喷发动机喷嘴的喷雾特性进行了研究。测试燃料选用具有固定沸点和饱和蒸气压的正己烷。宏观特性通过喷雾贯穿距、喷雾角与喷雾宽度进行量化,微观特性主要关注索特平均直径(SMD)与粒径分布。采用环境压力与饱和蒸气压之比(pa/ps)作为衡量过热度的无量纲参数。研究表明:过热度由非闪沸区增大到完全闪沸区,喷雾结构由空锥的"伞"形变为实体的"钟"形。随着过热度的增大,喷雾贯穿距呈现先减小后增大的趋势,拐点发生在pa/ps为0.3附近。喷雾角在过热度较小(pa/ps0.3)时基本上保持不变;过热度超过一定值(pa/ps0.3)时喷雾角开始明显减小。SMD与粒径分布也表明:增大过热度,喷雾雾化变好,尤其在过热度由非闪沸过度到完全闪沸区(pa/ps由1.55降到0.11)时,SMD由16.03μm降到7.78μm,DV90由26.05μm降到12.89μm。     

基于时间分割法的柴油机交叉孔喷油嘴喷雾场粒子特性

采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对柴油机V形交叉孔油嘴和单孔油嘴的喷雾场粒子特性进行测量,通过时间分割法对测量结果进行深入分析.结果表明,在喷雾轴向Z=40,mm的位置上,靠近喷雾轴线的区域内两种交叉孔油嘴与单孔油嘴的粒径大小差别不大,但随着测量点的径向坐标增大,交叉孔油嘴的粒子直径逐渐小于单孔油嘴.在Z=60,mm位置上,与单孔油嘴的结果相比,两种交叉孔喷油嘴的粒子算术平均直径(AMD)和索特平均直径(SMD)更小.同时,交叉孔的交叉角增大会对液滴的进一步细化起促进作用,相比于单孔油嘴,交叉孔2喷油嘴的粒子AMD和SMD减小了近30%.对时间分割法划分的4个阶段粒子特性进行分析发现,F阶段的粒子速度高达70,m/s,喷射过程中的系统数据率较低,PDPA的大量粒子信息均来自于喷油结束的T阶段,此时粒子速度为零.交叉孔喷油嘴的扇状喷雾结构对油气混合的促进作用使粒子AMD随时间变化而不断减小.同时,与喷雾内侧相比,在喷雾外侧两交叉孔喷油嘴之间的粒径差异变小,相对于单孔喷油嘴,在粒径方面的优势变得明显.     

柴油机喷嘴喷孔非对称结构对近场喷雾特性的影响

以某型国产单孔柴油喷油器为研究对象,采用X射线CT成像技术获取了喷嘴精确几何结构,发现了喷孔入口圆角的不对称性;同时采用长工作距离显微镜头结合高速可控闪光显微摄影技术,获得了喷油器喷孔下方3mm内近场喷雾图像,发现了喷雾的非对称现象,研究了喷孔非对称结构对柴油喷雾近场特性的影响。研究结果表明:喷孔入口为棱角时能够促进近场喷雾破碎;启喷阶段,喷雾轮锥角θ1和锥角θ2出现分离点,分离点之后θ1小于θ2;喷雾稳定阶段,喷孔非对称结构对近场喷雾特性的影响最为显著,圆角侧喷雾初次破碎很差,尖棱侧喷雾初次破碎很细,有大量液丝产生。针阀落座阶段,近场喷雾锥角出现结合点,结合点出现之前喷孔非对称结构的影响依然存在,结合点出现时,尖棱侧近场喷雾轮锥角骤减为零。     

DME闪急沸腾喷雾结构及其发展过程

在环境温度为293 K、压力为0.1 MPa条件下,采用数字粒子图像速度场仪研究了单孔直喷式柴油喷嘴形成的二甲醚(DME)闪急沸腾喷雾的结构及发展过程.为得到喷雾图像,采用Nd:YAG激光光片将喷雾照亮.喷雾图像采用高分辨率的CCD照相机来记录,通过图像采集卡传输到计算机硬盘进行保存.结果表明,DME闪急沸腾喷雾由初始核区、闪急沸腾主体区和涡环形成区3部分组成;根据涡环结构的形成与发展变化,可将DME闪急沸腾喷雾扩展过程分为涡环结构形成、涡环结构发展与变形、涡环结构破碎和闪急沸腾喷雾充分发展4个阶段.     

基于喷油器特征的缸内直喷汽油机混合气形成过程数值模拟

建立了多孔喷油器的一维仿真模型,对不同喷油压力下的喷油参数进行了计算,并详细分析了喷油器针阀开启和关闭时单孔喷雾锥角及喷孔出口有效流动面积的变化。以10 MPa喷油压力下的喷雾计算结果为边界,用FIRE软件模拟了定容喷雾并对其数值模型进行了标定,进而以一2.0 L涡轮增压缸内直喷汽油机为研究对象,分析了喷油时刻对缸内混合气形成的影响。结果显示,在5 000 r/min全负荷工况下,喷油时刻为400℃A时形成的混合气更能满足燃烧和发动机性能的要求。     

柴油机燃油喷射雾化的PIV测量试验研究

介绍了先进的粒子图像测速技术(PIV)应用于燃油喷雾过程的试验研究结果，燃油通过多种孔径的单孔和多孔喷油嘴喷入一个定容压力室内，采用高分辨率的CCD摄像机记录整个喷射过程，可以观察到喷雾场内部结构．结果分析显示，高速射流表面存在不稳定扰动波，在气动力作用下，液滴发生分裂破碎，呈现枝状分离表面．瞬态速度矢量图显示，气液界面处存在大尺度的卷吸涡流运动，有助于油气扩散混合。     

高饱和蒸发压力氨喷雾冷却沸腾传热特性

利用冷却工质的相变蒸发带走大量热量的喷雾相变冷却技术成为大功率电子元件散热需求的最佳途径.建立了双喷嘴阵列氨喷雾相变冷却实验系统,研究了饱和蒸发压力以及进口流量对氨喷雾相变冷却传热特性的影响规律.实验结果表明:在氨喷雾相变冷却过程中,维持较高的饱和蒸发压力有利于传热系数提高,过热度降低;流量对传热特性影响较大,低流量时...     

高背压下GDI油束喷雾特性的试验

在定容弹中,利用高速摄影和相位多普勒粒子测试技术(PDPA)研究了喷射压力、背压和喷射脉宽对汽油直喷(GDI)发动机多孔喷油器喷雾特性的影响,包括喷雾贯穿距、粒度和速度特性.结果表明:随着喷雾的发展,油束有往喷油器中心方向运动的趋势;在不同喷射压力和背压下,喷雾贯穿距均出现两阶段发展趋势;喷射压力和背压对喷雾的粒度和速度特性有着明显影响.提高喷射压力会明显降低索特平均直径(SMD),并会增加油滴速度.增加背压会导致SMD变大,并使油滴速度降低.SMD会随PDPA测量体位置远离喷油器而增大,这是由于在远离喷油器位置处,油滴间聚合作用占主导因素.在喷射脉宽大于0.8,ms时,喷射脉宽的变化对喷雾头部的速度影响不大,但是喷油脉宽的增加会导致SMD变大.     

应用激光诱导荧光法研究超高压喷雾气液相浓度场分布特性

应用复合激光诱导荧光技术在光学发动机上测量了燃油喷雾气液两相荧光图像，提出分析浓度场分布的无量纲参数，最终获得喷雾气液相浓度场相对分布。实验采用电机倒拖的光学发动机，燃烧室采用ω形BUMP燃烧室，应用自行设计的脉冲压力放大供油系统，实现了最高喷油压力达240MPa的超高压喷射。通过研究发现，随着喷油压力提高可有效加速喷雾气相生成、促进喷雾气相的均匀分布。这种效果在有较强挤流作用和存在BUMP燃烧室限流沿剥离作用下更为明显，此时喷雾气相相对浓度随着喷油压力从160MPa提高到240MPa而下降62．5％。     

利用复合激光诱导荧光法对气相柴油喷雾温度场和浓度场的定量标定

根据复合激光诱导荧光技术(PLIEF)中Lambert-Beer定律的气相荧光强度与环境温度和压力的依赖关系以及能量守恒基本原理,结合使用复合激光诱导荧光技术拍摄得到的气相喷雾荧光图像,对气相柴油喷雾温度场进行定量标定时考虑了空气卷吸率和油滴蒸发率对喷雾温度场的影响;利用Matlab软件编写了标定喷雾温度场和浓度场的迭代计算程序.研究发现,利用本标定方法,可以通过复合激光诱导荧光技术同时完成气相柴油喷雾温度场和浓度场的定量标定,标定得到的气相喷雾温度场和浓度场强烈相关.     

不同沸点燃料及其混合物的闪沸喷雾特性试验

利用MIE散射在定容弹内对不同沸点燃料的闪急沸腾(闪沸)喷雾特性进行了试验,采用的燃料按沸点从低到高依次为正戊烷、正己烷、正庚烷及以不同体积分数掺混的正戊烷-正庚烷混合燃料.通过对喷雾宏观图像的拍摄及分析,研究了在燃油过热度不断提高的喷雾条件下,闪沸喷雾特性的变化规律.结果表明:随着燃油过热度的不断提高,正戊烷、正己烷和正庚烷均会经历冷态喷雾、过渡闪沸和剧烈闪沸;在闪沸状态下,燃油过热度是影响喷雾特性的决定性因素;相同的燃油温度和环境背压下,在高沸点燃料中加入少量低沸点燃料将有效促进混合燃料的闪沸.     

喷孔形状对柴油喷雾燃烧及碳烟特性的影响

基于定压燃烧弹系统,通过纹影法和碳烟辐射光法的同步光学诊断技术,针对圆柱形和渐缩形两种形状的单孔喷油器,对比分析了两种喷孔在不同环境温度、喷射压力的工况下喷雾燃烧及碳烟生成特性.结果表明:两种喷孔形状在不同环境温度和喷射压力下,喷孔形状对喷雾贯穿距和喷雾锥角的影响较为微弱,由于圆柱形喷孔内部的空化作用,在喷嘴出口处湍流动能增加,致使圆柱形喷孔喷雾锥角较大,喷雾贯穿距较小;由于相对较低的喷油速率,圆柱形喷孔的火焰浮起长度略短;通过碳烟辐射强度分析可以看出,喷孔形状对碳烟的生成产生显著影响,圆柱形喷孔的碳烟初始位置距离喷嘴更远,其由于易产生空化效应,能改善燃油与空气混合,降低火焰中碳烟的生成.     

直喷汽油机喷油器积碳对喷雾落点及喷雾一致性的影响

针对直喷汽油机喷油器积碳问题运用平面激光米氏散射法和白光散射法在喷雾实验台上利用高速摄像机、片激光源和LED光源进行了直喷汽油机喷油器喷雾落点试验及各孔喷雾锥角试验,对比清洁喷油器和积碳喷油器在不同喷射压力下的喷雾落点形态、落点质心位置、各孔喷雾锥角等参数.结果表明:在相同压力下积碳喷油器的流量损失较大;喷雾落点形态变化较大,且分布不均匀,落点区域质心坐标相较于清洁喷油器向喷油器轴线外拓展;积碳喷油器多次独立喷射后喷雾形态和各孔喷雾锥角等参数的一致性变差,且这种一致性差异随着喷射压力的增高而变大.     

醇类-汽油混合燃料的喷雾特性

在试验台上,研究了使用汽油醇类混合燃料,其中醇类燃料体积分数分别为10％的乙醇-汽油、30％的乙醇-汽油、10％的正丁醇-汽油和30％的正丁醇-汽油时,直喷汽油机多孔喷油器的喷油率和喷雾特性.结果表明,随着喷油压力的提高,醇类-汽油混合燃料的瞬时喷油率增大,且瞬时喷油率波动性依赖于燃料.同时,喷油压力的提高使得喷雾贯穿距离加大,单次喷油后同一时刻的喷雾差异性变大.在高背压,相同喷油压力下醇类-汽油混合燃料的贯穿距离与汽油接近.背压大小对不同燃料喷油初期的喷雾锥角影响较大.低背压时,汽油的喷雾锥角高于醇类-汽油混合燃料,而高背压时,除了30％乙醇-汽油燃料外,醇类-汽油混合燃料的喷雾锥角更大.     

内/外交叉孔喷嘴内部和近场流动特性的试验

为认识内/外交叉孔喷嘴的内部空穴流动和近场喷雾特性,采用常规圆孔、外交叉孔和内交叉孔三种孔型的喷嘴在不同喷射压力、子喷孔交叉角度及出口中心距下进行了比例放大的喷嘴内部流动与喷雾近场可视化试验。试验结果表明:不同于圆形喷孔的近轴对称射流,内/外交叉孔喷嘴由于燃油的内/外部碰撞冲击作用,射流主要在与两个子喷孔中心线所处平面正交的平面(扩散面)上径向扩散,形成扇形射流。外交叉孔喷嘴喷雾扩散最为显著,其在扩散面上的液滴分散到喷嘴以下180°范围内,内交叉孔喷嘴扩散次之,两者扩散效果均远强于常规圆孔。此外,随喷射压力的提高,常规圆孔喷嘴在0.30MPa左右产生空穴,并迅速发展为水力柱塞流状态;外交叉孔喷嘴也在0.30MPa左右产生空穴,并逐渐发展至喷孔出口附近,但至1.0MPa也未出现水力柱塞流状态;内交叉孔喷嘴内始终无空穴产生。     

燃油温度对柴油喷射过程影响的试验

柴油机喷嘴内部流动对喷雾有重要影响,然而燃油温度又影响着燃油的物性,进而影响喷嘴内部流动,因而研究燃油温度对柴油机喷嘴内部流动及其喷雾的影响有重要意义.在自行搭建的比例放大喷嘴可视化试验台架上,基于高速数码和长工作距离显微成像技术,获得了单孔和双孔喷嘴的内流和喷雾可视化图像,研究了流量系数、空化长度随燃油温度的变化情况以及对空化和喷雾的影响,通过对比发现,燃油温度越高,空化初生对应的喷射压力越小,空化流动阶段,同样的喷射压力下,燃油温度越高,孔内的空化分布区域越大.同时燃油温度增加,其喷雾锥角也相应变大,并观察到了"线空化"和几何诱导空化同时存在的现象.