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.     

不同背压下GDI油束的喷雾过程研究

在定容弹中,利用高速摄影和相位多普勒粒子测试技术研究了背压对汽油直喷多孔喷油器一油束的喷雾过程的影响,背压变化范围为绝对压力0.05MPa~0.50MPa。研究结果表明:在不同的背压下,均发现了目标油束往喷油器轴线偏转的趋势,这是由目标油束两侧压差而引起;油束的偏转同时导致了油滴直径分布的变化。在喷雾发展过程中,在大气压力和负压下,不同径向位置的油滴速度在一定时间内呈双峰分布状,而在高背压下仅呈现单峰分布,这是由高速射流带来喷雾内外侧压力不平衡和汽油的低饱和蒸汽压引起喷孔出口速度分布变化共同作用而导致。     

GDI发动机喷雾特性的数值模拟和试验

汽油直喷发动机高压燃油喷射系统与燃油经济性和废气排放等密切相关,通过试验和数值模拟对高压喷油系统和旋流喷油器的喷雾特性进行了研究.在不同喷射压力、背压压力条件下,利用高速摄像机对喷入定体积容器的喷雾进行了喷雾贯穿距离和喷雾锥角参数的测量.结果表明:在低背压压力下,喷雾呈现出空锥、较大范围的分布形态,有利于实现燃油与空气的均质混合;在高背压条件下,喷雾呈现出紧凑密集的分布形态,有利于实现燃油与空气的分层混合.获得的贯穿距离经验公式与试验测量值在一定范围内是一致的.基于AVL HYDSIM环境建立了一维高压喷油系统模型,模拟得到的针阀升程与试验获得的图像在时间上具有一致性.     

直喷汽油机中空锥形燃油喷雾的雾化和蒸发模型

高压旋流中空燃油喷雾日益广泛地应用于缸内直喷(GDI)汽油机中，为此发展了一种适合于模拟这种燃油喷雾雾化过程的薄膜喷雾模型．燃油薄膜的破碎过程采用表面波破碎理论来模拟．对Spalding蒸发模型和油滴阻力模型进行了改进，用来计算油滴的蒸发和阻力变形过程，同时引入初始喷雾液团的计算模块．在多维内燃机计算程序KIVA3的基础上建立了改进的数值计算模型，并对不同喷射条件下的定容压力容器中空旋流燃油喷雾过程进行了数值计算，对计算和实验所得的喷雾特性包括油束外形结构，油束喷雾贯穿度和油滴粒径进行了详细的比较，同时对单液滴的蒸发过程也进行了数值计算，油束模型的计算结果与实验结果吻合良好。     

小流量旋流喷嘴喷雾性能影响因素的试验研究

在超高压燃油喷雾试验台上测试分析了不同环境背压及喷射流量对适用于斯特林发动机的小流量压力旋流喷嘴燃料喷射性能的影响。结果表明:喷嘴的喷雾形态受燃烧室背压的影响最明显,背压升高,喷雾锥角减小;喷射流量的影响受背压的限制,中高背压下,流量增大到一定程度后锥角开始变小,流量继续增大,雾化效果变差。喷嘴设计流量的影响为:增大设计流量,相同工况下的喷雾锥角有增大的趋势,但有效雾化的最小临界流量值变大;设计锥角的影响和设计流量类似:较大喷射流量工况下,大设计锥角喷嘴对高背压的适应性较好。研究认为:小流量工况只能采用小设计流量的喷嘴,且对高背压的适应性较差;在大流量工况下,设计流量和设计锥角均较大的喷嘴对高背压工况具有更好的适应性。     

醇类燃料HCCI发动机燃烧特性的实验研究

在Ricardo Hydra单缸四冲程发动机上利用内部废气再循环策略实现了4种醇类燃料(纯甲醇燃料、纯乙醇燃料、体积分数为50％的甲醇与汽油混合燃料和体积分数为50％的乙醇与汽油混合燃料)的HCCI燃烧．通过调整HCCI发动机的空燃比、转速和气门相位角,研究了醇类燃料HCCI发动机的燃烧特性．结果表明,醇类燃料的 HCCI燃烧不同于普通汽油,燃烧可以在较稀的混合气浓度范围区域内实现,使发动机的运行范围向小负荷和高转速方向拓展,其中纯乙醇可以向高低负荷两个方向拓展运行范围．醇类的着火时刻受化学反应特性和加热的共同影响,其中甲醇燃料的着火在所比较的范围内都是最早的,而且甲醇燃料的着火持续期短于乙醇燃料．除了纯甲醇以外,其他醇类燃料的平均指示压力都高于汽油．     

柴油机瞬态喷雾特性及喷油器后滴油现象试验研究及分析

采用高速摄影技术对某型国产喷油器分别在有背压条件和自由喷雾情况下进行了喷雾宏观特性测试,获得了不同喷油压力和背压条件下油束的宏观形态;在高速摄影技术基础上使用长焦显微镜头捕捉到该喷油器喷雾末期的后滴油现象并探究产生此现象的原因。研究结果表明:喷油压力或喷射背压的提高可以显著增加喷雾锥角,增大喷雾场在燃烧室中的分布范围,更有利于油气混合;燃油喷雾过程的喷雾锥角曲线呈明显的双波峰形状;电磁阀阀芯落座的响应时间过长造成喷油器断油不干脆是产生后滴油现象的原因之一。     

一种改进的直喷汽油机涡旋喷油器油束模型

根据燃油薄膜模型和表面波破碎理论，在KIVA3程序的基础上建立了适合于计算缸内直喷汽油机高压涡旋喷油器油束特性的模型。对原模型进行了改进和简化，并加入了初始喷雾的计算模块。采用该模型可以计算出油束特性的主要参数，包括主喷雾和初始喷雾的贯穿度、油束索特平均直径(SMD)等，并应用此模型计算了高压涡旋喷油器在两种不同工况下的油束外形结构和油束特性参数。模拟计算结果表明，经过改进的油束模型可以准确地计算出燃油薄膜参数(包括薄膜厚度和速度)；通过引入初始喷雾，使喷雾外形和索特平均直径的模拟计算结果与试验结果更加吻合。     

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.     

不同燃料喷雾撞壁后液滴破碎过程

运用相位多普勒激光测试(PDA)系统对汽油、异辛烷、甲醇和乙醇的自由喷雾以及喷雾撞壁后的粒径和粒速分布分别进行试验,并根据理论模型对不同燃料撞壁后的飞溅比例进行预测.结果表明:甲醇与乙醇自由喷雾液滴直径明显大于汽油和异辛烷,多集中于10～30,μm范围,且在相同的喷射条件下更容易产生撞壁飞溅和二次破碎.喷雾内部液滴运动状态差别极大,在R8(喷孔轴线为8,mm)位置更易产生飞溅破碎,其中甲醇与乙醇在R8处飞溅比例分别为55.9%,和56.7%,,而汽油和异辛烷仅为49.7%,和49.1%,.反射液滴直径由于飞溅破碎作用相比自由喷雾明显减小,且使喷雾中心区域的入射液滴更容易产生碰撞与相互作用.自由喷雾和入射喷雾边缘部分液滴法向速度分布较中心更为分散.乙醇自由喷雾边缘切向速度大于汽油,而入射液滴相反.     

Spray characteristics of high-pressure swirl injector fueled with alcohol

The spray characteristics of methanol and ethanol with high-pressure swirl injector were explored experimentally and numerically. experimental results show that the spray characteristics of methanol and ethanol had displayed the same trends as that of gasoline. Under the low back-pressure ambient conditions, the spray behavior exhibited a hollow cone with wide spray angle and initial spray slug at the tip, while the spray presented a solid cone in the case of high back-pressure. Vortexes in the opposite direction existed in the rear part of the spray under low back-pressure ambient conditions while the vortexes formed in the middle part under high back-pressure ambient conditions. Experiments also showed that methanol had the largest cone angle, while ethanol and gasoline presented almost the same cone angle. Simulation results indicated that methanol and ethanol had a slightly larger Sauter mean diameter (SMD) than that of gasoline with swirl injector. The SMD profile of methanol coincided well with that of ethanol under low back-pressure ambient conditions, but displayed a slightly larger value under high back-pressure due to fuel evaporation Numerical simulation could successfully demonstrate the spray characteristics of high-pressure swirl injector for methanol and ethanol fuels. Translated from Transactions of CSICE, 2006, 24(1): 1–8 [译自: 内燃机学报]     

非对称多孔喷油器撞壁喷雾特性的试验与模拟

采用高速阴影摄像技术对直喷汽油机非对称多孔喷油器进行了撞壁喷雾特性研究.分析了撞壁距离和撞壁角度对撞壁喷雾贯穿距和半径的影响.利用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)技术研究了撞壁距离与撞壁角度对撞壁喷雾粒径SMD(Sauter Mean Diameter)、壁面油膜厚度以及壁面油膜面积的影响.结果表明,撞壁距离与撞壁角度对撞壁喷雾有着重要影响,在试验条件下较佳的撞壁距离大约为26.1,mm,即压缩/进气上止点前后60°CA左右,较合适的撞壁角度应该是75°左右.此外,喷雾离开喷嘴3,ms后,撞壁距离为26.1,mm时,撞壁喷雾粒径SMD平均较撞壁距离18.1,mm时大了约1,μm,而比撞壁距离47.1,mm时小了约14,μm;撞壁角度为75°时,撞壁喷雾粒径SMD平均较撞壁角度60°时小了约5,μm,而比撞壁角度90°时大了约1.6,μm.     

汽油/柴油掺混燃油两段喷射喷雾特性试验研究

基于定容燃烧弹与超高速数码相机搭建的LED-Mie散射喷雾试验台,研究了不同参数对柴油、汽油质量占比20%的柴汽混合油(记为G20)单段与两段喷射主喷液相喷雾特性的影响。结果表明,单段喷射喷雾贯穿距与喷雾锥角随喷射压力的增大而增大,G20喷雾贯穿距略小于柴油喷雾贯穿距,G20喷雾锥角略大于柴油喷雾锥角。将环境温度由300K升高到850K,喷雾贯穿距变小且喷雾很快达到稳定。冷态环境下(300K),两段喷射主喷喷雾贯穿距起始阶段与单段喷射喷雾贯穿距基本一致,但随着喷雾发展200μs左右后,两段喷射主喷喷雾贯穿距变得略小于单段喷射喷雾贯穿距。两段喷射主喷喷雾锥角略大于单段喷射喷雾锥角,预主喷间隔时间对喷雾锥角影响较小。     

引射比对生物柴油斯特林发动机喷雾特性影响的仿真研究

基于斯特林发动机的喷雾特性,建立了某斯特林发动机旋流引射、喷雾的数学物理模型,模拟了高背压下生物柴油斯特林发动机在不同引射比下的喷雾过程。研究发现:生物柴油喷雾锥角随引射比的增大而增大,大引射比下的喷雾油束前端出现了明显的凹型回缩锋面;引射比越大,喷雾贯穿距越小;增大引射比,液滴速度增大,索特平均直径减小,粒径方差减小。高背压下,增大引射比能增大燃油混合气的空间分布,提高喷雾雾化效果。     

汽油缸内喷射喷雾特性的三维数值模拟

用三维计算流体力学软件模拟了汽油缸内喷射的静态喷雾特性 ,研究了燃烧室压力、初始液滴直径和喷雾锥角对喷雾特性的影响 ,并与试验结果进行了比较。研究结果表明 :燃烧室压力、初始液滴直径和喷雾锥角对喷雾特性有较大影响     

Mechanisms of spray formation and combustion from a multi-hole injector with E85 and gasoline

The spray formation and combustion characteristics of gasoline and E85 (85% ethanol, 15% gasoline) have been investigated using a multi-hole injector with asymmetric nozzle-hole arrangement. Experiments were carried out in a quiescent optical chamber using high-speed shadowgraphy (9 kHz) to characterise the spray sensitivity to both injector temperature and ambient pressure in the range of 20-120 °C and 0.5, 1.0 bar. Spray-tip penetrations and ‘umbrella’ spray cone angles were calculated for all conditions. Phase Doppler Anemometry was also used to measure droplet sizes in the core of one of the spray plumes, 25 mm below the injector tip. To study the effect of fuel properties on vaporisation and mixture preparation under realistic operating conditions, a separate set of experiments was carried out in a direct-injection spark-ignition optical engine. The engine was run at 1500 RPM under cold and fully warmed-up conditions (20 °C and 90 °C) at part load and full load (0.5 and 1.0 bar intake pressure). Floodlit laser Mie-scattering images of the sprays on two orthogonal planes corresponding to the swirl and tumble planes of in-cylinder flow motion were acquired to study the full injection event and post-injection mixing stage. These were used to make comparisons with the static chamber sprays and to quantify the liquid-to-vapour phase evaporation process for both fuels by calculating the projected ‘footprint’ of the sprays at different conditions. Analysis of the macroscopic structure and turbulent primary break-up properties of the sprays was undertaken in light of jet exit conditions described in terms of non-dimensional numbers. The effects on stoichiometric combustion were investigated by imaging the natural flame chemiluminescence through the engine’s piston crown (swirl plane) and by post-processing to derive flame growth rates and trajectories of flame motion.     

基于平面激光Mie散射技术的乙醇喷雾特性研究

采用平面激光Mie散射技术,利用直喷式发动机的多孔喷油器,研究了喷射压力、环境压力对乙醇喷雾特性的影响,并与汽油喷雾进行对比.试验结果表明:乙醇喷雾的贯穿距随着喷射压力的升高和环境压力的降低而增大;喷雾锥角随着环境压力和喷射压力的升高而增大.乙醇喷雾的初速度和贯穿距小于汽油喷雾,其喷雾锥角与汽油无明显差别.