汽油缸内直喷喷雾在不同壁温和二次喷射下的附壁油膜特性研究

采用激光诱导荧光(laser induced fluorescence,LIF)法测量缸内直喷喷油器喷雾附壁油膜的厚度分布,研究了附壁油膜质量和平均厚度随不同的壁面温度和喷射策略的变化。结果表明:常温壁面下油膜呈"波浪状",热壁面下油膜的边缘轮廓呈"带状"凸起,在壁面温度为413K时,还出现了聚集的小液滴。保持总喷油量不变,随着壁面温度的增大,单次喷射的附壁油膜质量逐渐减小,二次喷射的附壁油膜质量先减小后增大,单/二次喷射的附壁油膜平均厚度都逐渐增大;相对于单次喷射,相同热壁面温度下的二次喷射附壁油膜平均厚度都较小,在壁面温度同为413K时最多减小了42%。仅增加第二次喷射的喷油脉宽,壁面温度为298K和373K时的附壁油膜质量先增大后减小,壁面温度为413K时附壁油膜质量逐渐增大;相同喷油脉宽下,壁面温度为413K时附壁油膜平均厚度最大,而壁面温度为298K和373K时附壁油膜平均厚度与喷油间隔相关。     

喷孔直径对喷雾碰壁特性的影响研究

利用单孔喷嘴高压共轨喷油器,以喷油器油量标定数据及控制参数为基础,在定容燃烧弹上,采用纹影和高速相机成像技术,在等喷油量变喷孔直径的前提下,测量了液相碰壁喷雾的半径(liquid-phase impingement spray radius,RL)、高度(liquid-phase impingement spray height,HL)、面积(liquid-phase impingement spray area,AL)和气相碰壁喷雾的半径(vapor-phase impingement spray radius,RV)、高度(vapor-phase impingement spray height,HV)、面积(vapor-phase impingement spray area,AV)参数的变化规律,对比了喷油结束时刻及喷油结束之后的碰壁喷雾特性。结果表明:在定油量条件下,喷雾喷油结束之前的增长速率高于喷油结束之后。喷孔直径越大,喷雾扩散速率越大,喷油持续期越短,但喷油结束之后RV的扩散速率与孔径关系不大。喷油结束时刻,随着喷孔直径的增加,RL、RV、HV、AV、纯气相面积(pure vapor-phase impingement spray area,APV)不断降低,HL、AL不断增加。除此之外,RV与RL相近,而HV远大于HL。     

壁面温度对喷射油膜附壁厚度的影响

研究了喷射油膜厚度随壁面温度的变化规律.设计了PID闭环加热平板,以及二维可调节移动平台,使用激光诱导荧光法(LIF)定量测量了在垂直情况下,喷射燃油到平板上形成的附壁油膜厚度随温度变化的规律,并通过高速CCD摄像机拍摄照片进行比较.研究结果表明:随着壁面温度从26℃增加到120℃,附壁油膜的厚度减小,油膜最厚处的厚度从80μm下降到35μm,同时油膜覆盖面积从5.66cm2减小到1.55cm2;试验还测量了油膜厚度与油膜形成时间之间的关系,得出在喷油结束40ms时,油膜厚度达到最大值.     

逆向气流对油束碰壁及壁面油膜的影响

利用激光诱导荧光法(LIF)和数值模拟方法研究了异型壁面油束碰壁及油膜形成与演变过程机理.首先在燃烧室模拟装置上进行试验,利用LIF方法研究了气流运动对38°,喷油条件下油束碰壁过程的影响;随后,在模拟装置及试验条件的基础上,对壁面油膜的形成与演变过程进行了数值模拟研究.结果显示:无气流运动时,近壁区域液相燃油存在累积现象,燃油自然蒸发对壁面液相燃油的弥散作用有限,液相燃油残留时间达10,ms以上.与无气流运动时相比,在逆向气流作用下,液相燃油累积现象减弱,总体向二次油膜区域偏移,燃油油膜在壁面油膜残存量减少.在逆向气流作用下,由于油膜流动和空间油滴二次附壁,有可能导致壁面局部地方油膜变厚.     

电控汽油机进气道附壁油膜模拟研究

电控汽油机进气道多点喷射的附壁油膜现象是导致燃油动态传输迟滞的根本原因,为此笔者从喷雾碰壁出发,研究附壁油膜形成过程以及附壁油膜形状和质量分布的影响因素。通过Fluent软件对喷雾碰壁多影响因素的模拟及自定义函数（UDF）对空间颗粒统计分析,从本质上得出影响附壁油膜形成、燃油动态传输迟滞以及混合气形成品质的主要因素,为进气道多点喷射的燃油精确控制提供了较为有力的理论依据。     

不同喷油压力RP-3航空煤油、柴油碰壁喷雾着火和燃烧特性的对比研究

利用直径0.22mm的单孔喷嘴高压共轨喷油器,以喷油器油量标定数据及控制参数为基础,采用高速相机成像技术在定容燃烧室内在等喷油量变喷油压力的前提下测量了着火点、着火滞燃期、燃烧持续期、火焰面积(AF)和火焰自然发光强度(SINL)的变化规律,对比研究了RP-3航空煤油、柴油碰壁喷雾的着火和燃烧特性。结果表明:在低喷油压力下着火点分布在离壁面较远的区域,在较高喷油压力下着火点位于壁面上,距喷油器中心线的距离随喷油压力的增加而增加,且RP-3航空煤油着火点距喷油器的距离比柴油更远。随着喷油压力的增加,RP-3航空煤油碰壁喷雾火焰的着火滞燃期先降低后增加,柴油碰壁喷雾火焰的着火滞燃期不断降低,且RP-3航空煤油具有更短的着火滞燃期。燃烧持续期随喷油压力的增加而降低,RP-3航空煤油的燃烧持续期比柴油短。喷油压力越高,火焰面积(AF)和自然发光强度(SINL)的变化速率越高,而AF和SINL的最大值及达到最大值所需的时间越小。与柴油相比,RP-3航空煤油的AF、SINL具有更高的变化速率,且AF、SINL的峰值更高,达到峰值的时间更短。     

缸内直喷汽油机低速性能的优化

通过仿真与试验相结合的方法对2.0,L涡轮增压缸内直喷汽油机的低速性能进行了研究,分析了进气滚流比及喷油开始时刻对其性能的影响.使用高滚流气道并对喷油开始时刻进行优化,可有效改善燃烧稳定性和燃油经济性,但其对燃油湿壁问题的改善并不理想.采用两段喷油策略及改变喷油器安装角,对喷雾碰壁问题进行了优化.结果显示:与单段喷射相比,两段喷射可使燃油碰壁和壁面油膜量大幅下降,混合气均匀度也得到进一步提高.适当减小喷油器安装角可使燃油碰壁明显降低,壁面油膜量降低38%,且混合气也更均匀.     

超高喷油压力下柴油喷雾撞壁特性的定量研究

在一个定容弹里,利用复合激光诱导荧光技术(PLIEF)定量研究了柴油喷雾撞击平板后的燃油分布.试验在180、220和260 MPa3种超高喷油压力下进行的.研究发现,在气/液相喷雾同时撞壁的条件下气相喷雾瞬态最大当量比φ_(max)出现在撞壁点附近,气相喷雾瞬态最低温度T_(min)出现在气相喷雾瞬态最大当量比位置,并与其发展规律截然相反.随着喷油压力的增加,喷雾与环境气体的混合率明显提高,具体表现为:撞壁后气相喷雾φ_(max)变化不大,但液相燃油的质量分数下降,而当量比φ≤2区间的气相燃油质量分数增加,φ2区间的气相燃油质量分数下降.     

撞击平板壁面的柴油喷雾的燃油分布研究

利用复合激光诱导荧光(PLIEF)技术,在一个高温高压定容弹内研究了柴油喷雾撞击平板后的燃油分布。研究结果表明:撞壁对燃油分布有重要影响。撞壁喷雾可以分为:(1)气液相喷雾同时撞壁,在近壁面形成近壁浓区,瞬时最大燃空当量比(Φmax)和最低温度(Tmin)存在于撞壁点附近;(2)气相喷雾撞壁液相喷雾不撞壁,近壁面当量比相对较高,Φmax和Tmin存在于撞壁点上方的自由射流段中;(3)气液相喷雾都不与壁面接触,相当于自由喷射。随着撞壁距离的增加,液相燃油质量分数增加,Φ2的过浓区间的气相燃油质量分数减小,1Φ≤2的较浓区间的气相燃油质量分数增加到一定数量并保持变化不大,0Φ≤1的稀混合气区间的气相燃油质量分数逐渐增加。     

早喷参数对燃油湿壁影响的数值模拟

利用AVL-Fire软件建立了4100柴油机的三维数值模型,并对早喷策略下燃油喷雾湿壁现象进行了数值模拟,重点研究了早喷参数(喷油时刻、喷雾锥角、喷油压力及两段喷射)对早喷阶段累积燃油撞壁量、最大湿壁油膜质量和主喷开始前残余湿壁油膜质量等燃油湿壁参数的影响.研究表明:早喷时刻对燃油湿壁量影响不大;喷油压力对喷雾到达壁面时间和缸内气流运动均产生影响;减小喷雾锥角、采用两段式早喷策略可以有效降低燃油湿壁量,但改变两段喷油量的比例对改善燃油湿壁作用不大.     

汽油机冷起动附壁油膜研究

利用高速摄影和激光荧光法研究了汽油油束碰撞平板后壁面上油膜的发展过程.分析了喷射高度、喷射角度及喷油脉宽对油膜面积及油膜最大厚度的影响,定量地得到了不同参数下的最大油膜厚度和油膜面积.试验结果表明,喷射高度增大时,最大油膜厚度和油膜面积都减小,附壁燃油量减少;喷射角度减小时,最大油膜厚度减小,而油膜面积却增大,有利于燃油挥发;喷油脉宽增大时,最大油膜厚度和油膜面积都增大,附壁燃油量也增加.利用无量纲时间,对油膜面积的变化速度研究发现,无量纲时间在1.5之后,油膜面积基本不再变化.     

汽油机起动工况附壁油膜挥发过程的计算分析

建立了附壁油膜计算模型,研究了进气道喷射摩托车汽油机燃油落点位置、燃油喷射距离及燃油喷射量等参数对起动工况循环内附壁油膜挥发量的影响.分布在进气阀背面上部与进气道交界处附壁油膜挥发速度较大,如果喷射距离过长,部分燃油会分布到温度较低的进气道壁面.导致附壁油膜挥发速度降低.燃油循环喷射量存在一限值:喷射量低于该限值时,循环内附壁油膜挥发量随喷射量的增加而增加;高于该限值时,附壁油膜挥发量随喷射量的增加而减少.     

复合激光诱导荧光定量标定技术及其对喷雾特性研究的应用Ⅱ:喷射参数和环境参数对喷雾特性的定量分析

在改变喷射控制参数和环境参数的喷雾特性研究中,应用定量标定的试验结果深入开展了喷油压力、喷孔孔径、环境密度和环境温度对喷雾各个特性参数影响的研究。研究中发现,提高喷射压力能提高喷雾动能,加速液相喷雾的破碎、促进液相蒸发形成气相喷雾,提高贯穿速率,有利于喷雾的扩散和蒸发。小孔径的喷油嘴,虽然能够减少贯穿距离,但也同时减弱了喷雾和空气的混合空间范围;由于小孔径促进了喷雾的破碎和蒸发,气相喷雾分布均匀程度明显提高。环境密度高的条件下明显减小了喷雾的贯穿距离,这样虽然导致喷雾的扩散速率降低,但由于单位体积内气体量的大幅增加,加快了环境气体和喷雾之间的互相作用,更容易形成气相。环境温度对喷雾的蒸发速率起关键作用,液相喷雾贯穿距离随温度升高而减小,同时,气相最大当量比出现时间提前,这些说明环境温度升高,加速了环境气体和喷雾间的热交换,提高了喷雾的蒸发速率,最终促进气相快速形成。     

喷油策略对直喷汽油机混合气形成影响的模拟计算北大核心CSCD

利用三维仿真软件FIRE建立直喷发动机的仿真计算模型。经过喷雾可视化试验标定,对直喷发动机的单次喷射和二次喷射进行仿真计算,得出二次喷射策略的燃油碰壁量比单次喷射降低25%,有利于混合气的形成和燃烧。进一步研究推迟二次喷射时间对混合气形成的影响发现,一定程度上推迟喷油时间后,燃油的碰壁量会有所下降,同时也会导致最终油膜量的提高,反而导致混合结果不佳。此外,若喷油过迟,碰壁量不仅不会减少,还会增加。     

附壁油膜蒸发模型

针对附壁油膜显著影响内燃机的性能和污染物排放的现象,应用解析方法,创新性地建立了一维非稳态附壁油膜加热蒸发的简化模型.模型中考虑了油膜与壁面的热传导,油膜与高温环境气体的对流换热,以及油膜自身蒸发的影响.应用该模型模拟了正十四烷在高温高压环境中的瞬态加热蒸发过程,考虑了油膜物性随温度的变化,最终得到附壁油膜温度分布的解析解.重点讨论了壁面温度以及环境压力对附壁油膜加热蒸发过程的影响.结果表明:提高壁面温度和降低环境压力可以有效促进附壁油膜蒸发.     

基于折射率匹配法GDI发动机附壁油膜特性

在当前发动机轻量化和高喷射压力的趋势下,采用多孔喷油器的缸内直喷汽油机容易发生喷雾坍塌和燃油碰壁,并在活塞表面形成附壁油膜.为了研究燃油温度对碰壁特性的影响,采用折射率匹配法,系统考察不同燃 油温度下的喷雾碰壁的宏观形态,分析油膜厚度分布和蒸发过程.研究表明:低燃油温度未发生闪沸条件下,各雾束对应的油膜独立、厚度较大且...     

海拔对柴油喷雾和附壁燃烧过程的影响

随着海拔升高,缸内气体密度减小,喷雾液相长度增加,高海拔环境下液态喷雾油滴会直接撞击活塞表面,形成柴油的附壁燃烧.结合具体的发动机参数,利用定容燃烧弹模拟发动机缸内喷雾和燃烧过程,通过高速摄像研究海拔对喷雾撞壁和燃油附壁燃烧过程的影响.结果表明:随着海拔升高,3000 m以上会出现较明显的液态燃油撞壁,并发生燃油的附壁着火燃烧;海拔越高,附壁油雾面积越大,滞燃期越长,着火核心距离壁面越近.燃烧前期,在低海拔下,温度较低的壁面主要对碳烟氧化阶段起到了冷却作用;而在高海拔下,此冷却效果主要作用于滞燃期之前的蒸发和焰前反应过程.燃烧中期,壁面被喷雾火焰加热,冷却作用减弱;低海拔环境下的喷雾和燃烧过程在壁面附近不再形成低温碳烟层;高海拔环境下的喷雾过程则由于壁面附近的过浓混合气燃烧产生大量低温低亮度碳烟,且海拔越高,低亮度碳烟层越厚.燃烧后期,海拔的升高会导致壁面附近火焰的厚度和铺展范围增加,燃烧放热重心后移,对柴油机做功和热效率产生不利影响.     

撞壁距离对柴油喷雾特性的影响

利用复合激光诱导荧光(PLIEF)技术,通过高温高压定容燃烧弹研究了撞壁距离对柴油喷雾撞击平板后的燃油分布影响.试验中,撞壁距离从12.5 mm变化到32.5 mm.结果表明:撞壁距离对燃油分布有重要影响,随着撞壁距离的增加,液相燃油质量分数增加,过浓区间(φ2)的气相燃油质量分数减小,较浓区间(1φ≤2)的气相燃油质量分数增加到一定数量并保持变化不大,稀混合气区间(0φ≤1)的气相燃油质量分数逐渐增加;瞬态最大当量比(φmax)降低;瞬态最低温度(Tmin)发展趋势与φmax相反;气/液相喷雾壁面射流半径和高度大幅减小,甚至不与壁面相撞.     

柴油机起动倒拖缸内喷雾仿真分析

采用三维CFD数值模拟的方法,对试验发动机冷机起动倒拖时的缸内燃油喷射雾化过程进行了仿真计算分析。研究结果表明:在燃油喷雾过程中,由于燃油蒸发吸热,导致缸内温度明显下降,与不喷油时相比下降了32K;缸内喷雾过程出现大量的燃油附壁,附壁量占总喷油量的70%左右;喷雾过程结束时形成的混合气浓度场和温度场呈极不均匀的分层分布,浓度较高的区域温度较低,且分布于靠近活塞壁面的薄层,不利于焰前反应的进行。这些因素均对冷起动过程缸内混合气的着火燃烧产生关键性的影响。此外,研究结果还表明,喷油油束速度是冷起动条件下影响缸内油滴蒸发过程的重要因素。     

汽油单液滴撞击不同壁面试验研究

为明确汽油单液滴撞壁特性,设计了单液滴撞壁系统,分析了汽油液滴撞壁现象及不同壁面对汽油液滴撞壁结果转捩的影响。研究表明:汽油液滴撞击干壁面时在壁面粘附铺展成一层附壁油膜,附壁油膜促使液滴再次撞壁时发生皇冠射流飞溅现象。附壁油膜越薄,飞溅越剧烈,飞溅持续时间越短。相比硅油膜动力黏度,硅油膜厚度对汽油液滴撞壁后形态演变过程影响更大。汽油液滴撞击硅油膜会稀释硅油膜,稀释前后射流分别为碗状射流、皇冠状射流。随着稀释程度增加,皇冠状射流的二次液滴数量增加,二次液滴中含有壁面硅油组分。无量纲时间τ1时,Rioboo模型能较好地预测铺展因子变化规律,但若超过此时间则Rioboo模型预测不准。