柴油机喷孔内部空化效应的可视化实验研究

柴油机喷孔内空化现象显著影响燃油雾化质量.针对目前广泛应用的VCO型喷嘴,设计大尺度透明喷嘴稳态实验系统,全面研究了无量纲数、雷诺数、喷嘴射流参数和结构参数对喷嘴内空化过程的影响.结果表明,空化数对空化剧烈程度影响显著,雷诺数对空化剧烈程度影响小于空化数;射流参数直接影响流体流动状态,增大入口压力、减小出口压力和针阀升程能使喷孔内的空化现象显著增强;结构参数决定喷孔内流动形式,增大喷孔倾角、直径和长径比,采用入口圆角等措施会抑制空化的产生.     

压力室结构对断油阶段空化及气体倒流的影响

断油阶段的空化现象对喷油间隔期的流场有重要影响,空化引起的高温燃气倒流会造成孔内结焦,进而影响缸内射流雾化.基于可视化试验和流体体积(VOF)方法两相三组分多相流求解器,对柴油喷嘴断油阶段的流动过程进行试验和模拟,分析3种不同压力室壁面曲率结构的喷嘴对断油阶段空化及气体倒流的影响.结果表明:在断油阶段喷孔和压力室依次发生空化现象,其中压力室内空化量较大,并呈现为涡空化和带状空化两种形态,壁面曲率小的狭直结构以带状空化为主;压力室结构较为狭直的喷嘴空化体积变大,但其低压持续时间延长使柴油流出量变小,最终导致倒流气体量下降;在发生涡空化时,速度梯度张量第二不变量Q与涡空化体积呈正相关,涡核区域越小则流场中磨擦耗散越少,越易于压力室内空化的形成.     

柴油机喷油器内部空化流动的数值模拟研究

柴油机喷油器内部的空化流动现象对燃油雾化、燃烧及排放有重大的影响,而针阀运动又直接影响着喷油器内部空化流动的生成与发展。为此,运用欧拉双流体法对喷油器内部流动进行气、液两相流的动态模拟研究,分析了不同针阀升程下喷孔内部空化分布及发展情况。研究结果表明,针阀上升和下降过程中,喷孔内空化流动变化剧烈;针阀升程稳定时,喷孔内空化流动相对稳定;喷孔入口增加倒角,可以有效缓解喷孔内的空化现象。     

喷油器喷嘴结构参数对空化效应的影响

喷油器喷嘴内部的燃油的流动和空化直接影响燃油的喷射,又可造成喷嘴空蚀。基于不可压缩流体体积函数(VOF)多相流模型,模拟喷油器完整喷射周期内的燃油流动和空化特性,获得喷嘴空化形成及发展的关键区域和影响空化效应的关键结构参数,并分析其对流场及空化特性的影响规律。结果表明：较小针阀升程时,在针阀锥形表面台阶和喷孔下边缘位置处发生明显空化现象,当升程增加,空化集中分布在喷孔位置处,从倒圆处开始诱发,逐渐向下游延伸;针阀台阶夹角增大使得针阀表面台阶处和喷孔下缘的前部的局部空化增强,穴蚀更严重,且燃油流量减小,通过增大针阀座倒圆半径和喷孔直径锥度系数可有效地改善喷孔局部空化程度。     

基于CFD的柴油机渐扩形喷孔喷嘴空穴流动特性研究

柴油机喷嘴的内部流动特性直接影响到燃油的喷射和雾化,进而影响到随后的蒸发、混合和燃烧。基于喷孔形状对其内部流动特性的重要影响,将混合多相流模型与空穴模型相结合,对渐扩形喷孔喷嘴的内部流动特性进行了三维数值模拟。研究结果显示:随着喷油压力或针阀升程的增加,渐扩形喷孔喷嘴内的空化效应和液流紊乱均是逐渐增强的,喷孔的质量流量和出口平均流速均是逐渐提高的,喷油背压的增加对上述参量均具有一定的抑制作用;但与圆柱形喷孔喷嘴相比,相同喷射条件或针阀升程下,渐扩形喷孔喷嘴的质量流量和空化效应均是较高的,流量系数和出口平均流速均是较低的。     

柴油机喷嘴内涡线空化特性的实验与数值模拟

柴油机喷嘴内涡线空化是一种不同于几何诱导空化的两相流动,对随后的喷雾雾化具有重要影响.基于可视化试验和数值模拟方法,针对两渐缩锥形孔柴油机喷嘴内部的涡线空化现象展开研究.结果表明:涡线空化有针阀-喷孔型和喷孔-喷孔型两类,它们起源并沿着旋涡核心发展,且其强度依赖于旋涡核的涡量大小.同时,针阀-喷孔型和喷孔-喷孔型涡线空...     

不同喷孔入口的柴油机喷嘴空化特性

柴油在柴油机喷嘴内部流动会直接影响其喷射和雾化,进而影响柴油机的性能和排放.线空化是柴油在喷嘴系统中脱离喷孔壁面后呈现线状形态的特殊空化现象.由于受到柴油机喷嘴真实尺寸的限制,使得燃油流动瞬间变化,同时线空化是随机性发生的,这两个现象使线空化试验的难度大大增加.本试验采用具有可视化记录功能的稳态实验装置,通过固定柴油机喷嘴内针阀升程并控制喷射压力使其全程处于稳定状态,研究不同喷孔入口的柴油机喷嘴在线空化现象中的形态分布特征.研究得出,喷射压力差对线空化影响较大,喷孔内部线空化分布长度与喷射压差呈正相关;此外,喷孔入口处的圆角结构会明显改变线空化在形成过程中的分布特征;几何诱导空化泡可以在涡旋运动的作用下聚集在漩涡中心从而促进线空化的发展;喷孔入口设置倒圆角结构可以明显抑制几何诱导空化和线空化的产生,从而提高柴油机的性能.     

柴油机喷油嘴内部沉积物的特征

针对喷嘴内部沉积问题,借助扫描电子显微镜、能谱分析仪和红外光谱分析仪研究了喷嘴内部沉积物分布区域、形貌和组成元素等基本特征;通过透明喷嘴可视化实验分析了喷嘴内部沉积物形成的来源.结果表明:沉积物在喷嘴内部可划分为5个分布区域,越靠近燃烧室,沉积物积累越严重.在喷嘴内外的沉积物中发现了相同的4种非金属元素,6种金属元素.来源于润滑油中的锌元素和钠元素,发现存在于喷孔和压力室表面沉积物中,但承压锥面未检测到该两种元素.沿燃油流动方向,喷孔内部沉积物的量逐渐增多,且m(C)/m(O)逐渐增大.喷孔外侧和压力室中都发现了一定量的酰胺类沉积物.针阀关闭时的倒吸气体是形成喷孔和压力室中沉积物的来源物质之一.     

柴油机不同类型喷嘴内部空化流动特性的研究

柴油喷嘴内部空化效应是燃油液体射流雾化的重要原因之一。针对目前发动机上广泛采用的SAC型和VCO型两种柴油机多孔喷嘴,运用基于欧拉多流体法的多相流模型,通过全自动网格生成技术,对二者进行了多维数值模拟。将空化模型应用于数值模拟中,全面分析了喷射压力、喷孔背压、喷孔入口圆角半径和喷孔倾斜角等参数对喷孔内部空化流动及出口流量的影响。结果表明,增大喷射压力容易促使空化的发生,压力较大时,SAC型喷嘴出口流量变化不如VCO型的大;出口压力对空化起到抑制作用,减小出口压力有利于空化的形成,有助于喷孔出口燃油的雾化;喷孔入口圆角半径和倾斜角的增大,使得孔内流动变得更加顺畅,燃油蒸气体积变小,出口流量增加。所以孔内空化效应对缸内喷雾过程尤其是燃油液体射流的初始破碎的影响不容忽视。     

针阀升程对乙醇柴油的空化现象及近场喷雾特性的影响

基于等比例放大透明喷嘴搭建可视化试验台,以乙醇柴油为流动介质,通过控制燃油喷射压力改变孔内燃油流动速度,对比研究了不同燃油流速下3种针阀升程(3mm、6mm和8mm)所对应的喷嘴孔内空化现象及近场喷雾形态。试验发现:喷嘴孔内空化现象随燃油流速升高依次历经无空化阶段、空化阶段(初生-发展-超空化)和柱塞流阶段;同等燃油流速下针阀升程越小,则喷嘴孔内越易发生空化,且空化现象更为强烈。喷孔流量系数随燃油流速升高呈先缓慢增大后急剧减小的变化趋势;同等燃油流速下针阀升程越大,则喷孔流量系数越大。近场喷雾锥角随燃油流速升高呈先增后减的变化趋势;在柱塞流发生之前,同等燃油流速下针阀升程越小,则近场喷雾锥角越大,且喷雾锥角峰值对应的燃油流速越小。     

柴油机喷嘴结构优化的数值模拟分析

柴油机喷嘴头部细微结构的变化对内部流动有显著的影响，进而影响到喷雾油束雾化性能。利用混合多相流空穴模型对STD（Standard）标准型、VCO（Valve Closed Orifice）无压力室型及IMPROVED改进型的垂直多孔喷嘴内部完全发展了的空穴流动进行了不同针阀升程下的三维数值模拟，通过对比分析得出改进型喷嘴能在低喷油速率下获得相对良好的喷雾性能，综合特性优于STD标准型和VCO无压力室型喷嘴。     

柴油机喷油嘴喷射过程空化效应数值分析

以某型机械式喷油器为对象,采用CFD软件STAR-CCM+,基于不可压缩流体体积函数(VOF)多相流模型,研究分析了在怠速、50%负荷、100%负荷工况下,完整喷射期内喷油嘴处的内流场及空化效应。结果表明:喷射过程中针阀升程的变化对于流动和空化特性影响显著,针阀升程较小时,在针阀的拐角处形成局部低压区,空化现象开始发生,形成大量的燃油蒸气,并在囊室内形成显著的二次涡漩流动,在喷孔底部产生二次空化;在相同的针阀升程下,压强越大,空化效应越显著。     

Experimental study of flow regime characteristics in diesel multi-hole nozzles with different structures and enlarged scales

The internal flow of diesel nozzles has a strong influence on the subsequent spray and atomization characteristics. A flow visualization experiment system equipped with enlarged transparent nozzles was set up to investigate the effect of different nozzle structures and different nozzle enlarged scales on cavitating flow and subsequent spray characteristics. Significant parameters of internal flow including critical pressure of cavitation inception, critical pressure of hydraulic flip, discharge coefficient, Reynolds number, flow rate and cavitation distribution were fully investigated during the experiments. Experimental results show that the nozzles with small length/diameter ratios at the same orifice diameter were more inclined to cavitate and had higher discharge coefficient than that of nozzles with large length/diameter ratios. Cavitating flow in nozzles with different sac volume structures may incur different spray characteristics in the near-nozzle field and it is the internal cavitating flow that induces the asymmetry of subsequent spray. The investigations indicate that the critical pressure of hydraulic flip and discharge coefficient of nozzles under different needle lifts were quite different even under the same boundary conditions and the nozzle flow characteristics have been greatly influenced by the hydraulic flip phenomenon. Two types of cavitation were observed in nozzles with different scaled-up times and the string cavitation was found in three times scaled-up nozzle, while the cloud cavitation bubbles were appeared in five and eight times scaled-up nozzles. A kind of hysteretic cavitation phenomenon was also observed in the experiment and then was analyzed in this paper.     

直喷式柴油机供油系统对高压喷射特性影响的研究

本介绍了直喷式柴油机泵－管－嘴供油系统及其主要参数对喷油压力及其供油特性的影响，试验在油泵试验台上进行，通过对两种油泵，多种油嘴和油管的不同匹配试验发现，实现高压喷射有效手段是在提高压油泵喷油压力的同时，还必须精心选用小孔径，多孔数喷嘴；喷油压力圣孔径变化最为敏感，高压喷射供油系统设计中，应注意防止２次喷射及穴蚀的产生。     

Application of spray impingement technique for characterisation of high pressure sprays from multi-hole diesel nozzles

An attempt has been made to study and characterise the performance of two multi-hole nozzles of different nozzle hole geometry using the impingement technique. The technique was able to characterise the nozzle geometry and the near nozzle spray characteristics. The transients of the needle motion, dynamics of the pressure fluctuations were all reflected in the momentum flux measurements. The impingement distance had no significant effect on the derived injected fuel mass and the nozzle discharge coefficient. The momentum of the spray was observed to be strongly dependant on the fluctuations of the injection pressure but the average nozzle discharge coefficient for an orifice was not significantly influenced by different injection pressures. Numerous transients were observed to occur in the spray parameters over a single injection cycle and the transients in the spray were unique for an orifice and varied from one orifice to another in the same nozzle. This technique proves to be a vital tool for predicting the transient performance of high pressure nozzle flows.     

确定喷射压力与喷射率的一种新方法

本文建立了一种计算喷射压力(油嘴蓄压腔压力)和喷射率的新方法,主要特点是无需已知喷孔处的流通特性(如流量系数等),而是通过实测的油管两端压力和针阀升程就可以计算出喷射压力和喷射率。为了提高计算精度,在计算中考虑了牵连速度和音速变化等因素的影响,建立了处理残余空泡的计算模型。     

基于键合图高压共轨喷油波动影响的显著性

基于键合图理论建立了电控喷油器数值模型,推导得到了其状态方程,循环喷油量计算值与测量结果最大相对误差为5.05%,喷油率计算值与试验测量结果吻合度较好,表明所建立的数值模型具有较高的精度.对循环喷油量波动响应面模型进行评价表明,其可以在设计空间内合理预测系统循环喷油量波动.响应面模型的显著性分析表明,针阀通道节流孔直径、喷孔直径、针阀升程、针阀弹簧预紧力的独立作用以及进油节流孔直径与出油节流孔直径、针阀通道节流孔直径、针阀升程、针阀通道节流孔直径与出油节流孔直径、喷孔直径、控制阀升程、控制阀弹簧预紧力、针阀升程、针阀弹簧预紧力、喷孔直径与针阀升程、针阀弹簧预紧力、控制阀升程与控制阀弹簧预紧力间的交互作用在95%置信水平下对系统循环喷油量波动影响显著.     

高压共轨系统结构参数对发动机性能影响的模拟

高压共轨系统的结构参数直接影响高压共轨系统的性能,进而影响到整个发动机的性能.为了使高压共轨喷油系统与发动机能够较好地匹配,利用GT-SUITE发动机性能分析软件建立了高压共轨系统和发动机整机的耦合模型,分析了高压共轨系统的喷油器控制室容积、针阀质量、控制量孔直径、喷嘴喷孔数和直径对发动机性能(动力性、经济性、排放性)的影响.结果表明:当控制室容积在不超过最小极限值的情况下,应减小控制室容积;在保证针阀运行平稳的情况下,应减小其质量;在保证进油量孔充分大、不产生二次喷射的情况下,合理选取进油量孔和出油量孔的直径,保证针阀的开启和关闭;根据高压共轨压力和最大喷油量的要求,并结合燃烧室形状选择喷孔数和直径.只有在满足这些条件的情况下,才可以获得比较好的发动机综合性能.