低温FAME乳化油掺水量对雾化特性的影响研究

冷启动问题一直是柴油发动机的问题,为改善冷启动阻碍燃油着火及不完全燃烧的问题,本文以FAME-水乳化油为研究对象,研究了乳化油在低温(263K、268K、273K)下不同混合比例(含水量5%、10%、15%)的喷雾特性,低温和含水量对雾化特性的影响,并与较高温度(283~323K)作比较,以提供解决冷启动有价值的见解。结果表明：乳化油在较低温条件下,由于表面张力较大使得液滴不易发生破碎,燃油雾化效果差。同时随着乳化油含水量的增加,索特平均直径SMD明显减小,但喷雾液相贯穿距、锥角变化不大。随着燃油温度的升高,液相贯穿距减小,而喷雾锥角在增大,油温313K之后雾化效果较好,同时SMD减小也较为明显。     

含稀相粒子的纳米燃油喷雾特性模拟研究

为了探究稀相纳米异质粒子对燃油射流喷雾特性的影响,基于纳米燃油喷雾可视化试验结果,应用计算流体力学软件建立含稀相纳米粒子的燃油喷雾模型,依据试验结果验证模型的准确性,并通过该模型研究喷油压力、环境温度和粒子质量浓度对CeO_2纳米燃油的喷雾特性的影响。研究结果表明:在相同喷射压力下,不同喷雾发展时刻,纳米燃油的油束贯穿距和索特平均直径(Sauter mean diameter, SMD)比柴油的大,喷雾锥角比柴油的略小。随着喷射压力提高,纳米燃油与柴油在喷雾贯穿距、喷雾锥角和SMD上的差异增大,且差异与纳米粒子质量浓度呈正相关。当射流环境温度上升时,纳米燃油与柴油在喷雾贯穿距和SMD上的差异均有所增加,且在高温环境下,纳米燃油的贯穿距和SMD会逐渐比柴油的小,纳米粒子质量浓度越高,该现象越明显,而喷雾锥角的差距有所减小。     

环境和燃油温度对丁醇/柴油混合燃料喷雾影响的模拟分析

根据喷雾可视化试验的结果,利用AVL Fire软件建立了正丁醇柴油喷雾的计算模型,并验证了模型的准确性。再利用该模型研究正丁醇柴油混合燃料的喷雾特性,模拟了油束的发展过程,计算了环境和燃油温度对混合燃料喷雾特性的影响。研究结果表明:在背压一定时,随环境温度的升高,油束初始速度增加,喷雾贯穿距增加,锥角减小;索特平均直径(SMD)先减小,在达到一定温度后随温度升高,喷雾初期又有所增大,后期趋于一致;随着燃油温度升高,N25喷雾贯穿距逐渐减小,SMD在喷雾初期随油温增加逐渐减小,随着喷雾的进行逐渐趋于一致。     

环境和燃油温度对丁醇／柴油混合燃料喷雾影响的模拟分析

根据喷雾可视化试验的结果,利用 AVL Fire软件建立了正丁醇柴油喷雾的计算模型,并验证了模型的准确性。再利用该模型研究正丁醇柴油混合燃料的喷雾特性,模拟了油束的发展过程,计算了环境和燃油温度对混合燃料喷雾特性的影响。研究结果表明：在背压一定时,随环境温度的升高,油束初始速度增加,喷雾贯穿距增加,锥角减小;索特平均直径（SMD）先减小,在达到一定温度后随温度升高,喷雾初期又有所增大,后期趋于一致;随着燃油温度升高,N25喷雾贯穿距逐渐减小,SMD在喷雾初期随油温增加逐渐减小,随着喷雾的进行逐渐趋于一致。     

空气喷射量对空气辅助喷射喷雾特性的影响

利用激光粒度仪分析了空气辅助喷射喷雾索特平均直径(Sauter mean diameter,SMD)的变化规律,并且分别在定容弹及光学发动机上开展了喷雾特性(喷雾锥角和贯穿距离)的试验研究,引入喷雾半锥角(α角和β角)的概念用以分析在有进气气流时空气喷射量对喷雾特性的影响.结果表明,增加空气喷射量可以改善燃油的雾化效果,特别是当喷雾燃空比γ小于0.8时,喷雾的SMD会有明显降低;在定容弹内空气喷射量的增大会使喷雾锥角减小,但对贯穿距离的影响不大;在光学发动机内由于进气气流的影响,空气喷射量的增加会使喷雾锥角增大,贯穿距离变小,同时喷雾锥角随时间的变化趋势也明显不同于定容弹内的试验结果.     

直喷条件下正戊烷闪急沸腾喷雾特性试验

利用纹影法在定容弹中,在不同的试验条件下,进行了正戊烷闪急沸腾喷雾特性试验.通过对喷雾图像的拍摄及处理,分析了燃油温度、环境背压、喷油压力对闪急沸腾喷雾的影响.试验结果表明,发生闪急沸腾时,离散液滴数量增多,液滴直径减小,随燃油温度的提高或者随环境背压的减小,喷雾贯穿距先减小后增大,喷雾锥角和喷雾面积先增大后减小;随喷油压力的增大,喷雾贯穿距增大,锥角及喷雾面积均增大;在燃油温度从293,K变化到363,K,环境背压从30,k Pa变化到100,k Pa,以及喷油压力从5,MPa变化到10,MPa的过程中,喷油压力对喷雾贯穿距影响最大,环境背压次之,燃油温度最小;环境背压对锥角的影响最大,燃油温度次之,喷油压力最小;喷油压力对喷雾面积影响最大,环境背压次之,燃油温度最小.     

直喷汽油机自由-撞壁喷雾可视化台架开发及试验

介绍了直喷汽油机可视化喷雾及其撞壁实验装置与控制系统,详细阐述了高压供油系统的设计、直喷汽油机喷油器驱动模式以及喷雾控制系统.基于该可视化装置研究了不同喷油压力和环境压力下喷雾贯穿距与喷雾锥角的变化、不同环境压力下喷雾发展与燃油浓度的变化以及不同撞壁角度和距离下喷雾撞壁特性.试验结果表明,随着喷油压力增加,喷雾贯穿距与喷雾锥角均增大;随着环境压力增加,喷雾贯穿距减小而喷雾锥角增大.此外,75°撞壁角度较60°撞壁角度更加有利于撞壁后喷雾发展和燃油雾化.开发的可视化喷雾及其撞壁试验装置与控制系统能够可靠而稳定地运行.     

高压共轨燃油喷射雾化特性的数值预报

利用FLUENT软件,采用WAVE破碎及标准kε湍流模型,对高压燃油喷射雾化过程进行数值模拟研究;在可视化实验平台上,借助高速摄影技术,结合C#语言开发的图像处理软件,分析得出宏观喷雾特性。采用数值模拟方法获得了各种工况下的喷雾贯穿距和锥角等宏观特性的发展规律。研究结果表明:仿真结果与试验结果较吻合。喷射压力越大,喷雾贯穿距越大,喷雾锥角越小;背压越大,喷雾贯穿距越小,喷雾锥角越大;随着喷射时间的增加,单位时间内贯穿距离和喷雾锥角的增加幅度都呈逐渐减小的趋势。     

含水乙醇多孔直喷喷油器喷雾特性试验研究

含水乙醇在具有现有燃料乙醇优点的同时,还可以降低生产过程中的能源消耗和排放。应用高速摄像机和定容弹系统,在五孔直喷汽油喷油器上研究体积分数95%的含水乙醇在不同燃油温度和喷射背压下的喷雾特性,分析其喷雾形态、贯穿距、喷雾锥角、喷雾宽度、喷雾投影面积及闪沸现象,并与纯汽油的喷雾特性进行对比。研究结果表明：含水乙醇喷雾处于冷态射流状态时,贯穿距大于汽油并随背压升高而降低、油温升高而升高;喷雾锥角小于汽油,并随着背压升高而减小;在完全闪沸状态下,喷雾坍塌成单束油束,喷雾贯穿距明显增长,喷雾锥角明显减小,在靠近喷孔区域喷雾宽度增加,远离喷孔区域喷雾宽度减小,此时喷雾投影面积主要受喷射背压影响。     

乙醚掺混对汽油喷雾发展和蒸发特性影响研究

为开发汽油压燃(GCI)发动机可靠冷启动技术,采用实验和数值模拟结合方法研究了汽油、乙醚及其掺混燃料(掺混比为10%～50%)在不同工况下的喷雾发展及蒸发特性。结果表明,可视化实验及数值模拟获得的喷雾宏观形貌及液相截面落点分布结果吻合良好,且随着乙醚掺混比例的增加,喷雾贯穿距离与喷雾锥角增加幅度最高分别可达20%、10%,喷雾的粒径略有减小,但喷雾的蒸发程度明显增大;基于挂滴法开展的燃料液滴蒸发特性实验证实了乙醚掺混对于掺混燃料的蒸发具有显著促进作用;相同工况下,不同掺混百分比的掺混燃料的蒸发速率均先增大后减小,相比于汽油能够更快达到峰值,并且随着乙醚掺混比的提高,燃料喷雾蒸发速率得到了明显提高。结合实验与模拟研究结果,认为通过掺混高活性的乙醚,在提高汽油燃料雾化质量的同时,能够大幅提升燃油的蒸发速率,从而帮助提高缸内可燃混合气的形成质量,有望克服GCI发动机冷启动性能差的缺点。     

某航空燃油喷嘴雾化特性分析及结构优化

燃油雾化在航空发动机预混燃烧过程中起着至关重要的作用.为提高某航空燃油喷嘴的雾化特性，改进和优化其结构参数，采用流体体积(VOF)界面捕捉算法和正交试验设计相结合的方法，研究了喷嘴的内部流动及结构参数(扩张角、直线段长度、旋流槽升角、旋流槽个数)对雾化特性的影响规律.结果表明：旋流槽上的局部漩涡影响喷嘴内部燃油流动，通过改变旋流槽入口的结构形式消除局部压力损失；旋流槽个数对索特尔平均直径(SMD)的影响最为显著，扩张角是影响雾化锥角最大的因素，存在一个最优的旋流槽升角使油膜厚度最小，直线段长度对雾化特性的影响相对较小；当扩张角为60°、直线段长度为0.25 mm、旋流槽升角为45°、旋流槽个数为2时，优化效果最佳.优化后的喷嘴油膜厚度减小了43.68%,雾化锥角增加了3.70%,SMD减小了14.79%.     

挤压研磨对喷油器流量及雾化性能的影响

为了研究挤压研磨工艺对喷油器喷孔流量和雾化的影响,采用喷雾试验台、高速摄像机、喷油器性能试验台和EFS单次喷射测量仪,在不同挤压研磨加工时间和系统压力的工艺条件下,拍摄了喷油器的喷雾图片,测量了喷孔的流量.分析了喷油器喷孔喷雾的喷雾锥角、喷雾贯穿距、初次和二次破碎、喷雾差异度等的变化规律.结果表明:随着挤压研磨加工时间和系统压力的增加,喷孔的挤研增量逐渐增加;当挤研增量从5%增加到20%时,喷雾锥角从14.8°减小到12.6°,喷雾贯穿距从36.20 mm增加到44.20 mm,一次破碎区域的贯穿距由3.93 mm增大到22.20 mm,一次破碎的贯穿距在整个喷雾贯穿距中的占比增大;随着挤研增量的增大,喷雾差异度增大,不利于燃油在燃烧室的均匀分布.     

GDI喷油器超高压乙醇喷雾的宏观特性

为探究缸内直喷(GDI)喷油器乙醇燃料在超高喷射压力下的喷雾宏观特性,运用纹影测试法和高速摄影技术对喷射压力为10～60,MPa的喷雾进行了测量,系统研究了喷雾形态发展、贯穿距、锥角以及投影面积的变化规律.结果表明:提高喷射压力,喷雾枝状结构出现时刻提前,但超高压喷射下枝状结构形态界限变得模糊;喷雾整体及其核心区贯穿距在喷雾前期较快增长,进入喷雾中期后增速明显下降;随着喷射压力提高,喷雾贯穿距增大,核心区贯穿距占比(R_P)提高,但超高压喷射下增幅都相对较小;提高喷射压力,核心区锥角出现小幅度增加;提高喷射压力,喷雾投影面积增大,核心区面积占比(R_A)减小,雾化程度显著提高.     

喷油压力对GDI积碳喷嘴喷雾特性的影响

喷油器积碳是直喷汽油机(GDI)面临的主要问题之一,提高喷油压力可以改善直喷汽油机的喷雾特性和燃烧特性。在自行设计的定容燃烧弹内,研究了两种喷油压力(4 MPa和7 MPa)对3支积碳程度不同的直喷汽油机喷油器喷雾锥角和贯穿距的影响。结果表明,喷油压力从4 MPa提高到7 MPa时,所有喷油器的喷雾锥角均增大,但增加的幅度有所不同,积碳严重的喷油器在喷油过程中喷雾锥角增加的幅度最大,大约增加了25°,积碳较少的喷油器和无积碳喷油器增加幅度相差不大,大约增加了7°。随着喷油器积碳程度的增多,喷雾锥角呈增大的趋势。燃油喷射结束后,喷雾锥角变化不大,主要是由于此时受环境背压的影响。喷油压力较小时,积碳喷油器喷雾锥角变化的波动范围较大,而喷油压力较高时,积碳喷油器喷雾锥角波动范围变化则较小。积碳喷油器贯穿距增长幅度在喷雾发展过程中受喷油压力和积碳程度的影响较小。喷雾的发展速度在各阶段是不同的,低喷油压力时,积碳喷油器的贯穿距均大于无积碳贯穿距,较少积碳喷油器的贯穿距大于最多积碳喷油器的贯穿距,随着喷雾的发展这一趋势并未改变。高喷油压力时,积碳会抑制喷雾贯穿距的增长,较少积碳喷油器的贯穿距始终大于最多积碳喷油器的贯穿距,无积碳喷油器的起始贯穿距小于另两支喷油器,但最后无积碳喷油器的贯穿距大于另两支喷油器贯穿距。     

压力旋流喷嘴雾化特性的实验研究

通过激光粒度分析仪和高速摄像机对压力旋流喷嘴的雾化特性进行了实验研究,分析了不同喷雾压力及喷嘴孔径对雾粒索特尔平均直径(SMD)、雾粒运动速度和雾化角的影响。研究表明:雾粒SMD及雾化角不仅随喷雾压力的增大而减小,也随喷嘴孔径的减小而减小,同时,雾粒SMD在雾场轴向方向先增大后减小,最后趋于稳定;雾粒轴向运动速度不仅随着喷雾压力的增大而增大,也随喷嘴孔径及距离的增大而减小。     

船用柴油机超高压共轨系统喷雾特性试验研究

利用自行设计的超高压共轨系统喷雾试验平台,开展了超高压共轨系统喷雾特性的试验研究.从油束形态、喷雾贯穿距以及喷雾锥角方面出发,系统定量地分析了喷油压力和喷油规律对船用柴油机喷雾特性的影响,为进一步改善船用柴油机性能提供了理论依据.结果表明:通过控制超高压共轨系统中电控增压器电磁阀和喷油器电磁阀的开启时间,可以实现变压力和变喷油速率喷射;随着喷油压力的升高,油束周围的破碎蒸发现象、喷雾贯穿距以及喷雾锥角均逐渐增大,但当喷油压力超过200 MPa后,其对喷雾贯穿距和喷雾锥角的影响越来越小;随着喷油规律由矩形变化到靴形,油束周围的破碎蒸发现象、喷雾贯穿距以及喷雾锥角均逐渐减小,且喷油压力为150 MPa的矩形喷油规律的喷雾贯穿距大于喷油压力为200 MPa的靴形喷油规律的喷雾贯穿距,这进一步表明了喷射初期的压力是决定喷雾贯穿距的最主要因素.     

喷雾锥角及燃烧室对柴油机预混合低温燃烧的影响

为了避免预混合低温燃烧模式下,早喷策略导致的燃油湿壁现象,在样机燃烧室的基础上,设计了另外两种不同凹坑位置的燃烧室,运用仿真软件AVL fire研究了不同喷雾锥角及燃烧室凹坑位置对柴油机油气混合及燃烧排放的影响。结果表明:采用早喷策略时适当地减小喷雾锥角,可以改善燃油在缸内的分布,有效提高混合气均匀程度,原机燃烧室喷雾锥角从155°减小到145°,soot(碳烟)排放降低了76.8%,但燃烧温度的升高会导致NO_x排放的增加。燃烧室凹坑外移增加了油嘴到燃烧室壁面的距离,有利于充分利用喷雾射流动能,促进混合气的形成,145°喷雾锥角下外移后的燃烧室soot排放降低了56.4%。在不同喷雾锥角下,燃烧室凹坑外移soot排放总是呈减少的趋势,且外移的燃烧室对喷雾锥角的敏感性降低。早喷策略下实现的预混合低温燃烧模式宜采用凹坑外移的燃烧室和较大的喷雾锥角。研究结果为预混合低温燃烧模式燃烧系统的参数优化提供了一定的理论依据。     

喷射压力对生物柴油喷雾特性的影响

基于WAVE和KH-RT这2种液滴破碎模型分别对定容燃烧弹内生物柴油喷雾过程进行数值模拟,利用定容燃烧弹试验台架获取生物柴油喷雾过程,通过数值模拟的计算结果与试验参数对比确定最佳的液滴破碎模型。进一步研究喷油压力对生物柴油的喷雾贯穿距离、喷雾锥角、索特平均直径(SMD)、速度场以及浓度场的影响并与柴油进行对比,结果表明:提高喷射压力,对2种燃料的喷雾贯穿距离都有较大影响,而对其喷雾锥角的影响均较小,但能大幅度降低SMD且均能提高燃料的喷射速度,更易于燃料的破碎蒸发。对比相同工况,生物柴油的破碎雾化效果较差。     

二甲醚和柴油高压喷射喷雾与燃烧可视化对比研究

为明晰高压喷射条件二甲醚闪急沸腾状态下的喷雾形态、自着火和火焰发展特性，通过高温高压定容燃烧弹，利用高速相机基于纹影法对比研究了柴油和二甲醚的喷雾和燃烧特性。实验中将喷射压力设置为60、100 MPa,环境背压设置为4 MPa,在喷雾、燃烧条件下环境温度分别设置为400、800 K。研究结果表明：同工况下二甲醚的喷雾贯穿距和喷雾面积均小于柴油，但其喷雾锥角大于柴油，雾化时间短于柴油，雾化效果优于柴油。随着喷射压力的提高，二甲醚与柴油的贯穿距和喷雾面积都增大，100 MPa喷射压力下二甲醚喷雾面积较60 MPa增大18.18%,而同工况下柴油增大23.5%。相比于柴油，二甲醚燃烧滞燃期和火焰浮起长度较短，燃烧持续期与柴油相当，但二甲醚燃烧火焰亮度、火焰面积和碳烟生成量明显低于柴油。随着喷射压力的提高，柴油与二甲醚的碳烟生成量均降低，但二甲醚的碳烟生成量降低效果更加显著，该文碳烟生成量用体积分数KL因子总和来表示，发现100 MPa喷射压力下的二甲醚KL总和较60 MPa减小33.3%,而同工况下柴油减小19.32%。     

生物柴油/柴油混合燃料喷雾特性

为了研究生物柴油及其与柴油混合燃料的雾化质量,在燃油雾化质量评价理论的基础上,采用高分辨率数码照相机对纯柴油、纯生物柴油以及两者混合燃料的喷雾特性进行了对比研究;计算分析了喷雾锥角、喷雾油滴的尺寸数目分布、尺寸累计体积分布、平均直径、特征直径和发散边界.结果表明:随着生物柴油掺混比的增大,喷雾锥角减小,喷雾油滴的平均直径增大,油滴尺寸数目分布曲线和累计体积分布曲线向大颗粒方向偏移,发散边界减小;大颗粒油滴数目增多和油滴的发散程度缩小,说明混合燃料中生物柴油的掺混比越大,雾化质量越差.