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.     

柴油喷雾贯穿距影响因素灰色关联分析

由于燃油的喷射、雾化、蒸发以及与空气的混合等过程对发动机的燃烧和排放特性有重要影响,以柴油喷雾的主要特征尺寸喷雾贯穿距为研究对象,采用纹影法成像技术,研究了不同喷油脉宽、喷油压力和环境背压下定容弹中柴油的喷雾形态,得到不同工况下的柴油喷雾贯穿距,然后应用灰色关联理论分析这3个因素对喷雾贯穿距影响程度.结果表明:在相同喷油压力和脉宽下,喷雾贯穿距随背压的增大而减小;在相同背压和喷油脉宽下,喷雾贯穿距随喷油压力的增大而增大;喷油压力对喷雾贯穿距的影响最大,背压次之,喷油脉宽影响最小.     

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。     

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.     

汽油缸内直喷多孔喷油器喷雾碰壁特性试验

为了研究缸内直喷汽油机多孔喷油器的碰壁喷雾特性,建立了定容碰壁喷雾试验装置,对不同喷油压力和不同环境压力条件下的碰壁喷雾过程进行了拍摄,同时考虑壁面与喷嘴的距离和壁面倾角对碰壁喷雾特性的影响.结果表明:增加喷油压力可以使碰壁喷雾高度和半径增大,但是碰壁喷雾高度的增加率随喷油压力的增加而减小;随着环境背压的增大,碰壁喷雾高度和半径均减小,进一步增大环境背压,则碰壁喷雾高度增大;加大撞击壁面与喷嘴的距离和壁面倾角,碰壁喷雾高度和喷雾半径均增大,当壁面倾角进一步增大,碰壁液滴总动能减少,而且受到喷雾油束边缘的运动阻力,碰壁喷雾半径减小.     

初始液滴尺寸分布对超高压喷雾大涡模拟的影响

分别在100、200MPa常规喷油压力和300MPa超高压喷油压力条件下,研究了不同初始液滴尺寸分布对柴油喷雾结构的预测性能.基于OpenFOAM开源平台比较了欧拉-拉格朗日喷雾仿真中常用于计算初始液滴尺寸分布的两种方法——Blob和Rosin-Rammler.结果表明:在300 MPa超高喷油压力下,Blob方法和初始液滴平均尺寸为喷嘴有效直径的Rosin-Rammler函数分布对喷雾贯穿距随时间发展的预测几乎没有影响,而减小液滴平均尺寸使喷雾贯穿距稍微降低.虽然初始液滴尺寸分布对索特平均直径(SMD)影响比较大,但随着喷油压力的提高,影响逐渐减小.超高喷油压力会产生大量直径小于1μm的液滴,初始液滴尺寸分布对该尺寸液滴形成过程的计算有重要影响.     

斯特林发动机压力涡流喷嘴的喷雾特性试验

采用高速摄影技术,研究了斯特林发动机压力涡流喷嘴的喷雾发展过程及喷雾特性,并考察了喷射压力和气体引射对喷雾特性的影响.结果表明,压力涡流喷嘴初始喷雾阶段雾化效果较差,持续时间较短,主喷雾发展过程有明显的空气卷吸涡流现象;柴油主喷雾锥角随喷油时间先迅速增大后逐渐减小至稳定,而贯穿距离则逐渐增大至稳定,喷雾锥角随喷油压力的提高而增大;引射空气对稳态喷雾形态有明显影响,使得喷雾扩散范围明显扩大,油气混合更加充分.     

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.     

二甲醚喷雾特性的研究

采用高速摄影和激光阴影法在压力容弹中研究了喷油启喷压力、环境介质的密度、喷孔直径等参数对二甲醚喷雾特性的影响,并与柴油的喷雾特性进行了对比,结果表明：二甲醚的喷雾贯彻度小于柴油,喷雾锥角比柴油大;随着环境介质密度的增加,二甲醚的喷贯穿度减小,喷雾锥角增大;随着喷孔直径原增大,喷雾贯穿度和喷雾锥角均增大;当喷嘴启喷压力在10．0－15．0MPa之间变化时,二甲醚的喷雾贯穿度和喷雾锥角等特性没有变化。     

LPG/柴油混合燃料喷雾特性的试验研究

采用高速摄影技术,对液化石油气(LPG)、柴油以及两种LPG／柴油混合燃料(LPG质量分数分别为30％及50％)的喷雾特性进行了对比实验研究,探讨了混合燃料成分、启喷压力、喷孔直径和喷射背压等参数对喷雾贯穿和喷雾形状的影响规律．研究结果表明,在相同的喷射条件下,纯LPG的喷雾贯穿距离最短,蒸发气化速度最快;四种燃料喷雾的贯穿距离均随背压的升高而减少,而其喷雾锥角则随背压的升高而增大;当背压大于LPG的临界压力时,两种混合燃料的喷雾贯穿距离和喷雾锥角均随喷射压力的上升、喷孔直径的增大而增大;背压对贯穿距离、喷雾锥角的影响均大于启喷压力．     

缸内直喷汽油机高压涡旋喷油器的油束模型

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。应用此模型计算出了油束特性的主要参数，包括贯穿度、油束整体和轴向横截面上的索特平均直径等，并研究了高压涡旋喷油器在不同喷射压力和不同背压下的油束外形结构和油束特性参数。计算结果表明，高压涡旋喷油器油束边缘有环涡存在；随着喷射压力的增加燃油薄膜厚度减小，速度和油束贯穿度增加，轴截面索特平均直径减小；随着背压的升高，油束贯穿度减小而整体索特平均直径增加。该油束模型与实验结果吻合良好。     

喷油泵转速变化对乳化液喷雾特性的影响

采用高速摄影技术,研究了压力雾化喷嘴对甲醇、水和柴油多组元乳化液的雾化特性.结果表明:当实验工质为乳化液时,提高喷油泵的转速,喷油器喷嘴的有效喷射压力随之上升,喷雾贯穿速度提高,喷雾锥角增大,喷雾的持续时间增长;乳化液和柴油的喷雾有一定的差异,即柴油的喷雾锥角比乳化液的大,喷油器的嘴端压力比乳化液的小,喷雾持续时间也比乳化液的短.     

基于RANS和LES湍流模型的二甲醚超临界喷雾数值模拟

分别采用RANS和LES湍流模型耦合KH-RT破碎模型对二甲醚超临界非燃烧喷雾实验进行数值模拟,研究两种湍流模型的适用性,并对比分析二甲醚亚临界喷雾和异辛烷超临界喷雾的发展过程。同时,基于LES湍流模型探讨了环境温度和压力以及喷射温度和压力的变化对二甲醚超临界工况下喷雾贯穿距的影响。结果表明,RANS和LES湍流模型均能较好地模拟二甲醚超临界喷雾,LES湍流模型的模拟结果与喷雾实验观察结果更吻合;与二甲醚亚临界喷雾相比,其超临界喷雾的雾化效果更好;在相同初始条件下,二甲醚超临界喷雾的雾化效果要优于异辛烷超临界喷雾;二甲醚超临界喷雾贯穿距随环境温度、燃油喷射温度和喷射压力的升高而增大,随环境压力的升高而减小。     

高压共轨燃油喷雾PIV测试方法及结果分析

为了更好地研究高压共轨燃油喷射系统的喷雾特性,设计了适用于PIV测量的喷雾测试系统,使用美国TSI公司的PIV设备对高压共轨燃油喷射系统在100 Mpa喷射压力下的油束进行了测试,获得了喷雾发展的图像,并使用该公司提供的图像处理软件Insight对试验图像进行了分析处理,初步分析得到喷雾场速度场图.     

用高速摄影对比分析伞喷与HL喷雾特性

采用激光片光照片，对伞喷喷雾与ＨＬ喷雾高速照相进行宏观特性对比分析研究。启喷压力２４．５００ＭＰａ，高压容器背压分别是０．０９８、０．９８０和１．９６０ＭＰａ，一次喷油量２８．５ｍｇ／循环，喷射频率８．３Ｈｚ，用分散率来评价喷雾的分散特性。由高速摄影对比表明，在低背压时伞喷与ＨＬ喷雾都呈空心锥状体，在高背压时ＨＬ喷雾贯穿距离与伞状喷雾相比增长２５％。