基于Converge的柴油机起动过程喷雾撞壁仿真分析

柴油机起动过程中,转速、缸内背景压力及温度偏低会导致喷雾撞壁,影响燃油雾化效果。利用三维计算软件Converge,采用组合喷雾模型及B-G撞壁模型建立了燃油喷雾撞壁模型,并利用可视化定容弹喷雾撞壁试验系统验证了模型的准确性。基于建立的喷雾撞壁模型,研究分析了缸内背景压力、壁面干湿状况及壁面粗糙度对某型柴油机喷雾撞壁的影响规律,仿真结果表明：随着缸内背景压力下降,撞壁时刻提前,扩散距离增大,油膜产生时刻提前,油膜厚度增大;活塞顶壁面粗糙度增加,喷雾油束撞壁后扩散距离减小,附壁油膜厚度增大;当活塞顶壁面为湿壁时,喷雾油束撞壁后扩散距离增大,附壁油膜厚度下降。研究为燃烧室、喷油系统等优化设计提供了参考。     

直喷汽油机喷雾撞壁特性试验与模拟

为了研究缸内直喷汽油机喷雾撞壁特性,建立了可视化喷雾试验台,测量了撞壁喷雾的高度、喷雾半径及喷雾远端发展速度.对喷雾撞壁过程进行了三维数值模拟,利用试验数据进行了校核.通过试验和模拟,分析了不同喷射压力、环境背压、喷嘴到壁面的距离、壁面倾角及壁面温度等因素对撞壁喷雾特性的影响.结果表明:环境背压的增大导致撞壁喷雾的高度...     

燃油喷雾撞击高温壁面的形态特征研究

内燃机的高强化发展导致壁面温度上升,燃油撞壁现象难以避免.燃油喷雾撞击高温壁面对混合气形成有重大作用,进而影响燃烧过程和碳烟排放.文中利用背光法在流动式定容燃烧弹上对柴油喷雾撞击高温壁面的形态特征进行试验研究,分析了喷油压力、背景压力和壁面温度对近壁面喷雾形态特征的影响.结果表明：喷油压力越大,壁面漩涡出现时刻越早,且对铺展半径和卷吸高度的增大起明显的促进作用.背景压力越大,撞壁时刻延迟,铺展半径和卷吸高度下降,背压对铺展半径的影响超过对卷吸高度的影响.壁面温度越高,漩涡出现时刻越早,撞壁油束的铺展半径和卷吸高度越大,但当壁温达到莱顿弗罗斯特温度时,壁面传热模式改变,铺展半径和卷吸高度发生突降.针对所引入的综合影响系数,研究表明喷油压力的变化对卷吸高度的综合影响系数最大,最后文中基于研究规律拟合了结合壁面温度的铺展半径和卷吸高度的经验公式.     

壁温和机油油膜对喷雾撞壁后发展的影响

为研究壁面温度和机油油膜对缸内直喷汽油(GDI)发动机喷雾撞壁后发展的影响,运用阴影法成像系统和相位多普勒激光测试系统(PDA)对喷雾撞壁后反弹高度、扩散距离以及特征点的粒径粒速做了试验研究.结果表明:壁温的升高或机油油膜的存在对喷雾撞壁后反弹和扩散起明显的促进作用.但是,当壁面达到莱顿弗罗斯特效应温度后,撞壁喷雾的反弹高度和扩散距离又开始减小.壁温的升高或机油油膜的存在,都会使喷雾轴线测点处法向速度向上的液滴比例增加,且喷雾边缘测点处液滴的切向平均速度明显增大.壁温的升高使喷雾撞壁后液滴的粒径分布向更小粒径的方向偏移,液滴粒径的算术平均值减小,但100,?m以上"超大液滴"的出现使轴线测点处液滴的索特平均直径增大.机油油膜的存在使喷雾撞壁后液滴粒径的算术平均值减小,但索特平均直径增大.     

直喷汽油机喷雾碰壁特性实验研究

本文采用折射率匹配方法,在非蒸发环境下研究喷雾碰壁后形成油膜的质量、面积和厚度变化特点,获得油膜在不同容弹压力和喷射压力下变化规律并分析其原因。通过Mie散射方法,研究与上述相同工况下喷雾碰壁后油束变化规律,并与RIM实验结果进行对比。实验结果表明,容弹压力对喷雾碰壁后油膜的形成有重要作用,容弹压力较低时,油膜质量、面积和最大厚度随喷射压力的升高而减小;容弹压力较高时,油膜质量、面积和最大厚度随喷射压力的升高而增大。     

喷油参数对汽油机冷起动可燃混合气形成的影响

采用计算流体力学软件对进气道喷射汽油机冷起动时前3个循环可燃混合气的形成进行了三维数值计算,采用多组分燃油模型研究了喷油量、喷油时刻、喷油位置、燃油温度以及2次喷射对混合气形成的影响规律。结果表明:随着喷油量的增加,缸内当量比线性上升,但过高油量将抑制燃油蒸发;在闭阀喷射时,过早喷油使得燃油蒸发率下降,进气阀背面喷油位置的燃油蒸发率大于进气道底面;在开阀喷射时,混合气形成不均匀,气阀内侧缸内附壁油膜最少,当量比最大;燃油温度过高可抑制油膜蒸发;2次喷射有益于缸内当量比提高,附壁油膜减少。     

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.     

超高喷射压力下GDI喷油器喷雾宏观特性

为了探究在超高喷射压力下GDI(gasoline direct injection)喷油器喷雾的宏观特性,采用阴影法对喷射压力为5~60 MPa的喷雾进行测量,分析喷射压力对油束发展历程、贯穿距离、喷雾锥角、喷雾面积以及喷油器尾喷现象的影响,并通过对DENT经验公式进行修正,得到超高喷射压力下汽油的贯穿距离计算公式。研究结果表明:喷射压力的提高能够促进喷雾外围"分支状结构"的生成;喷射压力的提高使贯穿距离明显增大;喷雾面积随喷射压力的提高有所增加,但增幅逐渐减小;喷射压力每增加10 MPa,喷雾锥角峰值平均增加1.5°;当喷射压力达到30 MPa及以上时,喷油器尾喷现象基本消失;随着喷雾发展,贯穿距离和喷雾面积均呈现一定程度的线性增大;喷雾锥角呈先上升后下降,最后稳定在82°左右的趋势。     

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.     

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.     

GDI喷油器超高压乙醇喷雾微观特性试验

为系统研究超高喷射压力下缸内直喷(GDI)喷油器乙醇喷雾的微观特性,采用相位多普勒粒子分析(PDPA)系统对10~50,MPa喷射压力下的喷雾进行了测试,并结合纹影法所获取的喷雾图像分析了喷雾形态发展、液滴粒径粒速的空间分布及随时间的变化规律.研究结果表明:提高喷射压力,枝状结构形成时刻提前,喷雾破碎过程加快;提高喷射压力,喷雾头部粒速增加,贯穿距变大;喷雾锥角随喷射压力的提高小幅度上升;提高喷射压力,乙醇液滴的索特平均直径(SMD)、DV90和DV50明显下降,但DV10下降幅度相对较小,处于剧烈破碎区的液滴粒径减小;超高压喷射有效抑制了25,μm以上大粒径液滴生成,降低粒径分布的离散程度,粒径为5,μm左右的液滴数量比例最大;超高压喷射下,在同一水平面不同测点位置,SMD的差异较小;随着测点距喷孔距离的增大,小液滴聚合现象会导致SMD变大.     

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.     

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%。     

冷启动下米勒循环对缸内直喷汽油机混合气形成影响研究

以一台缸内直喷(GDI)汽油机为研究对象,进行发动机台架试验与一维仿真工作,为三维仿真模拟的冷启动工况提供可靠的边界与初始条件,并进行了相关验证。设计了进气门早关(EIVC)米勒循环气门升程型线,构建了米勒循环发动机模型,探究了米勒循环对缸内低温环境下的附壁油膜发展、喷雾场形成质量的影响。结果表明：米勒循环发动机在进气冲程后期缸内附壁油膜的质量均高于原机;在整个进气与压缩过程中,大部分的油膜以及厚油膜区域均集中在活塞凹坑。EIVC75米勒循环活塞顶部油膜铺展面积显著增大,凹坑周围油膜厚度明显降低;在压缩冲程中后期,由于缸内湍动能耗散较慢,促进了其附壁燃油蒸发;在点火时刻,EIVC60与EIVC75米勒循环较原机附壁燃油质量分别下降了28%、48%,可以有效避免“池火”现象,与此同时,原机的浓度场分布与EIVC60、EIVC75米勒循环相比具有较大差异,原机火花塞附近的当量比在0.8左右,而米勒循环发动机火花塞附近则形成了当量比为1.1～1.2的适宜点火的可燃混合气。     

不同燃料自由喷雾及喷雾撞壁特性试验研究

运用相位多普勒(phase Doppler anemometry,PDA)系统对甲醇、乙醇、异辛烷、甲苯参比燃料(toluene reference fuels,TRF)和汽油5种燃料缸内直喷(gasoline direct injection,GDI)喷油器喷雾撞壁后的粒径粒速进行了全面的试验研究.结果表明:与汽油相比,甲醇、乙醇和TRF燃料自由喷雾的液滴速度更小,而液滴粒径更大.与自由喷雾相比,喷雾撞壁的入射液滴粒径较大,反弹液滴粒径较小;入射液滴的法向速度变小,喷雾撞壁后反弹液滴的法向速度变小,且不同燃料之间反弹液滴法向速度的差别变小.具有较大入射液滴直径和较高K值的乙醇和异辛烷燃料中,乙醇喷雾撞壁后反弹液滴的粒径(refD)小于异辛烷喷雾撞壁后的,其破碎效果好于异辛烷的,Mundo的模型需做修改.不同燃料喷雾撞壁后的反弹角度均在0°~90°范围内变化,而不是Stanton和Mundo模型中的65°~90°,因此模型中反弹角度的变化范围应增大至0°~90°.     

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．     

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.     

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。     

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.     

超高压喷射条件下非常态燃油缸内喷雾特性

为了研究超高压喷射条件下缸内非常态燃油的雾化特性,分析非常态燃油各个物性参数与压力之间的关系;搭建可视化喷雾闪光摄影试验台架,在AVL FIRE平台上对喷雾过程进行三维数值仿真;利用喷雾发展的试验结果验证仿真模型的准确性,并研究喷射背压、喷孔直径对燃油雾化特性的影响。研究结果表明:在超高压喷射条件下,燃油密度、音速和弹性模量的增大有利于油滴在喷嘴出口处获得较大的湍动能,进一步提高燃油的雾化质量;喷射背压增大时油束与缸内空气之间的能量交换加剧,射流扰动增强,加剧了油滴的二次破碎;随着喷孔直径增大,油束的初始湍动能增加,有助于气态燃油向燃烧室四周和底部扩散发展。