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.     

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.     

缸内直喷汽油机低速混合气形成过程研究

通过Hydsim搭建的多孔喷油器一维仿真模型分析了针阀开启与关闭阶段喷油参数的变化,并使用FIRE软件对15 MPa喷油压力下的定容室喷雾进行了数值模拟及模型标定. 在此基础上,以一涡轮增压缸内直喷汽油机为研究对象,对比数值模拟与实验结果,分析了滚流比及喷油时刻对低速工况缸内混合气形成过程的影响. 结果表明,对2000 r/min全负荷工况,采用较高滚流比可增强缸内气流运动,促进燃油快速蒸发并形成更加均匀的混合气,而适当的喷油时刻可减少燃油碰壁,改善混合气浓度分布,从而更利于燃烧及发动机性能的提升.      

喷油时刻对缸内直喷汽油机性能的影响

通过对某涡轮增压缸内直喷汽油机缸内流动、混合气形成及燃烧过程的数值模拟,并借助发动机台架试验中获得的油耗、排放及燃烧数据,研究了喷油开始时刻对发动机性能的影响.结果显示,对于5 000r.min-1工况,喷油开始时刻为400°曲轴转角是混合气雾化混合的最佳方案,此时混合气分布比较均匀且点火时刻火花塞附近具有较高的湍动能,10%～90%燃烧持续期最短且HC排放较低,从而使其具有最佳的燃油经济性与燃烧稳定性.而2 000r.min-1工况的最佳喷油开始时刻推迟了30°曲轴转角.喷油提前,壁面油膜量增加,混合气当量比下降及火花塞附近较低的湍动能使得燃烧速率降低,因此HC排放、燃油经济性及燃烧稳定性均会变差.同样的情况也出现在推迟喷油中,由于混合不充分使得点火时刻混合气均匀度下降,从而使发动机性能恶化.     

直喷汽油机喷嘴积碳对喷雾的影响

利用纹影法,在定容燃烧弹中对直喷汽油机喷油器进行喷雾特性试验,对比了未积碳喷油器、积碳喷油器和物理清洗过的积碳喷油器在不同喷射压力下的喷雾形态、喷雾锥角以及贯穿距离.结果表明:积碳后喷油器雾化质量较差,喷雾锥角和贯穿距离明显小于未积碳喷油器的喷雾锥角和贯穿距离,提高喷射压力后这种差距有所缩小;积碳喷油器单束油束贯穿距离差别较大,积碳后喷油器流量显著降低,且随喷油压力的增加,积碳喷油器流量的变化更为显著;扫描电子显微镜显示喷油器各喷孔积碳程度不一致,经X射线能谱分析检测后发现,机油中的某些成分以及摩擦产生的金属碎屑对积碳的形成起到促进作用.     

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。     

GDI汽油机喷雾模型的改进和数值模拟

缸内直喷式 (GDI)汽油机可以大幅度提高汽油机的燃油经济性 ,而合理的混合气浓度分布是 GDI稳定工作的关键。该文在 KIVA- 3V原代码程序的基础上建立了 GDI的汽油喷雾和混合气形成的数值模型 ,并对不同喷射条件下的汽油伞喷方案进行了数值模拟。模拟结果说明 :混合气浓度对燃油蒸发模型物性参数计算有较大的影响 ,混合气浓度梯度修正的蒸发模型能更好地模拟汽油的蒸发过程 ;通过引入 Rosin- Ramm ler燃油粒子质量分布和改进的液滴运动阻力模型使模拟计算结果与高压旋流汽油喷雾的试验结果更加吻合。     

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。     

直喷汽油机喷雾图像特征提取方法

为解决可视化燃油喷射图像采集系统的喷雾图像对比度低、 边界雾化不清晰的问题, 提出了一种基于均 衡化直方图自适应求取阈值的二值化和图像特征检测算法。 该算法根据对比度增强后的喷雾图像的直方图性 质, 自适应求取二值化阈值, 通过自动检测喷嘴位置、 喷雾图像最外侧切线以及喷雾最远点位置, 确定喷雾贯 穿距离和喷雾椎角, 然后通过计算得到喷雾图像这两个特征参数, 并对喷油全过程采集的 25 幅图像进行处理。 实验结果表明, 该方法能较清晰准确地提取喷雾图像轮廓, 喷雾贯穿距离和喷雾锥角两个特征参数的变化趋势 和理论值具有良好的一致性。     

缸内直喷汽油机颗粒物粒径分布特性

采用DMS500快速颗粒取样分析仪对一台缸内直喷国Ⅳ汽油机进行了颗粒物粒径分布特性的试验研究．结果表明：缸内直喷汽油机排气颗粒物呈包括核态和积聚态颗粒物的双峰分布,仅怠速工况呈核态单峰分布．随转速升高,总颗粒物数浓度在部分负荷下逐渐降低,外特性先降低后升高;随负荷增加,总颗粒物数浓度在中、低负荷下逐渐降低,满负荷时急剧增加．随转速升高,核态颗粒物在部分负荷速度特性下数密度峰值逐渐降低,外特性下先降低后增加;积聚态颗粒物数密度峰值逐渐降低．随负荷增加,核态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时逐渐降低,满负荷时增加;积聚态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时先升高后降低,满负荷时最高．     

缸内直喷汽油机喷嘴内流动影响参数分析

为了研究缸内直喷汽油机喷油嘴内流动特性及影响喷孔出口流动参数的因素,建立了欧拉多流体模型对喷嘴内流动进行模拟计算,并对所建模型进行了验证.分析了不同介质和不同喷嘴进出口压差下喷孔内流动特征及影响喷孔出口截面流动参数的因素.结果表明:气泡数密度增大则空穴程度增大,但当气泡数密度大于一定值时,空穴流动趋于稳定;随着空穴程度的增大,喷孔出口截面平均速度增大,平均湍动能减小;喷嘴进出口压差的增大,有利于空穴的发生;喷嘴内湍动和气泡与流动介质间相对运动产生的压力波动,有利于喷嘴内空穴发生;在较高的喷嘴进出口压差的情况下,局部湍动对喷孔出口截面的湍动能影响不可忽略;喷孔内流量系数主要受空穴程度影响.     

直喷汽油机喷油器喷雾特性检测系统的开发

喷雾特性是评判直喷式汽油机喷油器性能的重要指标,对其检测意义重大.但是目前国内仍缺乏对喷雾特性进行全面、精确检测的系统.本文根据国内外标准采用高速相机结合激光粒度分析仪共同测试直喷式喷油器喷雾特性的方案,开发了直喷汽油机喷油器喷雾特性检测系统.通过多次试验验证,该系统可更为全面、精确地检测直喷汽油机喷油器的喷雾特性.对于需要检测的各个参数:如喷油器开启时间、喷雾贯穿距离、喷雾角以及粒径分布等,较其他方法更为简便,准确.     

汽油机喷油器性能测试系统的开发与研究

参照汽油机喷油器性能测试的国内外标准设计了测试系统.对喷油器动态响应特性、流量特性、电气特性进行了较为全面的检测.动态响应特性的测试采用检测喷油器震动信号的方法,较为准确,方便.经试验研究表明本测试系统可以准确、高效的测量喷油器的性能,并且有良好的稳定性.     

模拟发动机工况下二甲醚喷雾燃烧实验及仿真研究

在定容弹内模拟发动机实机工况的高温、高压环境(920K,6.0 MPa),借助专用共轨系统产生100 MPa压力进行二甲醚喷射实验,通过定容弹内混合气体中的氧气浓度来控制二甲醚的燃烧,使用高速摄像机观察并记录二甲醚在超临界和亚临界条件下的喷雾及燃烧形态。基于实验结果,采用FORTE软件开发二甲醚喷雾燃烧仿真模型,其中耦合了二甲醚氧化还原反应动力学模型。实验和仿真结果表明,二甲醚在两种喷射条件下的喷雾贯穿距离无明显差异,而超临界条件下的液相贯穿距离较短;与亚临界条件相比,超临界条件下二甲醚喷雾着火时刻略早,火焰举升距较小,并且燃烧时释放出了更多的热量;仿真模型较好地拟合了二甲醚喷雾燃烧实验结果。     

LPG喷雾特性的试验及数值模拟

在定容室内,采用高速摄影技术对液态LPG喷雾的宏观特性进行了研究,并与柴油进行了对比.试验结果发现,在相同喷射条件下,由于LPG较好的蒸发和雾化特性,其喷雾贯穿距离较柴油的短,喷雾锥角较柴油的小.采用KIVA3V2和KHRT破碎模型对LPG和柴油的喷雾特性进行的模拟计算结果表明,在喷雾初期贯穿距离的计算值和试验值符合较好,而在喷雾后期,由于高速摄影不能记录喷雾前端细微油粒的运动,喷雾贯穿距离的计算值和试验值之间存在一定的偏差.通过计算还发现,LPG喷雾的索特平均半径rSMR比柴油的要小;喷雾体外围液滴的rSMR比喷雾体中心的要小.     

用液滴碰壁模型对波形板汽水分离器的模拟

分析了不同参数的液滴碰壁后各参数的变化，应用液滴碰壁模型对波形分离器内进行了二维数模拟，计算出不同液滴直径在同一入口条件下的分离效率，得出液滴开始发生沉积和完全沉积的临界速度，并计算出发生飞溅的液滴比例，计算结果表明，发生飞溅现象时，液滴的直径已不在波形板内液滴直径分布的主区域内。     

Algorithms for improving accuracy of spray simulation

Fuel spray is the pivotal process of direct injection engine combustion.The accuracy of spray simula- tion determines the reliability of combustion calculation.However,the traditional techniques of spray simulation in KIVA and commercial CFD codes are very susceptible to grid resolution.As a conse- quence,predicted engine performance and emission can depend on the computational mesh.The two main causes of this problem are the droplet collision algorithm and coupling between gas and liquid phases.In order to improve the accuracy of spray simulation,the original KIVA code is modified using the cross mesh droplet collision(CMC)algorithm and gas phase velocity interpolation algorithm.In the constant volume apparatus and D.I.diesel engine,the improvements of the modified KIVA code in spray simulation accuracy are checked from spray structure,predicted average drop size and spray tip penetration,respectively.The results show a dramatic decrease in grid dependency.With these changes,the distorted phenomenon of spray structure is vanished.The uncertainty in predicted aver- age drop size is reduced from 30 to 5μm in constant volume apparatus calculation,and the uncertainty is further reduced to 2μm in an engine simulation.The predicted spray tip penetrations in engine simulation also have better consistency in medium and fine meshes.     

基于基因枪设计的两阶段引射器的数值模拟

为了设计一种新型基因枪 ,将基因疫苗导入人体表皮细胞 ,提出采用两阶段引射器的设计方案。采用可压缩的轴对称 N- S方程和基于无结构网格的有限体积法 ,利用Spalart- Allmaras湍流模型 ,对该引射器进行了数值模拟 ,很好地描述了各种压力条件下引射器内部和外部流动状况和获得超音速的条件。数值模拟结果同模拟实验吻合较好。研究结果表明 :两阶段引射器结构既便于基因微粒的引入 ,又可以使微粒达到超音速 ,满足微粒射击靶细胞的速度要求 ,是设计基因枪的可行方案