高压燃油喷射诱导激波对喷雾特性的影响

为了研究诱导激波对喷雾特性的影响,采用纹影法和仿真模拟的方法对不同喷射压力、不同环境介质条件下的喷雾和激波特性进行研究.结果表明:在相同喷射压力和环境密度下,在燃油喷射初期,存在激波条件下的喷雾贯穿距小于无激波条件下喷雾贯穿距,从仿真结果来看,在燃油喷射初期激波为附体激波,激波后环境气体密度和压力均大于激波前,激波后具有更大密度和压力的环境气体会阻碍喷雾的发展,从而导致贯穿距变小.在燃油喷射中后期激波与喷雾分离之后,存在激波条件的喷雾贯穿距则要高于无激波条件下的喷雾贯穿距.激波还可以增强燃油与空气混合程度,对增大喷雾体积有一定的促进作用,且促进效果会随着激波强度的增大而更加明显,有利于油、气混合气的形成.超高压喷射仿真结果表明,当喷射压力达到240 MPa和320 MPa时,喷射初期斜激波的末端会产生弓形激波,可以加剧湍流运动促进油、气混合,此外激波的产生使激波处环境气体温度升高,当喷射压力达到320 MPa时,激波处温度最多可升高16%,这有利于燃油的雾化蒸发.     

环境气体温度和密度对柴油机高压喷雾的扩展和碰壁过程的影响

本文在定容弹中用高速摄影研究了环境气体温度和密度对喷射压力为75～134MPa的柴油机喷雾贯穿距离、喷雾角及碰壁过程的影响.结果表明,环境温度对高压喷雾的影响远比对常规压力喷雾显著.环境温度升高后,高压喷雾的贯穿距离有所减小,而喷雾角则明显增大,在高温高密度下,喷雾角可增至30°以上.高压喷雾与常温壁面碰撞时,几乎看不到反跳现象,但在壁温较高时,壁面附近将有较浓密的液雾,且在液雾和壁面间有一蒸气层.环境密度对高压喷雾的影响在定性上与对常规压力喷雾相同.当喷射压力由75MPa提高到134MPa时,贯穿距离反而有所减小.本文根据这一实验结果提出了一个考虑了喷射压力和温度影响的计算贯穿距离的经验公式.     

柴油机喷雾激波研究

随着电控共轨喷油系统的广泛应用,喷射压力成倍增长,喷雾速度大于气缸内环境音速,由此产生的激波(shock wave)现象引起国内外学者的浓厚兴趣.本文介绍了激波的基础理论,现阶段激波试验的研究成果,指出当喷油油束速度高于介质环境音速时,激波就会产生,提高介质温度和密度都会抑制激波的产生,最后提出利用弹道光子成像技术应用于激波研究的设想,并对激波的产生机理及如何利用激波改善燃烧性能作进一步的研究.     

煤制油宏观喷雾特性试验研究

采用高速摄影技术和纹影法,通过试验研究了喷射背压、喷油嘴开启压力和喷孔直径对煤制油宏观喷雾特性的影响。试验结果表明:随喷射的持续,煤制油的喷雾贯穿距逐渐增大,而喷雾锥角呈先增大后减小的规律;喷射背压增大使得煤制油的喷雾贯穿距减小并使喷雾锥角增大;喷油嘴孔径的增大使得喷雾贯穿距离和喷雾锥角均增大;当喷油嘴的开启压力在15~23MPa之间变化时,煤制油的宏观喷雾特性变化不明显。与柴油的喷雾特性相比,两种燃油的喷雾特性变化规律基本相同,但煤制油的喷雾贯穿距较小,喷雾锥角较大。     

船用电控喷油器喷雾宏观特性研究

利用定容弹及高速摄影,采用阴影法拍摄了喷雾图像,研究了喷射压力、环境气体密度对喷雾贯穿距及雾化锥角的影响。试验结果表明:随着喷射压力增大,喷雾贯穿距增大,雾化锥角变化不明显;随着环境气体密度的增大,喷雾贯穿距减小,雾化锥角增大。     

高压燃油诱导激波对喷雾演化规律的影响

采用纹影法对高压燃油喷射下的诱导激波现象进行可视化试验,结合喷油规律曲线,分析了激波对喷雾演化规律及雾化特性的影响．结果表明：在相同的燃油喷射压力及背景密度条件下,激波的产生和传播对喷雾贯穿距离的发展具有促进作用,但是对喷雾径向发展影响不大．激波对喷雾轴向的促进会进一步增强喷雾对空气的卷吸作用,有助于喷雾的快速雾化．同时,笔者提出了燃油喷射激波角计算的经验公式,实现了燃油喷射过程激波角的预测,预测结果与试验结果吻合较好.     

热氛围下水喷射雾化特性试验

发动机缸内喷水在抑制爆震、拓宽工作边界和提高热效率方面有很大优势,而缸内喷水喷雾的宏观喷雾特性对缸内喷水相关研究有重要意义.利用热氛围试验系统,对高温环境下水的雾化特性进行了研究.结果表明:在未达到闪急沸腾的情况下,液相喷雾贯穿距与喷射水的密度、环境介质密度和喷射压力正相关,破碎长度内液相喷雾贯穿距主要受喷射水的密度影响,破碎长度外液相喷雾贯穿距受喷水密度的影响减小.给出了环境温度在350℃以下(包含350℃)、喷水温度在125℃以下(包含125℃)的液相喷雾贯穿距经验公式.液相喷雾锥角随喷射压力增加而减小.喷水温度和环境温度的增加都加快喷雾蒸发,使液相喷雾锥角减少,当二者增加到一定程度时,喷雾的液相锥角趋于稳定.试验条件下,喷水温度达到120℃后,液相喷雾锥角稳定维持在11°左右.     

高背压下GDI油束喷雾特性的试验

在定容弹中,利用高速摄影和相位多普勒粒子测试技术(PDPA)研究了喷射压力、背压和喷射脉宽对汽油直喷(GDI)发动机多孔喷油器喷雾特性的影响,包括喷雾贯穿距、粒度和速度特性.结果表明:随着喷雾的发展,油束有往喷油器中心方向运动的趋势;在不同喷射压力和背压下,喷雾贯穿距均出现两阶段发展趋势;喷射压力和背压对喷雾的粒度和速度特性有着明显影响.提高喷射压力会明显降低索特平均直径(SMD),并会增加油滴速度.增加背压会导致SMD变大,并使油滴速度降低.SMD会随PDPA测量体位置远离喷油器而增大,这是由于在远离喷油器位置处,油滴间聚合作用占主导因素.在喷射脉宽大于0.8,ms时,喷射脉宽的变化对喷雾头部的速度影响不大,但是喷油脉宽的增加会导致SMD变大.     

高压燃油喷雾诱导激波产生机理及频率特性

基于纹影法对不同工况下的燃油喷雾诱导激波产生机理及频率特性进行了试验,结果表明:喷雾周围的激波主要分为前导激波和伴生膨胀波,其产生原因以及对喷雾的影响均不同.喷射初期喷孔出口处喷雾前锋面马赫数大于1直接导致了前导激波的产生,根据喷雾前锋面马赫数的大小不同,前导激波又分为斜激波和弓形激波两种形态.喷雾体的周围是伴生膨胀波的产生位置之一,且喷雾周围的伴生膨胀波为膨胀马赫波,伴生膨胀波强度与喷雾锥角相互联系,在低背压下不明显;喷孔出口处喷雾剪切层也可能是激波产生位置之一,且为弱激波.另外,对激波的频率特性进行了研究,结果表明:低频激波频率平均值约为111.11,kHz,当背压相同时,激波的平均频率大小与喷射压力呈正相关关系;当喷射压力相同时,激波平均频率大小与背压呈正相关关系.激波频率的增加促进了缸内的混合气扩散,喷雾的雾化效果更好.     

高环境压力下燃油连续多段喷射喷雾特性研究

在定容弹中,基于相同的喷油压力、喷油量和环境温度,利用纹影法研究了不同的环境背压和喷油规律下的汽油直喷多孔喷油器的喷雾特性。试验结果表明:边界条件相同时,改变环境背压会影响喷油贯穿距,随环境背压上升,喷油贯穿距先减小后趋于平缓,环境背压由1MPa上升至2MPa时喷油贯穿距减小约12mm,而由2MPa上升至3MPa时基本无变化;喷油规律对喷油贯穿距和雾滴群形态均会产生影响,且在环境背压的影响协同作用下,喷油贯穿距最多可以减小约22mm;多段喷射对雾滴群燃油浓度分布调节作用显著,单段喷射的雾滴群前端密度较高,两段喷射较为均匀,三段喷射后端密度较高,连续多段喷射技术有利于形成高质量的混合气。     

高海拔(低介质密度)下燃油喷雾与燃烧特性

通过可视化喷雾与燃烧试验台,研究了不同海拔、低介质密度条件下燃油的喷雾和燃烧特性,并分析了各介质密度条件下不同喷射压力对燃油喷雾和燃烧特性的影响.结果表明:模拟不同海拔的发动机在高、中、低3个转速工况的缸内热力边界条件下喷雾的发展过程中,液相贯穿距先增加然后保持在相对稳定的数值,随模拟海拔高度增加,最大喷雾液相贯穿距明显增加,海拔3,000,m以上出现撞壁现象,喷雾锥角有小幅度减小,卷吸空气体积明显增大,但燃空当量比增加;海拔从0,m升高到4,500,m,着火滞燃期增加了0.2,ms,着火位置开始远离喷嘴,燃烧重心逐渐靠近壁面区域;在相同的喷孔直径下,随喷射压力升高,油束液相达到准稳态时刻提前,最大液相贯穿距基本不变,喷雾锥角略微增加,喷雾体燃空当量比减小且在高海拔变化明显,燃烧过程的滞燃期变化不大,着火位置后移.     

天然气发动机燃气射流特性的可视化

基于纹影法,对不同孔径的单孔喷嘴在多种气源压力和背压条件下的高压燃气射流宏观结构特性进行研究.结果表明:即使在很小的压力差条件下,喷孔出口处仍然会形成不充分膨胀气体射流,而气体在出口处的膨胀、加速过程和诱导激波是区别于液体喷雾的主要特征.背压变化对气源与背压比的影响明显,其对射流贯穿距及锥角的影响要大于气源压力和孔径带来的影响.虽然甲烷和氮气的密度差别较大,但在相同条件下贯穿距结果无明显区别,壅塞现象对高压燃气喷射具有重要影响.由此,初步提出了针对高压燃气喷射的射流贯穿距经验公式.喷孔出口处的膨胀过程使燃气射流的近场锥角要明显大于远场锥角,同时使气体速度达到超声速,但对射流前锋面速度无明显影响,在喷射时间T_(ASOI)=1,ms之后,前锋面速度便降低到了50,m/s以下.在低背压条件下,燃气射流表现出较强的空间拓展和分布能力,但随着背压增加,气体射流的面积和体积明显减小.     

煤油掺混乙醇燃料的喷雾特性试验研究

燃料的喷雾特性对其燃烧及排放性能有重要影响.因此在定容弹中利用多孔喷油器试验研究了纯煤油及煤油掺混30%和50%乙醇混合燃料在环境温度为289.15 K,环境压力为0.1 MPa下,喷射压力分别为6 MPa、8 MPa和10 MPa时的喷雾特性.结果表明:随乙醇比例增加,混合燃料的贯穿距变化不明显,喷雾锥角和喷雾面积均先增加后下降;随喷油压力升高,乙醇/煤油混合燃料的贯穿距和喷雾面积均增加,但喷雾锥角几乎不变.此外,喷射压力的增加对纯煤油喷雾特性的影响逐渐减小,却对乙醇/煤油混合燃料喷雾特性的影响逐渐增大.     

溶有甲烷柴油稳态喷雾特性的试验研究

对溶有甲烷柴油的稳态喷雾特性进行研究。喷雾特性和形状分别由激光粒度分析仪LDSA1300A和数码照相机记录。试验使用了六个不同长径比L／D的直圆孔喷嘴。溶解压力和喷射压力范围分别是0．1MPa到10MPa和5MPa到10MPa。研究了甲烷溶解度、测量位置、喷射压力和喷嘴参数对喷雾特性的影响。结果表明：在柴油中溶入甲烷，出现了减压沸腾喷射现象；与纯柴油相比，喷雾形状和锥角产生了很大变化；流量系数随着溶解度和L／D值的增加而减小；甲烷溶解度和L／D的共同作用对雾化有正反两方面的影响。     

复合激光诱导荧光定量标定技术及其对喷雾特性研究的应用Ⅱ:喷射参数和环境参数对喷雾特性的定量分析

在改变喷射控制参数和环境参数的喷雾特性研究中,应用定量标定的试验结果深入开展了喷油压力、喷孔孔径、环境密度和环境温度对喷雾各个特性参数影响的研究。研究中发现,提高喷射压力能提高喷雾动能,加速液相喷雾的破碎、促进液相蒸发形成气相喷雾,提高贯穿速率,有利于喷雾的扩散和蒸发。小孔径的喷油嘴,虽然能够减少贯穿距离,但也同时减弱了喷雾和空气的混合空间范围;由于小孔径促进了喷雾的破碎和蒸发,气相喷雾分布均匀程度明显提高。环境密度高的条件下明显减小了喷雾的贯穿距离,这样虽然导致喷雾的扩散速率降低,但由于单位体积内气体量的大幅增加,加快了环境气体和喷雾之间的互相作用,更容易形成气相。环境温度对喷雾的蒸发速率起关键作用,液相喷雾贯穿距离随温度升高而减小,同时,气相最大当量比出现时间提前,这些说明环境温度升高,加速了环境气体和喷雾间的热交换,提高了喷雾的蒸发速率,最终促进气相快速形成。     

小型直喷式柴油机喷雾特性的试验研究

为了掌握喷雾的结构物特性，利用高速摄像装置和高压容器拍摄了喷雾的逆光图像，并研究了喷雾周围介质压力对喷雾贯穿距离、喷雾锥角以及蒸发等喷雾特性的影响。在液滴数密度较大的条件下，燃料液滴的蒸发速率传热过程和雾化质量的影响；喷射妆期喷雾的贯穿距离和贯穿速度几乎不受介质物影响；喷雾的贯穿跨离受喷油压力的影响不大，但随着喷油压力的提高，喷雾锥角增大，喷雾质量得到改善。     

环境气体对氢气喷射与卷吸特性的影响

基于RANS方法对氢气在氩气和氮气氛围下的高压喷射过程进行仿真,研究了压力、温度和激波对氢气射流喷射和卷吸特性的影响.研究表明:射流贯穿距由于马赫盘的存在而呈现三阶段变化.在不同喷射压力下,射流前期卷吸能力随着喷嘴压力比(NPR)的增加而增大,而后期呈现相反趋势.在相同密度下,激波影响射流前期卷吸效果,但随着射流发展效果逐渐减弱.温度升高,氢气射流的贯穿距明显增大,但射流卷吸能力也显著降低.此外,氢气射流在氮气氛围下的卷吸环境气体物质的量和卷吸能力均强于氩气氛围.     

基于纹影法的高压柴油喷雾反射激波特性

使用某型柴油机燃烧室的截面拉伸模型,在其内部进行常温下的高压柴油喷射,通过纹影法研究诱导激波撞壁反射之后本身的运动特性以及对喷雾发展造成的影响,并与无燃烧室模型的试验数据对比.结果表明:诱导激波撞壁反射按照时间发展顺序主要分为3个类别;其中第一类反射激波主要影响喷雾横向扩散,会造成喷雾锥角相较于无激波工况减小,并且其抑制效果与喷射压力及背景压力均呈反比,同时,第一类反射激波两翼的运动不对称性也会造成喷雾明显偏离轴心,其偏轴程度与背景压力呈反比,与喷射压力无关.     

音圈电机喷油器的喷雾特性试验

通过定容燃烧弹,采用高速摄像技术研究了不同环境压力、燃油温度以及喷射脉宽对音圈电机(VCM)喷油器宏观喷雾特性的影响．结果表明：在低环境压力条件下,喷雾形态呈标准的空心锥状,液膜表面可见清晰的沿流向分布的流线结构．在高环境压力条件下,喷雾主体受到较强挤压,喷雾主体周围产生明显的大尺度对称漩涡(CRV)结构．当燃油温度从30℃升至70℃时,喷雾的形态以及宏观特性未发生较明显变化．提高音圈电机的驱动电压后,喷雾的破碎长度明显减小．当喷射脉宽小于2.0 ms时,喷雾末端发生明显的坍塌．当喷雾脉宽大于3.0 ms时,喷雾的发展过程和最终形态不再发生明显改变．     

二甲基醚（DME）喷雾混合特性的研究

采用阴影法和数学模型方法研究二甲基醚喷雾混合特性，研究了缸内工质密度，喷孔直径，启喷压力等对二甲基醚喷雾混合特性的影响，试验结果表明，二甲基醚喷雾破碎期约为0.2ms-0.4ms，环境密度，喷孔直径增大时，喷雾破碎期缩短，锥角增大，由于贯穿速度大，喷雾贯穿距增大；启喷压力对二甲基醚喷雾贯穿距影响不大，对喷雾锥角有些影响，启喷压力高，喷雾体发展初期，锥角增大，但空间发展后期，两种启喷压力的喷雾锥角趋于一致，喷雾混合特性计算结果表明，二甲基醚喷雾体平均化学当量空燃比比柴油大，因而柴油机燃用二甲基醚时涡流比不宜过大，环境密度增大，喷孔直径减小，喷雾体平均化学当量空燃比增大。