缸內(nèi)直噴汽油機(jī)孔式噴油器噴霧特性及機(jī)理研究.pdf

1、石油產(chǎn)品消耗量的快速增長(zhǎng)及生態(tài)環(huán)境惡化的嚴(yán)峻形勢(shì)，迫切要求我們開(kāi)發(fā)能源轉(zhuǎn)換更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)。燃油噴射作為發(fā)動(dòng)機(jī)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重要一環(huán)，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能與排放表現(xiàn)，因此研究并改進(jìn)燃油噴射過(guò)程對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換率具有重要的意義。而缸內(nèi)直噴火花點(diǎn)火汽油機(jī)，因其較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，更優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)和更好的冷啟動(dòng)排放表現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本研究中，基于先進(jìn)的噴霧光學(xué)診斷技術(shù)，從根源上深入、系統(tǒng)地研究缸內(nèi)直噴火花點(diǎn)火汽油機(jī)孔式噴

2、油器宏觀噴霧特性、微觀噴霧特性、霧化特性及噴霧形成機(jī)理，設(shè)計(jì)并搭建了可視化模擬缸內(nèi)直噴汽油機(jī)缸內(nèi)環(huán)境的可視化定容容器和缸內(nèi)熱力學(xué)環(huán)境模擬系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)一系列噴霧光學(xué)診斷試驗(yàn)，對(duì)缸內(nèi)直噴噴霧的噴射過(guò)程進(jìn)行可視化研究，并同時(shí)引入高速射流無(wú)量綱分析方法定量分析缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴霧特征并揭示其霧化機(jī)理。
　　首先，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)并制造了專(zhuān)門(mén)為研發(fā)工作使用的潛在優(yōu)化缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃油噴霧特性的一系列噴孔結(jié)構(gòu)為階梯式噴孔的缸內(nèi)直噴噴油器，其中包括不同

3、噴孔數(shù)、不同噴孔噴射角度和不同噴孔長(zhǎng)徑比的9款直噴噴油器。為實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃油噴霧噴射過(guò)程的可視化研究，且精確模擬直噴汽油機(jī)缸內(nèi)工作環(huán)境，本課題專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和搭建了一套缸內(nèi)直噴汽油機(jī)缸內(nèi)熱力學(xué)環(huán)境模擬系統(tǒng)。此熱力學(xué)環(huán)境模擬系統(tǒng)主要由可視化高壓定容容器、噴射燃油溫度控制系統(tǒng)、噴射燃油壓力供給系統(tǒng)和定容容器內(nèi)環(huán)境壓力控制系統(tǒng)等組成。
　　其次，結(jié)合利用高速背光成像技術(shù)和米氏散射成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燃油噴霧宏觀噴霧特性的成像，從噴油器結(jié)構(gòu)和燃

4、油過(guò)熱度的角度研究噴霧結(jié)構(gòu)變化特征，引入燃油噴霧寬度、燃油噴霧油束寬度、燃油噴霧貫穿距、燃油噴霧角等參數(shù)及歸一化的噴霧寬度、歸一化的燃油油束寬度和歸一化的噴霧油束距離等無(wú)量綱數(shù)，分析宏觀噴霧結(jié)構(gòu)變化特征且研究噴霧的影響因素。
　　此外，有力結(jié)合顯微成像技術(shù)，對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)孔式噴油器噴孔附近區(qū)域近場(chǎng)顯微噴霧特性進(jìn)行進(jìn)一步的研究，實(shí)現(xiàn)噴油器噴口附近區(qū)域近場(chǎng)噴霧燃油噴射過(guò)程的顯微特征的成像。研究發(fā)現(xiàn)近場(chǎng)的顯微噴霧特征按照其噴射過(guò)程可以

5、分為：初始噴射階段、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)噴射和尾噴階段。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)噴射階段按照其噴霧錐角的波動(dòng)振幅又可以分為大波動(dòng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段和小波動(dòng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段。同時(shí)，采用相位多普勒干涉技術(shù)對(duì)直噴噴油器的霧化過(guò)程進(jìn)行了研究。相位多普勒干涉技術(shù)對(duì)燃油噴射過(guò)程中的燃油液滴粒徑的分布和燃油液滴速度場(chǎng)的分布進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)直噴噴霧的霧化特征給出理論依據(jù)。同時(shí)，基于MATLAB編程軟件，編輯處理噴霧圖像及數(shù)字圖像技術(shù)的程序，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)噴霧特征的圖像獲取和表示，從而實(shí)

6、現(xiàn)直噴噴霧特征的定量分析。
　　然后，利用高速射流無(wú)量綱分析方法對(duì)噴霧特征進(jìn)行其機(jī)理的分析。通過(guò)分析噴霧形成特征確定噴霧破碎與霧化的無(wú)量綱數(shù)。從缸內(nèi)直噴汽油機(jī)孔式噴油器的噴霧特征及霧化的特性分析可知，孔式噴油器在燃油閃沸工況和燃油非閃沸情況下有明顯不一樣的特征。我們稱(chēng)之為液態(tài)射流和閃沸噴霧噴射。在高速液體射流區(qū)域，液體的破碎和霧化受到液體慣性力、粘性力、表面張力和空氣阻力等力的共同作用而從噴孔噴出的自由液核破碎和霧化。這四個(gè)力的作