英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
柴油机微小和正常喷射量下孔型喷嘴的内部流动和喷雾特性
PengBo Dong, Keiya Nishida, Takuya Inaba, and Youichi Ogata
摘 要
在120MPa轨压，1.5MPa环境压力，室温和氮气环境的条件下以10000和100000fps的频率拍摄高速影像，以获得不同的喷雾特性。此外，还进行了CFD计算，在相同条件下再现不同喷嘴的内部流动模式，这为额外的材料提供了讨论依据，还解释了喷雾现象背后的机理。实验表明：与单孔喷嘴相比，多孔喷嘴具有更低的液压和喷射速率，更长的喷射持续时间，更短的喷雾贯穿距，以及更广的喷雾锥角。同时，模拟研究预测：多孔喷嘴的内部流动比单孔喷嘴具有更复杂的涡流、湍流结构以及更高的气蚀水平。然而，在不同的喷射量下，单孔和多孔喷嘴之间的内部流动和喷射现象的差异呈现明显不同的性质。结论是喷射量的影响在具有不同几何形状和结构的喷嘴的内部流动和近场喷雾特性中起到不同的作用。
关键词：柴油机；喷雾；孔型
第1章 简介
众所周知，燃烧、排放的优劣及其柴油机性能主要由喷雾现象和混合气形成质量决定的[1]。影响喷雾发展最重要的因素之一是喷嘴结构，这可以使得喷嘴内产生完全不同的内部流动。原来，单孔柴油喷油器通常是应用于基础研究，以研究喷雾特性。然而，多孔喷嘴的喷雾更接近实际的发动机运转状况。 因此，多孔喷嘴的实际喷雾现象是更值得研究的。
此外，作为最理想的燃烧模型之一，均质充量压燃（HCCI）[2]近几年已经充分引起了发动机学者的关注。然而，采用高压缩比来实现高功率输出的传统柴油发动机，恰恰导致实现HCCI很困难。虽然降低压缩比或使其可变对实现理想的HCCI燃烧状况可行，但在冷启动和理想模式条件下，仍然难以实现低圧缩比下的稳定燃烧[3]。因此，在这些情况下采用多点喷射策略[4]，以降低点火正时的不可控制性，这不可避免地带来了微小和正常喷射量的情况。
为了深入了解多孔喷嘴在实际工作和不同喷射量情况下的喷雾特性，本次研究系统比较了一个直的单孔喷嘴和轴对称的10孔喷嘴的喷雾特性。另外，对于这些不同结构的喷嘴也进行了CFD计算，以再现在微小和正常喷射量条件下的内部流动和燃油喷雾瞬态。
第2章 实验设备
在目前的研究中，在单孔和多孔喷油器中进行高速影像实验，以观察喷雾发展过程，具体实验设备如图2.1所示。图2.1（a）展示了全局实验装置，包括高压室、喷射系统和光学系统。这个实验系统的工作过程描述如下：通过装备不同类型喷油器的共轨喷射系统将柴油喷入高压恒容容器，这可以产生高达200MPa的喷射压力。通过透明石英窗户来观察内部。用电控单元（ECU）和延迟脉冲发生器（Stanford Inc.，DG535）控制喷油信号、燃油量和图像正时。光学系统由一个氙气灯（USHIO Corp.，SX-UID501XAMQ），两个反射镜和两台高速摄像机（Photron FASTCAM-APX RS和Nac MEMRECAM HX-3）组成。氙气灯可以连续高强度发光，并且入射光被两个镜子反射。以这种方式，两束可以通过石英窗集中在喷雾区，从而获得喷雾散射相同亮度的光。
图2.1（a） 高压室，喷射和光学系统
在安装不同喷射器的情况下，单孔喷射器的喷嘴安装方法如图2.1（b）所示。众所周知，喷雾是锥形结构，所以观察多孔喷嘴的喷雾有点困难。在本研究中，为了防止喷雾干扰，将多孔喷射器安装到专门的倾斜腔室中，如图2.1（c）所示。多孔喷嘴的轴线和水平面之间有一个适当角度，可以尽可能保持垂直观察喷雾羽流。
图2.1 （b）单孔喷嘴的布置
图2.1 （c）多孔喷嘴的布置
图2.2展示了本研究中使用的单孔和多孔（10孔）喷嘴的典型方案，特殊的参数也在此图中给出。两个喷嘴具有相同的压力室半径、孔长和孔径。表2.1中的详细实验条件是根据小型柴油机的实际工作情况确定的。选择JIS#2柴油作为试验燃料，喷油量保持在0.3mm3/孔到2mm 3/孔之间，以模拟真实柴油机的喷油状况。喷射压力选择为120MPa，而基础喷雾研究的环境压力和温度分别为1.5 MPa和300 K，这可以保证环境气体密度近似于燃烧条件。
此外，在与米氏散射实验相同条件下用博世长管仪测量喷嘴的喷射速率，每个进行至少10次测量以排除孔对孔和喷雾对喷雾的影响，特别是在微量喷射条件下。
图2.2 实验中应用不同喷嘴的示意图
表2.1 实验条件
第3章 计算研究的设置
数值模拟技术的发展，为研究人员开辟了一个新的时代：研究实际工作条件下喷嘴的内部流场。在当前研究中，通过CFD的FIRE2013版（AVL），在不同喷射量下不同几何结构喷嘴产生的内部流动和气蚀特征已经被数字化地复制。使用双流体模型可以预测喷嘴内部的不稳定多相流。
图3.1（a）展示了具有不同结构的喷嘴的计算网格。对于具有十孔的多孔喷嘴，考虑几何周期、对称性和计算正时，只选择了整个体积域的十分之一。额外的排放量可以用来避免喷射出口处的逆流，也可以用于观察近场喷雾瞬态。如图所示，针阀移动考虑在画网格过程中。代表微小正常喷射量的两针阀升程曲线应用于喷嘴几何特性的体动力学实例。这些曲线是从当前实验中似类型的多孔喷射器中测得的。对于一个喷射量条件，相同的曲线同时用于单孔和多孔喷嘴，以比较不同喷嘴几何结构内流动模式。通过这种方式,能够模拟不同的喷射阶段(前期、中期和后期)、不同的针阀位置(低和高针阀升程)，以解释实验观察到的喷雾现象和特性。
图3.1（a） 计算网格
图3.1（b） 应用于计算的针阀升程曲线
该计算的具体设置已列在表3.1中。雷诺平均N-S模拟（RANS）方法，多相流模型和四方程k-zeta;-f湍流模型[6]，基于Durbin的椭圆放松概念[7]，以模拟喷嘴内的流体。而且线性瑞利模型用于描述喷嘴内的气蚀气泡现象。在进一步模拟之前，验证是在采用的湍流和气蚀模型上进行的。实验结果如图3.2（a）所示。
表3.1 计算设置
图3.2（a） 实验和计算的喷射流量结果
图3.2（b） 实验和计算的气蚀结果
Blessing等发表的论文的实验结果[8]被认为是验证的标准，因为他们研究中的喷油器特性及实验条件涵盖了当前研究的一些特点。在进一步的模拟研究之前，也测试了网格大小（2.5和4.41微米）对结果的影响。如图3.2（b）所示，在验证过程中，已经证明了通过该模拟，可以相对准确地预测质量流量速率和气穴的产生。
第4章 结果与讨论
4.1实验结果
本节着重于微小和正常喷射量条件下单孔和多孔喷嘴的喷射过程和近场喷雾特性，将进行两种比较比较，以研究：（1）在相同喷嘴配置条件下，微小与正常喷射量策略之间喷射过程和喷雾特性的差异；（2）在相同的喷射量条件下，单孔和多孔喷射器的喷射过程及喷雾特性的差异。
喷射流量采用BOCSH长管法测定，如图4.1所示。对于单孔喷嘴，在微小和正常的喷射量条件下都有波动，特别是在微小喷射量下。看来喷嘴的压力室内部有压力振荡，针阀移动是小而非线性的[9]。有限的有效流通面积（单孔）导致的水锤效应和超短的励磁持续时间可能有导致这个问题。相反，对于多孔喷嘴，在不同喷射量条件下，喷射速率曲线都是平滑的；喷射开始后，两曲线的趋势随时间平缓变化。这归因于大燃油流动面积（10孔）引起的压力室中压力增加速度较慢以及相对较长的喷射信号的励磁时间。
图4.1 不同喷射量下的喷射流量
从另一个角度来看，无论是在微小还是正常喷射喷射量条件下，很明显单孔喷嘴的喷射速率高于多孔喷嘴，特别是在喷射的初始阶段。但是，保持相同的喷射量下，单孔喷嘴的喷射持续时间短于多孔喷嘴。与微小喷射量条件相比，单孔和多孔喷嘴的喷射速率和喷射持续时间之间的差异在正常喷射量下更大。以下讨论将给对上述现象进行深入分析。
图4.2（a）展示了从黑白图像转换来的不同喷入量条件下的典型假彩色和时间喷雾图像。众多周知，照明光强度和喷雾轮廓是燃料液滴的大小，浓度，环境气体影响和喷雾羽流交互的符号特征[10]。
受不同喷射持续时间的影响，选择不同喷射量条件的典型正时有一点不同。比较在微小和正常喷射量条件下从不同喷嘴喷射的喷雾，有很多有趣的区别。对于单孔喷嘴，在微小的和正常喷射量条件下，喷雾都有高的散射光强度。除了喷雾长度和喷雾面积的明显区别，似乎微小喷射量条件下的喷雾特性相对更不规则。
而微小和正常喷射量条件下的单孔喷嘴喷雾的整体外观差异不是那么明显。但是，对于多孔喷嘴，微小喷射与正常喷射量之间的喷雾特性差别很大。微量喷雾的散射光强度弱很多，这与最低喷射速率结果一致，如图4.2（b）所示。
图4.2（a） 微小喷射量条件下
图4.2（b） 正常喷射量条件下
当喷意到单孔和多孔喷嘴不同的喷雾性能，在图4.2中可以看到无论在微小还是正常喷射量条件下，多孔喷嘴喷雾的全局散射光强度比单孔喷嘴弱得多，高强度甚至可以延伸到单孔喷嘴喷雾下的游区域，这意味着多孔喷嘴的燃油分布更均匀，雾化效果可能更好[11]。这也表示喷射持续时间内同一时间从单孔喷射器喷射的燃料量比十孔中的一个大，甚至保每孔的总喷射质量是恒定的。这个问题与以前的讨论是一致的。第二，至于喷雾几何形状，多孔喷嘴的喷雾体积远小于单孔，因为喷射速率和喷射持续时间不同。特别感兴趣的是前期的瞬时流动状态，与单孔喷嘴喷雾形状非常不同时的喷雾。这种现象也与图4.1所示的喷射速率结果有很大的关系。第三，单孔喷嘴喷雾更加流行，更加清洁，特别适合喷雾尾部区域。但是，多孔喷嘴喷雾有不规则的边缘，喷雾羽流侧面是明显的波状轮廓，这应该与喷嘴内部的湍流和气穴以及相邻喷雾之间的激烈交互有关。至于喷射量的影响，与正常喷射量条件相比，单孔与多孔喷雾形态的差异在微小喷射量下更为明显，特别是对于喷雾的亮度和体积。这种规律与喷射速率结果相反，表明喷射量的影响在喷射过程和不同喷嘴的喷雾发展中其不同作用。
基于伯努利的方程，从喷射速率曲线定性地计算不同喷嘴的压力变化结果，如图4.3所示，从高速视频图像测量的相应喷头穿透结果也在此图中显示。也许受水锤影响[12]并将平均流量系数应用于方程式中，单孔喷嘴的最大压力略高于轨压。计算的压力室压力的规律性都符合喷射速率结果。在两种喷射量条件下，单孔喷嘴压力室内有明显的压力波动，而压力室内压力变化是稳定的。两种喷射量条件下，一旦喷射开始，单孔喷嘴压力室内压力就会急剧增加，在喷射结束时急剧下降。相反，多孔喷嘴压力室的压力从喷射开始缓慢增加。多孔喷嘴压力室压力达到峰值所需的时间要比较长，但要远远低于轨压。这种现象可以说是具有十个喷射孔的多孔喷嘴的有效流动区域，这是单孔喷嘴的十倍。换句话说，单孔喷嘴的理论流量系数是多孔喷嘴的十分之一[13]。因此，其压力室压力排气率也比多孔喷嘴低得多。
图4.3（a） 喷嘴内压力室压力波动
图4.3（b） 喷嘴头贯穿结果
不管是单孔还是多孔喷嘴，与正常数量条件相比，喷嘴穿透度在微量喷射下较短，这种差异在多孔条件下更大更明显，这与喷雾图像结果比较一致。似乎多孔喷嘴喷雾对喷射量变化更敏感。当谈到不同喷嘴之间的穿透效果的差异，在两种喷射量条件下，单孔喷嘴的穿透度比多孔的要长。此外，微小数量条件下的两个喷嘴之间的间隙更大，这也与高速视频观察图像的分析一致。微小喷射量条件可以对单孔和多孔喷嘴的喷雾的偏差产生更大的影响。
喷雾特性的定义如图4.4（a）所示。喷雾宽度的时间变化表征为相应角度的半喷头穿透（即喷雾角度theta;s）和相应角度为孔径的100倍与孔尖的距离（即喷雾锥角theta;c）作为喷射开始后的时间函数，不同类型的喷嘴，不同喷射量条件。应该喷意的是直径为0.1 ms ASOI时多孔喷嘴的贯穿距仍然小于孔的100倍，因此只有喷雾角度能够测量，如图4.4（b）和4.4（c）所示。比较4.4（b）和4.4（c）的结果，无论是单孔或多孔喷嘴，其喷射宽度受喷射量变化影响不是很大。但是，可以看出: 在微小和正常喷射量条件下单孔和多孔喷嘴的喷雾锥角有明显的区别。除了喷雾交互和康达效应，两个喷嘴内不同的内部流动特性导致了两种喷雾性质之间的偏差[14]。而且，在微小和正常喷射量条件下，单孔和多孔喷嘴之间的喷雾宽度差异不大，接下来的孔近场喷雾的特写视图可以深入地说明这些现象。
图4.4（a） 喷雾特性的定义
图4.4（b） 微小喷射量条件下
图4.4（c） 正常喷射量条件下
为了详细研究喷嘴尖端区域附近的喷雾现象，应用了100000fps的高速影像，以获得不同喷射量下的特写视图。图4.5显示了单孔和多孔喷嘴的特写喷雾图像。原来的照片是使用简单的Sobel算子方法[15]进行处理，以喷雾特性更突出。 着眼于单孔喷嘴的喷雾性能，与正常量条件不同，微小喷射量条件下的喷雾具有更低的散射光强度和相对粗糙的边缘。但是，在多孔喷嘴状况下，无论微小还是正常的喷射量条件，喷雾都有明显的不规则轮廓。
<p
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</p
资料编号：[139060]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
课题毕业论文、外文翻译、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
