柴油机喷嘴空穴流动特性分析

利用混合多相流空穴模型进行了喷嘴内气液两相流动的数值模拟。分析了喷油压力、背压、喷嘴几何特征参数对喷孔内空穴流动、空穴区域分布的影响,以及各种参数对流量系数和燃油出口平均速度的影响。研究结果表明,无量纲空穴数直接影响喷孔内的空穴分布,而流量系数和燃油出口平均速度等流动特性则与喷油压力、喷孔入口圆角半径、喷孔倾角、针阀升程等几何特征参数有很大关系。     

Injection Characteristics of Palm Methyl Ester Blended with Diesel Using Zuech’s Chamber

This research attempts to characterize the injection of palm biodiesel blended with diesel in a Zuech’s chamber. Thailand conventional diesel (mandated blend of biodiesel at 5 % or B5), palm biodiesel (B100) and four other biodiesel blends ratios (B20, B40, B60 and B80) were investigated with single hole injector of 140 and 200 μm diameters, injection pressure of 40 MPa to 160 MPa, constant back pressure of 4.5 MPa and energize time of 2.5 ms. The results show that increasing biodiesel blending ratios leads to longer injection delay, larger injection pressure drop, smaller injection quantity discharge coefficient (C_d) and shorter injection duration. With increasing biodiesel blending ratio, high Cavitation number from biodiesel viscosity decreases Reynolds number. Increasing injector diameter from 140 μm to 200 μm has reduced injection delay, increased fuel injection quantity, discharge coefficient and remaining injection duration. The increasing of injection pressure were improve, injection delay, injection duration, injection quantity and discharge coefficient until injection pressure 120 MPa. In addition at injection pressure over 120 MPa are decrease injection quantity and discharge coefficient, it effect form the cavitation phenomena. Increasing of viscosity, density, Bulk modulus and sound velocity were effect to increase injection delay, with reduce injection quantity, injection duration and pressure drop during injection process.     

喷嘴内燃油空化及影响因素的实验研究

柴油机燃油喷射雾化过程除受湍流和环境气体的空气动力学效应影响外,还与喷孔内空化有关,因此对喷孔内燃油空化和影响因素的研究有重要的意义。本文中设计了透明喷孔代替原柴油机喷油器的喷孔,采用高速数码相机和高放大倍数、高分辩率的长距离显微成像技术和纳秒级闪光灯作为相机曝光光源,获得了较高分辩率和清晰度的实验图像。对柴油机喷孔内燃油空化产生、发展和分布状态进行显微观测,直观展现喷孔内燃油空化及影响规律,获得了燃油空化过程的直观认识。结果表明,柴油机喷孔内空化流动情况比较复杂,影响因素较多,其中喷孔几何结构对喷嘴内空化过程影响最显著,喷孔内空化首先出现在压力室针阀附近,随后空化区域向喷孔出口处扩散、延伸,对于渐缩喷孔,空化形成受到抑制,而渐扩喷孔则有利于空化形成;减小喷孔直径,不利于空化形成。环境压力对空化起到抑制的作用,环境压力增大,也不利于空化形成。此外还对喷孔内空化强度进行量化描述,通过空化强度对实验获得的图像进行量化分析。     

柴油机非对称喷油嘴内部空化流动特性的数值研究

柴油机喷油嘴内部喷嘴流量和空化现象直接影响到燃油的喷射和雾化,进而影响柴油机的性能和排放。以两种非对称柴油机喷油嘴——小压力室喷油嘴(mini-sac)和无压力室喷油嘴(VCO)为例,通过Fluent软件对其进行空化和流量数值仿真,研究入口压力和背压参数对质量流量变化的影响。研究结果表明:在相同进出口压力下,mini-sac型喷油嘴各孔的流量均比VCO型的大;在较低和中等进口压力下VCO型喷油嘴各孔比mini-sac型更容易产生空化,而在较高的进口压力下这两种类型喷油嘴各孔产生空化难易程度基本一致;当进口压力不变时,随着出口压力的降低,在无空化产生时其质量流量与压力差呈线性关系;当空化出现时其质量流量继续增加,当出现超空化现象时该孔的质量流量不再变化;随着各孔的轴向夹角的增大,流量越小,空化越容易;对于这两种喷油嘴来说,只有mini-sac型孔3和孔4的空化出现在喷孔的上端和下端,其余孔的空化都只产生在上端。     

全空穴模型中柴油非冷凝气质量分数的选取

针对广泛用于柴油喷孔内双相流计算的全空穴模型,提出了一个柴油非冷凝气质量分数与喷射压力和背压压差之间的幂函数关系式,幂函数的指数大小由与空穴刚刚产生和空穴已发展到柴油喷孔出口这两种状态相对应的非冷凝气质量分数确定。使用这个幂函数关系式计算了不同喷射压力下柴油的非冷凝气质量分数,然后使用全空穴模型和mixture多相流模型,计算了不同喷射压力下的柴油喷孔内双相流,并与试验数据进行了比较,结果表明,计算的柴油喷孔流量和喷孔内空穴场与试验结果基本吻合。     

Instantaneous 2-D visualization of spray combustion and flame luminosity of GTL and GTL-biodiesel fuel blend under quiescent ambient conditions

An experimental study has been performed on spray combustion and two-dimensional soot concentration in diesel (ULSD), GTL and GTL-biodiesel fuel jets under high-pressure, high-temperature quiescent conditions. Instantaneous images of the fuel jets were obtained with a high-speed camera. It was confirmed that by blending GTL with 20% rapeseed biodiesel, certain fuel properties such as kinematic viscosity, density, surface tension, volatility, lower heating value and others may be designed and improved to be more like those of conventional diesel fuel but with considerable decrease in the amount of sulfur, PAH, cold filter plugging point, etc. The results showed that the spray tip penetration increased and the spray cone angle decreased when 20% biodiesel fuel was added to GTL fuel. Autoignition of the GTL-biodiesel blend occurred slightly earlier than that of diesel fuel. Experiments under high-pressure, high-temperature conditions showed that higher injection pressure induced a lower soot formation rate. The integrated flame luminosity, which serves as an indicator of soot concentration in the fuel jet, was slightly higher for the GTL-biodiesel blend than for pure GTL fuel due to the slightly higher sulfur content of pure biodiesel fuel.     

喷孔数调控活性分层对乙醇-柴油双燃料燃烧的影响

基于1台自然吸气的单缸柴油机,结合缸内三维燃烧仿真计算,研究了不同直喷正时、不同预混比例条件下,直喷喷油器的喷孔数对乙醇-柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响。结果表明,优化直喷喷油器的喷孔数,能影响直喷柴油的缸内分布,调控乙醇-柴油双燃料发动机燃烧过程。减少喷孔数,可以有效降低缸内高活性柴油的分布区域,减少初始着火的位置,从而降低缸内最高燃烧压力和压力升高率,并且可以在炭烟排放保持较低水平的基础上,降低氮氧化物(NO_x)排放。随着乙醇预混比例的增大,喷孔数对燃烧和排放的影响先增大后减小。随着喷油提前角的增大,由于直喷燃油在缸内混合较为均匀,喷孔数的影响作用逐渐减小。     

电控高压共轨柴油机燃用生物柴油-柴油混合燃料的燃烧特性

针对1台6缸增压中冷电控高压共轨柴油机,在不改变原柴油机结构和喷油参数的条件下,研究了生物柴油的掺混比例对发动机燃烧特性的影响。结果表明:小负荷时发动机有预喷射,随着生物柴油掺混比的增大,生物柴油-柴油混合燃料的滞燃期缩短、缸内最高燃烧压力下降,预喷阶段压力升高率峰值和瞬时燃烧放热率峰值减小,且对应的相位提前;主喷阶段压力升高率峰值和瞬时燃烧放热率峰值增大,且对应的相位后移。随着负荷的增大,发动机喷油策略改为单次喷射,随着生物柴油掺混比的增大,缸内最高燃烧压力下降,燃烧持续期缩短,压力升高率峰值略有增大,瞬时燃烧放热率峰值逐渐减小且对应的相位前移。两种不同负荷条件下,随着生物柴油掺混比的增大,混合燃料的指示热效率逐渐下降。     

空化对GDI喷嘴内部流动及喷雾特性的影响

采用两相流非线性空化模型和Huh-Gosman喷雾模型对GDI多孔喷油器喷嘴内部流动和喷雾特性进行模拟。通过流量及喷雾试验对计算模型进行了验证,研究了喷嘴内空化现象对流动及喷雾特性的影响,并从抑制空化、提升流量的角度研究了喷嘴内部流动空化的影响因素及规律。研究结果显示:高压汽油在喷嘴内的流动存在明显的空化现象,空化导致的有效流通面积减小是喷嘴流量减小的原因。针阀升程增加,喷嘴流量先增加较快,后趋于平缓。喷孔的不均匀分布导致各喷孔内的空化状况不同,进而产生流量差异。空化作用也使得喷雾射流在喷孔出口截面的流动参数产生差异,影响喷雾的落点分布和喷雾形态。通过优化喷孔k系数和喷孔入口圆角半径可显著提高喷孔流量。     

Study of the effects on exhaust emissions in direct injection diesel engines: Effects of fuel injection system,distillation properties and cetane number

The effect of injection nozzle, diesel fuel density (volatility) and cetane number on diesel exhaust emissions were investigated. Decreasing injection nozzle hole diameter decreases PM emission. However, a small nozzle hole increases NO_x emission and decreases the effect of fuel on PM emission. Decreasing fuel density is effective for reduction of NO_x emission. But the effect is smaller than that of nozzle hole diameter and injection pressure. Furthermore injection timing retardation decreases the effect of fuel density on NO_x emission.     

柴油—生物柴油混合燃料喷雾特性试验研究

采用高分辨率数码照相机对柴油与柴油—生物柴油混合燃料喷雾特性进行了对比研究。结果表明,随着生物柴油掺混比的增大,燃料黏度增大,喷雾锥角变小,Sauter平均直径增大。与MB24相比,柴油的相对尺寸范围和发散边界较大,因此其Sauter平均直径比MB24混合燃料的略大。由于乙醇的稀释作用,改制油MB24的Sauter平均直径最小,雾化质量明显改善。从喷雾液滴尺寸的数目分布可以看出,所有燃料的曲线峰值均位于14μm处,小颗粒液滴较多。随着生物柴油掺混比的增大,曲线峰值下降,下降趋势均匀平缓,说明燃料黏度的增大将使雾化油滴的尺寸分布渐趋均匀。从液滴尺寸的累积体积分布可以看出,随着生物柴油掺混比的增大,达到某一累积体积的油滴直径增大,说明大颗粒油滴增多。     

高原环境柴油机喷嘴内部流场与缸内温度场的三维数值模拟

采用广安博之等准维模型,建立柴油机高原运行工作过程模型;通过环境模拟台架试验验证了模型的可信性。将准维计算结果作为喷嘴内部气液两相流动和缸内燃烧三维模拟的初始条件,就高原低压、低温、低氧条件对喷孔内燃油流动状态与分布、缸内燃烧过程的影响进行三维数值模拟。海拔3 700m计算结果表明:与平原环境相比,柴油机喷嘴内空穴现象加剧,燃油流动速度增加,喷孔出口燃油分布不均匀度增加;缸内燃烧平均温度比平原最多高出300℃且分布不均匀,燃烧室局部热负荷偏高。研究初步揭示了高原环境柴油机性能劣化机理,为通过优化缸内喷雾和燃烧过程改善高原运行发动机性能提供参考。     

燃油系统参数对分层燃烧甲醇发动机性能的影响

针对1130单缸柴油机研究了喷油嘴油线分布、喷油嘴孔数和喷油嘴针阀开启压力对分层燃烧甲醇发动机性能的影响。试验结果表明，燃油系统参数对分层燃烧甲醇发动机的性能有比较明显的影响。     

Study of diesel spray combustion and ignition using high-pressure fuel injection and a micro-hole nozzle with a rapid compression machine: improvement of combustion using low cetane number fuel

This study aimed to reduce NO_x and soot by creating a more homogeneous lean fuel distribution in a diesel spray using high-pressure fuel injection and a micro-hole nozzle. This injection system shortened the ignition delay, but a homogeneous lean fuel distribution in the diesel spray was not achieved. Using a lower cetane number fuel, the resulting longer ignition delay made a uniform, lean fuel distribution in the diesel spray possible with this injection system. Ignition and combustion were analyzed by the combustion chamber pressure history, and flame temperatures and KL values were analyzed by the two-color method.     

EGR对柴油-天然气双燃料发动机稀燃的影响

在一台由柴油机加装天然气供给系统改装而成的双燃料发动机上进行试验,分别研究了EGR率和过量空气系数(a)随喷油提前角变化对双燃料发动机的影响。结果表明:当EGR率为0时,a过大导致热效率降低。增大喷油提前角使着火提前,燃烧得以改善,最大压力升高率和最高燃烧压力提高,热值折合燃料消耗率降低。喷油提前角一定时,最大压力升高率、最高燃烧压力随EGR率的增大先升高后降低,热值折合燃料消耗率先降低后升高,EGR率为20%时热值折合燃料消耗率达到最低值。采用EGR技术能有效降低NOx排放,但HC,CO,CH4和炭烟排放随着EGR率的增大而增大;增大喷油提前角使缸内柴油预混燃烧比例增加,HC,CO,CH4和炭烟排放降低。因此,采用EGR时应适当增加喷油提前角。     

改善火花助然甲醇发动机小负荷经济性的研究

小负荷时经济性差，是火花助燃甲醇发动机存在的主要问题。以1130立式水冷直喷柴油单缸机为对象，研究了点火系统、压缩比、喷油嘴油线分布和喷油嘴针阀开启压力等因素对火花助燃甲醇发动机小负荷时经济性的影响，并将之与柴油发动机进行了对比分析。     

天然抗氧化剂对生物柴油燃烧特性的影响研究

针对生物柴油氧化安定性较差的特点,在调和油B20中添加天然抗氧化剂,改善生物柴油的氧化安定性.通过发动机台架试验,测量了标定转速、不同负荷时,分别添加迷迭香与茶多酚两种抗氧化剂的生物柴油K1B20和K2B20的示功图,并与燃用柴油B0、生物柴油B100以及调和油B20进行对比,探讨了抗氧化剂对柴油机燃烧过程的影响.结果表明:低负荷时,与燃用B0相比,燃用B100的最高燃烧压力、最大压力升高率升高,瞬时放热率峰值降低,滞燃期缩短,燃烧持续期延长;与燃用B20相比,燃用K1B20和K2B20的压力曲线与瞬时放热率曲线形状以及燃烧特性参数基本相同.全负荷时,随生物柴油掺混比的增加,最高燃烧压力降低;燃用K1B20和K2B20的最高燃烧压力升高,对应的曲轴转角略有延迟,最大压力升高率峰值基本相同,对应曲轴转角延迟.燃用K1B20和K2B20对柴油机的输出功率影响不大,与B20相比,滞燃期与燃烧持续期略有缩短,排气温度有所降低.     

尿素喷嘴对SCR系统喷射雾化影响仿真研究

为了提高尿素选择性催化还原技术(selective catalytic reduction,SCR)系统对柴油机尾气中的氮氧化物(NOx)的转化效率,通过使用软件模拟仿真改变尿素水溶液喷嘴的安装位置、数量、安装方向的方法,研究尿素喷嘴参数对系统性能的影响。结果表明:随着喷嘴和尾气进口之间距离的增大,NH3的均匀性系数和平均质量分数均逐渐地减小;随着喷嘴数目的增加、喷射方向与尾气流动方向夹角的增加,载体前端NH3分布均匀性均呈现先增大后减小的趋势。     

掺烧比对电控共轨柴油机燃用 LNG-柴油双燃料燃烧特性的影响

为了在柴油机上使用液化天然气（LNG）,将电控共轨柴油机改装为柴油引燃天然气的双燃料发动机,通过天然气喷嘴将 LNG 喷入进气管。利用双燃料发动机台架试验,对比分析了转速为1200 r／min ,100％负荷下,掺烧比对电控共轨柴油机燃用 LNG‐柴油双燃料燃烧特性的影响。研究结果表明,随着掺烧比的增大,双燃料发动机的缸内压力先升高后降低,压力升高率和瞬时放热率增大,峰值压力循环变动系数增大。     

转子发动机喷雾特性试验研究

利用定容弹、纹影仪以及高速相机等装置,就柴油转子发动机工况下的喷雾过程进行了试验研究,重点分析了喷雾环境背压和喷射压力对喷雾特性的影响。结果表明:在转子发动机喷雾过程中,喷雾扩散速度先快速增大后逐渐减小;喷雾锥角在初次雾化阶段内急剧减小,然后在二次雾化作用下保持相对稳定。喷雾环境背压的增大,有效减小了喷雾贯穿距离,增大了喷雾锥角,说明喷雾环境背压的增大对喷雾贯穿距离和锥角都有显著的影响,从而为转子发动机喷油正时的优化提供了试验数据支持;随着喷射压力提高,喷雾贯穿距离和喷雾锥角都增大,并且增大喷射压力加强了燃油的初次雾化和二次雾化,有利于提高转子发动机喷雾质量,为优化柴油转子发动机油气混合状态创造了条件。