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。     

喷孔流量系数精确测量方法研究

提出了一种新的动态精确测量喷孔流量系数的方法,消除了针阀开启与关闭过程对流量系数计算的影响,通过试验与计算手段得到了喷孔在不同喷射条件下的流量系数,并分析了不同喷射条件的影响及原因。利用单次喷射仪测量了在不同喷油压力和不同喷油持续期条件下的柴油喷油量,绘制了等喷油量曲线,可为后续研究提供参考。     

柴油掺混二甲醚喷雾粒子尺寸分布特性试验研究

为确定二甲醚掺入柴油后对燃料雾化性能的改善效果,利用阴影成像与数字图像处理技术,对不同掺混比、喷射压力以及喷孔直径等条件下的二甲醚-柴油混合燃料喷雾粒子尺寸分布特性进行了对比试验研究.结果发现:由于柴油中二甲醚的闪急沸腾作用,随着二甲醚掺混比的增加,混合燃料粒子尺寸分布曲线整体向小颗粒方向偏移,较大粒子数目较柴油明显减少,有助于降低发动机炭烟排放;喷孔直径、喷射压力等喷射参数对混合燃料雾化粒子分布有较大影响,减小喷孔直径使燃油粒子更加细化,降低喷射压力则使混合燃料雾化效果有变差的趋势.     

柴油机喷油嘴内喷射压力对燃油流动的影响

喷油嘴是柴油机最重要的工作部件之一,其性能直接影响柴油机的燃烧过程,故研究喷嘴内柴油的喷射特性以及燃油的喷雾特性是非常有必要的。但是喷油嘴内部空间非常狭小,却有很高的燃油流动速度和喷射压力,要对其进行试验有非常大的难度。文章通过Gambit软件进行喷油嘴几何建模,然后进行合理的网格划分,最后将几何模型导入Fluent软件。通过改变喷射压力,来模拟喷孔内的燃油流动速度、压力分布情况,对其进行分析研究。结果表明:提高喷射压力,使喷孔内部燃油的流速增大。     

高压喷射GDI喷孔几何结构对喷孔内流及喷雾特性的影响

采用大涡湍流模拟结合多相流耦合喷雾的方法对GDI喷孔内流和喷雾特性进行了数值研究,着重分析了喷射压力及喷孔结构形状对喷孔出流特性和液滴粒径的影响。结果表明:提高喷射压力有利于增加喷孔出口流速及湍动能,增强燃油破碎;当喷射压力提高到30 MPa之后,进一步提高喷射压力时索特平均直径(SMD)变化不明显,但小粒径占比显著增加;对于变截面喷孔,变截面双曲线喷孔出口处速度和湍动能最大,其SMD最小,小粒径占比最多,有利于喷雾质量提高;与渐缩形喷孔相比,渐扩形喷孔出口处湍动能较大,有利于喷雾初次破碎,然而较多的空泡堵塞喷孔,喷孔出口处流速较低,不利于燃油二次破碎。     

喷孔形状对喷嘴内流及喷雾特性的影响研究

主要研究了不同喷射压力下喷孔形状对内流及喷雾特性的影响。在可视化试验中,采用了3 种喷孔出口直径一致但喷孔形状不同的比例放大透明喷嘴,分析比较了不同形状喷孔内的空化及喷雾特性。研究发现,在圆柱形和渐扩形喷孔中都有空化发生,而渐缩孔中却没有。在同样的喷射条件下,渐缩孔的流量系数却是最高。研究结果表明空化在孔内溃灭时,会增加流动湍流度,但对喷雾锥角影响较小,当空化发展到喷孔出口并溃灭时,会使得喷雾锥角显著增加。试验中还观察了水力柱塞流现象,推测其产生的原因是边界层分离后回流区的再附着点达到了喷孔出口。结合数值模拟方法,验证了试验结果的分析。     

喷油嘴内部空穴流动试验研究

在比例放大透明喷油嘴空穴流动可视化试验台上,基于流体力学相似原理,在喷射压力为0.15～1.70MPa,背压为0.1MPa,环境温度为20℃条件下,使用高速数码摄影,研究了空穴产生、发展过程及对喷雾的影响,并分析了喷射压力、针阀升程对空穴流动的影响.试验表明:在喷油嘴内空穴流动是不稳定的,且会有膜状空穴和线空穴发生.随着喷射压力和针阀升程增大,膜状空穴和线空穴强度范围会增加.膜状空穴和线空穴都会使喷雾锥角增加,线空穴下喷雾对称度要好于膜状空穴.     

柴油喷射压力对多缸均质引燃影响的试验研究

为研究均质引燃模式多缸运行特性,在某六缸柴油机上实现了均质引燃模式的多缸运行。通过试验分析了不同柴油喷射压力下均质引燃模式的燃烧及排放性能,结果表明,提高柴油喷射压力可改善均质引燃模式的燃烧状况,但喷射压力过高会导致滞燃期急剧缩短;在柴油喷射压力为60~140 MPa时,均质引燃模式的有效热效率始终保持在40%以上,增幅不超过0.45%,对柴油喷射压力的变化并不敏感;均质引燃模式使用60 MPa喷射压力时的Soot排放低于纯柴油模式在140 MPa时的排放,使用较小的喷射压力即可满足排放要求。     

多点电喷天然气发动机燃料喷射过程研究

数值模拟了从电喷天然气发动机喷射阀喷出的非稳态喷流的发展过程，并由纹影实验验证了解析方法的可行性。采用数值模拟的方法考察了天然气喷流贯穿距离与喷射压力和喷孔数的关系；以及喷射阀质量流量与喷射压力和环境压力的关系；为精确地控制天然气燃料喷射量提供了理论依据。最后数值模拟了进气歧管内天然气喷流的发展过程，探明了天然气喷射对发动机工作过程可能造成的影响。     

预混合氢气对柴油机燃烧和排放性能的影响

针对预混合氢气的柴油机,在AVL Fire软件上建立了计算模型,并与试验结果进行对比,验证模型的准确性。在此基础上改变了喷射策略,对发动机缸内工作过程及相应的燃烧和排放性能进行数值模拟和分析。研究结果表明：随着预混合氢气质量分数的增加,缸内压力和温度升高,NOx 排放恶化,Soot排放改善;随着预喷射油量和预喷间隔角的增加,NOx 质量分数升高,Soot质量分数降低;随着后喷射喷油量的增加,缸内压力和放热率稍微减小,NOx 和Soot质量分数降低;随着后喷间隔角的增加,缸内压力、放热率、NOx 和Soot排放均未发生明显变化。     

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。     

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。     

Experimental investigation of nozzle cavitating flow characteristics for diesel and biodiesel fuels

This study was performed to clarify criteria for cavitation inception and the relationship between flow conditions and cavitation flow patterns of diesel and biodiesel fuels. The goal was to analyze the effects of injection conditions and fuel properties on cavitating flow and disintegration phenomena of flow after fuel injection. To accomplish this goal, it was utilized a test nozzle with a cylindrical cross-sectional orifice and a flow visualization system composed of a fuel supply system and an image acquisition system. In order to analyze the rate of flow and injection pressure of the fuel, a flow rate meter and pressure gauge were installed at the entrance of the nozzle. A long distance microscope device equipped with a digital camera and a high resolution ICCD camera were used to acquire flow images of diesel and biodiesel, respectively. The effects of nozzle geometry on the cavitating flow were also investigated. Lastly, a detailed comparison of the nozzle cavitation characteristics of both fuel types was conducted under a variety of fuel injection parameters. The results of this analysis revealed that nozzle cavitation flow could be divided into four regimes: turbulent flow, beginning of cavitation, growth of cavitation, and hydraulic flip. The velocity coefficient of diesel fuel was greatly altered following an increase in flow rate, although for biodiesel, the variation of the velocity coefficient relative to the rate of flow was mostly constant. The cavitation number decreased gradually with an increase in the Reynolds number and Weber number, and the discharge coefficient was nearly equal to one, regardless of cavitation number. Lastly, it could not observe cavitation growth in the tapered nozzle despite an increase in fuel injection pressure.     

一种基于双喷嘴模型的涡轮等效流通面积计算方法

基于双喷嘴模型,利用反动度求静叶喷嘴出口压力,对等效涡轮流通面积计算方法进行了研究。将计算结果输入经校核的GT-Power仿真模型中反算得到不同转速下涡轮前后的气体状态参数,绝大部分仿真值与试验值误差小于4%;计算得出的涡轮特性曲线与实测曲线误差低于9%,高膨胀比时涡轮未出现阻塞,优于简单喷嘴模型。利用此方法计算的变海拔涡轮等效流通面积可实现3 000 m范围内最大扭矩点转速到标定功率转速的柴油机增压压力恢复。表明此模型具有较高精度,能适应较宽的膨胀比范围,可用于描述涡轮的工作状态和工作过程,表征涡轮流通特性和做功能力,进一步服务于增压系统与柴油机的匹配过程。     

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。     

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。     

One-dimensional model on fuel penetration in diesel sprays with gas flow

In diesel engine, spray penetration is usually changed by in-cylinder gas flow. Accurate prediction on diesel spray with gas flow is important to the optimal design of diesel fuel injection system. This paper presents a theory investigation focusing on the penetration of diesel spray with gas flow. In order to understand the effect of gas flow on the penetration of diesel spray, a one-dimensional spray model is developed from an idealized diesel spray, which is able to predict the spray behavior under different gas flow conditions. The ambient gas flow is simplified as ideal flow that has only constant flow velocity along x-axial and y-axial directions of spray. The x-axial and y-axial directions are respectively defined as along and vertical spray directions. The main assumption is that the y-axial direction gas flow has no effect on the penetration of spray along x-axial direction. The principles of conservation of mass and momentum are used in the derivation. Momentum of in-cylinder air flow is also taken into consideration. Validation of the model at stable condition is achieved by comparing model predictions with experimental measurements of diesel spray without gas flow from Naber's experiments. Furthermore, CFD simulations on penetration of diesel spray with gas flow were performed with the commercial code AVL-fire. The onedimensional model is validated by the penetration results with gas flow from CFD calculation. Results show that a reasonable estimation of the spray evolution can be obtained for both with and without ambient gas flow conditions.     

柴油超临界喷雾大涡数值模拟研究

随着现代内燃机燃烧室内温度和压力的不断提升,液体燃料往往处于超临界状态,与亚临界状态相比,其喷雾射流行为特征发生了很大的变化.本研究采用大涡数值模拟方法对超临界环境下的单组分和多组分柴油表征燃料喷雾射流进行数值计算,对比了不同气体状态方程预测柴油表征燃料超临界射流行为的差异性,发现PR气体状态方程对正庚烷质量分数分布的...     

直喷式柴油机碳烟和NOx排放的数值模拟及试验

为预测直喷式柴油机的碳烟和NOx排放,提出了新的小火焰计算模型———RIF模型。此模型是通过引入理想混合比分数空间坐标系,将通常坐标系下的组分方程转换到混合比分数空间坐标系下,得出新的组分扩散方程。将小火焰计算模型与流体动力学程序(KIVA-3V)相嵌套,增加并修改原有计算模块,将湍流喷雾运动和湍流燃烧运动有机分开,计算出直喷式柴油机湍流燃烧后生成的碳烟和NOx,最后通过试验验证了该计算模型。