汽油缸內(nèi)直噴閃急沸騰噴霧特性的光學(xué)診斷研究.pdf

1、在汽油機(jī)小型強(qiáng)化和代用燃料的發(fā)展趨勢(shì)下，閃急沸騰改善噴霧特性的潛力受到越來(lái)越多的重視，然而關(guān)于閃沸噴霧的規(guī)律以及塌縮的機(jī)理尚不明確。本課題采用高速攝影、亮點(diǎn)測(cè)速測(cè)徑法（GPVS）及激光粒子圖像測(cè)速法（PIV）等多種光學(xué)診斷方法，在定容彈和光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對(duì)閃沸噴霧的宏觀特性、微觀特性進(jìn)行了全面的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。
　　本研究設(shè)計(jì)并搭建了定容彈臺(tái)架、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和噴霧特性光學(xué)診斷系統(tǒng)；利用雙向?qū)ι浼す馄倪M(jìn)了GPVS方法，拓展了該方

2、法在閃沸噴霧中的適應(yīng)性；創(chuàng)新性地提出了新的閃急沸騰噴霧宏觀特性參數(shù)（塌縮度、噴霧跨度）以及新的噴霧錐角定義方法，為量化噴霧宏觀形態(tài)變化、揭示閃急沸騰噴霧規(guī)律及闡明其機(jī)理提供了有力指導(dǎo)。
　　在汽油閃沸噴霧宏觀特性實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比噴霧的正視與仰視圖像，表明塌縮過程與重疊過程具有密切的內(nèi)在聯(lián)系；通過噴霧形態(tài)和噴霧宏觀參數(shù)等多角度分析證實(shí)了低壓區(qū)和重疊區(qū)的存在；通過單孔、雙孔和六孔噴霧實(shí)驗(yàn)，將低壓區(qū)、重疊區(qū)及燃油過熱對(duì)噴霧形態(tài)的影響解耦，發(fā)

3、現(xiàn)低壓區(qū)通過氣流卷吸運(yùn)動(dòng)影響噴霧油束和液滴的貫穿方向，使噴霧形態(tài)呈現(xiàn)徑向收縮的趨勢(shì)；而重疊區(qū)內(nèi)液滴數(shù)密度增大，液滴碰撞聚合形成更強(qiáng)的向下貫穿的動(dòng)量，削弱了空氣曳力對(duì)油束貫穿的減速作用，使噴霧形態(tài)呈現(xiàn)軸向拉伸的趨勢(shì)；同時(shí)，低壓區(qū)和重疊區(qū)還具有相互促進(jìn)的作用，從而全面揭示了閃沸噴霧塌縮的機(jī)理。
　　在烷烴及其混合物的閃沸實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)過熱度和噴霧形態(tài)將噴霧分為低、中、高過熱度工況階段，總結(jié)了不同階段內(nèi)噴霧微爆、破碎、塌縮及氣流卷吸之間的

4、關(guān)系和變化規(guī)律，定量研究了不同階段內(nèi)噴霧塌縮比的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)低過熱度階段噴霧塌縮比在1.3附近，過熱度的變化對(duì)噴霧形態(tài)幾乎沒有影響；中過熱度階段噴霧塌縮比在1.3~3.2之間，隨過熱度的增加顯著上升，燃油溫度的變化對(duì)噴霧形態(tài)有決定性影響；高過熱度階段噴霧完全塌縮，塌縮比在2.9~4.9之間，環(huán)境壓力的變化對(duì)噴霧形態(tài)有較大影響?；旌先剂蠈?shí)驗(yàn)采用正戊烷（沸點(diǎn)36.1℃）和正庚烷（沸點(diǎn)98.5℃），探明了過熱度和摻混比例對(duì)混合物噴霧中的微爆

5、和塌縮現(xiàn)象的影響規(guī)律。
　　在閃沸噴霧微觀特性實(shí)驗(yàn)中，制定了噴霧液滴圖像處理流程，相關(guān)程序的粒子直徑計(jì)算精度偏差為3.8％，可以滿足液滴直徑統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)需要。噴霧液滴直徑實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨過熱度的增大，液滴直徑范圍由低過熱度噴霧下的10μm~25μm縮小至高過熱度下的10μm~15μm；噴嘴下方30mm處，二次破碎并未完成，因而大液滴概率偏高，而此位置又存在液滴卷吸滯留現(xiàn)象，因而小液滴概率也偏高；燃油溫度、環(huán)境壓力及拍攝位置對(duì)噴霧局部

6、索特平均直徑（SMD）都有明顯的影響，總體來(lái)看，局部SMD隨燃油溫度的上升而下降，隨環(huán)境壓力的下降而下降，拍攝位置的影響規(guī)律則需要通過氣流卷吸、噴霧破碎和蒸發(fā)三個(gè)因素來(lái)分析。噴霧液滴速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：速度的概率分布不僅與閃沸噴霧狀態(tài)、拍攝位置有關(guān)，還受到環(huán)境氣體密度的影響，在中過熱度狀態(tài)下噴霧液滴速度偏小且分布更為集中，而背壓0.1bar的工況則由于環(huán)境氣體密度降低，對(duì)液滴減速作用下降，出現(xiàn)了更多的高速液滴。
　　在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)

7、氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)閃沸噴霧影響的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)燃油溫度對(duì)噴霧形態(tài)和速度場(chǎng)有決定性影響：低過熱度噴霧液滴SMD較大，受氣流運(yùn)動(dòng)影響較小；中過熱度噴霧SMD減小，噴霧貫穿距明顯減小，噴霧寬度橫向收縮，速度場(chǎng)方向更加一致；高過熱度噴霧塌縮度和貫穿距隨燃油溫度增加持續(xù)增大，速度方向一致性更強(qiáng)，噴霧與缸內(nèi)氣體相互作用減弱，氣流卷吸作用減弱。缸內(nèi)滾流對(duì)噴霧形態(tài)和速度場(chǎng)也有一定影響：低滾流比下，噴霧初期液滴射流方向與缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)方向是相向的，噴霧初期速度場(chǎng)的最

8、大速度均高于高滾流比下的相同工況；噴霧的早中期，在低滾流比工況豎直向下進(jìn)氣的作用下，噴霧更容易向靠近活塞的方向發(fā)展，在高滾流比工況水平向左進(jìn)氣的作用下，噴霧更容易向左側(cè)缸壁的方向發(fā)展。
　　本課題圍繞閃沸噴霧的宏觀特性和微觀特性開展了一系列光學(xué)診斷研究，系統(tǒng)地描述了噴霧在不同過熱度狀態(tài)下的宏觀形態(tài)變化規(guī)律，引入重疊區(qū)概念，完善了閃沸及塌縮現(xiàn)象的機(jī)理；分析了燃料過熱度、摻混比例對(duì)閃沸特性的影響及通過改變摻混比例控制閃沸程度的可行性；