直喷式柴油机撞壁喷雾燃烧室的仿真与分析

为改善燃烧室内喷雾的空间分布,促进油气更好地混合,设计了一种新的直喷式柴油机撞壁喷雾燃烧室。对不同喷孔夹角在燃烧室内形成的近撞(包括全撞和半撞)及远撞喷雾方式的缸内混合气形成与燃烧过程进行了数值模拟。结果表明,从燃空比分布来看,半撞喷雾方式混合气最均匀,全撞方式次之,远撞方式最差。至于排放,远撞喷雾方式生成的NO排放最低,而半撞喷雾方式生成的碳烟排放最低。

不同海拔条件下柴油机撞壁喷雾燃烧特性的可视化研究

使用定容燃烧弹模拟一款重型柴油机在海拔0 m、3000 m和4500 m条件下运行时缸内的热力学状态,利用多种成像技术实现了撞壁燃烧过程的可视化,研究了不同海拔对撞壁喷雾燃烧的高温着火、火焰传播和碳烟生成特性的影响。结果表明,海拔从0 m升高到4500 m,撞壁着火延迟从0.55 ms延长到0.88 ms,撞壁着火距离从20.38 mm增大到26.87 mm,高海拔对撞壁着火过程有明显的抑制效果;撞壁火焰呈现圆盘状火焰形态,火焰发展进入稳定阶段后,由于前锋区域的涡流强度增大,撞壁火焰铺展高度、撞壁火焰铺展宽度和撞壁火焰面积都随海拔升高而增大,但在火焰发展初期,由于撞壁平板的冷却作用,撞壁火焰尺寸在海拔升高到4500 m时减小;空间积分火焰亮度和时间积分火焰亮度均随海拔升高而增大,海拔升高到4500 m时碳烟生成速率和氧化速率均增大。

直喷汽油机自由-撞壁喷雾可视化台架开发及试验

介绍了直喷汽油机可视化喷雾及其撞壁实验装置与控制系统,详细阐述了高压供油系统的设计、直喷汽油机喷油器驱动模式以及喷雾控制系统.基于该可视化装置研究了不同喷油压力和环境压力下喷雾贯穿距与喷雾锥角的变化、不同环境压力下喷雾发展与燃油浓度的变化以及不同撞壁角度和距离下喷雾撞壁特性.试验结果表明,随着喷油压力增加,喷雾贯穿距与喷雾锥角均增大;随着环境压力增加,喷雾贯穿距减小而喷雾锥角增大.此外,75°撞壁角度较60°撞壁角度更加有利于撞壁后喷雾发展和燃油雾化.开发的可视化喷雾及其撞壁试验装置与控制系统能够可靠而稳定地运行.

燃油喷雾撞壁与油膜蒸发特性研究

构建了一维非稳态燃油喷雾撞壁模型,综合考虑了液滴蒸发、油膜铺展和油膜温度等影响因素.针对燃油喷雾撞壁过程进行分阶段建模:在自由贯穿阶段,基于射流喷雾液相贯穿距离预测模型和液滴蒸发模型描述自由贯穿阶段,并确定喷雾撞壁时刻.在撞壁阶段,燃油喷雾被离散为液滴微元撞击壁面的过程.耦合自由液滴蒸发模型、油膜表面温度模型和油膜蒸发模型,以油膜铺展半径为特征参数构建了附壁油膜在撞壁阶段、附壁油膜铺展阶段和油膜蒸发阶段的一维非稳态归一化模型.讨论了环境温度、压力、喷油压力和初始油膜厚度对喷雾内液滴直径、液滴蒸发质量和油膜蒸发速率的影响.结果表明:阶段化、离散化的一维非稳态撞壁喷雾模型能够准确地预测在宽范围环境温度工况下的喷雾贯穿、近壁面铺展、燃油附壁以及蒸发过程.提高环境温度、降低环境压力能够提高附壁油膜表面最高温度,增大油膜的蒸发速率.

高海拔模拟环境下喷雾撞壁的燃烧和传热特性研究

高海拔下低温低压的极端工作环境容易导致发动机燃烧室出现严重的液相喷雾撞壁现象,造成附壁燃烧和池火,是引起活塞或燃烧室壁面烧蚀的重要原因之一.然而,目前关于高海拔环境下发动机喷雾撞壁、附壁燃烧及壁面传热的详细机理尚不完全清楚.本文基于定容燃烧弹模型结合多维数值模拟方法,开展了高海拔模拟环境下喷雾撞壁的燃烧及壁面传热特性研究.结果表明:缸内背景压力通过影响喷雾贯穿能力对喷雾液相撞壁起到主导作用,而背景温度则主要通过影响燃油蒸发速率对油膜演化起显著作用;附壁油膜的质量和蒸发速率对池火燃烧特性具有很大影响,高温高压条件下附壁油膜质量小、蒸发速率快,使得池火出现时间更早、峰值强度最大且持续时间最短;低温低压条件下油膜质量最大且蒸发速率最慢,使得池火出现时间更晚、峰值强度最小且燃烧持续时间最长;而高温低压和低温高压条件下池火的出现时间、峰值强度和持续时间则居于中间;此外,附壁油膜和近壁池火会显著增强定容弹流场对壁面传热的影响作用,附壁燃烧使得壁面长时间处于高热流密度和高温的状态,而油膜分布和蒸发速率的差异会导致池火区壁面热流密度和温度分布不均,且变化剧烈波动,由此引发的热疲劳可能是壁面烧蚀的重要原因.

燃油喷雾撞击高温壁面的形态特征研究

内燃机的高强化发展导致壁面温度上升,燃油撞壁现象难以避免.燃油喷雾撞击高温壁面对混合气形成有重大作用,进而影响燃烧过程和碳烟排放.文中利用背光法在流动式定容燃烧弹上对柴油喷雾撞击高温壁面的形态特征进行试验研究,分析了喷油压力、背景压力和壁面温度对近壁面喷雾形态特征的影响.结果表明:喷油压力越大,壁面漩涡出现时刻越早,且对铺展半径和卷吸高度的增大起明显的促进作用.背景压力越大,撞壁时刻延迟,铺展半径和卷吸高度下降,背压对铺展半径的影响超过对卷吸高度的影响.壁面温度越高,漩涡出现时刻越早,撞壁油束的铺展半径和卷吸高度越大,但当壁温达到莱顿弗罗斯特温度时,壁面传热模式改变,铺展半径和卷吸高度发生突降.针对所引入的综合影响系数,研究表明喷油压力的变化对卷吸高度的综合影响系数最大,最后文中基于研究规律拟合了结合壁面温度的铺展半径和卷吸高度的经验公式.

GDI椭圆喷孔的喷雾撞壁特性

采用流体体积-喷雾单向耦合(VOF-spray one way coupling)分析方法,在不同喷射压力下对缸内直喷汽油机(GDI)圆形和椭圆喷孔的内部流通特性和喷雾撞壁特性进行了模拟仿真研究.结果表明:同等压力条件下,椭圆喷孔出口处异辛烷质量流量大于圆形喷孔,当喷射压力为15.0 MPa时,椭圆喷孔长短轴比为4的椭圆喷孔E2中异辛烷质量流量要比圆形喷孔大3.54%;在喷雾贯穿阶段,由于椭圆喷雾贯穿距离始终小于圆形喷雾,导致椭圆喷雾撞击壁面的时间延迟,当喷射压力为6.0 MPa时,椭圆喷孔E2的喷雾撞壁时间较圆形喷雾推迟0.14 ms;喷雾撞击壁面后,圆形喷雾的铺展半径和卷吸高度都要大于椭圆喷雾,这是因为圆形喷雾速度快,喷雾动量大,促进了喷雾的飞溅和反弹,但这种差异随着喷射压力的提高而减小.

柴油机喷雾火焰撞壁瞬时传热特性仿真研究

使用CONVERGE发动机仿真软件,基于流固耦合建立了撞壁喷雾火焰瞬时传热仿真模型,并利用试验数据对仿真模型进行了标定。利用该模型探究了撞壁距离、喷射压力及环境氧体积分数对喷雾火焰撞壁瞬时传热特性的影响。仿真计算结果表明:撞壁距离的变化对壁面传热的影响不大,喷射压力升高及环境氧体积分数的增加都会使喷雾火焰撞壁瞬时壁面传热损失升高。

直喷汽油机喷雾撞壁特性试验与模拟

为了研究缸内直喷汽油机喷雾撞壁特性,建立了可视化喷雾试验台,测量了撞壁喷雾的高度、喷雾半径及喷雾远端发展速度.对喷雾撞壁过程进行了三维数值模拟,利用试验数据进行了校核.通过试验和模拟,分析了不同喷射压力、环境背压、喷嘴到壁面的距离、壁面倾角及壁面温度等因素对撞壁喷雾特性的影响.结果表明:环境背压的增大导致撞壁喷雾的高度和喷雾半径减小;在低背压条件下,由于环境气体对喷雾动量的反作用力较小,喷雾撞壁时刻明显早于高背压条件,且具有较大的喷雾远端速度;随着壁面距离的增大,撞壁喷雾高度和油膜厚度减小,喷雾半径增大;增大壁面倾角,撞壁时间提前,油膜厚度减小,撞壁喷雾高度和喷雾半径略有增大;壁面油膜随温度升高而减小.

用激光诱导荧光法（LIF）研究燃油喷雾的撞壁混合过程（1）──测试原理、平面撞壁

本文介绍了一种利用柴油自身的荧光特性测量柴油喷雾浓度的新方法，和以往的方法相比，具有测量精度高而设备成本低的特点。通过对平面撞壁过程的研究，发现喷雾着壁之后，壁喷区的燃油浓度开始急剧耗散，在壁喷区的外围，出现壁喷游涡现象。

用激光诱导荧光法（LIF）研究燃油喷雾的撞壁混合过程（2）──曲面撞壁、OSKA、半壁射流

本文使用激光诱导荧光法和数字图象技术，研究了几种典型的曲面形状、ＯＳＫＡ、丰田反射燃烧系统中的喷雾撞壁混合过程。

内燃机燃油喷雾撞壁研究进展综述

随着新型燃烧方式的发展,喷雾撞壁现象广泛存在于现代内燃机的燃烧过程中。研究喷雾撞壁机理对提高内燃机热效率,降低污染物排放具有重要的意义。分别从实验和模拟研究出发,阐述了从基础喷雾液滴撞壁到实际发动机喷雾撞壁的研究现状,指出了现有喷雾撞壁研究存在的不足,为进一步开展燃油撞壁的研究提供参考。

喷雾撞壁油膜流动的研究

对燃油喷雾撞壁形成的油膜运动进行了三维数值模拟计算 ,在应用边界层理论建立的油膜流动模型中将油膜视为极薄湍流边界层 ,考虑了雾滴与壁面油膜的相互作用、油膜蒸发、卷吸、与气体间的传热传质等物理过程 ,通过对已有试验数据的比较 ,分析了平均油膜厚度、速度、喷雾粘附比、卷吸量等变化及其影响因素 ,预测结果与试验结果相符 ,计算结果表明喷射撞壁后液滴的质量。

壁温和机油油膜对喷雾撞壁后发展的影响

为研究壁面温度和机油油膜对缸内直喷汽油(GDI)发动机喷雾撞壁后发展的影响,运用阴影法成像系统和相位多普勒激光测试系统(PDA)对喷雾撞壁后反弹高度、扩散距离以及特征点的粒径粒速做了试验研究.结果表明:壁温的升高或机油油膜的存在对喷雾撞壁后反弹和扩散起明显的促进作用.但是,当壁面达到莱顿弗罗斯特效应温度后,撞壁喷雾的反弹高度和扩散距离又开始减小.壁温的升高或机油油膜的存在,都会使喷雾轴线测点处法向速度向上的液滴比例增加,且喷雾边缘测点处液滴的切向平均速度明显增大.壁温的升高使喷雾撞壁后液滴的粒径分布向更小粒径的方向偏移,液滴粒径的算术平均值减小,但100,?m以上"超大液滴"的出现使轴线测点处液滴的索特平均直径增大.机油油膜的存在使喷雾撞壁后液滴粒径的算术平均值减小,但索特平均直径增大.

柴油机喷雾撞壁的研究

综述了柴油机喷雾撞壁雾化的研究现状和发展 ,对柴油机撞壁雾化的撞壁模型及模拟、喷雾撞壁的特征、壁面温度对撞壁雾化的影响以及液膜的形成和流动等进行了全面的论述 ,介绍了一个燃烧系统设计的新概念 。

高压涡旋喷油器喷雾撞壁机理研究

为了研究直喷式汽油机高压涡旋喷油器喷雾撞壁机理,测量了撞壁喷雾的高度、喷雾半径及喷雾远端速度,分析了不同喷射压力、环境背压、喷嘴到壁面的距离、壁面倾角等因素对撞壁喷雾的影响。随着喷射压力、喷嘴到壁面的距离及壁面倾角的增加,喷雾的贯穿距离增大;环境背压的增大导致喷雾的贯穿距离减小。较高的喷射压力和较低的环境背压增大了撞壁燃油与壁面的接触面积,在壁面上形成的薄膜加速了燃油的蒸发。由经验公式计算得到的撞壁喷雾贯穿距离与试验测量值在一定范围内具有一致性,为燃烧室的设计、进气道形式的选取、喷油器和火花塞的布局提供了试验依据。

不同燃料自由喷雾及喷雾撞壁特性试验研究

运用相位多普勒(phase Doppler anemometry,PDA)系统对甲醇、乙醇、异辛烷、甲苯参比燃料(toluene reference fuels,TRF)和汽油5种燃料缸内直喷(gasoline direct injection,GDI)喷油器喷雾撞壁后的粒径粒速进行了全面的试验研究.结果表明:与汽油相比,甲醇、乙醇和TRF燃料自由喷雾的液滴速度更小,而液滴粒径更大.与自由喷雾相比,喷雾撞壁的入射液滴粒径较大,反弹液滴粒径较小;入射液滴的法向速度变小,喷雾撞壁后反弹液滴的法向速度变小,且不同燃料之间反弹液滴法向速度的差别变小.具有较大入射液滴直径和较高K值的乙醇和异辛烷燃料中,乙醇喷雾撞壁后反弹液滴的粒径(refD)小于异辛烷喷雾撞壁后的,其破碎效果好于异辛烷的,Mundo的模型需做修改.不同燃料喷雾撞壁后的反弹角度均在0°~90°范围内变化,而不是Stanton和Mundo模型中的65°~90°,因此模型中反弹角度的变化范围应增大至0°~90°.

喷雾撞壁模型的发展

本文对近些年来喷雾撞壁模型的发展进行了综述。已有的喷雾撞壁模型主要是在常温环境下利用水滴或是柴油液滴进行试验得到的,包含了许多假设和经验的成分,需要进一步改进。

有限流沿燃烧室内喷雾撞壁过程的数值研究

作者应用STAR -CD软件对有限流沿燃烧室内喷雾撞壁过程进行了数值研究 ,发现在活塞接近上止点时 ,因为缸内温度较高 ,所以在喷雾到达燃烧室壁面时 ,大部分液滴已经蒸发 ,这样基本上没有液滴与壁面的相互作用 ,所以撞壁模型的选取对计算结果的影响不大。

汽油喷雾撞壁雾化的数值模拟

撞壁雾化是现代直喷式中小缸径发动机中普遍存在的现象,研究撞壁雾化的特性对改善发动机的燃烧具有重要的意义。根据Mundo等人提出的飞溅喷雾撞壁模型,对定容室中的汽油喷雾撞壁现象进行了模拟计算与分析。通过改变壁面温度、壁面粗糙度、喷雾速度及网格数,对比分析了不同条件下喷雾撞壁过程发生的变化,为进一步进行喷雾撞壁试验、完善喷雾撞壁模型提供了参考。