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1、第一章绪论11.1 课题研究背景11 .1.1国外研究情况22 .1.2国内研究情况21.2 本课题研究的主要内容3第二章.高压GDI喷雾特性测量装置的构建42.1GDI燃油供给系统52.1.1气液增压泵52.1.2稳压腔62.1.3高压共轨72.L4喷油器82.2喷雾光学诊断测试系统92.2.1激光系统102.2.2图像采集系统102.2.3定容弹122.3定容弹电控系统132. 3.1定容弹时序控制13第三章高压GDl喷雾特性测量的实验研究153. 高压GDI喷雾宏观特性测量的实验研究154. 1.1测量方法及定义153.1.2喷雾油束的发展历程173. 1.3喷射压力对贯穿距离的影响18
2、4. 1.4喷射压力对喷雾锥角的影响205. 1.5喷射压力对喷雾面积的影响216. 1.6高压GDI喷雾宏观特性测量结论223. 2高压GDI喷雾微观特性测量的实验研究233. 2.1高压GDI喷雾微观特性测量方法234. 2.2PDPA试验标定245. 2.3试验方案246. 2.4247. 2.5高压GDI喷雾微观特性测量的实验结论27第四章结论与展望284. 1结论284. 2展望29到t错误!未定乂书签。高压GDI喷雾特性测量装置设计摘要在国际化背景下，面对全球能源危机和各国排放法规日益严格的压力，内燃机燃油排放和经济性的研究一直是汽车工业中最重要的领域之一。而缸内直喷技术在提高汽油
3、机动力性和燃油经济性、实现精确的空燃比控制和降低尾气排放物等方面具有较大的优势。提高GDl发动机燃油的喷射压力，能够使喷雾粒子更加细化。增加燃油的蒸发速率，从而使油气混合更迅速、均匀，燃烧更充分，有利于减少颗粒物的排放。但目前大部分的GDI只能满足1050MPa的油压，因此,本文致力于设计一个能够承受50200MPa油压的GDI喷雾特性测试平台。在设计过程中，主要存在燃油压力和照相时机的控制问题。为解决以上这些问题，将高压GDl喷雾特性测量装置分为4个系统：GDl燃油供给系统、激光系统、图像采集系统以及定容弹电控系统。本文首先根据这4个系统各自的功能，分别对其进行结构设计和设备选型等。并且通过
4、相关工具书的查询得到其基本的尺寸参数，然后进行设备的装配。在试验时，本文采用了LSD技术对喷雾锥角、喷雾贯穿距离、喷雾面积宏观参数以及SMD微观参数进行了测量，得到了想要的结论。关键词：GDI燃油供给定容弹喷雾特性LSDDesignofHighPressureGDISprayCharacteristicMeasuringDeviceAbstractUnderthebackgroundofinternationalization,facingthepressureofglobalenergycrisisandincreasinglystrictemissionregulationsofvario
5、uscountries,theresearchonfuelemissionandeconomyofinternalcombustionengineshasalwaysbeenoneofthemostimportantfieldsintheautomobileindustry.However,in-cylinderdirectinjectiontechnologyhasgreatadvantagesinimprovingthepowerandfueleconomyofgasolineengines,achievingaccurateair-fuelratiocontrolandreducinge
6、xhaustemissions.IncreasingtheinjectionpressureofGDIenginefuelcanmakethesprayparticlesfiner.Increasetheevaporationrateofthefueloil,sothattheoilandgascanbemixedmorequicklyandevenlyandburnedmorefully,whichisbeneficialtoreducetheemissionofparticulatematter.However,mostGDIcanonlymeettheoilpressureof10-50
7、mpaatpresent,therefore,thispaperisdedicatedtodesignaGDIspraycharacteristictestplatformcapableofwithstandingtheoilpressureof50200mpa.Inthedesignprocess,therearemainlycontrolproblemsoffuelpressureandphotographingtiming.Inordertosolvetheseproblems,thehigh-pressureGDIspraycharacteristicmeasuringdeviceis
8、dividedintofoursystems:GDIfuelsupplysystem,lasersystem,imageacquisitionsystemandconstantvolumemissileelectroniccontrolsystem.Firstly,accordingtotherespectivefunctionsofthesefoursystems,thestructuraldesignandequipmentselectionarecarriedoutrespectively.Andthroughthequeryofrelevantreferencebooks,thebas
9、icsizeparametersareobtained,andthentheequipmentisassembled.Intheexperiment,LSDtechnologywasusedtomeasurethesprayconeangle,spraypenetrationdistance,sprayareamacroparametersandSMDmicroparameters,andthedesiredconclusionwasobtained.Keywords:GDIFuelsupplyConstantvolumebombSpraycharacteristicsLSD第一章绪论1.1
10、课题研究背景近几十年以来，面对全球能源危机和各国排放法规日益严格的压力，内燃机燃油排放和经济性的研究一直是汽车工业中最重要的领域之一。传统的进气道喷射汽油机已然跟不上时代的需要了，因此缸内直喷汽油机在燃油消耗量以及尾气排放上的优势就越来越受到各大汽车厂商的高度重视。在20世纪90年代后半期,以可视化和数值模拟为代表的内燃机研究手段得到了快速发展，同时精度高、响应快的电控技术日益成熟,使得缸内直喷汽油机的研究得到了长足的发展。三菱、日产、丰田、福特、五十铃、马自达、奔驰、奥迪、本田、菲亚特、AVLs雷诺、FEV等国外许多汽车公司和研究机构都已经开发了比较成熟的GDI样机或产品。这些缸内直喷汽油机
11、，在与常规进气道喷射（PFI）汽油机相比中，都显示了明显的优势。从已发表文献来看，部分负荷采用了分层稀薄混合气燃烧的GDl发动机，与传统PFl汽油机相比，燃油经济性一般可以提高25%左右，动力输出也增加了近10%oGDl发动机可以采用更稀的空燃比，能提高压缩比和充气效率，系统优化潜力大，GDI发动机在提高动力性和降低油耗方面比其他两种发动机存在明显的优势，开发新的GDI发动机将带来巨大的经济效益和社会效益。但是GDI发动机也存在着一些开发难点和缺点。因此日本、欧美许多汽车公司和研究机构纷纷投入大量的人力、物力和财力，对缸内直喷汽油机展开了细致的研究工作。目前GDl发动机在国际上任是内燃机界研究
12、的一个重要的前沿课题，被认为是未来汽油机发展的主要方向之一。缸内直喷（GDl）发动机是未来实现汽油机节能减排的主要技术，对喷雾及混合气的形成过程的精确控制是发挥汽油直喷技术优势的关键点。深入理解燃料的喷雾特性能为GDl发动机的自主开发提供理论依据。Wang等人采用了阴影法拍摄矩形、方形和三角喷孔的射流的发展过程(喷射压力482.6kPa),其中三角形喷孔射流的破碎速度率最为明显，而其的射流破碎长度最短。KU等人研究发现，在喷射压力为108MPa的条件下，相比圆孔，椭圆喷孔的喷雾贯穿距离更短，喷雾锥角增大，燃油雾化质量提升。DOlatabadi采用了高速摄影的方法，在低喷射压力的条件下，测试了有
13、效直径为0.3mm的圆孔、方形、矩形和三角形喷孔的射流破碎特性，发现了采用非圆喷孔可以有效提高射流的破碎速度，能缩短破碎长度，在促进燃油雾化方面很有潜力。Sharma等人，在喷射压力为100MPa的条件下，测量了圆孔、椭圆、三角以及矩形喷孔的雾化特性参数，发现了椭圆喷孔喷雾锥角和喷雾油束投影面积最大。1.1.2国内研究情况张丹等人为了探究在高喷射压力下GDl喷油器的喷雾宏观特性，采用了阴影法对喷射压力为560MPa的喷雾进行测量，并分析喷射压力对油束发展历程、喷雾锥角、贯穿距离、喷雾面积以及喷油器尾喷现象的影响。得出了随着喷射压力增大，喷油器孔内外压力差增大，燃油经过喷孔的速度变大，瞬时喷油率
14、增加，喷出的燃油具有较大的初速度，与环境气体的卷吸作用增强，加快燃油的扩散速度，同时喷射压力的增大也能够强化喷油器内部的湍流，加剧喷孔内部燃油的空化作用，增加油束的不稳定性，并促进油束的初次破碎，因此喷雾面积随喷射压力的增大有所增加。但喷雾面积随着喷射压力增大的增幅在不断地减小，这是由于喷射压力的增大能够促进液滴的破碎，加快燃油的蒸发速度，使得油束外围液滴转变为气态的时间缩短。这说明了提高喷射压力能够明显地增大燃油在气缸内的分布范围，有利于在较短时间内形成均质混合气。徐宏明等人在定容弹中利用高速摄影技术和相位多普勒粒子测试技术(PDPA)研究了背压、喷射压力和喷射脉宽对汽油直喷发动机多孔喷油器
15、喷雾特性的影响，得到了不同位置油滴速度和粒径的相关性，并利用了ReitZ等门提出的液滴袋状破碎标准理论(WeD12)展开分析。15mm位置处的油滴直径分布在020m处，部分油滴出现在韦伯数大于12的范围，就可能继续发生破碎；30mm位置处的2040m间油滴的数量增多，韦伯数大于12的油滴数量减少；40mm位置处，韦伯数大于12的油滴则更少，同时在2040m处的油滴明显增加.随着测量位置逐渐远离喷油器，韦伯数大于12的油滴逐渐减少，证明了破碎过程仍然在发生，但是在2040即）处的油滴数量增加意味着油滴间聚合程度增强，由此导致SMD随测量位置的远离喷油器而逐渐增大。1.2 本课题研究的主要内容面对
16、史上最严的国VI排放标准和日渐严苛的油耗（C02排放）法规挑战,实现高效清洁燃烧的诉求与日俱增。加强GDl燃油喷射系统相关的流动及雾化机理研究，为形成具有知识产权的GDI燃油喷射系统提供理论基础与技术源头。本课题拟设计满足高压GDI喷雾性能测试要求的测量装置，并搭建测试平台，实现喷雾破碎特性和射流初次雾化性能测试与分析，为高压GDI喷射系统性能提升提供试验依据。第二章.高压GDI喷雾特性测装置的构建本实验采用的高压喷雾特性光学诊断测试平台如图1所示，可获得高清晰度的喷雾图像。试验系统主要由GDI燃油供给系统、喷雾光学诊断测试系统、控制系统，定容弹、图像采集系统组成。图2.1高压喷雾特性光学诊断
17、测试平台2.1GDl燃油供给系统该燃油供给系统可以提供50200MPa的油压,主要由气液增压泵、泄压阀、高压共轨、喷油器以及高压油管组成。2.1.1气液增压泵气液增压泵工作原理和压力增压器类似，给大径空气驱动活塞施加一个很低的压力，当此压力作用在一个小面积活塞上时，就能产生一个高压。通过一个二位五通气控换向阀，增压泵可以实现连续运行。为了达到我们需要的一定压力，我们从网上买了M64系列的气液增压泵。M系列的微型气液增压泵最大的特点是体积小，流量小，耗能低，输出压力高,非常适用于我们的测验场合。该M64气液增压泵的活塞/杆直径为10mm,每冲程流量为2.36mL。图2.2气液增压泵2.1.2稳压
18、腔由于进气过程具有周期性与间歇性，致使进气歧管内会产生一定幅度的压力波，此压力波以声速的形式在进气系统内传播、往复反射，如果利用一定直径和长度的进气歧管、一定容积的谐振室和稳压腔组成谐振进气系统，并使其固有频率与气门的进气周期相协调，在特定转速下，就会在进气门关闭之前，在进气歧管内产生大幅度的压力波，使得进气歧管压力增高，从而增加进气量。为了合理利用进气谐振效应，我们采用了图3所示的稳压腔，该稳压腔不仅可以利用波动效应提高充气效率，而且还可以使稳压腔内的压力环境相对稳定，并为利用动态效应提供良好条件，同时能消除各缸进气互相干扰，提高进气均匀性。图2.3稳压腔2.1.3高压共轨共轨管将高压燃油分
19、配到喷油器里，起到蓄压器的作用。高压共轨管上安装了压力传感器。压力传感器用来向ECU提供高压油轨的压力信号。我们使用的这个共轨体积很小，能够削减高压油泵的供油压力波动和喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下，又能保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪其他工况的变化。图2.4高压共轨2.1.4喷油器电控喷油器是高压共轨系统中最复杂、最关键的部件，也是工艺、设计难度最大的部件。ECU通过控制电磁阀的开启、关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油量、喷油定时和喷油率喷入燃烧室。为了实现精确的喷油量和有效的喷油始点，我们采用了带有电子控制元件（电磁阀）和液压伺服系统的专用
20、六孔喷油器。该喷油器燃油雾化率更高，油滴的SMD（索特直径）更小，在喷出喷油器之后能更快的与空气混合，形成良好的分层混合气图2.5喷油器该系统包含激光系统和图像采集系统。根据高压共轨燃油供给系统，结合Nd：YAG激光器、高速数码相机、定容燃烧弹、相机增强器、长焦距显微镜、计算机等，搭建喷雾特性光学诊断测试平台。使用米氏散射法Mie进行喷雾微观与宏观形态图像的测量，使用粒子图像测速法PIV进行喷雾与气流速度场的测试，使用平面激光诱导荧光法PLIF进行喷雾浓度场的测试，使用平面激光诱导荧光PLIF和Mie散射双光谱拍摄的方法进行喷雾粒径分布的测量。2.2.1激光系统Nd：YAG激光器以532nm激
21、光作为入射光源，当单一波长激光作为光源照射到喷雾上时会发生Mie散射，由于Mie散射不会改变入射光的波长，所以在图像采集端使用与入射激光波长相应的带通滤光片就能滤掉来自燃烧的干扰光线，从而可对燃烧条件下的喷雾形态进行清晰地成像。图2.6Nd：YAG激光器2.2.2图像采集系统CCD摄像机是一种固体摄像机。其中CCD是电荷偶合型光电转换器件，用集成电路工艺制造而成。它以电荷包的形式储存并传送信息。其主要由光敏单元、输入结构、输出结构等部分组成。CCD有线阵和面阵之分。光敏元排成一行的称为线阵CCD,而面阵型CCD器件的像元排列成一个平面，它包含了若干行和列的结合。我们所用的摄像机为面阵型。根据转
22、移和读出的结构方式有所不同，有不同类型的面阵摄像机。常见的类型有以下两种：行间转移型ILT(Interlinetransfer)和帧转移型FT(Frametransfer)o这两种类型的摄像机的工作原理基本上相同。我们测验使用的CCD摄像机是柯达公司生产的，其包含三部分：CCD光电传感器、供电电源、CCD传感器主机。CCD传感器是一个由542X582个光敏二极管组成的光电传感器阵列。其结构为行间转移型。这个器件光敏面积大，靶面的利用率高。当景物的光学图像，经过摄像物镜投射到这个阵列上时，由于各个光敏二极管受光的强弱不同从而感生出不同量的光电荷。这些感生电荷，经过一定时间的积累，在转移栅的精确控
23、制下，水平地移送到与像元相对应的设置在光敏元旁的垂直移位寄存器中，然后又在行转移脉冲的控制下，将电荷转移到水平移位寄存器，并由水平移位时钟控制陆续向输出端转移，最后再由输出电路输出视频信号。由于CCD传感器输出的视频信号已具有较大幅度(一般0.5V以上)，经过处理电路进行的处理(包括自动增益控制、校正、同步信号混合、功率放大等)，在终端可以得到全电视信号输出。图2.7ICCD高速相机2.2.3定容弹定容弹的主要作用是营造类似发动机缸内、压缩上止点附近和燃油喷射瞬时的高温高压环境，并提供必要的光学通路用来研究燃油的喷雾特性;因此，定容弹在设计时需兼顾火花塞的安装、预混合气及废气的进出、喷油器的安
24、装以及光学通道的布置，并且在满足上述要求的基础上，能够保证定容弹的功能性和安全性。定容弹工作流程如下:首先，由于预混燃烧导致定容弹内的环境压力迅速上升;之后因为弹体内壁面的传热损失使得环境压力在燃烧完成、达到峰值之后持续下降；当环境压力降到预先设定的阈值时，就会触发喷油和高速摄像，用以记录整个喷雾和燃烧的发展变化过程。定容弹的几何模型如图7所示。整体上呈八边形柱体形状，在弹体上沿3个轴向设置有垂直交叉的直径为mm的通孔。定容弹内安装有搅拌风扇，其目的主要包括：加快燃烧时的火焰传播速度；保证燃烧腔内的温度分布保持一致。定容弹的四周布置有加热块，可以对弹体进行加热，在不覆盖保温层条件下可以将弹体加
25、热到需要的温度。除了模拟发动机的气缸壁面温度外，对壁面加热还能防止预混燃烧产生的水蒸气凝结在石英玻璃上，从而达到改善光学通路的质量的目的。2. 3定容弹电控系统定容弹电控系统包括了两个部分，即电控单元（下位机，以下简称为ECU）和PC机控制系统（上位机）。根据实验要求，定容弹试验系统的电控单元用于控制喷油脉宽、喷射时刻、多段喷油时相邻两次之间的时间间隔以及照相的触发的时刻。PC机控制系统是可以将控制参数发送到ECU,实现人机数据交换的。本研究开发的电控系统是基于InfineonXC164CS评估板完成的。图9为定容弹电控系统的硬件构成框图。电控单元由微控制器模块、输出信号处理模块、电源模块和通
26、讯模块几部分构成。输出信号模块是将ECU给出的控制信号，通过功率放大电路放大，驱动喷油器。微控制器模块是以InfeniorlXC164单片机为核心构成的最小用户系统。通讯模块主要包括与PC机的通讯接口电路，以实现上下位机的通讯。复位电路模块CPU串口InfineonCANl功率驮动模块XC164CAN2输出信号处理模块路模块上 位 机 控 制 系 统图2.9定容弹电控系统硬件构成框图3. 3.1定容弹时序控制图10显示的是我们测验中控制系统所采用的时序。CCD触发信号和喷油信号共同使用一个定时器。当定时器开始计时到n时，触发CCD相机，当计时到n+m时，ECU发出喷油信号。n是可以随意设定的，
27、我们测验时设定为lmsCCD触发信号的脉宽t是固定的并且响应的时间很短，其系统延迟时间可以忽略不计。CCD触发信号的幅值大小为5V。其中m是可调的，但是必须大于或等于t.如：设定m为2ms,那么CCD相机就要比喷油开始早2ms的时间，就可以拍到喷油之前的定容弹之内的背景图像。喷油信号的持续时间为s,S必须要大于3ms。因为s的前3ms是PWM波时间，即从给出喷油信号到喷油器的完全打开需要3ms的时间。因为此喷油器驱动方式采用的是峰值/维持式，所以我们在控制系统中采用软件PWM的方法，即利用捕获比较单元CC2来产生PWM波，将喷油脉宽分为两段，前一段是主脉宽，使喷油器获得持续通电，随后进入高频通
28、断状态。通过电流互感器，就能测量出主脉宽和用来维持阶段的占空比与功率放大模块输出电流间的关系，得到最佳控制参数。维持阶段的频率和主脉宽由喷油器的驱动方式来确定。CCD触发信号喷油信号定时器计时开始图2.10定容弹时序控制第三章高压GDl喷雾特性测量的实验研究我们对于高压GDI喷雾特性测量的实验研究分为宏观和微观两个方面，其中宏观方面主要是对喷雾锥角、喷雾贯穿距离和喷雾面积进行测量研究，而微观主要是对SMD进行研究4. 3.1高压GDl喷雾宏观特性测的实验研究5. 1.1测量方法及定义为了全面表述及定量分析喷雾宏观特征，我们引入了喷雾贯穿距离、喷雾锥角和喷雾面积等参数。GDI喷雾试验获取的喷雾数
29、据仅是一组宏观数据，为了获取喷雾锥角和喷雾贯穿距离等数据需要对喷雾图片进行去背景、二值化和轮廓线提取等操作，如图3.1所示。喷雾贯穿距离定义为喷孔出口处距离喷雾最远端位置处长度。GDl喷孔间夹角比较小，从GDl喷油器喷出的油束基本重合在一起，因此GDl喷雾锥角定义与柴油喷油器喷雾有所不同，他不是单个喷雾油束的喷雾角度，而是整个喷雾轮廓的角度，如图3.2所示。喷雾面积S为喷雾图像在与高速摄像机拍摄轴线垂直平面上的投影面积，如图中浅色区域所示。为了定量分析喷雾面积的变化规律，引入喷雾面积变化率S。喷雾面积变化率S的定义为S=Sr式中：AS为相邻2帧喷雾图像中喷雾面积之差去背景 和啊切喷雾贯穿距图3
30、.1喷雾图像处理过程(a)喷雾锥角(b)喷雾面积图3.2喷雾锥角和喷雪面积定义3.1.2喷雾油束的发展历程图3.3所示为喷射压力分别为80和160MPa的正面喷雾图像。由图3.3可知：在喷雾初期，喷雾轮廓清晰、平滑，喷雾的尖端较为锋锐；随着喷雾的进行，喷雾前锋逐渐变为圆钝型，并分布大量破碎的液滴和雾丝；各油束横向扩散加速，油束之间的间隙被逐步填充；油束外围产生大尺度的涡旋型结构；而油束的顶部边缘依然平滑。喷射压力的增大能够加快喷雾前锋转变为圆钝型的速度，横向扩散速度也随之增大，大尺度涡旋型结构提前出现且更加明显。P=8OMPaIS*A4A*A1.0ms1.5ms2.0ms2.5ms3.0ms图
31、3.3喷射压力分别为80和160MPa的喷雾正面图像图3.4为喷射压力分别为80和160MPa的侧面喷雾图像。由图3.4可知：在油束自喷孔喷出后，沿喷油器轴向迅速发展，油束动量较大，受环境气体的剪切作用相对较弱，油束轮廓平滑、清晰，前锋尖锐，整体成纺梭型。随着喷雾的进行，油束前端的动量由于受环境气体的阻碍作用而减小，轴向扩散变慢，径向扩散加快，油束前锋逐渐转变成圆钝型。油束外围由于卷吸作用而产生了反向涡旋的“分支状结构”，如图3.5所示。由图3.5可见：这些“分支状结构”随后逐渐脱离油束主体，破碎形成细小的液滴。随着油束的发展，相邻2个“分支状结构”之间的距离有增加的趋势。随着喷射压力的增大，
32、油束前锋提前转变为圆钝型，其外围的“分支状结构”数量增加。当增大喷射压力时，喷油器孔内湍流流动增强，加剧了燃油的空化作用，油束受其扰动影响增大；且油束的初始动量变大，外围受环境气体的剪切作用增强，促进了“分支状结构”的生成，使其数量增加，加大了其脱离油束主体的速度。P=80MPaA2.0 ms3.0 ms1.0 ms图3. 4喷射压力分别为80和160MPa的喷雾侧面图像J分支状结构库图3.5喷雾油束外围的“分支状结构”3.1.3 喷射压力对贯穿距离的影响图3.6所示为喷雾贯穿距离和喷雾油束前锋速度随喷射压力的变化。由图3.6可见：喷雾油束的贯穿距离随着喷雾的进行不断增加，但其增长速度逐渐下降
33、，尤其在喷雾初期增长速度下降较快。从0.4ms到0.8ms,喷雾前锋速度大幅下降，当喷射压力为180MPa时，由225.7ms骤降至47.6ms,降幅达78.9%。这是由于在喷雾初期，油束的动量大，当燃油喷射到相对静止的环境气体中时，油束前锋受环境气体的阻力大，动量损失也较大。随着喷雾的持续进行，油束前锋的动量不断减小，且油束前峰燃油蒸发程度增加，使前锋速度保持缓慢下降的趋势，贯穿距离的增长趋势变缓。喷射压力的增大能够大幅度地增加喷雾油束的初始速度，喷射压力每增加20MPa,喷雾油束初始速度增加约23.5%。在环境背压不变的情况下，高的喷射压力可以使喷雾油束获得较大的初始速度，因此，喷雾的贯穿
34、距离在喷雾初期内增加更加迅速。当喷雾稳定后，不同喷射压力下的油束前锋与环境气体之间的相互作用近似相同，油束前锋速度相差不大，贯穿距离保持着相同的增长趋势，从而使高的喷射压力下的喷雾贯穿距离相对较大。喷射压力每增大20MPa,喷雾贯穿距离平均增加6%o因而，在GDI发动机设计初期应充分考虑喷雾贯穿距离与燃烧室的设计匹配。0.81.62.43.2喷雾时间ms图3.6(a)贯穿距离(b)喷雾油束前锋速度喷射压力/MPa：1-80；2-100；3-120；4-140；5-160；6-1803.1.4 喷射压力对喷雾锥角的影响图3.7所示为不同喷射压力下喷雾锥角随时间的变化情况。由图3.7可知:在喷雾初
35、期，喷油器针阀迅速开启，在喷油器油腔内形成变化剧烈的压力波，导致燃油湍流能增强，加剧了喷孔内部的空化现象，同时从喷孔喷射出的高速燃油与环境气体之间产生的递增摩擦力克服了燃油自身的黏性力，使油束横向扩散，因此，喷雾锥角迅速增加。随着喷雾的进行，喷油器油腔内的压力变动逐渐衰减，油束前锋的动量受环境气体的阻碍作用不断减小，当两者的摩擦力与燃油的扩散阻力平衡时，喷雾锥角达最大值；随着油束与环境气体的混合不断增强,油束外围的油滴逐渐蒸发为气体状态，从而使喷雾锥角减小；当喷雾稳定后，喷雾锥角基本保持不变，仅由于针阀开启阶段在喷油器油腔内产生压力膨胀波和反射波，引起喷孔处压力差波动，导致喷雾锥角在一定范围内
36、轻微波动。在不同喷射压力下，喷雾锥角随喷雾发展呈现类似的变化趋势。随着喷射压力的增大，喷油器油腔内的压力波动更加剧烈，进一步加剧了喷孔内部的空化现象，使喷雾锥角变化更加明显；同时，喷射压力的增大增加了燃油的初始速度,使燃油与环境气体之间的摩擦力增加，加剧了燃油的破碎，促进油束横向扩散,因此，喷雾初期的喷雾锥角峰值随着喷射压力的增大略有增加。喷射压力每增加20MPa,喷雾锥角峰值增大约1.5。在喷雾稳定后，各喷射压力下的喷雾锥角基本保持一致，稳定在82左右。60 00.81.62.43.2喷雾时间msOoooo 0 9 8 7图3.7喷雾锥角随时间的变化喷射压力/MPa：1-80；2-100；3
37、-120；4-140；5-160；6-1803. 1.5喷射压力对喷雾面积的影响图3.8所示为不同喷射压力下喷雾面积及其变化率随时间的变化情况。由图3.8可以看出：在喷油初期，喷雾面积迅速增大，由于此时油束具有较大的速度,有利于液滴破碎，加剧其向四周扩散；随着喷雾的持续进行，油束外围的液滴受环境气体的摩擦力而发生二次破碎，逐渐转变为气体状态，此时，喷雾面积的增加速率有所下降；在喷雾稳定之后，喷雾面积呈线性增加趋势；在喷雾结束后,燃油供应停止，油束扩散速率降低，燃油液滴不断蒸发，导致喷雾面积增加速率有所下降。随着喷射压力的增大,喷油器孔内外压力差增大,燃油流经喷孔的速度变大,瞬时喷油率增加，喷射
38、出的燃油具有较大的初始速度，与环境气体的卷吸作用增强，加快了燃油扩散速度，同时，喷射压力的增大能够强化喷油器内部湍流，加剧喷孔内燃油的空化作用，增加油束的不稳定性，促进油束的初次破碎，因此,喷雾面积随喷射压力的增大有所增加。但喷雾面积随喷射压力增大的增幅在不断减小，这是因为喷射压力的增大能够促进液滴的破碎，加快燃油的蒸发速率，使油束外围液滴转变为气态的时间缩短。这说明提高喷射压力能够明显增大燃油在气缸内的分布范围，有利于在短时间内形成均质混合气。喷雾时间ms喷算时间ms（a）喷雾面积（b）喷雾面积变化率喷射压力/MPa：1-80；2-100；3-120；4-140；5-160；6-180图3.
39、8喷雾面积和喷雾面积变化率的变化3.1. 6高压GDI喷雾宏观特性测量结论（1）由于卷吸作用，油束外围会出现“分支状结构”，随着油束的发展，相邻2个“分支状结构”之间的距离增加；喷射压力的增大能够促进“分支状结构”的生成，使其数量增加。（2）喷雾贯穿距离随着喷射压力的增大而增大；喷雾油束前锋速度在喷雾初期骤降，随后呈平缓下降趋势。（3）随着油束的发展，喷雾锥角呈现先上升后下降然后趋于平稳的态势；喷射压力每增大20MPa,喷雾锥角峰值增加1.5；喷射压力的增加对喷雾稳定后的喷雾锥角影响作用不大。（4）随着油束的发展，喷雾面积呈现一定程度线性增加的趋势；喷雾面积随着喷射压力的增大增加，但增幅不断减
40、小。3.2高压GDl喷雾微观特性测量的实验研究3.2.1高压GDI喷雾微观特性测量方法在发动机工作过程中，燃油雾化的好坏直接影响油气混合的质量，进而影响发动机的经济性、动性和排放水平.其中雾化质量的优劣可以由索特平均直径(SauterMeanDiamter,SMD)来表示，此值越小表明燃油的雾化程度越好.我们为了从微观方面阐述不同喷孔直径、不同喷油压力下喷雾SMD随时间的变化，采用了LSD技术。LSD又称为激光诱导荧光(IaSerindUCedfluorescence,LIF)/米氏散射法(Miescattering,Mie)。1.SD技术具有非接触性、准确度高、实时测试等特点，可获取瞬态喷雾
41、粒径分布。所以我们利用LSD技术，对高压共轨柴油机喷雾微观特性SMD进行定量测量，从微观方面阐述不同喷孔直径、不同喷油压力下喷雾SMD随时间的变化。试验利用片状激光照亮喷雾测试截面，截面上的液滴在激光的激发下，将发出特定波长的荧光信号，同时液滴会产生Mie散射，进而同时得到LIF和Mie散射信号强度，通过相位多普勒粒子分析仪(PhaSedopplerparticleanalyzer,PDPA)进行试验标定，得到光学参数k,其计算公式为dsMD kSlifSMieDmaXK ,=OminD max/=Dminn D3f(D)dDPZ)max C, D2f(D)dDJ Drain式中：dsDW为喷
42、雾场中SMD;S尸为荧光信号强度；SWe为Mie散射的强度;Di为第i个液滴的直径；D为液滴直径；/(Q)为液滴粒径分布的概率密度函数。喷雾场中SMD的形态分布近似服从非中心FM分布，其概率密度函数为rik+k2thk+k2 k 1 +w +m-l() 2 X2 hx+k6(+m)e加二JrM)(一)()m!22式中：X为喷雾场中SMD的大小；klk2分别为非中心F分布的分子和分母自由度；入为非中心度；参数为(kl,k2,入)的非中心F分布，通常用F(kl,k2,)表示，k2增大时密度函数的极大值单调增加；kl和k2固定时，非中心F分布的分布函数是的单调下降函数。3.2.2PDPA试验标定利用
43、LSD对喷雾SDM的二维分布进行测试，初步获取定性结果，然后使用PDPA对其进行标定试验，得到光学参数k,将在LSD法下测得的表征喷雾SMD相对大小的任意单位，转化为长度单位Um.选取背景压力为O.IMPa,喷油压力为40,60,90MPa,喷射脉宽为1000s,测试位置定在雾注轴线上距离喷嘴下游70mm处，试验对每一个工况点连续测试30s后自动进入下一个工况点进行测试.根据标定试验结果，拟合得到两者的相关性曲线，拟合优度R2=0.9999,其中光学参数k为直线斜率的倒数，k=1.4o3.2.3试验方案试验中喷孔直径为0.16mm,喷油压力分别为80,160MPa选取背景压力为3MPa,因高温
44、环境下柴油蒸气的产生会影响荧光信号的强度，所以文中主要针对常温环境下的柴油喷雾微观特性SMD进行定量测试。3.2.4试验结果选取喷孔直径为0.16mm,喷油脉宽为1000S时，喷油压力为80MPa和160MPa两种条件下启喷后5个时刻的SMD分布图，如图8所示.由于喷油压力为160MPa,启喷后1600HS时的雾注末端已经超出视野范围，无法与前者对比,因此只取1400s之前的各时刻进行对比.图a,b,c,d,e是喷油压力为80,160MPa时启喷后不同时刻喷雾场中SMD的分布。喷油压力为80MPa时，从6001400us,喷雾场中SMD小于80Um的液滴数量占总数的比例分别是77.84%、78
45、.33%、82.75%、83.04%、85.39%.喷油压力为160MPa时，从600US到1400Us,喷雾场中SMD小于80Um的液滴数量占总数的比例分别是87.21%、87.59%、84.54%、84.48%、87.39%.从图中可以看出，喷油压力为80,160MPa时，喷雾场中SMD的形态分布近似服从于非中心F分布，根据喷雾场中SMD的分布数据，分别拟合得到非中心F分布的函数为F(0.4,51,20)、F(0.4,82,19)。对比两分布函数可知，F(0.4,82,19)的分母自由度较大，非心度较小，因此其密度函数的极大值较大，分布函数也较大，SMD较小的液滴也相对较多。喷油压力为80
46、MPa时，分布图中的峰值一直处在45m左右的位置。而且在喷油初期，SMD大于200m的液滴数量相对较多，这主要是因为在喷油压力较低时，雾注离开喷嘴时所具有的初始能量较低，液滴运动的激烈程度会因此而相对减弱，因而初次雾化形成的液滴粒径较大.喷油压力为160MPa时，分布图中的峰值由喷雾起始阶段的40m逐渐向左移动到25m左右，之后又增大到40Um左右，这主要是因为喷油压力升高，喷雾场中液滴具有足够的能量使自身破碎成粒径较小的液滴，但是随着喷雾的持续进行，由于惯性喷雾场中有大量液滴运动到喷嘴下游较远的地方，还没来得及破碎，所以会出现大液滴数量有所增加的现象。直到接近喷油末期的MOOs,喷油压力为1
47、60MPa时，喷雾场中有近80%的液滴粒径都小于65um,而喷油压力为80MPa时，相同尺寸液滴的数量为73.6%,而且从两者液滴粒径尺寸的整体分布可发现，喷油压力的升高，可以减小喷雾场中的SMD大小。dsllm2 m) 为231喷油压力160 MPaYUm(SMD200 m)L 为 21T-喷油压力80 MPa um(SMD200 m) 为“6-喷油压力160 MPaXum(SMD2OO m) 为7480120(vvm1602dwrm(c)时刻为IoOoHS(d)时刻为120OUS04080120160200(e)时刻为1400US图3.9为不同喷油压力下喷雾场中平均SMD随时间的变化曲线。805020 0.60.81.01.21.4启喷后不同时刻/ms图3.10不同时刻喷雾场中平均SMD的大小喷油压力为80MPa时，从600s到1400S各时刻喷雾场中的平均SMD分别为60.9,62.0,60.6,56.9,56.2m0喷油压力为1
