多孔GDI喷油器闪蒸喷雾溃灭形态分析.pdf
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1、第 37 卷第 2 期2023 年 6 月西昌学院学报(自然科学版)Journal of Xichang University(Natural Science Edition)Vol.37,No.2Jun.,2023多孔GDI喷油器闪蒸喷雾溃灭形态分析刘成1,王付远2,潘金元2(1.安徽职业技术学院汽车工程学院,安徽 合肥 230011;2.奇瑞汽车股份有限公司汽车工程技术研发总院,安徽 芜湖 241006)摘 要:为深入研究多孔高压汽油直喷(gasoline direct injection,GDI)喷射器在冷喷射和闪蒸条件下的喷雾特性,选用GDI喷油器,自制高压喷油控制系统,搭建了喷雾定容
2、室试验平台,对3种典型闪蒸条件下的喷雾特性进行了燃油喷射过程实时控制试验,研究了不同喷射压力下乙醇汽油闪蒸喷雾的二维宏观形态和三维空间结构的演变特征。结果表明:闪蒸喷雾的结构主要由环境压力和燃油温度决定;较低的大气压力与较高的燃料温度都会加速闪蒸过程;较高的喷射压力使喷射过程更快、喷雾穿透延长、坍塌程度降低,较低的喷射压力使喷射过程的尖端穿透力较高。得出结论:通过揭示多孔GDI喷射器的闪蒸喷雾的形成规律,可为改善车用发动机性能提供技术参考。关键词:缸内直喷;冷喷射;闪蒸条件;喷雾特性;闪蒸喷雾中图分类号:TK413.8 文献标志码:A 文章编号:16731891(2023)02004006Mo
3、rphology Analysis of Flash Spray Collapse in Porous GDI InjectorLIU Cheng1,WANG Fuyuan2,PAN Jinyuan2(1.School of Automotive Engineering,Anhui Vocational and Technical College,Hefei,Anhui 230011,China;2.Chery Automobile Co.,Ltd.,Wuhu,Anhui 241006,China)Abstract:In order to deeply study the spray char
4、acteristics of porous gasoline direct injection(GDI)engine injector under the conditions of cold injection and flash evaporation,a constant volume spray chamber test platform was built with GDI injector and self-made high-pressure fuel injection control system.The real-time control experiments of fu
5、el injection process were carried out for the spray characteristics under three typical flash evaporation conditions.The evolution characteristics of the two-dimensional macro morphology and three-dimensional spatial structure of ethanol gasoline flash spray under different injection pressures were
6、studied.The results show that the structure of flash spray is mainly determined by ambient pressure and fuel temperature;lower atmospheric pressure and higher fuel temperature will accelerate the flash evaporation process;the higher the injection pressure,the faster the injection process,the longer
7、the spray penetration and the lower the collapse degree,and the lower the injection pressure,the higher the penetration force at the tip of the injection process.It is concluded that the formation law of the flash spray of the porous GDI injector can provide a technical reference for improving the p
8、erformance of the vehicle engine.Keywords:direct injection;cold injection;flash evaporation;spray characteristics;flash spray0 引言相比进气道燃油喷射(port fuel injection,PFI)发动机,缸内直喷发动机在燃油经济性、瞬态响应以及动力性能等方面更具优势。因此,近年来缸内直喷发动机在研究机构和汽车制造商中得到了广泛研究1-2。由于采用直接喷射系统,与进气道燃油喷射发动机相比,喷射压力大大提高,燃油雾化和蒸发过程将有显著不同3,高压喷射时喷油嘴孔外油滴压力
9、骤降。一般情况下,燃烧室内的环境压力在喷射过程中要比当前环境温度下的燃油饱和蒸汽压高。所以,喷雾可以视为是冷喷射。在实际发doi:10.16104/j.issn.16731891.2023.02.007收稿日期:2022-11-05基金项目:安徽省高校优秀青年骨干人才国内访学研修项目(gxgnfx2021176);安徽省质量工程项目(2022cjrh029);安徽省高校自然科学研究项目(KJ2020A1034);安徽职业技术学院质量工程项目(2022yjgkszzhyrgg01);安徽职业技术学院科技工程自然科学项目(2022xjzr017)。作者简介:刘成(1985),男,安徽合肥人,讲师,
10、硕士,主要研究方向:高效燃烧发动机技术。第 2 期刘成,王付远,潘金元:多孔GDI喷油器闪蒸喷雾溃灭形态分析动机工作条件下,由于气缸盖和燃烧室到喷油器尖端的热传递,喷油器内部的温度相对较高。若燃烧室内的压力小于与喷射燃油温度相对应的饱和蒸汽压,将导致过热的燃油快速沸腾、雾化,即闪蒸喷雾4。最初研究闪蒸喷雾主要是针对柴油发动机。近年来,汽油闪蒸喷雾的相关研究越来越受欢迎,许多研究机构都在关注缸内直喷发动机。以往的研究表明,随着蒸发速率的增加,闪蒸喷雾的液滴直径变小,空燃混合过程也会增强。所以在提高燃烧热效率上,闪蒸喷雾有一定的潜力5。此外,混合燃料与传统的化石燃料相比,特别是乙醇汽油燃料,由于添
11、加剂的应用,其物理和化学特性也有所不同。吴坚等6通过高速成像配合激光光学诊断,对多孔GDI喷油嘴喷雾闪急沸腾特性进行了研究,结果显示,汽油闪急沸腾受燃料成分、环境压力以及燃油温度等因素影响;Li等7研究了多孔喷射器在较低背压下的闪蒸特性,认为闪蒸喷雾对环境压力高度敏感;Xin 等8、Karavalakis 等9对汽油闪蒸进行了大量的研究,认为闪蒸喷雾具有潜在的优势,可以提高直喷式汽油发动机的排放。在前人研究的基础上,Khan等10、Kobashi等11对闪蒸喷雾溃灭的影响机制进行了研究,结果显示,每个喷雾羽流的距离都会对喷雾的坍塌产生直接的影响。根据现有的研究结果,张传奇等12、李天云等13对
12、汽油及其替代成分进行了研究。但针对混合燃料的多孔GDI喷射的深入研究鲜有报道。为此,本文通过乙醇与汽油的混合制备乙醇汽油混合燃料,以研究其在冷喷射和闪蒸条件下的喷雾特性,采用多孔GDI喷射器研究了不同喷射压力下乙醇汽油闪蒸喷雾的二维宏观形态和三维空间结构的演变特征,为发展高效汽油发动机的节能减排技术提供参考。1 喷雾理论概述高压喷雾以低温进入燃烧室会立即发生相变过程,在液体燃料中产生气泡;这些气泡破裂,导致液体在喷嘴附近区域雾化和膨胀;雾化液滴经历了阻力、液滴之间的碰撞、分散、传热和蒸发14-15。1.1 液滴尺寸分布理论通常情况下,在闪蒸沸腾和非闪蒸沸腾条件下,喷 射 器 喷 嘴 附 近 的
13、 液 滴 分 布 遵 循 Rosin-Rammler曲线。液体燃料以液滴形式注入计算域,液 滴 直 径 D 遵 循 Rosin-Rammler 分 布,如 式(1)所示。f=dmin+dmax-ln(1-NrandKR)-q(1)式中:f为液滴尺寸分布的概率密度函数;dmin为最小直径;dmax为最大直径;Nrand为随机数;KR值用KR=1-exp(dmax-dmin)q/-dp计算;-dp为液滴平均直径;q为扩展因子,控制液滴分布的扩展。1.2 二次雾化理论高Weber数时的液滴振荡并扭曲在液滴雾化之前。二次雾化由以下模型模拟:使用弹簧、质量的增强泰勒类比破裂模型和液滴破碎的阻尼器类比。弹
14、簧力为液滴的类似表面张力和阻尼效应类似于流体的黏度。产生新液滴比率按照式(2)计算。dm(t)/dt=-3Kbm(t)(2)上述关系产生了子液滴大小dchild与母液滴大小dparent的速率,如式(3)所示。dchild/dparent=e-Kbt(3)式(2)(3)中:Kb为常数,它的大小取决于液滴破碎的状态、振荡频率w;t为液滴破碎的时间。Kb的计算如式(4)所示。Kb=k1wk2wW1,W1 W2W1 W2(4)式中:k1、k2为常数。液滴破碎状态基于无量纲韦伯数(Weber number,记为 W1),即惯性力与表面张力的比率。临界韦伯数(记为W2),由实验观察确定,该观察确定了液滴
15、破碎的状态。如果W1小于W2达到80,则液滴破碎遵循袋破碎状态,否则发生剥离破碎状态。在袋破裂状态下,液滴此时会以袋的形式出现,最终形成直径相对小的液滴。在剥离-破碎状态下,液滴变平为片状结构,然后以较小液滴的形式剥离该薄片的边缘。1.3 蒸发与传热理论液滴的蒸发由d2定律建模,该定律是蒸发弛豫时间e和蒸发系数Ce的乘积,如式(5)所示。d2p=eCe(5)蒸发系数取决于无量纲舍伍德数(Sherwood number,记为 Sh),Sh 是对流换热与扩散换热的比值。Sh由Frssling相关性计算得出,如式(6)所示。Sh=2+0.6Re1/2Se1 3(6)Ranz-Marshal的传热模型
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