使用PLIEF技术对重型柴油机相似环境条件下柴油喷雾结构及其浓度场的定量研究

摘要

对于柴油机而言,燃油的喷射、雾化及其与空气的混合是整个燃烧过程的一个关键环节,然而前人对柴油喷雾的研究主要是在较低环境密度(35kg/m3以下)下开展的,距离现代重型柴油机高负荷工况(环境密度达60 kg/m3以上)相差很远,有必要对现代重型柴油机相似环境条件下柴油喷雾场进行深入定量研究。
　　 本文设计、开发了定容燃烧弹系统,实现了最高1100K温度和60kg/m3密度的喷雾环境模拟,对气、液相柴油喷雾温度场和浓度场进行了定量标定。在此基础上,本文使用复合激光诱导荧光技术在定容燃烧弹内定量研究了环境温度、环境密度、喷油压力、喷孔直径、氧气浓度等对重型柴油机相似环境条件下柴油喷雾结构和浓度场的影响。研究中,环境温度为800-1100K,环境密度为20-100kg/m3,喷油压力为100-220MPa,喷孔直径为0.10-0.18mm。
　　 研究发现,现代重型柴油机相似环境条件下柴油喷雾结构可以使用气液相喷雾锥角、贯穿距离,液核区,气相喷雾外壳,气相喷雾浓混区(Φ＞2)、稀混区(Φ≤2),气相喷雾头部等参数来描述,据此本文还建立了重型柴油机相似环境条件下柴油喷雾结构模型,该结构模型中液核区域同时存在当量比相对较高的气相喷雾,这和John Dec建立的喷雾模型是不同的。现代重型柴油机相似环境条件下,气液相喷雾浓度由外到内从0逐渐增大到最大值,气相喷雾温度由外到内从环境气体平均值逐渐下降到最低。喷雾发展过程大致可以分为初期、中期、充分发展期三个阶段,在喷雾发展初期,液核长度随时间基本呈线性增长,气液相喷雾贯穿距离和锥角基本一样,气相喷雾当量比较小;在喷雾发展中期,液核长度随时间成抛物线性增长直至液核达到其最大长度,气液相贯穿距离仍然基本一致,气相喷雾瞬态最大当量比不断增大;在喷雾充分发展期,液核长度基本不变,气相喷雾继续向前发展,其瞬态最大当量比达到最大值并开始下降,液核、气相喷雾浓混区、气相喷雾低温核区基本重叠。
　　 研究还发现,重型柴油机相似环境条件下,环境密度、环境温度、喷孔直径、喷油压力和氧气浓度等对柴油喷雾动态结构和浓度场具有重要影响,对着火时刻柴油喷雾结构和浓度场(Φ-T图上燃烧路线始点位置)也有着重要影响。在增加充分发展期气相喷雾头部稀混区气相燃油比例,改善其均匀性,增厚气相喷雾外壳方面,减小喷孔直径、降低环境温度和提高环境密度具有很强的可替代性,同时减小喷孔直径、降低环境温度还可使气相喷雾最大当量比大幅下降。重型柴油机相似环境条件下,降低环境温度接近800K着火时刻气相喷雾不存在浓混区。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 柴油喷雾研究的意义

1.2 柴油喷雾研究回顾

1.2.1 柴油喷雾雾化、破碎机理

1.2.2 柴油喷雾特性研究现状

1.2.3 柴油喷雾浓度场定量研究现状

1.3 柴油喷雾研究的新需要和本课题拟解决的问题

第二章 试验设备

2.1 复合激光诱导荧光技术原理

2.1.1 荧光成因

2.1.2 复合激光诱导荧光技术原理

2.1.3 荧光物质和激光的选择

2.2 复合激光诱导荧光试验系统

2.2.1 系统布局

2.2.2 光路系统

2.2.3 定容燃烧弹系统

2.2.4 温度与压力采集系统

2.2.5 控制系统

2.2.6 单次高压燃油喷射系统

2.2.7 均相混合气发生器

2.3 本章小结

第三章 基于复合激光诱导荧光技术柴油喷雾浓度场和温度场的标定

3.1 影响系数Kv的理论分析及试验研究

3.2 系数Kv的标定试验和方法研究

3.3 气相柴油喷雾浓度场和温度场的标定

3.4 液相柴油喷雾浓度场的标定

3.5 气相喷雾浓度和燃空当量比之间的转化

3.6 本章小结

第四章 重型柴油机相似环境条件下柴油喷雾结构和浓度场的定量研究

4.1 试验参数设定

4.2 典型重型柴油机高负荷环境条件下柴油喷雾特性和浓度场

4.3 喷雾结构参数定义

4.4 各种因素对动态柴油喷雾结构和浓度场的影响

4.4.1 环境密度的影响

4.4.2 环境温度的影响

4.4.3 喷孔直径的影响

4.4.4 喷油压力的影响

4.4.5 氧气浓度的影响

4.5 各种因素对着火时刻柴油喷雾结构和浓度场的影响

4.5.1 环境密度的影响

4.5.2 环境温度的影响

4.5.3 喷孔直径的影响

4.5.4 喷油压力的影响

4.5.5 氧气浓度的影响

4.6 着火时刻柴油喷雾结构模型

4.7 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢