超高喷射压力下燃油射流雾化特性及诱导激波演变规律的试验研究

摘要

对于直喷式柴油机而言，提高喷射压力是改善燃油雾化和油气混合性能的最有效技术手段之一。随着高压共轨喷油系统中喷射压力的不断提高，Bosch和Delphi公司均已推出轨压超过200MPa且正在研制轨压达到300MPa的超高压喷油系统，由于国内外对超高喷射压力条件下的燃油雾化特性研究极少，超高压喷雾与常规高压喷雾在宏观和微观特性上是否存在异同有待探讨，因此开展超高压燃油雾化方面的研究具有重要的现实意义和工程应用价值。本研究以200MPa（高压）至400MPa（超高压）为喷射压力范围，针对燃油喷雾的贯穿发展宏观特性与喷雾场液滴粒径的微观特性，采用试验方法进行探索性研究。深入开展超高压燃油射流雾化过程的试验研究，有助于加深人们对超高压燃油射流雾化机理的理解和认识，丰富和发展燃油雾化的相关基础理论，具有重要的理论意义。
　　本文围绕超高压液泵增压装置为核心搭建了超高压燃油喷雾试验系统，借助于激波管的灵感和思路自主设计了适用于超高压喷射的关键部件——破膜式喷油器，通过公式计算和测试试验确定了合理的喷嘴尺寸（喷嘴流道直径、柱塞流道直径）、膜片材质及膜片厚度与破膜压力之间的对应关系。为了满足高背压喷雾研究和适应本研究经常更换膜片等特定的试验需求，设计了密封性良好且拆装方便的喷雾定容测试试验装置。通过纹影系统与高速摄影机相结合的拍摄方法，可以同时得到喷雾场燃油雾化特性和诱导激波演变规律。
　　采用高速摄影方法研究了在高至超高喷射压力下燃油射流雾化的宏观发展过程，通过对不断提高的喷射压力下喷雾形态、喷雾贯穿特性和锥角特性的分析，探讨了超高喷射压力对燃油喷雾宏观特性的影响。发现了在常压空气环境中喷雾体表现为前后端细中间粗的梭形结构，明确了提高喷射压力对喷雾贯穿特性和锥角特性的影响规律，并与传统经验公式计算结果进行对比分析。研究发现，提高喷射压力可以有效促进喷雾轴向贯穿和增大径向扩散锥角，然而超高喷射压力会逐渐削弱该轴向促进作用，相反却会显著提高锥角角度。通过改变喷孔结构和环境参数，明确了喷孔直径和环境气体背压对300MPa超高压燃油喷雾宏观特性的影响规律，探讨了喷孔结构和环境参数对超高压燃油喷雾贯穿特性和锥角特性的影响规律。对试验结果进行拟合，使其适用于超高喷射压力条件下。
　　采用马尔文激光粒度分析的方法研究了高至超高压燃油喷雾场液滴粒径分布特性，通过对不同轴向、径向位置处液滴粒径体积频度分布/累积体积分数、液滴特征直径和索特平均直径的分析，获得了喷雾近、中、远场区域的液滴粒径分布特征，明确了高至超高喷射压力条件下燃油射流雾化液滴粒径在空间上的分布特性。探讨了逐渐提高喷射压力至超高压对喷雾场液滴粒径分布特性的影响，发现提高喷射压力可以有效促进大液滴分裂破碎为小液滴，但测点范围内全部液滴的索特平均直径降低趋势逐渐减缓，超高喷射压力对燃油雾化效果的改善作用减弱。通过对不同喷孔直径下液滴粒径分布特性的分析，明确了小喷孔直径对促进300MPa超高压燃油破碎雾化的作用规律。
　　采用纹影系统和高速摄影机相结合的方法研究了高至超高压燃油喷雾前缘诱导激波的发展，通过对前缘激波在近喷孔区域传播特性的分析，探讨了该喷射压力条件下燃油喷雾中前缘激波诱导产生机理，明确了激波传播与喷雾发展之间的相互关联，发现前缘激波沿轴向和径向表现出不同的传播规律而呈现双模式激波形态，探讨了前缘激波的初始诱发位置，揭示了超高压喷雾对前缘激波诱导产生和传播的影响，获得了双模式激波连接点的分布特性。明确了喷射压力和喷孔直径对前缘激波中球形激波速度到达当地声速、双模式连接点发展及斜激波角度的影响规律，通过对不同环境背压下超高压喷雾和前缘诱导激波尖端的传播规律分析，探讨了喷雾-激波分离现象产生的原因，明确了环境背压对激波分离的影响规律，发现喷雾观察与激波传播速度差和未受扰激波以当地声速传播是喷雾-激波分离现象出现的根本原因。
　　基于高至超高压燃油喷雾宏观特性与诱导激波演变规律，进一步探讨了两者之间的相互作用关系，明确了喷雾迎风面形态对弓形激波、斜激波两种前缘激波传播特性的影响，发现了前缘激波表现为弓形激波时其弧度（(AB)）与喷雾头部圆钝程度（r/b）之间的相互关系，同时发现了前缘激波表现为斜激波时其角度(β)与喷雾头部偏转角（θ'）之间在不同射流Ma数时的相互关系，并探讨了高至超高压喷雾体和锥形固体在θ'-β-Ma对应关系中表现出的异同。根据一重/二重随体激波与最大迎风面的传播规律，探讨了超高压喷雾体最大迎风面对多重随体激波的影响，探讨了喷射压力对多重随体激波尾部扩张角的变化规律，明确了超高压喷雾与多重随体激波之间的相互关系。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 超高压喷雾的国内外研究现状

1．2．1 液体射流雾化早期研究

1．2．2 高压至超高喷射压力条件下射流雾化研究现状

1．2．3 射流雾化诱导激波特性的研究现状

1．2．4 目前超高压喷雾研究中所存在的问题

1．3 本文的主要研究内容

2 超高压燃油喷雾试验系统的搭建

2．1 试验系统设计思想

2．2 试验系统总体结构

2．3 超高压增压装置

2．4 破膜式喷油器

2．4．1 膜片选材

2．4．2 膜片及流道尺寸优化

2．5 喷雾定容测试试验装置

2．6 数据采集设备

2．6．1 高速摄影机和纹影系统

2．6．2 激光粒度仪

2．6．3 喷油与测试设备同步控制

2．7 本章小结

3 超高压燃油喷雾宏观特性的试验研究

3．1 超高喷射压力对燃油喷雾宏观特性的影响研究

3．1．1 超高喷射压力对喷雾形态的影响

3．1．2 超高喷射压力对喷雾贯穿特性的影响

3．1．3 超高喷射压力对喷雾锥角特性的影响

3．2 喷孔直径对超高压燃油喷雾宏观特性的影响研究

3．2．1 喷孔直径对超高压燃油喷雾贯穿特性的影响

3．2．2 喷孔直径对超高压燃油喷雾锥角特性的影响

3．3 环境气体背压对超高压喷雾宏观特性的影响研究

3．3．1 环境气体背压对超高压燃油喷雾贯穿特性的影响

3．3．2 环境气体背压对超高压燃油喷雾锥角特性的影响

3．4 喷雾模型的拟合

3．5 本章小结

4 超高压燃油喷雾液滴粒径分布特性的试验研究

4．1 超高压喷雾场液滴粒径测试装置

4．2 喷雾场液滴粒径分布特性变化规律

4．2．1 超高压喷雾场不同轴向位置液滴粒径分布特性

4．2．2 超高压喷雾场不同径向位置液滴粒径分布特性

4．3 喷射压力和喷孔直径对喷雾场粒径分布的影响

4．3．1 喷射压力对喷雾场液滴粒径分布的影响

4．3．2 喷孔直径对超高压喷雾场液滴粒径分布的影响

4．4 本章小结

5 超高压燃油喷雾诱导激波特性的试验研究

5．1 喷雾诱导激波原理

5．2 超高压燃油喷雾近喷孔前缘诱导激波产生机理研究

5．2．1 前缘激波在激波产生初期的变化规律

5．2．2 超高喷射压力对双模式激波连接点分布特性的影响研究

5．3 超高压燃油喷雾诱导前缘激波形态变化规律的试验研究

5．3．1 喷射压力对前缘激波形态的影响研究

5．3．2 喷孔直径对超高压喷雾前缘激波形态的影响研究

5．3．3 环境背压对超高压喷雾前缘激波的影响研究

5．4 本章小结

6 超高压燃油喷雾发展与激波演变之间的相关性分析

6．1 超高压燃油喷雾迎风面形态对前缘激波传播特性的影响

6．1．1 喷雾迎风面形态与弓形激波之间的相关性分析

6．1．2 喷雾迎风面形态及贯穿速度与斜激波角度之间的相关性分析

6．2 超高压燃油喷雾对多重随体激波发展特性的影响

6．2．1 喷雾最大迎风面对多重随体激波的影响

6．2．2 喷射压力对多重随体激波尾部扩张角的影响

6．3 本章小结

7 研究工作总结与展望

7．1 论文主要工作及结论

7．2 研究工作主要创新点

7．3 本论文后续研究展望

参考文献

作者简历

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