高壓GDI噴霧特性測量裝置說明書

1、江蘇大學本科畢業(yè)論文高壓GDI噴霧特性測量裝置說明書學院（系）： 汽 車 學 院 專業(yè)、班級： 動力機械1501班 姓 名： 李浙瑜 學 號： 3150408002 題 目： 高壓GDI噴霧特性測量裝置設計指導老師： 賈和坤 日 期：2019年5月7日目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc4033 第一章 緒論 PAGEREF _Toc4033 1 HYPERLINK l _Toc10526 1.1 課題研究背景 PAGEREF _Toc10526 1 HYPERLINK l _Toc20762 1.1.1 國外研究情況 PAGEREF _Toc20762 2 HY

2、PERLINK l _Toc19676 1.1.2 國內研究情況 PAGEREF _Toc19676 2 HYPERLINK l _Toc20131 1.2 本課題研究的主要內容 PAGEREF _Toc20131 3 HYPERLINK l _Toc14745 第二章. 高壓GDI噴霧特性測量裝置的構建 PAGEREF _Toc14745 4 HYPERLINK l _Toc31117 2.1 GDI燃油供給系統(tǒng) PAGEREF _Toc31117 5 HYPERLINK l _Toc542 2.1.1氣液增壓泵 PAGEREF _Toc542 5 HYPERLINK l _Toc28240

3、 2.1.2穩(wěn)壓腔 PAGEREF _Toc28240 5 HYPERLINK l _Toc14968 2.1.3高壓共軌 PAGEREF _Toc14968 6 HYPERLINK l _Toc31863 2.1.4噴油器 PAGEREF _Toc31863 7 HYPERLINK l _Toc30987 2.2 噴霧光學診斷測試系統(tǒng) PAGEREF _Toc30987 8 HYPERLINK l _Toc22984 2.2.1 激光系統(tǒng) PAGEREF _Toc22984 9 HYPERLINK l _Toc6547 2.2.2 圖像采集系統(tǒng) PAGEREF _Toc6547 9 HYPE

4、RLINK l _Toc17377 2.2.3定容彈 PAGEREF _Toc17377 10 HYPERLINK l _Toc6361 2.3 定容彈電控系統(tǒng) PAGEREF _Toc6361 11 HYPERLINK l _Toc11130 2.3.1定容彈時序控制 PAGEREF _Toc11130 12 HYPERLINK l _Toc22374 第三章 高壓GDI噴霧特性測量的實驗研究 PAGEREF _Toc22374 14 HYPERLINK l _Toc7914 3.1 高壓GDI噴霧宏觀特性測量的實驗研究 PAGEREF _Toc7914 14 HYPERLINK l _To

5、c17018 3.1.1 測量方法及定義 PAGEREF _Toc17018 14 HYPERLINK l _Toc5538 3.1.2 噴霧油束的發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc5538 15 HYPERLINK l _Toc7697 3.1.3 噴射壓力對貫穿距離的影響 PAGEREF _Toc7697 17 HYPERLINK l _Toc3260 3.1.4 噴射壓力對噴霧錐角的影響 PAGEREF _Toc3260 18 HYPERLINK l _Toc16320 3.1.5 噴射壓力對噴霧面積的影響 PAGEREF _Toc16320 19 HYPERLINK l _Toc942

6、9 3.1.6 高壓GDI噴霧宏觀特性測量結論 PAGEREF _Toc9429 20 HYPERLINK l _Toc18852 3.2高壓GDI噴霧微觀特性測量的實驗研究 PAGEREF _Toc18852 21 HYPERLINK l _Toc13248 3.2.1 高壓GDI噴霧微觀特性測量方法 PAGEREF _Toc13248 21 HYPERLINK l _Toc11717 3.2.2 PDPA試驗標定 PAGEREF _Toc11717 22 HYPERLINK l _Toc4314 3.2.3 試驗方案 PAGEREF _Toc4314 22 HYPERLINK l _Toc

7、17818 3.2.4 試驗結果 PAGEREF _Toc17818 22 HYPERLINK l _Toc22798 3.2.5 高壓GDI噴霧微觀特性測量的實驗結論 PAGEREF _Toc22798 24 HYPERLINK l _Toc26250 第四章 結論與展望 PAGEREF _Toc26250 26 HYPERLINK l _Toc4028 4.1 結論 PAGEREF _Toc4028 26 HYPERLINK l _Toc25507 4.2 展望 PAGEREF _Toc25507 26 HYPERLINK l _Toc27688 致 謝 PAGEREF _Toc27688

8、 28江蘇大學本科畢業(yè)論文高壓GDI噴霧特性測量裝置設計專業(yè)班級：動力（機械）1501學生姓名：李浙瑜指導老師：賈何坤職 稱：副教授摘要 在國際化背景下，面對全球能源危機和各國排放法規(guī)日益嚴格的壓力，內燃機燃油排放和經濟性的研究一直是汽車工業(yè)中最重要的領域之一。而缸內直噴技術在提高汽油機動力性和燃油經濟性、實現精確的空燃比控制和降低尾氣排放物等方面具有較大的優(yōu)勢。提高GDI發(fā)動機燃油的噴射壓力，能夠使噴霧粒子更加細化。增加燃油的蒸發(fā)速率，從而使油氣混合更迅速、均勻，燃燒更充分，有利于減少顆粒物的排放。但目前大部分的GDI只能滿足1050MPa的油壓，因此，本文致力于設計一個能夠承受50200M

9、Pa油壓的GDI噴霧特性測試平臺。在設計過程中，主要存在燃油壓力和照相時機的控制問題。為解決以上這些問題，將高壓GDI噴霧特性測量裝置分為4個系統(tǒng)：GDI燃油供給系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)以及定容彈電控系統(tǒng)。本文首先根據這4個系統(tǒng)各自的功能，分別對其進行結構設計和設備選型等。并且通過相關工具書的查詢得到其基本的尺寸參數，然后進行設備的裝配。在試驗時，本文采用了LSD技術對噴霧錐角、噴霧貫穿距離、噴霧面積宏觀參數以及SMD微觀參數進行了測量，得到了想要的結論。關鍵詞：GDI 燃油供給 定容彈 噴霧特性 LSDDesign of High Pressure GDI Spray Character

10、istic Measuring DeviceAbstract Under the background of internationalization, facing the pressure of global energy crisis and increasingly strict emission regulations of various countries, the research on fuel emission and economy of internal combustion engines has always been one of the most importa

11、nt fields in the automobile industry. However, in-cylinder direct injection technology has great advantages in improving the power and fuel economy of gasoline engines, achieving accurate air-fuel ratio control and reducing exhaust emissions. Increasing the injection pressure of GDI engine fuel can

12、make the spray particles finer. Increase the evaporation rate of the fuel oil, so that the oil and gas can be mixed more quickly and evenly and burned more fully, which is beneficial to reduce the emission of particulate matter. However, most GDI can only meet the oil pressure of 10 50mpa at present

13、, therefore, this paper is dedicated to design a GDI spray characteristic test platform capable of withstanding the oil pressure of 50 200mpa. In the design process, there are mainly control problems of fuel pressure and photographing timing. In order to solve these problems, the high-pressure GDI s

14、pray characteristic measuring device is divided into four systems: GDI fuel supply system, laser system, image acquisition system and constant volume missile electronic control system. Firstly, according to the respective functions of these four systems, the structural design and equipment selection

15、 are carried out respectively. And through the query of relevant reference books, the basic size parameters are obtained, and then the equipment is assembled. In the experiment, LSD technology was used to measure the spray cone angle, spray penetration distance, spray area macro parameters and SMD m

16、icro parameters, and the desired conclusion was obtained.Key words: GDI Fuel supply Constant volume bomb Spray characteristics LSD 緒論1.1 課題研究背景近幾十年以來，面對全球能源危機和各國排放法規(guī)日益嚴格的壓力，內燃機燃油排放和經濟性的研究一直是汽車工業(yè)中最重要的領域之一。傳統(tǒng)的進氣道噴射汽油機已然跟不上時代的需要了，因此缸內直噴汽油機在燃油消耗量以及尾氣排放上的優(yōu)勢就越來越受到各大汽車廠商的高度重視。在20世紀90年代后半期，以可視化和數值模擬為代表的內燃機研

17、究手段得到了快速發(fā)展，同時精度高、響應快的電控技術日益成熟，使得缸內直噴汽油機的研究得到了長足的發(fā)展。三菱、日產、豐田、福特、五十鈴、馬自達、奔馳、奧迪、本田、菲亞特、AVL、雷諾、FEV等國外許多汽車公司和研究機構都已經開發(fā)了比較成熟的GDI樣機或產品。這些缸內直噴汽油機，在與常規(guī)進氣道噴射（PFI）汽油機相比中，都顯示了明顯的優(yōu)勢。從已發(fā)表文獻來看，部分負荷采用了分層稀薄混合氣燃燒的GDI發(fā)動機，與傳統(tǒng)PFI汽油機相比，燃油經濟性一般可以提高25%左右，動力輸出也增加了近10%。GDI發(fā)動機可以采用更稀的空燃比，能提高壓縮比和充氣效率，系統(tǒng)優(yōu)化潛力大，GDI發(fā)動機在提高動力性和降低油耗方面

18、比其他兩種發(fā)動機存在明顯的優(yōu)勢，開發(fā)新的GDI發(fā)動機將帶來巨大的經濟效益和社會效益。但是GDI發(fā)動機也存在著一些開發(fā)難點和缺點。因此日本、歐美許多汽車公司和研究機構紛紛投入大量的人力、物力和財力，對缸內直噴汽油機展開了細致的研究工作。目前GDI發(fā)動機在國際上任是內燃機界研究的一個重要的前沿課題，被認為是未來汽油機發(fā)展的主要方向之一。缸內直噴（GDI）發(fā)動機是未來實現汽油機節(jié)能減排的主要技術，對噴霧及混合氣的形成過程的精確控制是發(fā)揮汽油直噴技術優(yōu)勢的關鍵點。深入理解燃料的噴霧特性能為GDI發(fā)動機的自主開發(fā)提供理論依據。國外研究情況Wang等人1采用了陰影法拍攝矩形、方形和三角噴孔的射流的發(fā)展過程

19、（噴射壓力482.6kPa），其中三角形噴孔射流的破碎速度率最為明顯，而其的射流破碎長度最短。Ku等 ADDIN EN.CITE Lee20065120515110Lee, CWKim, IKoo, KWPark, JLee, YExperimental study of the effects of nozzle hole geometry for a DI diesel engineProceedings of ICLASS2006人2研究發(fā)現，在噴射壓力為108MPa的條件下，相比圓孔，橢圓噴孔的噴霧貫穿距離更短，噴霧錐角增大，燃油霧化質量提升。Dolatabadi3采用了高速攝影的方法

20、，在低噴射壓力的條件下，測試了有效直徑為0.3mm的圓孔、方形、矩形和三角形噴孔的射流破碎特性，發(fā)現了采用非圓噴孔可以有效提高射流的破碎速度，能縮短破碎長度，在促進燃油霧化方面很有潛力。Sharma等人4，在噴射壓力為100MPa的條件下，測量了圓孔、橢圓、三角以及矩形噴孔的霧化特性參數，發(fā)現了橢圓噴孔噴霧錐角和噴霧油束投影面積最大。1.1.2 國內研究情況張丹等人5為了探究在高噴射壓力下GDI噴油器的噴霧宏觀特性，采用了陰影法對噴射壓力為560MPa的噴霧進行測量，并分析噴射壓力對油束發(fā)展歷程、噴霧錐角、貫穿距離、噴霧面積以及噴油器尾噴現象的影響。得出了隨著噴射壓力增大，噴油器孔內外壓力差增

21、大，燃油經過噴孔的速度變大，瞬時噴油率增加，噴出的燃油具有較大的初速度，與環(huán)境氣體的卷吸作用增強，加快燃油的擴散速度，同時噴射壓力的增大也能夠強化噴油器內部的湍流，加劇噴孔內部燃油的空化作用，增加油束的不穩(wěn)定性，并促進油束的初次破碎，因此噴霧面積隨噴射壓力的增大有所增加。但噴霧面積隨著噴射壓力增大的增幅在不斷地減小，這是由于噴射壓力的增大能夠促進液滴的破碎，加快燃油的蒸發(fā)速度，使得油束外圍液滴轉變?yōu)闅鈶B(tài)的時間縮短。這說明了提高噴射壓力能夠明顯地增大燃油在氣缸內的分布范圍，有利于在較短時間內形成均質混合氣。徐宏明等人6在定容彈中利用高速攝影技術和相位多普勒粒子測試技術(PDPA)研究了背壓、噴射

22、壓力和噴射脈寬對汽油直噴發(fā)動機多孔噴油器噴霧特性的影響，得到了不同位置油滴速度和粒徑的相關性，并利用了Reitz等7提出的液滴袋狀破碎標準理論(WeD12)展開分析。15mm位置處的油滴直徑分布在020m處，部分油滴出現在韋伯數大于12的范圍，就可能繼續(xù)發(fā)生破碎；30mm位置處的2040m間油滴的數量增多，韋伯數大于12的油滴數量減少；40mm位置處，韋伯數大于12的油滴則更少，同時在2040m處的油滴明顯增加隨著測量位置逐漸遠離噴油器，韋伯數大于12的油滴逐漸減少，證明了破碎過程仍然在發(fā)生，但是在2040m處的油滴數量增加意味著油滴間聚合程度增強，由此導致SMD隨測量位置的遠離噴油器而逐漸增

23、大。1.2 本課題研究的主要內容面對史上最嚴的國VI排放標準和日漸嚴苛的油耗（CO2排放）法規(guī)挑戰(zhàn)，實現高效清潔燃燒的訴求與日俱增。加強GDI燃油噴射系統(tǒng)相關的流動及霧化機理研究，為形成具有知識產權的GDI燃油噴射系統(tǒng)提供理論基礎與技術源頭。本課題擬設計滿足高壓GDI噴霧性能測試要求的測量裝置，并搭建測試平臺，實現噴霧破碎特性和射流初次霧化性能測試與分析，為高壓GDI噴射系統(tǒng)性能提升提供試驗依據。高壓GDI噴霧特性測量裝置的構建本實驗采用的高壓噴霧特性光學診斷測試平臺如圖1所示，可獲得高清晰度的噴霧圖像。試驗系統(tǒng)主要由GDI燃油供給系統(tǒng)、噴霧光學診斷測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，定容彈、圖像采集系統(tǒng)組成

24、。圖2.1 高壓噴霧特性光學診斷測試平臺2.1 GDI燃油供給系統(tǒng)該燃油供給系統(tǒng)可以提供50200MPa的油壓,主要由氣液增壓泵、泄壓閥、高壓共軌、噴油器以及高壓油管組成。2.1.1氣液增壓泵氣液增壓泵工作原理和壓力增壓器類似，給大徑空氣驅動活塞施加一個很低的壓力，當此壓力作用在一個小面積活塞上時，就能產生一個高壓。通過一個二位五通氣控換向閥，增壓泵可以實現連續(xù)運行。為了達到我們需要的一定壓力，我們從網上買了M64系列的氣液增壓泵。M系列的微型氣液增壓泵最大的特點是體積小，流量小，耗能低，輸出壓力高，非常適用于我們的測驗場合。該M64氣液增壓泵的活塞/桿直徑為10mm，每沖程流量為2.36mL

25、。圖2.2 氣液增壓泵2.1.2穩(wěn)壓腔 由于進氣過程具有周期性與間歇性，致使進氣歧管內會產生一定幅度的壓力波，此壓力波以聲速的形式在進氣系統(tǒng)內傳播、往復反射，如果利用一定直徑和長度的進氣歧管、一定容積的諧振室和穩(wěn)壓腔組成諧振進氣系統(tǒng)，并使其固有頻率與氣門的進氣周期相協調，在特定轉速下，就會在進氣門關閉之前，在進氣歧管內產生大幅度的壓力波，使得進氣歧管壓力增高，從而增加進氣量。為了合理利用進氣諧振效應，我們采用了圖3所示的穩(wěn)壓腔，該穩(wěn)壓腔不僅可以利用波動效應提高充氣效率，而且還可以使穩(wěn)壓腔內的壓力環(huán)境相對穩(wěn)定，并為利用動態(tài)效應提供良好條件，同時能消除各缸進氣互相干擾，提高進氣均勻性。圖2.3 穩(wěn)

26、壓腔2.1.3高壓共軌共軌管將高壓燃油分配到噴油器里，起到蓄壓器的作用。高壓共軌管上安裝了壓力傳感器。壓力傳感器用來向ECU提供高壓油軌的壓力信號。我們使用的這個共軌體積很小，能夠削減高壓油泵的供油壓力波動和噴油器由噴油過程引起的壓力震蕩，使高壓油軌中的壓力波動控制在5MPa之下，又能保證共軌有足夠的壓力響應速度以快速跟蹤其他工況的變化。圖2.4 高壓共軌2.1.4噴油器電控噴油器是高壓共軌系統(tǒng)中最復雜、最關鍵的部件，也是工藝、設計難度最大的部件。ECU通過控制電磁閥的開啟、關閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油量、噴油定時和噴油率噴入燃燒室。為了實現精確的噴油量和有效的噴油始點，我們采用了帶有

27、電子控制元件（電磁閥）和液壓伺服系統(tǒng)的專用六孔噴油器。該噴油器燃油霧化率更高，油滴的SMD（索特直徑）更小，在噴出噴油器之后能更快的與空氣混合，形成良好的分層混合氣圖2.5 噴油器2.2 噴霧光學診斷測試系統(tǒng)該系統(tǒng)包含激光系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。根據高壓共軌燃油供給系統(tǒng)，結合Nd：YAG激光器、高速數碼相機、定容燃燒彈、相機增強器、長焦距顯微鏡、計算機等，搭建噴霧特性光學診斷測試平臺。使用米氏散射法Mie進行噴霧微觀與宏觀形態(tài)圖像的測量，使用粒子圖像測速法PIV進行噴霧與氣流速度場的測試，使用平面激光誘導熒光法PLIF進行噴霧濃度場的測試，使用平面激光誘導熒光PLIF和Mie散射雙光譜拍攝的方法進

28、行噴霧粒徑分布的測量。2.2.1 激光系統(tǒng) Nd：YAG激光器以532nm激光作為入射光源，當單一波長激光作為光源照射到噴霧上時會發(fā)生Mie散射，由于Mie散射不會改變入射光的波長，所以在圖像采集端使用與入射激光波長相應的帶通濾光片就能濾掉來自燃燒的干擾光線，從而可對燃燒條件下的噴霧形態(tài)進行清晰地成像。圖2.6 Nd：YAG激光器2.2.2 圖像采集系統(tǒng)CCD攝像機是一種固體攝像機。其中CCD是電荷偶合型光電轉換器件，用集成電路工藝制造而成。它以電荷包的形式儲存并傳送信息。其主要由光敏單元、輸入結構、輸出結構等部分組成。CCD有線陣和面陣之分。光敏元排成一行的稱為線陣CCD，而面陣型CCD器件

29、的像元排列成一個平面，它包含了若干行和列的結合。我們所用的攝像機為面陣型。根據轉移和讀出的結構方式有所不同，有不同類型的面陣攝像機。常見的類型有以下兩種：行間轉移型ILT（Interline transfer）和幀轉移型FT（Frame transfer）。這兩種類型的攝像機的工作原理基本上相同。我們測驗使用的CCD攝像機是柯達公司生產的，其包含三部分：CCD光電傳感器、供電電源、CCD傳感器主機。CCD傳感器是一個由542582個光敏二極管組成的光電傳感器陣列。其結構為行間轉移型。這個器件光敏面積大，靶面的利用率高。當景物的光學圖像，經過攝像物鏡投射到這個陣列上時，由于各個光敏二極管受光的強

30、弱不同從而感生出不同量的光電荷。這些感生電荷，經過一定時間的積累，在轉移柵的精確控制下，水平地移送到與像元相對應的設置在光敏元旁的垂直移位寄存器中，然后又在行轉移脈沖的控制下，將電荷轉移到水平移位寄存器，并由水平移位時鐘控制陸續(xù)向輸出端轉移，最后再由輸出電路輸出視頻信號。由于CCD傳感器輸出的視頻信號已具有較大幅度（一般0.5V以上），經過處理電路進行的處理（包括自動增益控制、校正、同步信號混合、功率放大等），在終端可以得到全電視信號輸出。 圖2.7 ICCD高速相機2.2.3定容彈定容彈的主要作用是營造類似發(fā)動機缸內、壓縮上止點附近和燃油噴射瞬時的高溫高壓環(huán)境，并提供必要的光學通路用來研究燃

31、油的噴霧特性;因此，定容彈在設計時需兼顧火花塞的安裝、預混合氣及廢氣的進出、噴油器的安裝以及光學通道的布置，并且在滿足上述要求的基礎上，能夠保證定容彈的功能性和安全性。定容彈工作流程如下:首先，由于預混燃燒導致定容彈內的環(huán)境壓力迅速上升;之后因為彈體內壁面的傳熱損失使得環(huán)境壓力在燃燒完成、達到峰值之后持續(xù)下降;當環(huán)境壓力降到預先設定的閾值時，就會觸發(fā)噴油和高速攝像，用以記錄整個噴霧和燃燒的發(fā)展變化過程。定容彈的幾何模型如圖7所示。整體上呈八邊形柱體形狀，在彈體上沿3個軸向設置有垂直交叉的直徑為mm的通孔。定容彈內安裝有攪拌風扇，其目的主要包括: 加快燃燒時的火焰?zhèn)鞑ニ俣?保證燃燒腔內的溫度分布

32、保持一致。定容彈的四周布置有加熱塊，可以對彈體進行加熱，在不覆蓋保溫層條件下可以將彈體加熱到需要的溫度。除了模擬發(fā)動機的氣缸壁面溫度外，對壁面加熱還能防止預混燃燒產生的水蒸氣凝結在石英玻璃上，從而達到改善光學通路的質量的目的。圖2.8 定容彈2.3 定容彈電控系統(tǒng)定容彈電控系統(tǒng)包括了兩個部分，即電控單元（下位機，以下簡稱為ECU）和PC機控制系統(tǒng)（上位機）。根據實驗要求，定容彈試驗系統(tǒng)的電控單元用于控制噴油脈寬、噴射時刻、多段噴油時相鄰兩次之間的時間間隔以及照相的觸發(fā)的時刻。PC機控制系統(tǒng)是可以將控制參數發(fā)送到ECU，實現人機數據交換的。本研究開發(fā)的電控系統(tǒng)是基于Infineon XC164C

33、S評估板完成的。圖9為定容彈電控系統(tǒng)的硬件構成框圖。電控單元由微控制器模塊、輸出信號處理模塊、電源模塊和通訊模塊幾部分構成。輸出信號模塊是將ECU給出的控制信號，通過功率放大電路放大，驅動噴油器。微控制器模塊是以Infenion XC164單片機為核心構成的最小用戶系統(tǒng)。通訊模塊主要包括與PC機的通訊接口電路，以實現上下位機的通訊。圖2.9 定容彈電控系統(tǒng)硬件構成框圖2.3.1定容彈時序控制 圖10顯示的是我們測驗中控制系統(tǒng)所采用的時序。CCD觸發(fā)信號和噴油信號共同使用一個定時器。當定時器開始計時到n時，觸發(fā)CCD相機，當計時到n+m時，ECU發(fā)出噴油信號。n是可以隨意設定的，我們測驗時設定為

34、1ms。CCD觸發(fā)信號的脈寬t是固定的并且響應的時間很短，其系統(tǒng)延遲時間可以忽略不計。CCD觸發(fā)信號的幅值大小為5V。其中m是可調的，但是必須大于或等于t。如：設定m為2ms，那么CCD相機就要比噴油開始早2ms的時間，就可以拍到噴油之前的定容彈之內的背景圖像。噴油信號的持續(xù)時間為s，s必須要大于3ms。因為s的前3ms是PWM波時間，即從給出噴油信號到噴油器的完全打開需要3ms的時間。因為此噴油器驅動方式采用的是峰值/維持式，所以我們在控制系統(tǒng)中采用軟件PWM的方法，即利用捕獲比較單元CC2來產生PWM波，將噴油脈寬分為兩段，前一段是主脈寬，使噴油器獲得持續(xù)通電，隨后進入高頻通斷狀態(tài)。通過電

35、流互感器，就能測量出主脈寬和用來維持階段的占空比與功率放大模塊輸出電流間的關系，得到最佳控制參數。維持階段的頻率和主脈寬由噴油器的驅動方式來確定。圖2.10 定容彈時序控制第三章 高壓GDI噴霧特性測量的實驗研究我們對于高壓GDI噴霧特性測量的實驗研究分為宏觀和微觀兩個方面，其中宏觀方面主要是對噴霧錐角、噴霧貫穿距離和噴霧面積進行測量研究，而微觀主要是對SMD進行研究3.1 高壓GDI噴霧宏觀特性測量的實驗研究3.1.1 測量方法及定義為了全面表述及定量分析噴霧宏觀特征，我們引入了噴霧貫穿距離、噴霧錐角和噴霧面積等參數。GDI噴霧試驗獲取的噴霧數據僅是一組宏觀數據，為了獲取噴霧錐角和噴霧貫穿距

36、離等數據需要對噴霧圖片進行去背景、二值化和輪廓線提取等操作，如圖3.1所示。噴霧貫穿距離定義為噴孔出口處距離噴霧最遠端位置處長度。GDI噴孔間夾角比較小，從GDI噴油器噴出的油束基本重合在一起，因此GDI噴霧錐角定義與柴油噴油器噴霧有所不同，他不是單個噴霧油束的噴霧角度，而是整個噴霧輪廓的角度，如圖3.2所示。噴霧面積S為噴霧圖像在與高速攝像機拍攝軸線垂直平面上的投影面積，如圖中淺色區(qū)域所示。為了定量分析噴霧面積的變化規(guī)律，引入噴霧面積變化率S。噴霧面積變化率S的定義為式中：S 為相鄰2幀噴霧圖像中噴霧面積之差 圖3.1 噴霧圖像處理過程（a）噴霧錐角 （b）噴霧面積圖3.2 噴霧錐角和噴霧面

37、積定義3.1.2 噴霧油束的發(fā)展歷程圖3.3所示為噴射壓力分別為80和160MPa的正面噴霧圖像。由圖3.3可知：在噴霧初期，噴霧輪廓清晰、平滑，噴霧的尖端較為鋒銳；隨著噴霧的進行，噴霧前鋒逐漸變?yōu)閳A鈍型，并分布大量破碎的液滴和霧絲；各油束橫向擴散加速，油束之間的間隙被逐步填充；油束外圍產生大尺度的渦旋型結構；而油束的頂部邊緣依然平滑。噴射壓力的增大能夠加快噴霧前鋒轉變?yōu)閳A鈍型的速度，橫向擴散速度也隨之增大，大尺度渦旋型結構提前出現且更加明顯。P=80MPaP=160MPa圖3.3 噴射壓力分別為80和160MPa的噴霧正面圖像圖3.4為噴射壓力分別為80和160MPa的側面噴霧圖像。由圖3.

38、4可知：在油束自噴孔噴出后，沿噴油器軸向迅速發(fā)展，油束動量較大，受環(huán)境氣體的剪切作用相對較弱，油束輪廓平滑、清晰，前鋒尖銳，整體成紡梭型。隨著噴霧的進行，油束前端的動量由于受環(huán)境氣體的阻礙作用而減小，軸向擴散變慢，徑向擴散加快，油束前鋒逐漸轉變成圓鈍型。油束外圍由于卷吸作用而產生了反向渦旋的“分支狀結構”8，如圖3.5所示。由圖3.5可見：這些“分支狀結構”隨后逐漸脫離油束主體，破碎形成細小的液滴。隨著油束的發(fā)展，相鄰2個“分支狀結構”之間的距離有增加的趨勢。隨著噴射壓力的增大，油束 前鋒提前轉變?yōu)閳A鈍型，其外圍的“分支狀結構”數量增加。當增大噴射壓力時，噴油器孔內湍流流動增強，加劇了燃油的空

39、化作用9，油束受其擾動影響增大；且油束的初始動量變大，外圍受環(huán)境氣體的剪切作用增強，促進了“分支狀結構”的生成，使其數量增加，加大了其脫離油束主體的速度。P=80MPaP=160MPa圖3.4 噴射壓力分別為80和160MPa的噴霧側面圖像圖3.5 噴霧油束外圍的“分支狀結構”3.1.3 噴射壓力對貫穿距離的影響圖3.6所示為噴霧貫穿距離和噴霧油束前鋒速度隨噴射壓力的變化。由圖3.6可見：噴霧油束的貫穿距離隨著噴霧的進行不斷增加，但其增長速度逐漸下降，尤其在噴霧初期增長速度下降較快。從0.4ms到0.8ms，噴霧前鋒速度大幅下降，當噴射壓力為 180MPa時，由225.7 m/s 驟降至47.

40、6 m/s，降幅達78.9%。這是由于在噴霧初期，油束的動量大，當燃油噴射到相對靜止的環(huán)境氣體中時，油束前鋒受環(huán)境氣體的阻力大，動量損失也較大。隨著噴霧的持續(xù)進行，油束前鋒的動量不斷減小，且油束前峰燃油蒸發(fā)程度增加，使前鋒速度保持緩慢下降的趨勢，貫穿距離的增長趨勢變緩。噴射壓力的增大能夠大幅度地增加噴霧油束的初始速度，噴射壓力每增加 20MPa，噴霧油束初始速度增加約23.5%。在環(huán)境背壓不變的情況下，高的噴射壓力可以使噴霧油束獲得較大的初始速度，因此，噴霧的貫穿距離在噴霧初期內增加更加迅速。當噴霧穩(wěn)定后，不同噴射壓力下的油束前鋒與環(huán)境氣體之間的相互作用近似相同，油束前鋒速度相差不大，貫穿距離

41、保持著相同的增長趨勢，從而使高的噴射壓力下的噴霧貫穿距離相對較大。噴射壓力每增大20MPa，噴霧貫穿距離平均增加6%。因而，在GDI發(fā)動機設計初期應充分考慮噴霧貫穿距離與燃燒室的設計匹配。 圖3.6 （a）貫穿距離 （b）噴霧油束前鋒速度噴射壓力/MPa：1-80；2-100；3-120；4-140；5-160；6-1803.1.4 噴射壓力對噴霧錐角的影響圖3.7所示為不同噴射壓力下噴霧錐角隨時間的變化情況。由圖3.7可知：在噴霧初期，噴油器針閥迅速開啟，在噴油器油腔內形成變化劇烈的壓力波，導致燃油湍流能增強，加劇了噴孔內部的空化現象9，同時從噴孔噴射出的高速燃油與環(huán)境氣體之間產生的遞增摩擦

42、力克服了燃油自身的黏性力，使油束橫向擴散，因此，噴霧錐角迅速增加。隨著噴霧的進行，噴油器油腔內的壓力變動逐漸衰減，油束前鋒的動量受環(huán)境氣體的阻礙作用不斷減小，當兩者的摩擦力與燃油的擴散阻力平衡時，噴霧錐角達最大值；隨著油束與環(huán)境氣體的混合不斷增強，油束外圍的油滴逐漸蒸發(fā)為氣體狀態(tài)，從而使噴霧錐角減小；當噴霧穩(wěn)定后，噴霧錐角基本保持不變，僅由于針閥開啟階段在噴油器油腔內產生壓力膨脹波和反射波，引起噴孔處壓力差波動，導致噴霧錐角在一定范圍內輕微波動。在不同噴射壓力下，噴霧錐角隨噴霧發(fā)展呈現類似的變化趨勢。隨著噴射壓力的增大，噴油器油腔內的壓力波動更加劇烈，進一步加劇了噴孔內部的空化現象，使噴霧錐角

43、變化更加明顯；同時，噴射壓力的增大增加了燃油的初始速度，使燃油與環(huán)境氣體之間的摩擦力增加，加劇了燃油的破碎，促進油束橫向擴散，因此，噴霧初期的噴霧錐角峰值隨著噴射壓力的增大略有增加。噴射壓力每增加 20MPa，噴霧錐角峰值增大約1.5。在噴霧穩(wěn)定后，各噴射壓力下的噴霧錐角基本保持一致，穩(wěn)定在82左右。 圖3.7 噴霧錐角隨時間的變化噴射壓力/MPa：1-80；2-100；3-120；4-140；5-160；6-1803.1.5 噴射壓力對噴霧面積的影響圖3.8所示為不同噴射壓力下噴霧面積及其變化率隨時間的變化情況。由圖3.8可以看出：在噴油初期，噴霧面積迅速增大，由于此時油束具有較大的速度，有

44、利于液滴破碎，加劇其向四周擴散；隨著噴霧的持續(xù)進行，油束外圍的液滴受環(huán)境氣體的摩擦力而發(fā)生二次破碎，逐漸轉變?yōu)闅怏w狀態(tài)，此時，噴霧面積的增加速率有所下降；在噴霧穩(wěn)定之后，噴霧面積呈線性增加趨勢；在噴霧結束后，燃油供應停止，油束擴散速率降低，燃油液滴不斷蒸發(fā)，導致噴霧面積增加速率有所下降。隨著噴射壓力的增大，噴油器孔內外壓力差增大，燃油流經噴孔的速度變大，瞬時噴油率增加，噴射出的燃油具有較大的初始速度，與環(huán)境氣體的卷吸作用增強，加快了燃油擴散速度，同時，噴射壓力的增大能夠強化噴油器內部湍流，加劇噴孔內燃油的空化作用，增加油束的不穩(wěn)定性，促進油束的初次破碎，因此，噴霧面積隨噴射壓力的增大有所增加。

45、但噴霧面積隨噴射壓力增大的增幅在不斷減小，這是因為噴射壓力的增大能夠促進液滴的破碎，加快燃油的蒸發(fā)速率，使油束外圍液滴轉變?yōu)闅鈶B(tài)的時間縮短。這說明提高噴射壓力能夠明顯增大燃油在氣缸內的分布范圍，有利于在短時間內形成均質混合氣。噴霧面積 （b）噴霧面積變化率噴射壓力/MPa：1-80；2-100；3-120；4-140；5-160；6-180圖3.8 噴霧面積和噴霧面積變化率的變化3.1.6 高壓GDI噴霧宏觀特性測量結論 （1）由于卷吸作用，油束外圍會出現“分支狀結構”，隨著油束的發(fā)展，相鄰2個“分支狀結構”之間的距離增加；噴射壓力的增大能夠促進“分支狀結構”的生成，使其數量增加。（2）噴霧貫

46、穿距離隨著噴射壓力的增大而增大；噴霧油束前鋒速度在噴霧初期驟降，隨后呈平緩下降趨勢。（3）隨著油束的發(fā)展，噴霧錐角呈現先上升后下降然后趨于平穩(wěn)的態(tài)勢；噴射壓力每增大20MPa，噴霧錐角峰值增加1.5；噴射壓力的增加對噴霧穩(wěn)定后的噴霧錐角影響作用不大。（4）隨著油束的發(fā)展，噴霧面積呈現一定程度線性增加的趨勢；噴霧面積隨著噴射壓力的增大增加，但增幅不斷減小。3.2高壓GDI噴霧微觀特性測量的實驗研究3.2.1 高壓GDI噴霧微觀特性測量方法在發(fā)動機工作過程中，燃油霧化的好壞直接影響油氣混合的質量，進而影響發(fā)動機的經濟性、動性和排放水平其中霧化質量的優(yōu)劣可以由索特平均直徑（Sauter Mean D

47、iamter，SMD）來表示，此值越小表明燃油的霧化程度越好我們?yōu)榱藦奈⒂^方面闡述不同噴孔直徑、不同噴油壓力下噴霧SMD隨時間的變化，采用了LSD技術。LSD又稱為激光誘導熒光（laser induced fluorescence，LIF）/米氏散射法（Miescattering，Mie）。LSD技術具有非接觸性、準確度高、實時測試等特點，可獲取瞬態(tài)噴霧粒徑分布。所以我們利用LSD技術，對高壓共軌柴油機噴霧微觀特性SMD進行定量測量，從微觀方面闡述不同噴孔直徑、不同噴油壓力下噴霧SMD隨時間的變化。試驗利用片狀激光照亮噴霧測試截面，截面上的液滴在激光的激發(fā)下，將發(fā)出特定波長的熒光信號，同時液滴

48、會產生Mie散射，進而同時得到LIF和Mie散射信號強度，通過相位多普勒粒子分析儀（phase doppler particle analyzer，PDPA）進行試驗標定，得到光學參數，其計算公式為式中:為噴霧場中SMD;為熒光信號強度;為Mie散射的強度;Di為第i個液滴的直徑；D為液滴直徑;為液滴粒徑分布的概率密度函數。噴霧場中SMD的形態(tài)分布近似服從非中心F10分布，其概率密度函數為式中：x為噴霧場中SMD的大??；k1、k2分別為非中心F分布的分子和分母自由度；為非中心度；參數為（k1，k2，）的非中心F分布，通常用F（k1，k2，）表示，k2增大時密度函數的極大值單調增加；k1和k2固

49、定時，非中心F分布的分布函數是的單調下降函數。3.2.2 PDPA試驗標定利用LSD對噴霧SDM的二維分布進行測試，初步獲取定性結果，然后使用PDPA對其進行標定試驗，得到光學參數，將在LSD法下測得的表征噴霧SMD相對大小的任意單位，轉化為長度單位m選取背景壓力為0.1MPa，噴油壓力為40，60，90MPa，噴射脈寬為1000s，測試位置定在霧注軸線上距離噴嘴下游70mm處，試驗對每一個工況點連續(xù)測試30s后自動進入下一個工況點進行測試根據標定試驗結果，擬合得到兩者的相關性曲線，擬合優(yōu)度0.9999，其中光學參數為直線斜率的倒數，k=1.4。3.2.3 試驗方案試驗中噴孔直徑為0.16mm

50、，噴油壓力分別為80，160MPa選取背景壓力為3MPa，因高溫環(huán)境下柴油蒸氣的產生會影響熒光信號的強度，所以文中主要針對常溫環(huán)境下的柴油噴霧微觀特性SMD進行定量測試。3.2.4 試驗結果選取噴孔直徑為0.16mm，噴油脈寬為1000s時，噴油壓力為80MPa和160MPa兩種條件下啟噴后個時刻的SMD分布圖，如圖8所示由于噴油壓力為160MPa，啟噴后1600s時的霧注末端已經超出視野范圍，無法與前者對比，因此只取1400s之前的各時刻進行對比圖a,b,c,d,e是噴油壓力為80,160MPa時啟噴后不同時刻噴霧場中SMD的分布。噴 油壓力為80MPa時，從6001400s，噴霧場中SMD

51、小于80m 的液滴數量占總數的比例分別是77.84、78.33、82.75、83.04、85.39噴油壓力 為160MPa時，從600s到1400s，噴霧場中SMD小于80m的液滴數量占總 數的比例分別是87.21、87.59、84.54、84.48、87.39從圖中可以看出，噴油壓力為80,160MPa時，噴霧場中SMD的形態(tài)分布近似服從于非中心F 分布，根據噴霧場中SMD的分布數據，分別擬合得到非中心F分布的函數為F（0.4，51，20）、F（0.4，82，19）。對比兩分布函數可知，F（0.4，82，19）的分母自由度較大，非心度較小，因此其密度函數的極大值較大，分布函數也較大， 較小的

52、液滴也相對較多。噴油壓力為80MPa時，分布圖中的峰值一直處在45m左右的位置。而且在噴油初期，SMD大于200m的液滴數量相對較多，這主要是因為在噴油壓力較低時，霧注離開噴嘴時所具有的初始能量較低，液滴運動的激烈程度會因此而相對減弱，因而初次霧化形成的液滴粒徑較大噴油壓力為160MPa時，分布圖中的峰值由噴霧起始階段的40m逐漸向左移動到25m左右，之后又增大到40m左右，這主要是因為噴油壓力升高，噴霧場中液滴具有足夠的能量使自身破碎成粒徑較小的液滴，但是隨著噴霧的持續(xù)進行，由于慣性噴霧場中有大量液滴運動到噴嘴下游較遠的地方，還沒來得及破碎，所以會出現大液滴數 量 有 所 增加的現象。直到接

53、近噴油末期的1400s，噴油壓力為160MPa時，噴霧場中有近80的液滴粒徑都小于65m，而噴油壓力為80MPa時，相同尺寸液滴的數量為73.6，而且從兩者液滴粒徑尺寸的整體分布可發(fā)現，噴油壓力的升高，可以減小噴霧場中的SMD大小。 （a） 時刻為600s （b） 時刻為800s（c） 時刻為1000s （d） 時刻為1200s（e） 時刻為1400s圖3.9為不同噴油壓力下噴霧場中平均SMD隨時間的變化曲線。圖3.10 不同時刻噴霧場中平均SMD的大小噴油壓力為80MPa時，從600s到1400s各時刻噴霧場中的平均SMD分別為60.9，62.0，60.6，56.9，56.2m。噴油壓力為1

54、60MPa時，從6001400s各時刻噴霧場中的SMD分別為50.4，51.7，55.2，52.651.5m?？梢钥闯?，當噴油壓力較大時，噴霧場中的平均相對較小，這說明當噴油壓力增加時，燃油噴射的速度相應增加，使油束內部的擾動性加強，燃油與空氣的摩擦效應增加，導致燃油粒子變細。同時，與Pastor JV11的研究對比可知，噴油壓力較高時，產生的小液滴對散射光信號有影響，使得同一截面上的SMD分布出現左右不對稱的現象，進而對SMD大小的測量有影響，因此在1400s內同一噴油壓力條件下不同時刻噴霧場中平均SMD的大小都沒有明顯的增減規(guī)律，但提高噴油壓力可以大幅降低噴霧場中的SMD大小，提高小液滴所

55、占的比重。3.2.5 高壓GDI噴霧微觀特性測量的實驗結論（1）實驗中，隨著噴油壓力的增加，在1400s內噴霧場中的平均SMD對較小，小于80m的液滴數量明顯增多。（2）噴霧場中SMD的分布規(guī)律表現為多數液滴都處在粒徑較小的范圍內，因此噴霧場中SMD的分布形態(tài)近似服從于概率分布中的非中心F分布。第四章 結論與展望4.1 結論本文針對為高壓GDI噴射系統(tǒng)性能提升提供試驗依據，設計了滿足高壓GDI噴霧性能測試要求的測量裝置，并搭建測試平臺，實現噴霧破碎特性和射流初次霧化性能測試與分析。本文相對于別的GDI噴霧特性測試平臺的特點在于：本文的GDI實驗平臺不同于大部分的實驗平臺，能夠承受50200MP

56、a的油壓，其中的氣液增壓泵和高壓共軌起了很大的作用，奠定了能夠達成油壓的基礎。本文的定容彈采用了時序控制，相比其他實驗平臺能夠更好地對噴油時刻，噴油量進行監(jiān)控，能夠使實驗數據更加精確。4.2 展望目前汽車產業(yè)飛速發(fā)展，汽車研究的新技術日新月異。然而，作為汽車的心臟發(fā)動機則是技術進步的核心所在。而面對全球能源危機和各國排放法規(guī)日益嚴格的壓力，內燃機燃油排放和經濟性也是越來越受到關注。而缸內直噴（GDI）就是其中的一項重要技術。缸內直噴技術是汽油機向小型強化方向發(fā)展的重要技術之一，在提高汽油機動力性和燃油經濟性、實現精確的空燃比控制和降低尾氣排放物等方面具有較大的優(yōu)勢。但由于GDI發(fā)動機將燃油直接噴入缸內，燃油與空氣混合時間較短，易造成局部混合氣過濃的現象，導致顆粒物排放量較大。提高GDI發(fā)動機燃油的噴射壓力，能夠使噴霧粒子更加細化13。增加燃油的蒸發(fā)速率，從而使油氣混合更迅速、均勻，燃燒更充分，有利于減少顆粒物的排放。但由于汽油黏度小，對GDI噴油器的潤滑效果較差，燃油的噴射壓力一般不超過20MPa。所以國內外對于高壓GDI噴霧的研究也是越來越迫切。我們也是追隨時代的需求進行了這次實驗。但我們設計的高