文獻(xiàn)綜述__燃油噴射霧化研究現(xiàn)狀及發(fā)展

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻(xiàn)綜述文獻(xiàn)綜述題目 燃油噴射霧化研究現(xiàn)狀及發(fā)展 燃油噴射霧化研究現(xiàn)狀及發(fā)展 摘 要：本文首先闡述了燃油噴射霧化的機(jī)理、噴霧場的幾何結(jié)構(gòu)和物理特性，然后就燃油噴霧場測量方面闡述了燃油噴射霧化研究的傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代研究技術(shù)，詳細(xì)介紹了攝影法、激光多普勒技術(shù)、激光全息法的原理、優(yōu)點(diǎn)和不足以及試驗(yàn)臺架，并指出了噴霧測試技術(shù)的發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞：燃油霧化；噴霧場；研究方法；試驗(yàn)臺架 內(nèi)燃機(jī)的燃燒品質(zhì)直接影響其動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放特性等一系列性能指標(biāo)，而燃油霧化的優(yōu)劣是決定燃燒狀況的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。良好的霧化效果是實(shí)現(xiàn)高效燃燒的前提，對節(jié)能、凈化具有十分重要的意義。因而弄清噴霧霧化機(jī)理，研究噴霧

2、的特性和方法，探明噴霧與空氣的混合過程，從而合理組織燃燒對于提高發(fā)動機(jī)的性能是至關(guān)重要的。1.燃油霧化機(jī)理 柴油機(jī)中的燃油霧化是利用壓力噴嘴使燃油從噴口中高速流到環(huán)境氣體中而破碎成離散液滴。研究表明，在柴油機(jī)噴射條件下，不僅有射流破碎過程(稱為一次霧化)，而且破碎后的液滴會繼續(xù)分裂形成細(xì)小液霧(稱為二次霧化)，噴霧特性最終就是由這兩個過程決定的?？梢园堰@個過程看作是在內(nèi)外力作用共同影響下的液流破裂。一方面，液體的表面張力迫使它形成一個小球體因?yàn)檫@樣才具有最小表面能量；液體的粘性力則試圖保持液體原有的形狀。另一方面，作用在液體表面的空氣動力要促使它分裂。當(dāng)空氣動力之和大于表面張力與粘性力之和時，

3、會發(fā)生液體的破裂。由此可見，表面張力和粘度是影響噴霧的主要因素。另外，噴孔的尺寸和形狀、噴射流體和噴射環(huán)境都對霧化狀況有一定影響。2.噴霧場幾何結(jié)構(gòu)、物理特性液態(tài)燃油噴入燃燒室空間后，形成一個由液柱、油滴、油蒸汽和空氣組成的多相混合物的場，我們稱之為噴霧場。噴霧場在動力學(xué)和熱力學(xué)上都是瞬變而又不均勻的。為了研究方便，將整個噴霧場劃分為不同的區(qū)域。燃油噴霧是兩相混合物，從氣液兩相混合作用的角度出發(fā)，bracoc 和 ruokre 把燃油噴霧場按其離噴嘴的距離由遠(yuǎn)到近依次劃分為極稀薄區(qū)、稀薄區(qū)、稠密區(qū)和翻騰流區(qū)四個區(qū)域。（1） 極稀薄區(qū)，這是噴霧場最外圍的部分，由于液滴在空間的分散，且在此過程中大

4、部分品質(zhì)被蒸發(fā)，因而油滴微小且分散，與氣體相比較可以忽略其品質(zhì)和體積。對油滴而言，氣體就像一個無窮大的“匯”，盡管油滴與氣體之間有質(zhì)量、動量和能量交換作用，但認(rèn)為氣體不受此交換過程的影響。同時油滴之間的相互作用，如碰撞、變形、聚合、破碎和振動等均可忽略。唯一需要考慮的是如何描述油滴的湍流擴(kuò)散。（2）稀薄區(qū)，該區(qū)中的油滴的數(shù)密度大于第一區(qū)，其總質(zhì)量與氣體相比是可觀的，但所占體積仍然是微不足道的。這意味著油滴間距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其直徑，故可忽略油滴間直接的相互作用。但“油滴- 氣體- 油滴”之間的間接作用是不可忽略的。（3）稠密區(qū)，在此區(qū)中，油滴在兩相混合物中占據(jù)了可觀的體積，但仍以離散態(tài)存在于連續(xù)的氣

5、相場中。與稀薄區(qū)相比，油滴間的距離要小的多，故不能再忽略油滴間的相互作用。主要包括兩類效應(yīng)：碰撞和準(zhǔn)碰撞，準(zhǔn)碰撞的頻率遠(yuǎn)大于碰撞頻率，碰撞的直接后果是油滴的變形、聚合或破碎，從而對噴霧場的平均滴徑等參數(shù)有重要的影響。（4） 翻騰流區(qū)，在緊鄰液核的周圍地帶，液體己經(jīng)開始分裂。但由于在兩相混合物中，液體所占體積分?jǐn)?shù)與氣體相當(dāng)甚至超過之，故燃油不能在氣體中彌散開形成油滴，而是以薄片、纖絲或網(wǎng)格的形式存在。翻騰流是霧化過程的第一步產(chǎn)物，研究其特性對揭示霧化機(jī)理有重要意義。3.霧化效果的影響因素影響霧化效果的因素主要有：噴射液體和氣體介質(zhì)的物理特性、噴嘴的結(jié)構(gòu)、噴射壓力、噴射時間以及背壓。3.1 液體和

6、氣體介質(zhì)的物理特性影響噴霧效果的主要物理性質(zhì)包括：密度、年度、溫度、濃度，這些因素都與射流霧化過程有著密切的聯(lián)系。液體的密度變化小，對霧化質(zhì)量影響也較小。而氣體具有較大的可壓縮性，所以氣液密度比不能忽略，霧化時它可以起到加速射流碎裂的作用。液體的粘性可以穩(wěn)定霧化過程，即阻礙液體射流的碎裂，增大霧化液滴的尺寸。相反氣體粘性可以促進(jìn)霧化過程，減小霧化液滴的尺寸。氣體介質(zhì)的溫度越高，液滴蒸發(fā)速度越快，射流的碎裂越快，霧化液滴尺寸也就越小，這樣可以得到較好的霧化效果，冬天對燃油進(jìn)行預(yù)熱就是這個道理。氣液界面的表面張力對霧化起到抑制作用，也就是說，表面張力阻礙射流霧化過程，使霧化液滴尺寸增大，霧化效果變

7、差。3.2 噴嘴結(jié)構(gòu)（直徑、粗糙度）噴嘴的作用是噴射和霧化。不同結(jié)構(gòu)的噴嘴，其噴射與霧化方式各不相同，対霧化各性能的影響程度也各異。在其它噴射條件相同的情況下，減小噴孔直徑，油束的射程縮短，噴霧錐角增大，從而減小液滴的平均直徑。噴孔表面制造精度不高，將加大油束射流的擾動，噴霧錐角、油束的射程和噴霧液滴的尺寸減小。3.3 噴射壓力噴射壓力越高，霧化燃油和空氣混合越充分，特別是在低速的情況下。一般情況下，噴油壓力越大，噴入氣缸的燃油流速越大，同時燃油與氣體介質(zhì)的相對運(yùn)動也越大，有利于燃油的加熱蒸發(fā)，霧化質(zhì)量提高。更高的噴射壓力、更快的噴油速度以及更短的噴油時間是噴射系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。但是噴射壓力也不

8、能過大，太大將加快油泵、噴嘴的磨損，噴霧液滴反而增大，敲缸聲音也明顯。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，從多方面綜合考慮，選擇一個適中的噴射壓力。3.4 噴射時間隨著液滴噴出后時間的增長，油束射程也會增大，液滴索特平均直徑d32出現(xiàn)先減小后增大并保持基本不變。因此為了保證柴油的霧化效果，應(yīng)將噴射時間控制在一定范圍。3.5 背壓氣體環(huán)境的壓力即背壓。對于平孔噴嘴：隨著環(huán)境壓力的增大，油束的射程會縮短，噴霧錐角會增大，霧化效果變差。對于壓力噴嘴和螺旋噴嘴：隨著背壓的增大，噴霧錐角變小，達(dá)到一個極限值后將基本保持不變。噴霧液滴的平均直徑也會隨著環(huán)境壓力的增大而增大，達(dá)到一個極限值后緩慢減小。以上這些因素都是相互制

9、約，相互影響的，共同作用決定燃油的噴霧質(zhì)量。因此一個好的燃燒系統(tǒng)應(yīng)該綜合考慮以上因素，根據(jù)實(shí)際情況有所側(cè)重，使燃油達(dá)到較為理想的霧化質(zhì)量。4.燃油噴霧研究方法柴油機(jī)燃油噴射是一個多相、瞬態(tài)的復(fù)雜過程，霧滴具有尺寸小、范圍大、數(shù)量多的特點(diǎn)，且隨時間和空間而變化，因此定量地測定霧場的濃度和粒度分布都是十分困難的。早期的研究方法主要有液浸法、痕跡法、冷凍法等。它們在一定程度上獲得粒徑的結(jié)果，但主要用來模擬探索影響噴霧的因素( 如噴射壓力，噴孔形狀等) 及其相互關(guān)系，屬于定性的研究，因此這些方法在原理和結(jié)構(gòu)上都存在較多缺陷，使測量結(jié)果不能完全反映被測霧場的情況。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，人們不斷地研

10、發(fā)出了許多更好的測量技術(shù)。特別是激光的方向性、單色性、相干性、高亮度、超短脈沖及可調(diào)性，為噴霧測試技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間。各種有關(guān)噴霧的非接觸測量法逐漸成熟起來，如高速攝影法、激光多普勒技術(shù)、激光全息照相、假彩色法、激光多普勒粒徑分析儀、激光ct( computed tomography ) 技術(shù)、激光陰影法、piv ( particle image velocimetry ) 技術(shù)、激光光譜法等多種光學(xué)方法。下面就高速攝影法、激光多普勒技術(shù)、激光全息照相三種研究方法做詳細(xì)的介紹。 4.1高速攝影法攝影法由于與被測物體不直接接觸，對被測區(qū)沒有干擾，且可記錄高速變化現(xiàn)像的時間-空間信息，故長

11、期以來，一直是用作實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)噴霧過程和燃燒過程可視化的主要手段。隨著高速攝像技術(shù)及圖像存儲和處理技術(shù)的進(jìn)步，可以通過連續(xù)拍攝獲得一定時間步長的圖像序列，從而用圖像處理軟件對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出圖像信息隨時間的變化規(guī)律，并對噴霧貫穿距離、噴霧錐角、噴霧透光度等特征參數(shù)進(jìn)行分析。這些參數(shù)對于建立液體燃燒的霧化模型，完善和改進(jìn)液體燃料的燃燒模型是非常必要的。實(shí)驗(yàn)中常用的光源有水銀燈、電火花和激光脈沖。如果選用高速攝像機(jī)，采用普通光源即可。一般采用裝有石英玻璃窗的噴霧罐，從而側(cè)面光可清晰地拍攝噴注發(fā)展的全過程。如果用脈沖激光作光源，普通黑白膠片就可以作記錄介質(zhì)。因?yàn)榧す饷}沖可以達(dá)到納秒級，有

12、足夠強(qiáng)的光源和足夠短的曝光時間來抓拍噴霧的瞬間圖像。還有一種同步雙成像高速攝影技術(shù)：在同一個攝影過程中采用兩種不同的方法，在同一幅底片上拍攝到同一時刻噴霧過程和火焰擴(kuò)展過程的兩幅圖像，從而獲得包括空氣運(yùn)動對噴霧及燃燒過程影響在內(nèi)的信息。這種高速攝影方法在20世紀(jì)80年代中期首先提出，用于研究渦流式柴油機(jī)的燃燒過程。它把噴霧過程與燃燒過程的研究更緊密地聯(lián)系在一起，為深入地研究柴油機(jī)燃油噴霧、混合和燃燒過程提供了有效的研究手段。4.2 激光多普勒粒徑分析儀利用多普勒效應(yīng)( 光的干涉現(xiàn)象) 測量粒徑大小和速度。其原理是，當(dāng)激光照射到運(yùn)動的噴霧粒子時將被運(yùn)動的粒子散射，散射光和入射光的頻率相比較，得到

13、正比于流體速度的多普勒頻移。測量頻移的大小可以得出粒子參數(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：只要信噪比足夠大，其測量精度相當(dāng)高；在整個工作區(qū)域內(nèi)都是線性的；能夠測量動態(tài)噴霧。但用于測量柴油噴霧時，由于柴油噴霧粒徑的變化范圍較大，多普勒粒徑分析儀的分辨率受到限制，可測的最大粒徑與最小粒徑之比不超過30，它不能同時測出最大的粒子和最小的粒子，要做一定的修正。4.3激光全息法通過物場的物光和相干參考光一起記錄到全息干板上，這兩束光的干涉圖即構(gòu)成全息圖。全息圖可將被照物體的光強(qiáng)和位相的輻射光束照射，記錄的相干條紋將其衍射，形成和原物一樣的圖像。全息照片記錄了霧場的振幅信息和相位信息，不需進(jìn)行換算，可直接進(jìn)行再現(xiàn)并反

14、拍成黑白照片，結(jié)果不易失真。激光全息法可以不接觸霧場而準(zhǔn)確的得到噴霧粒子場的三維空間瞬態(tài)全息記錄，通過全息圖的再現(xiàn)不但可以得到粒子尺寸及其在空間中的位置，采用雙脈沖激光器通過兩次曝光還可以得到噴霧粒子的運(yùn)動速度，從而可以得到整個噴霧場的平均粒徑特性、場分布及密度、速度分布等重要信息及變化規(guī)律。5. 噴霧及噴霧撞壁可視化試驗(yàn)系統(tǒng) 圖1為噴霧及噴霧撞壁可視化試驗(yàn)系統(tǒng)該噴霧系統(tǒng)。主要由定容可視化裝置、自制高壓供油系統(tǒng)、計算機(jī)、噴油器、單片機(jī)、圖像處理、數(shù)據(jù)采集、高速攝影儀、活塞以及多自由度的活塞支架等系統(tǒng)組成。其中，噴霧及其撞壁可視化定容裝置側(cè)視圖如圖2所示。該定容可視化裝置7是基于實(shí)驗(yàn)室原進(jìn)行柴油

15、機(jī)噴霧實(shí)驗(yàn)的定容可視化裝圖 1 噴霧及噴霧撞壁可視化試驗(yàn)系統(tǒng)1計算機(jī)；2高速攝影儀；3鹵素?zé)簦?可視化定容裝置；5，8氮?dú)馄浚?，7氣體壓力表；9高壓供油系統(tǒng)；10油箱；11汽油濾清器；12電子控制單元（）；13油壓傳感器置對其安裝噴油器頂蓋進(jìn)行改造而成的。并且在其底面四個角落安裝了四根功率為500w 的加熱棒以便于改變環(huán)境溫度。定容可視化裝置為300cm300cm268cm的金屬不銹鋼容器，在其的四個側(cè)面及底面開有直徑為140mm的石英玻璃窗。該定容可視化裝置能夠最大承受5mpa的背壓。另外，靈活可拆卸的底面結(jié)構(gòu)為噴霧撞壁研究中活塞放置及其調(diào)試提供了方便，為了進(jìn)行噴霧撞壁實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計了放置

16、活塞的多自由度可調(diào)支架，其結(jié)構(gòu)如圖2b所示。圖 2 噴霧及其撞壁可視化定容裝置側(cè)視圖6.總結(jié)本文較系統(tǒng)地闡述了噴霧研究的多種方法及其發(fā)展。沒有一種研究方法是完全令人滿意的，每種測試技術(shù)在一定范圍都有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在噴霧研究過程中，我們應(yīng)充分發(fā)揮這些技術(shù)各自的長處，根據(jù)不同的研究目的選擇適宜的研究方法。今后，噴霧測試技術(shù)的發(fā)展將由定性測量轉(zhuǎn)移到定量測量，由一維、二維測量轉(zhuǎn)移到多維測量。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)與更新，相信噴霧測試技術(shù)也將日趨完善，人們一定會開發(fā)出更多更好的研究手段。參考文獻(xiàn)1 史紹熙， 內(nèi)燃機(jī)燃燒研究中的幾個前沿問題j. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，1990( 2).2 dukowicz j k.

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