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内燃机喷雾研究的现状与发展


一I兽墅瞿一
1前言

内燃机喷雾研究的现状与发展
曹建明,程前
(长安大学汽车学院,陕西西安710064)

摘要:喷雾是燃烧技术的最核心部分之一。本文从喷雾理论预测和试验测试两个方面总结了内燃机喷雾研究的主要进 展。特别对采用激光测试技术进行的试验结果作了总结。 关键词:内燃机;喷雾;现状;发展


流体力学和数学推导,结合液体燃料的相关物理特

性,走计算流体动力学(cFD)的道路,模拟燃油的
喷雾现象以及对雾化机理作深层次的研究。用数值 方法对喷雾机理进行理论研究和实验验证一直受到 国际流体与燃烧学界的普遍关注,国家级的研究机 构和基金会将其作为重要的研究领域加以培育。对 喷雾的平面液膜、平面气膜、环状液膜和圆射流雾 化机理的研究分为以下几个步骤:喷射表面波的增 长率随位移变化的时间模式、表面波的增长率随时 间变化的空间模式和喷射波的增长率随时间、位移 两者变化的时空模式。对这些喷雾基础理论研究较 多的大学有:美国的普林斯顿大学(Princeton
Uni—

将液体燃料分散成细小颗粒的过程称为燃料的雾 化。燃料雾化可以增大燃料的表而积,增加燃料与氧 气接触的机会,可以达到与空气迅速混合的目的。 燃料的雾化研究是燃烧技术中最为关键的一环。 在发动机燃烧窜中,燃料雾化的好坏直接影响混合 气的形成质量,影响发动机的经济性、动力件和排 放水平。特别对于柴油机而肓,由于柴油的挥发性 能较差,柴油与空气的混合是在高压作用下,通过 喷嘴来实现的,所以其雾化质量取决于喷孔内外的 流体动力场特性。 长期以来,雾化的研究一直是燃烧技术研究的

versitv)、西北大学(Northwesten Universitv),加拿大 的维多利亚大学(Universitv 学(university
perial of of

难点,喷雾特性研究相当活跃,国内外的许多学者
投入了相当大的热情和精力,也取得了一定的成果。

Victoria)、滑铁卢大

waterl00),英国的帝国大学(Im—
of

喷雾研究主要有两个方面:一是实验测试方法。利
用实验手段,对喷雾特性参数进行测量。喷油率的 测量分为两种情况:向大气中喷射的喷油率通常采 用旋转圆盘法和动量法测量;缸内喷射则是用应变 片测量喷油压力,并按稳流测量喷孔的有效面积,

university),日本的东京大学(University

Tokvo)和我国的天津大学、长安大学等。用数值方 法对雾化形成和特点进行分析与预测,可以从流体

雾化的本质上确定雾化的机理,并提出改善雾化质 量的途径。对液滴尺寸和速度分布的计算有KIVA程 序、Nukiyanm—Tanasawa函数、广安模型、林慰之模 型和最大熵雾化液滴尺寸分布计算程序等。西安交
通大学用KIVA程序、长安大学用自编的最大熵雾化

再通过计算求得喷油率。油束空间形态的测量则包
括对喷雾锥角和喷雾贯穿度的测量。通常采用同步 闪光照相法、高速摄影和高速摄像法。对雾化质量 评价参数的测量即是对液滴尺寸和速度的测量,包 括摄影法(直接摄影法、激光全息摄影法、激光散

液滴尺寸分布计算程序均对内燃机的喷雾特性进行 了研究。
2雾化的基本特性参数和雾化机理
2.1

射法、激光诱导荧光法、浸入法和压痕法)、液滴固
化法(直接固化法和溶蜡法)、沉降法、电极法、导 线法、热线法和激光法等。其中应用较多的是激光 方法,包括:激光全息摄影法、干涉条纹光谱法、 散射光强比法、多源散射光法和马尔文法等。 另一个喷雾研究方法是的数学物理方法。利用
交置节睦与环倔
28

喷雾基本特性参数 喷雾实验研究主要内容是测量油束的几何形状

参数以及喷雾空间粒子的几何尺寸大小和速度以及 研究影响喷雾特性的内外因素。归纳起来就是研究

万   方数据

汔车节篷

喷雾的空间特性和粒径特性两个方面。表征喷雾特

式中,E为单位时间单位质量的动能,无因次参数
oh(欧尼索数)定义为

性的主要技术指标有以下几个参数:
(1)喷雾锥角p:喷雾锥角卢与喷油器结构有很

oh斗l}Vpl仃D
③液滴在粘性流体中的临界维伯数
。,

大的关系。对相同的喷油器结构,一般用口来表示 油束的紧密程度,卢大说明油束松散,卢小说明油束
紧密。

(2)油束射程£:又称贯穿度,L大小对燃料在 燃烧室中分布有很大影响,如果燃烧室尺寸小,射 程大,则有较多大燃油喷到燃烧室壁上;反之若L 过小,则燃料不能很好地分布到燃烧室空间。 ..(3)雾化质量(雾化特性):燃料雾化的程度是 用喷射的细度和喷射度均匀度来表示。喷散得越细, 越均匀,说明雾化质量越好。喷散细度可以用长度
平均直径D10,表面积平均直径D20,容积平均直径 D30和Sauter平均直径D32(SMD)以及液滴尺寸的

№矿百回丽


式中:地为内部流体的粘度;以为外部气体的粘度。
3国内外雾化研究状况 3.1数学物理方法

喷雾的数学物理研究主要集中在运用研究范 畴一喷雾特性的理论预测,而喷雾的机理研究属于 基础研究领域,也是一个重要的方面。总结目前的 研究结果,对雾化机理的数学物理模型主要有以下 几个方面: 3.1.1喷射波模型 H北nkin将射流的喷射模式分为四种: (1)射流在没有空气动力的作用下,其表面波 成为对称的扰动模式,称为V撕cose模型。其射流 破裂时间tcrit仅与喷嘴直径do有关。对于非粘性射
流,ta{loc d0”;对于粘性射流,t口iloc d0。

分布函数等表示。其中应用最广泛的是S叫ter平均 直径。平均直径越小,则喷雾越细;喷雾的均匀度 可用油粒的最大直径和平均直径之差来表示,直径
差值越小,则喷雾越均匀。

2-2喷雾中液滴破裂的机理 雾化实际上是在液滴内部压力和外部空气压力、 表面张力的作用下,液滴破裂的过程。液滴破裂有 三种基本模式: (1)当液滴受平行或旋转气流以及粘性剪切力 作用时,被压扁成为椭球形,即椭球形变形。 (2)当液滴受双曲或Couette气流的作用时,被 拉成长圆柱形或扁带状,即雪茄形变形。 (3)当液滴受到不规则流动的气流作用时,表 面局部变形。整个液滴呈凹凸不平状,即凹凸变形。 液滴的破裂取决于临界维伯数,而临界维伯数
在不同的流动方式影响下是不同的。

(2)随着射流速度的提高,周围气体的动力作
用不可忽略。

(3)射流由于气体的扰动作用而成为sinuous模
型。

(4)高速射流在喷嘴出口附近完全破裂、雾化, 与周围气体介质混合。这四种模型是一个说射流速
度增大而逐渐过渡的过程。
3.1.2

Ohnesorge提出了射流破裂与雷诺数Re有关

的三种模式:

①液滴在稳定气流中的临界维伯数:

(1)在低雷诺数下,射流破裂成几乎同样大小
的球形液滴。

形P砷=瓴诉跏)砷=8/cD
式中,几为气体密度;%为液滴与气流的相对速度;
D为液滴的直径;cD为破裂条件的常数。

(2)在中雷诺数下,射流的振动随空气阻力的 增大而增大,直到振动使射流完全破裂,所产生的
液滴尺寸范围较大。

②液滴在粘性流体中的临界维伯数
对于等熵流:
’2

(3)再高雷诺数下,射流在喷嘴出口附近破裂, 雾化成大量的细小液滴。
国内的一些学者还针对柴油机喷雾的特点,提

形e砷巩u D一/盯

式中,Ⅱ是液滴表面空气紊流脉动速度;虬是最大稳
定液滴直径。

出高速油柱的不稳定扰动波应采用三维高阶理论, 通过推导柴油的弥散关系式,分析了高速油柱的雾 化机理。另有一些专家通过分析低weber数无粘射
流撞击形成液膜雾化的特征,由质量守恒和动量守

而对于oh<<l的低粘度液体,其临界维伯数为:
蚋”.

We谳却^E?D一细
29

恒,推导出了Taylor心形波作用下计算液膜厚度和
2007年第04期

万   方数据

形状的近似解析式,这些理论模型数值计算的结果 都与相应的实验数据基本吻合一致。可见理论模型

放大律高、图象失真率低、分辨率高和实时快速的 特点,因而使它成为喷雾研究的重要手段之一。 激光散射方法包括米氏散射法(Mie Method)和瑞利散射法(Rayleigh
Scattering

对于雾化理论的研究具有极大的促进作用,它是雾 化理论研究的重要方法。内燃发动机喷雾的CFD模
拟研究结果较多,不再详述。 3.2实验研究方法 目前,雾化特性和液滴尺寸分布的测量方法是 多种多样的,从先前的二维光学测量发展到了当前 能反映喷雾场三维时空动态特性的激光测试技术阶 段。如适用于测量喷雾速度的激光多普勒测速仪 (Laser
Doppler

Scattering

Method)

两种。米氏散射法是基于米氏散射理论及FrauIlhofer

衍射原理的。Mile散射方法是基于球形粒子衍射模
型的,因此受油滴形状和分布规律影响较大,且只 能获得测量区域内的平均值,空间分辨率低。但该 技术已有商业化的产品,如马尔文(MaLlvem)粒度

仪,使用起来比较方便。瑞利散射法在测量喷雾蒸
发过程及温度分布时较为适合,但由于散射光信号 弱,只能应用于雾场密度变化较大的场合。利用 Malvem粒子分析仪在较大的喷射压力范罔下对喷射 终了的燃油粒径分部规律进行了测量。 4结语 燃油雾化直接影响内燃机的动力性、经济性、 排放性、机械负荷、热负荷及T作的可靠性、耐久 性,所以对雾化的研究一直为国内外专家们所重视。 本文从理论模型和实验两个方面总结了近年来国内 外对雾化的研究。理论模型和实验这两方面是相辅 相成,互相促进的。利用模型计算为实验指明了方 向,反过来实验又检验了模型机理的正确性,促进 了模型计算的发展。
参考文献:
【l】 C∞J.DeriV砒i蚰佣tlIe【jne盯Stability n∞ry 0f Pl舳e UqIIid sh∞ts Spmy in Two 1999。(4):349—355. 【2】 C∞J.,“X.Stabil蚵of PlarIe Liquid Sheets in Co…pre∞ible G聃

Velocimeter),粒子图象速度场仪

(PIV),显示油束内部结构的激光层析摄影法(Laser
computed

Tomography Method)及三木英雄等人的直

接显微摄像法(Direct

Photomicro舯phy

Method)以

及应用较为广泛的激光全息、激光散射方法、激光

诱导荧光法等。
激光全息法的基本思想是引进了本质性的概

念——参考光束。借助这一参考光束,在雾场中粒
子的光振幅和位相信息没有到达记录介质之前就将 其编码,当通过雾场的物光和参考光叠加为一束光 波时,其强度不仅依赖于每一束光波各自的强度, 同时也依赖于这两束光波之间的相位差。这样就可

以在记录介质上同时记录了物光波的振幅分布和相 位分布,通过全息再现系统使光通过全息图发生衍
射,衍射光波与物光相似,构成物体的再现像,这 样就能将喷雾粒子场再现出来,是原粒子场的三维 立体像,而普通的光学成像记录的只是雾场的光强

分布。激光全息摄影术技术较为成熟,能测量瞬态 颗粒分布,是最为有效的测量方式。在1978年,
Jones首先用激光全息术进行发动机雾场研究的探索,

cmp嘟sibk G∞stIeⅢ.燃烧科学与技术,

Stre姗s.AI从J.of Pmpul¥ion锄d
【3】

Power,2伽o'16(4):623~627.

而后Nishida,J.c.Dent和美国Ford公司都研究了全
息雾场实时测量系统,在国内近年来也有相应的报 道。

C∞J.0n tlle Th∞retical Predicti伽0f Fuel Dmplet Si弛Dis晡bu一 6∞in Non础|ctive Die舱l Spmy8.J.0f nuids Engineering.ASME

Tr蛐.,2002,124(1):182一185. 文献刊载了用激光全息术对柴油喷雾特性的研
【4】 C∞J.11leo即ticaI nd ExperiI∞ntal StIldy 0f At伽|izati锄缸m蛐 AnnIIl盯UqIIid Sheet.Pr∞.Imtn.Mech.Engrs.Part D:J.of
mobile
Auto-

究。全息照相分两步进行,波前记录和波前再现。 波前记录采用运动粒子瞬态全息测试仪将喷雾发出
【5】

EngineeriI培.2IXl3,217(D8):735-743.

C帅J.,Bi蛐Y.,Qi D.,ChelIg Q.,wu T.compamtive Inve吼ig砒i∞
of

的光波与参考光波相干涉,从而记录位相信息,然
后用照相方法,将干涉纹记录下来,成为全息图; 波前再现是采用粒子运动规律判读处理系统使光通 过全息图发生衍射,衍射光波与物光相似,构成物

Die∞l明d Mixed“quefied Petmleum G利rDie∞lInjection En—
D:J.of

gi嗍.Pmc.Ill8m.Mech.Engrs.PaJt
iIlg.2004,218(D5):557—565.

Auto咖bile E嚼nee卜

(收稿日期:2007-06_11)

体的再现像,它记录了原物体的三维立体像,以便 于分析喷雾特性。已有成果表明:全息摄影术具有

交■节董与环佩

30

万   方数据

内燃机喷雾研究的现状与发展
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 曹建明, 程前 长安大学汽车学院,陕西西安,710064 交通节能与环保 MARINE ENERGY SAVING 2007(4) 1次

参考文献(5条) 1.Cao J;Li X Stability of Plane Liquid Sheets in Compressible Gas Streams[外文期刊] 2000(04) 2.Cao J Derivation on the Linear Stability Theory of Plane Liquid Sheets Spray in Two Compressible Gas Streams 1999(04) 3.Cao J;Bian Y;Qi D;Cheng Q.,Wu T Comparative Investigation of Diesel and Mixed Liquefied Petroleum Gas/Diesel Injection Engines[外文期刊] 2004(D5) 4.Cao J Theoretical and Experimental Study of Atomization from an Annular Liquid Sheet[外文期刊] 2003(D8) 5.Cao J On the Theoretical Prediction of Fuel Droplet Size Distribution in Nonreactive Diesel Sprays 2002(01)

引证文献(1条) 1.缪本乐.安士杰.邵利民.徐洪军 高压共轨喷油器喷雾特性的仿真及试验研究[期刊论文]-小型内燃机与摩托车 2009(6)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cbjn200704013.aspx


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