农用柴油机喷油器各孔喷油规律验证及流动特性模拟

针对农用柴油机喷油器各孔内部流动特性存在差异的现象,该文以某两气门用非均匀布置的5孔无压力室喷油器为研究对象建立三维模型,运用双流体模型及空穴模型计算了模拟各孔喷油规律,与实测各孔喷油规律吻合较好。通过该模型分析了喷嘴各孔瞬态流动特性及喷孔轴线与针阀轴线夹角对喷孔内部流动的影响。模拟结果如下:在针阀全开阶段,随着凸轮轴转角的增加,喷油压力不断变化,各孔内部出现不稳定空化,影响喷孔出口喷油速率;在喷射初期,喷孔内部未形成完全空穴,各孔喷油速率的差异不明显。另外,喷嘴喷孔轴线与针阀轴线夹角从67°增至80°时,各孔内部空穴区增加且延伸的空穴逐渐向喷孔中心轴线移动,喷油速率逐渐减小。该研究可为农用柴油机喷油器各孔的分布设计提供参考。     

生物质混合燃料在柴油机喷嘴内流动特性模拟

为了研究燃料物性差异对喷孔内流动特性的影响,通过GAMBIT软件建立三维喷嘴模型,利用FLUENT软件采用混合多相流模型,对柴油、生物柴油、生物柴油/乙醇混合燃料的喷孔内压强分布、速度分布和空化程度进行仿真分析。结果表明:燃油在压力室与喷孔入口衔接处压强迅速下降,进入喷孔后压强趋于稳定,在喷孔出口处压强略有上升;生物柴油的压强降幅最大,在喷孔不同截面处,与柴油相比生物柴油的压强平均下降了23.91%;生物柴油/乙醇混合燃料与柴油的压强降幅差别不大。燃油流速在喷孔入口处迅速增加,进入喷孔后增速放缓,在喷孔出口处燃油流速略有下降;在喷孔径向方向,由于壁面黏滞力作用导致速度从中心轴线向外围呈递减趋势;在喷孔不同截面处柴油的流速最快,其在喷嘴出口处的流速为229.8 m/s;生物柴油/乙醇混合燃料在喷嘴出口处的流速为223.1 m/s;生物柴油的流速最小,其在喷嘴出口处的流速为214.9 m/s。空穴现象首先发生在喷孔入口拐角处,随后向喷孔出口发展,并逐渐减弱。喷孔不同截面处,柴油的气相体积分数最大,生物柴油的气相体积分数最小,其气相体积分数比柴油平均下降了11.1%,与柴油相比生物柴油的空化程度较弱;生物柴油/乙醇混合燃料的气相体积分数与柴油差别不大,仅降低了1.8%,在生物柴油中添加乙醇能够降低燃料的密度、粘度和表面张力,改善燃料在喷孔内的流动特性,促进空化产生,喷孔内的空化现象能够为圆射流喷雾提供初始扰动,促进燃油雾化。该研究可为生物柴油/乙醇混合燃料流通特性研究提供理论支持。     

柴油机怠速燃用小桐子油的燃烧噪声及其波动性

为了分析柴油机燃用小桐子油在怠速工况时的燃烧噪声及燃烧噪声的波动性,分别以柴油、柴油-小桐子掺混油、小桐子油、高温小桐子油为燃料,在单缸水冷四冲程柴油机上进行了怠速工况试验,测录了多循环的瞬时气缸压力,采用最高燃烧压力、压力升高率、压力升高加速度、气缸压力频谱曲线以及A声压级进行了对比。结果发现,柴油与掺混油、小桐子油与高温小桐子油的气缸压力频谱相似,柴油和掺混油的气缸压力级较大;对于同一工况,最大压力升高率越大且对应相位越迟,则燃烧噪声越大;18°供油提前角时,燃用高温小桐子油的A声压级低于柴油约7dB,21°供油提前角时低于柴油约5dB;燃用相同燃料,最大压力升高率的波动率降低均会减小A声压级的波动。     

柴油机喷雾特性对喷油和环境参数响应灵敏度分析

为了解柴油喷雾特性对喷油和环境参数(背景温度、密度)响应灵敏度,利用高速摄影直拍、纹影技术和自编的图像处理程序,分析了喷雾特性对喷油参数(喷射压力、喷孔直径)响应灵敏度。结合灵敏度分析结果,对比了喷油参数(喷射压力、喷孔直径)和环境参数(背景温度、背景密度)对喷雾特性影响程度的大小。研究结果表明:在背景温度304~770 K,背景密度13~26 kg/m3,喷孔直径0.18~0.26 mm,喷射压力120~160 MPa范围内,雾注气相体积百分比对背景温度响应灵敏度最大,其次是喷孔直径和喷油压力,背景密度最小;雾注平均过量空气系数对喷孔直径响应灵敏度最大,喷油压力略小,其次是背景温度和背景密度。     

作为燃油的小桐子油的物化性质及黏温特性

小桐子油特殊的物理化学性质（尤其是黏度）是制约其作为柴油机燃料的重要因素。因此,研究小桐子油的物理化学性质和黏温特性是十分重要的,对于小桐子油的实际应用有重要的指导意义。该文分析了小桐子油的物理化学性质,并利用旋转黏度计测量了不同试剂在各种温度下的黏度,以研究小桐子油的黏温特性。结果表明：小桐子油的物理化学性质虽然与普通柴油有一些差距,但作为柴油机燃料使用是可行的。而且随着温度的升高,小桐子油的黏度逐渐减小,并在温度为150℃时,达到柴油在常温（20℃）下的水平,可以直接作为柴油机的燃料。特别地,以质量分数为20%小桐子油和80%柴油掺混而成的混合试剂的黏度更加适合实际应用。     

柴油机喷油脉宽和喷油压力变化对喷油器流量系数的影响

为明确柴油机喷油脉宽和喷油压力改变对喷油器流量系数产生影响的规律并研究规律产生的原因,进行了常用喷油脉宽下及较大喷油压力范围内的试验。以动量法测量喷油规律并计算相应喷嘴流量系数,采用一种基于流动损失理论的方法分析流量系数变化规律,观察其结论与试验结果的吻合程度。试验结果表明:当喷油压力超过160 MPa、喷油脉宽改变量为500μs时,平均流量系数的变化幅度不超过5.9%;当针阀完全开启持续期与喷油持续期之比达到0.85左右时,平均流量系数与最大流量系数相差7.5%,基于流动损失的流量系数分析方法是比较准确的。该研究可为优化柴油机喷油及发展喷嘴流量系数相关理论提供参考。     

柴油机燃用棉籽油时性能的研究

本文研究了直喷式柴油机燃用棉籽油时的性能。通过燃油加温对喷雾特性、燃烧特性、和工作特性的影响及燃油加温前后EMA循环试验所得到的喷嘴积炭状况对比,表明了燃油加温的措施促进燃油雾化,改善燃烧,减轻不完全燃烧倾向,提高热效率,减轻喷嘴积炭,从而能提高发动机的耐久性。本文还分析了加温的机理,并揭示了积炭形成的机理。 文中考察了供油提前角、喷油压力及燃油温度对发动机性能的影响,并用二次正交回归设计的方法建立了热效率与它们之间的数学模型,用优化的方法得到了柴油机燃用50/50混合油时的最佳调整,试验结果说明:用回收发动机余热加温燃油来改善发动机耐久性的措施是可行的。     

柴油机双卷流燃烧系统的排放特性

为研究双卷流燃烧系统对直喷式柴油机有害排放物生成的影响,该文采用试验和计算流体力学CFD仿真分析方法,探讨燃油喷射系统中喷油提前角、喷孔直径、油束夹角和涡流比对双卷流燃烧系统(DSCS)排放特性的影响.研究结果表明:随着喷油提前角的增加和喷孔直径的减小,NOx生成量增加,碳烟生成量降低;随着油束夹角的增加,碳烟生成量降低,NOx生成量先增加后降低;涡流比和弧脊的匹配直接影响着双卷流燃烧系统中燃油的雾化、混合和燃烧过程,为了降低有害污染物的排放应采用较小的涡流比与双卷流燃烧室,确定了与双卷流燃烧室相匹配的满足NOx、碳烟排放最佳涡流比为1.该研究可为柴油机双卷流燃烧系统优化设计提供参考.     

燃用植物油柴油机的改进及耐久性试验研究

植物油黏度比较大，挥发性比较差，很难直接在柴油机上使用。该文通过对L28柴油机进行调整改进，提高喷油压力和加装燃油加热装置，进行燃用植物油的耐久性试验，考察柴油机燃烧植物油的可行性。试验过程中发现了柴油机长时间燃用植物油存在的一些问题，并对耐久试验前后的燃油消耗率、碳烟和排气温度进行了对比和分析。试验结果表明：柴油机长时间燃用植物油，会在油嘴、气门、活塞头部、气缸套顶部产生积炭；植物油渗漏污染机油；燃用植物油运行100h后，其燃油消耗率、碳烟及排气温度的变化不大。     

多段燃油喷射对碳酸二甲酯-柴油混合燃料燃烧过程的影响

柴油机多段燃油喷射可用来优化缸内燃烧以实现排放净化的目标。该文采用两段预喷和一段主喷组合的多段燃油喷射进行混合燃料D10(90%柴油+10%碳酸二甲酯)燃烧过程的研究。通过预喷相位可调但3段喷油之间相位间隔恒定、主喷持续时间可调但第1、2段预喷持续时间固定的喷油策略,实现在目标工况下精确的放热中心COHR(center of heat release)。当调整多段燃油喷射策略实现目标COHR以等步长推移时,柴油机的燃烧过程呈现如下特点:各工况的着火时刻均处于第2段预喷和主喷之间;从喷油时刻至着火时刻所经历的曲轴转角越来越小;着火时刻至放热中心所占用的曲轴转角则越来越大;缸内燃烧压力峰值出现位置与放热中心位置较为接近,相对缸内峰值压力出现位置,COHR不断后移且相距更远。与柴油相比,D10的滞燃期更长,其最大压升率也更高。由于易汽化的碳酸二甲酯促进了燃料混合及后续燃烧,从着火时刻到10%放热率及90%放热率对应时刻所占用曲轴转角均变小,说明碳酸二甲酯的加入有助燃烧的迅速进行。基于COHR为表征的燃烧特性分析,为碳酸二甲酯/柴油混合燃料的应用、多段燃油喷射调控燃烧过程及排放控制理论提供指导。     

喷油压力喷孔直径及燃油属性对混合柴油喷雾特性的影响

为了研究松油-柴油-PODE_(3-4)混合燃料的喷雾特性,该文利用高压共轨喷油试验台结合高速摄影技术拍摄了不同工况下松油-柴油-PODE_(3-4)混合试验燃料的喷雾发展图像,分析了燃油属性、喷油压力、喷孔直径对混合柴油喷雾特性的影响。结果表明:随着喷油压力的增加,试验燃料的喷雾锥角变大,喷油压力从100到160 MPa,每增加20 MPa喷雾锥角平均增加1°左右,喷雾前锋贯穿距离也有一定程度的增长,随着喷油压力从100增加到160 MPa,最大喷雾前锋贯穿距离增加13%左右;随着喷孔直径的增大,喷雾锥角和喷雾前锋贯穿距离都呈现增大的趋势,喷孔直径从0.10增加到0.18 mm,喷雾锥角增加了3°左右,喷雾前锋最大贯穿距离增加28%左右;在纯柴油的基础上掺混松油和PODE_(3-4)后的混合燃料,其喷雾锥角、贯穿距离和油束面积相对于纯柴油都有增长的趋势,说明在纯柴油的基础上掺混一定比例松油和PODE_(3-4)有助于改善燃料的雾化效果。试验研究结果可以为松油和PODE_(3-4)成为柴油机替代燃料提供参考。     

基于多普勒粒子分析仪的生物柴油喷雾特性试验

柴油机燃烧过程直接决定了柴油机的动力性、经济性和排放性能,而燃油雾化的质量又是影响燃烧过程最重要的因素。该文研究了生物柴油及其调和油的雾化特性,在模拟气缸中,运用相位多普勒粒子分析仪（phase Doppler particle analyzer,PDPA）测量系统对生物柴油及矿物柴油不同比例调和油的喷雾场进行了测量,得到了喷雾场中油滴的速度矢量和油滴直径。结果表明：在油束的核心区过后,喷孔直径对雾化影响比较大,小孔径的雾化效果好;喷油器不同的较小启喷压力（在常用启喷压力范围内）对生物柴油没有很大的影响;生物柴油的雾化效果不如柴油好,直观表现就是索特平均直径较大;油泵转速高,油滴的脉动速度就大,索特平均直径就小。     

喷油压力及背压对丁醇柴油喷雾影响的模拟及验证

为深入了解丁醇柴油的喷雾特性,该文根据喷雾可视化试验结果,利用AVL Fire软件建立了耦合喷嘴内流动的丁醇柴油喷雾模型,并依据试验结果证明了模型的准确性。通过该模型研究了喷油压力、背压和掺混比对丁醇柴油喷雾的影响,计算了各种因素对混合燃料的油束发展、喷雾贯穿距、索特平均直径(sauter mean diameter,SMD)、速度场和浓度场的影响。结果表明:随喷油压力和背压的变化,正丁醇体积分数为25%的丁醇柴油混合燃料(记为N25)的油束形态基本不变;随喷油压力的升高,N25的贯穿距增加,SMD减小,油束和环境的卷吸增强,油束中心速度和轴线附近浓度均增加;随背压的升高,N25贯穿距减小,SMD在喷雾初期稍降,喷雾中后期基本不变,油束中心的速度降低,浓度增加;随正丁醇掺混比的增加,贯穿距和SMD均逐渐降低;随环境温度的升高,贯穿距增加,SMD在温度由293.15 K升高后明显降低,而后随温度升高变化不大。该文的研究分析了多种因素对丁醇柴油喷雾的影响,为其作为替代燃料的应用提供了理论支持。     

喷射压力及环境背压对松油-柴油混合燃料喷雾特性的影响

为探究柴油/松油混合燃料的喷雾特性,基于高压可视化容弹试验台,通过高速摄影技术对掺松油的柴油混合燃料的喷雾过程进行试验研究,分析了喷射压力、背压和燃料物性的改变对喷雾宏观参数的影响。结果表明：混合燃料的喷雾贯穿距离先呈现一定程度的线性增长,然后增长幅度逐渐变小,喷雾锥角呈先减小再保持在一个相对稳定的数值趋势,但全程锥角变化不大;喷射压力从90 MPa升高至150 MPa,混合燃料的喷雾锥角和贯穿距离的平均增幅分别为9.2%和15%;背压从3 MPa增加到5 MPa,混合燃料的平均喷雾锥角增幅约2.6°,而贯穿距离降低11 mm左右,说明背压的改变对喷雾特性影响显著;将广安公式适当地修正可与混合燃料的贯穿距离相互吻合;向柴油中掺混一定比例的松油后,燃料的黏度降低,会引起喷雾锥角、贯穿距离和油束面积均小幅增大,增强燃料的油气混合。试验研究有助于改善柴油的雾化质量,可为柴油机代用燃料的筛选提供参考。     

高原缺氧环境下生物质燃料对柴油机性能和排放的影响

为了研究不同类别的含氧生物质燃料在高原缺氧环境下对发动机性能和排放的影响,在一台卧式双缸柴油机上分别燃用柴油、乙醇柴油E10(含10%体积分数的乙醇和90%体积分数的柴油)及生物柴油-乙醇-柴油B10E10(含10%体积分数的生物柴油,10%体积分数的乙醇和80%体积分数的柴油)3种燃料进行了对比试验。试验结果表明,在不对柴油机做任何调整的情况下,分别燃用E10和B10E10 2种含氧生物质混合燃料后,柴油机动力性下降,外特性转矩平均下降幅度分别达到4.24%和5.49%;当量燃油消耗率基本低于柴油,经济性有所改善。燃用含氧生物质燃料后,柴油机的经济性变化情况除了与燃料本身的属性相关,还与转速和负荷相关。燃用E10混合燃料后,柴油机的一氧化碳(CO)排放在低负荷时高于柴油,高负荷时低于柴油;碳氢化合物(HC)排放高于柴油水平,升高幅度范围达4.9%~27.4%;氮氧化物(NOX)排放在低负荷时低于柴油,高负荷时趋于柴油水平。燃用B10E10混合燃料后,一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)排放在低负荷时都趋于柴油水平,高负荷时都低于柴油水平;氮氧化物(NOX)排放在低负荷时低于柴油,高负荷时高于柴油水平。柴油机在燃用E10和B10E10 2种混合燃料后,碳烟排放均低于柴油水平。柴油机燃用B10E10混合燃料后的碳氢化合物(HC)排放,碳烟排放以及低负荷时的一氧化碳(CO)排放均低于E10,氮氧化物(NOX)排放基本高于E10。与E10燃料相比,B10E10混合燃料在柴油机的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)以及碳烟排放方面具有更好的改善效果;但是动力性下降幅度较大,氮氧化物(NOX)排放增加。该研究可为含氧生物质燃料在高原缺氧地区的应用提供参考。