汽油和柴油在直喷压缩点火发动机中的喷雾和燃烧特性.doc

汽油和柴油在直喷压缩点火发动机中的喷雾和燃烧特性摘要 在配备了共轨喷射系统的直喷压缩点火发动机中来测试柴油和汽油的燃烧特性。在非蒸发条件下和蒸发条件下观察光学发动机定容室喷雾演化。非蒸发条件下，汽油和柴油的液体渗透长度是相似的。汽油喷射表现出相对较大的喷雾锥角比柴油喷雾。然而，汽油喷射表现出显着较短的液体渗透长度和较窄的喷射角比柴油喷雾蒸发条件下。在相同燃料蒸发条件下无论注射压力如何变化最大的液体渗透长度是保持不变的。柴油机喷雾通过在32曲柄角度早期的喷射定时上死点后的长期的液体渗透长度的燃料撞击燃烧室形成的壁润湿。为了研究金属发动机性能和排放的光学引擎中的火焰特性进行了一系列的燃烧实验，在一个喷射定时范围为上止点后0到40曲轴转角转速的低负荷条件下进行测试，在上止点附近注入时两个燃料之间在最大热效率是相似的。汽油燃烧产生大量的碳氢化合物，一氧化碳，氮氧化物，但与柴油燃烧相比有一个较低的烟尘排放量。然而，汽油燃烧的排放量通过早喷燃烧的预混合充量压缩点火有显著降。低直接燃烧的可视化显示，汽油燃烧主要是由预燃烧自然发光而柴油燃烧的发光主要归因于扩散燃烧发出的白炽光。然而，两种燃料都是通过早喷着火燃烧的预混合燃烧的化学发光为主。 1. 绪论压缩点火发动机是运输目的为最节能高效的引擎，它的开发很大程度上是由于其相对较高的压缩比和比较小的节流损失。然而，传统的柴油发动机的氮氧化物和烟尘排放量相对较高。因此，许多人已在试图研究减少有害气体排放的同时保持热效率高水平的燃烧技术。许多研究人员已经发现均质充量压缩点火和预混合充量压缩点火是能使氮氧化和物和烟尘排放量同时减少的技术。预混合压燃燃烧采用以适度的早喷定时来改善燃烧相位可控性和较高的碳氢化合物和一氧化碳的排放量，而对于均值冲量压缩点火燃烧来说这是最具挑战性的问题。虽然先进的柴油机燃烧技术可以与热效率高，减少有害气体的排放，但是依然存在着在燃烧前的预混合气制备的问题。传统的柴油燃料，具有高的大于40的十六烷值，燃料在和空气正常混合之前极易自燃与并且点火延迟较短 。此外，柴油的波动性不足以创造一个良好的预混合气。Gasoline-like fuels generally have properties of high volatility 汽油类的燃料一般有高波动性和良好的抗爆性。这些燃料已在高负荷运行性能和排放进行了广泛的测试。实验证明，汽油类的燃料已经在预混合压燃燃烧表现出了较长的点火延迟时间。汽油类的燃料可以在非常低的燃料消耗情况下，实现高负荷条件下非常低的氮氧化合物和碳烟排放。 在压燃式发动机中进行喷雾特性的分析是一个重要的问题。Payri和他的同事最近用普通的共轨喷射系统研究了液体非蒸发条件下的汽油和柴油的注入速度和喷雾贯穿距离。他们报告说，汽油和柴油的喷雾的喷雾动量表现出非常相似喷雾液体渗透长度和喷雾锥角。郑等人进行了在一个高燃料压力和高温的恒定体积容器进行的的可视化汽油喷雾和燃烧的实验，他们报告说，汽油类燃料与柴油燃料相比具有较长的点火延迟和剥离长度。It is valuable to investigate the physical mechanism and relationship for the spray and combustion characteristics because most engine research to date has focused on the improvement of the fuel consumption and exhaust emissions. In this study, the gasoline and diesel spray characteristics were investigated under both non-evaporating and evaporating conditions. The engine performance and emissions were tested with the injection timing. In addition, the direct combustion visualization assisted understanding of the different flame characteristics in the gasoline and diesel combustion 这个研究对于研究喷雾和燃烧特性的物理机制和关系是很有价值的，因为大多数的研究都集中在对发动机的燃油消耗和尾气排放的改进上。在这项研究中，该发动机在非蒸发和蒸发的条件下进行了性能和排放的喷射定时测试，研究了汽油和柴油的喷雾特性。此外，可视化直接燃烧增加了人们对于汽油和柴油的燃烧时不同的火焰特性的了解，。2 实验条件与实验步骤2.1 宏观非蒸发喷雾可视化条件一种用于非蒸发喷雾的宏观光学诊断系统原理图如图a所示。液体渗透长度和喷雾锥角的定义是在图1a描述。通过Mie散射技术直接摄影得到的喷雾图像。光可通过直径90毫米的石英窗口的四分之三进入压力室。压力室在氮气作用下达到室温。在Mie散射光直接摄影，火花光源通过一个窗口朝向喷雾，而一个电荷耦合摄像机通过垂直窗口捕获散射光。使用成像系统得到与火花光源同步的喷雾图像。2.2 对蒸发喷雾和燃烧的发动机性能和光学诊断 四冲程单缸柴油机是用来测试汽油和柴油。发动机的规格列于表1。发动机气缸直径为100毫米，行程为125毫米的，压缩比为17.4:1。实验装置的示意图如图b所示。发动机速度由82千瓦的交流电流测功机控制。Identical common rail-injection systems were used for the gasoline and diesel. The properties of the gasoline and diesel used in the experiments are listed in Table 1. The gasoline fuel has a lower density and viscosity than those of diesel. The distillation temperature range is also significantly lower for gasoline compared with diesel. The fuel pressure in the common rail was adjusted using a pressure controller (ZB-1200, Zenobalti Co.). The fuel injection duration was controlled using a programmable injector driver (IDU 5000B, Zenobalti Co.). Ambient air was introduced through an intake surge tank in order to settle fluctuation. An external air compressor was used to boost the intake air.汽油和柴油使用了相同的共轨系统。实验中汽油和柴油的性能在表1中列出了。表1 发动机规格和燃料特性.引擎配置 单缸，直接喷射，四阀门，压缩点火发动机 孔 行程 100 125 mm 位移 981 cc 压缩比 17.4:1 燃油喷射系统 共轨喷射系统 喷油器 8孔, HFR 460 cc/30 s, 喷射角146度 , 喷嘴直径 0.146 毫米 类别 美国材料测试协会 汽油 柴油 十六辛烷值 D4737 - 52 辛烷值 D2699 92.4 - 液体密度（kg/m3） D1298 764 826 低热值 (MJ/kg) D3338 43.1 42.6 10%蒸馏温度(T10,K) 314 508 50%蒸馏温度(T50 K) D86 346 562 90%蒸馏温度(T90, K) 413 616 运动粘度(mm2/s) 313 K D445 0.45 2.6汽油燃料对比柴油而言具有较低的密度和粘度。汽油的蒸馏温度范围也明显低于柴油。共轨燃油压力用压力控制器调整，燃料喷射时间是由一个可编程的喷油器驱动控制。让环境空气通过进气缓冲罐是为了解决波动，外部空气压缩机是用来提高进气的。 缸内压力数据由曲柄角 分辨率为0.2平均为100个周期的压电压力传感器测量。，并且计算了热释放速率。 废气排放的分析进行了使用一个非色散红外组成的废气分析仪对一氧化碳和二氧化碳的测量，化学发光检测器对氮氧化和物的测量和火焰离子化检测器分析仪对烃的测量。The engine was modified to allow optical access to the combustion chamber. A cross-sectional view of the optical engine system is shown in Fig. 1c. An elongated piston was equipped to enable the mounting of a 45 mirror beneath the piston quartz window.该发动机被修改后可使光进入燃烧室。该光学引擎系统的横截面图在图c显示。为了在活塞石英窗口下安装一个45度倾斜的镜子，他们使用了一个细长的活塞。，为了得到不失真的燃烧图像而设计的一个的金属发动机几何压缩比同样为17.4的光学引擎的活塞碗的底部是平的，而不是正常生产的发动机一样是凸的。然而，与金属引擎相比，光学引擎在转速为1200时的运转最大压力要略低0.3兆帕。因此，要通过调节进气增压压力来达到与金属发动机相同的峰值压力（如金属发动机：0.14 MPa，光学引擎：进气压力0.142 MPa）。用高速数字摄像机来得到汽油和柴油的燃烧蒸发喷雾图像。位于左、右高速摄像机仅仅用于蒸发喷雾可视化，为了从燃油喷雾获得的米氏散射光的强度达到要求人们使用了两个放电灯照明。为了实现喷雾蒸发条件下成像，使用纯氮代替空气以防止燃烧室点火。2.3 实验条件 对于非蒸发条件下可视化宏观喷雾，和发动机燃烧的具体实验条件列于表2。表 2实验条件 (主要参数调查） 对于非蒸发条件下的宏观喷雾可视化。（恒容积室） 注射压力 (MPa) 40, 60, 80, 100 环境压力 (MPa) 2 环境温度 (K) 298 喷油量 （mg) 汽油20, 柴油20.2 对于蒸发条件（光学引擎）根据宏观喷雾可视化 发动机转速 (rpm) 1200 喷油量 (mg) 汽油 20 ,柴油 20.2 喷油压力(MPa) 40, 60, 80 喷油正时 (CAD ATDC) -10, -32 进气压力 (MPa) 0.14 进气温度 (K) 298 冷却液温度 (K) 358 发动机性能和排放量（金属发动机） 发动机转速 (rpm) 1200 喷油正时CAD ATDC) -40,-0 喷油量(mg/冲程) 汽油20 , 柴油20.2 喷油压力e (MPa) 40 燃烧可视化 发动机转速 (rpm) 1200 喷油正时 (CAD ATDC) -10, -32 喷油量 (mg/冲程) 汽油20 , 柴油20.2 喷油压力 (MPa) 40对于喷雾可视化在压力固定在2 MPa定容室测试不同的注射压力。为了