高压GDI喷雾特性测量装置说明书 机械制造专业.docx

高压GDI喷雾特性测量装置说明书 目 录 第一章 绪论 1 1.1 课题研究背景 1 1.1.1 国外研究情况 2 1.1.2 国内研究情况 2 1.2 本课题研究的主要内容 3 第二章. 高压GDI喷雾特性测量装置的构建 4 2.1 GDI燃油供给系统 5 2.1.1气液增压泵 5 2.1.2稳压腔 5 2.1.3高压共轨 6 2.1.4喷油器 7 2.2 喷雾光学诊断测试系统 8 2.2.1 激光系统 9 2.2.2 图像采集系统 9 2.2.3定容弹 10 2.3 定容弹电控系统 11 2.3.1定容弹时序控制 12 第三章 高压GDI喷雾特性测量的实验研究 14 3.1 高压GDI喷雾宏观特性测量的实验研究 14 3.1.1 测量方法及定义 14 3.1.2 喷雾油束的发展历程 15 3.1.3 喷射压力对贯穿距离的影响 17 3.1.4 喷射压力对喷雾锥角的影响 18 3.1.5 喷射压力对喷雾面积的影响 19 3.1.6 高压GDI喷雾宏观特性测量结论 20 3.2高压GDI喷雾微观特性测量的实验研究 21 3.2.1 高压GDI喷雾微观特性测量方法 21 3.2.2 PDPA试验标定 22 3.2.3 试验方案 22 3.2.4 试验结果 22 3.2.5 高压GDI喷雾微观特性测量的实验结论 24 第四章 结论与展望 26 4.1 结论 26 4.2 展望 26 致 谢 28 高压GDI喷雾特性测量装置设计 专业班级：动力（机械）1501 学生姓名：李浙瑜 指导老师：贾何坤 职 称：副教授 摘要 在国际化背景下，面对全球能源危机和各国排放法规日益严格的压力，内燃机燃油排放和经济性的研究一直是汽车工业中最重要的领域之一。而缸内直喷技术在提高汽油机动力性和燃油经济性、实现精确的空燃比控制和降低尾气排放物等方面具有较大的优势。提高GDI发动机燃油的喷射压力，能够使喷雾粒子更加细化。增加燃油的蒸发速率，从而使油气混合更迅速、均匀，燃烧更充分，有利于减少颗粒物的排放。但目前大部分的GDI只能满足10～50MPa的油压，因此，本文致力于设计一个能够承受50～200MPa油压的GDI喷雾特性测试平台。在设计过程中，主要存在燃油压力和照相时机的控制问题。为解决以上这些问题，将高压GDI喷雾特性测量装置分为4个系统：GDI燃油供给系统、激光系统、图像采集系统以及定容弹电控系统。本文首先根据这4个系统各自的功能，分别对其进行结构设计和设备选型等。并且通过相关工具书的查询得到其基本的尺寸参数，然后进行设备的装配。在试验时，本文采用了LSD技术对喷雾锥角、喷雾贯穿距离、喷雾面积宏观参数以及SMD微观参数进行了测量，得到了想要的结论。 关键词：GDI 燃油供给 定容弹 喷雾特性 LSD Design of High Pressure GDI Spray Characteristic Measuring Device Abstract 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 important 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 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, 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 spray 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 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 micro parameters, and the desired conclusion was obtained. Key words: GDI Fuel supply Constant volume bomb Spray characteristics LSD 第一章 绪论 1.1 课题研究背景 近几十年以来，面对全球能源危机和各国排放法规日益严格的压力，内燃机燃油排放和经济性的研究一直是汽车工业中最重要的领域之一。传统的进气道喷射汽油机已然跟不上时代的需要了，因此缸内直喷汽油机在燃油消耗量以及尾气排放上的优势就越来越受到各大汽车厂商的高度重视。在20世纪90年代后半期，以可视化和数值模拟为代表的内燃机研究手段得到了快速发展，同时精度高、响应快的电控技术日益成熟，使得缸内直喷汽油机的研究得到了长足的发展。三菱、日产、丰田、福特、五十铃、马自达、奔驰、奥迪、本田、菲亚特、AVL、雷诺、FEV等国外许多汽车公司和研究机构都已经开发了比较成熟的GDI样机或产品。这些缸内直喷汽油机，在与常规进气道喷射（PFI）汽油机相比中，都显示了明显的优势。从已发表文献来看，部分负荷采用了分层稀薄混合气燃烧的GDI发动机，与传统PFI汽油机相比，燃油经济性一般可以提高25%左右，动力输出也增加了近10%。 GDI发动机可以采用更稀的空燃比，能提高压缩比和充气效率，系统优化潜力大，GDI发动机在提高动力性和降低油耗方面比其他两种发动机存在明显的优势，开发新的GDI发动机将带来巨大的经济效益和社会效益。但是GDI发动机也存在着一些开发难点和缺点。因此日本、欧美许多汽车公司和研究机构纷纷投入大量的人力、物力和财力，对缸内直喷汽油机展开了细致的研究工作。目前GDI发动机在国际上任是内燃机界研究的一个重要的前沿课题，被认为是未来汽油机发展的主要方向之一。 缸内直喷（GDI）发动机是未来实现汽油机节能减排的主要技术，对喷雾及混合气的形成过程的精确控制是发挥汽油直喷技术优势的关键点。深入理解燃料的喷雾特性能为GDI发动机的自主开发提供理论依据。 32 1.1.1 国外研究情况 Wang等人[1]采用了阴影法拍摄矩形、方形和三角喷孔的射流的发展过程（喷射压力482.6kPa），其中三角形喷孔射流的破碎速度率最为明显，而其的射流破碎长度最短。Ku等人[2]研究发现，在喷射压力为108MPa的条件下，相比圆孔，椭圆喷孔的喷雾贯穿距离更短，喷雾锥角增大，燃油雾化质量提升。Dolatabadi[3]采用了高速摄影的方法，在低喷射压力的条件下，测试了有效直径为0.3mm的圆孔、方形、矩形和三角形喷孔的射流破碎特性，发现了采用非圆喷孔可以有效提高射流的破碎速度，能缩短破碎长度，在促进燃油雾化方面很有潜力。Sharma等人[4]，在喷射压力为100MPa的条件下，测量了圆孔、椭圆、三角以及矩形喷孔的雾化特性参数，发现了椭圆喷孔喷雾锥角和喷雾油束投影面积最大。 1.1.2 国内研究情况 张丹等人[5]为了探究在高喷射压力下GDI喷油器的喷雾宏观特性，采用了阴影法对喷射压力为5～60MPa的喷雾进行测量，并分析喷射压力对油束发展历程、喷雾锥角、贯穿距离、喷雾面积以及喷油器尾喷现象的影响。得出了随着喷射压力增大，喷油器孔内外压力差增大，燃油经过喷孔的速度变大，瞬时喷油率增加，喷出的燃油具有较大的初速度，与环境气体的卷吸作用增强，加快燃油的扩散速度，同时喷射压力的增大也能够强化喷油器内部的湍流，加剧喷孔内部燃油的空化作用，增加油束的不稳定性，并促进油束的初次破碎，因此喷雾面积随喷射压力的增大有所增加。但喷雾面积随着喷射压力增大的增幅在不断地减小，这是由于喷射压力的增大能够促进液滴的破碎，加快燃油的蒸发速度，使得油束外围液滴转变为气态的时间缩短。这说明了提高喷射压力能够明显地增大燃油在气缸内的分布范围，有利于在较短时间内形成均质混合气。 徐宏明等人[6]在定容弹中利用高速摄影技术和相位多普勒粒子测试技术(PDPA)研究了背压、喷射压力和喷射脉宽对汽油直喷发动机多孔喷油器喷雾特性的影响，得到了不同位置油滴速度和粒径的相关性，并利用了Reitz等[7]提出的液滴袋状破碎标准理论(WeD＞12)展开分析。15mm位置处的油滴直径分布在0～20µm处，部分油滴出现在韦伯数大于12的范围，就可能继续发生破碎；30mm位置处的20～40µm间油滴的数量增多，韦伯数大于12的油滴数量减少；40mm位置处，韦伯数大于12的油滴则更少，同时在20～40µm处的油滴明显增加．随着测量位置逐渐远离