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原文传递 GDI椭圆喷孔喷雾撞壁特性研究

论文题名：	GDI椭圆喷孔喷雾撞壁特性研究
关键词：	缸内直喷汽油机;喷雾撞壁;椭圆喷孔;壁面油膜;燃油喷雾
摘要：	为满足严格的排放法规和燃油经济性标准需求，缸内直喷汽油机（GasolineDirectInjection，GDI）的喷射压力不断提高，燃油喷雾撞壁现象难以避免，造成颗粒物和未燃碳氢排放的恶化。现有研究发现，椭圆喷孔具有降低喷雾贯穿距离，同时改善雾化质量的潜在优势。针对缸内直喷汽油机中存在的喷雾撞壁问题，本文以GDI发动机椭圆喷嘴为研究对象，采用试验与数值模拟相结合的方法，开展了不同喷孔形状和不同撞壁条件对GDI椭圆喷孔喷雾撞壁特性影响的研究工作，为GDI发动机非圆喷孔的应用和喷雾撞壁现象的改善提供理论支撑。　　本文基于阴影法原理搭建了GDI椭圆喷孔喷雾撞壁试验平台，开展了椭圆喷孔喷雾撞壁试验。运用Converge软件，建立了GDI发动机椭圆喷孔喷雾撞壁数值仿真模型，对比了椭圆喷孔喷雾撞壁的试验与仿真计算结果，完成了椭圆喷孔喷雾撞壁模型的验证。建立了不同长短轴比的GDI椭圆喷孔仿真模型，其中长短轴比为2、3、4和5的椭圆喷孔分别定义为E2、E3、E4和E5。针对GDI喷孔形状对于喷雾撞壁特性的影响规律进行了研究。研究结果表明：与圆形喷雾相比，随着椭圆喷孔长短轴比的增加，椭圆喷雾表面积增大，喷雾发展速度减慢，喷雾撞壁时刻推迟。圆形喷雾撞壁后的铺展半径最大。与圆形喷雾相比，椭圆喷雾的卷吸能力更强，产生了明显的壁面涡旋结构，在垂直壁面上发生了更强力的动量交换，促进了燃油液滴的向上运动，椭圆喷雾的卷吸高度大于圆形喷雾。椭圆喷雾的附壁油膜质量和油膜面积均小于圆形喷雾，椭圆喷雾E2、E3、E4、E5的附壁油膜质量较圆形喷雾分别下降了6.01%、11.3%、15.79%和18.5%。随着喷孔长短轴比的增大，椭圆喷雾的附壁油膜平均厚度呈现出先下降后上升的趋势，椭圆喷雾E4的油膜平均厚度最小，比圆形喷雾下降了9.34%。　　研究了撞壁条件（喷射压力，撞壁距离、壁面倾斜角度和壁面温度）的变化对GDI圆形喷雾和椭圆喷雾E4喷雾撞壁特性的影响规律。结果表明：喷射压力的提高，圆形喷雾和椭圆喷雾E4撞壁动量增大，促进了铺展半径和卷吸高度的增大，并导致附壁油膜质量、平均厚度的下降。当喷射压力从20MPa提高到30MPa后，圆形喷雾油膜平均厚度下降了35.34%，椭圆喷雾E4油膜平均厚度下降了36.83%，椭圆喷雾E4的油膜质量始终小于圆形喷雾。撞壁距离的增大推迟了撞壁时刻，铺展半径及卷吸高度均减小。圆形喷雾和椭圆喷雾的油膜平均厚度随撞壁距离的增大而增大。当撞壁距离从30mm增大到70mm后，圆形喷雾油膜平均厚度增大了22.46%，椭圆喷雾E4油膜平均厚度增大了18.2%。增大壁面倾斜角度后，圆形喷雾和椭圆喷雾E4向下运动速度增大，增强了喷雾的卷吸能力，促进了铺展半径和卷吸高度的增大，油膜质量和平均厚度均减小。当壁面倾斜角度从0°增大到30°后，圆形喷雾油膜平均厚度降低了21.82%，椭圆喷雾E4油膜平均厚度降低了19.6%。升高壁面温度有助于促进延壁面射流的发展，改善附壁油膜的蒸发情况，降低附壁油膜质量和平均厚度。壁面温度从300K升高到420K后，圆形喷雾附壁油膜质量下降了43.92%，油膜平均厚度下降了20.7%；椭圆喷雾E4附壁油膜质量下降了46.87%，油膜平均厚度下降了18.73%。
作者：	王葭泽
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	尹必峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021