GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量系统及方法与设计方案
直喷汽油机喷雾撞壁特性试验与模拟
直喷汽油机喷雾撞壁特性试验与模拟王艳华;李波;李云清;陈峰【摘要】To study the characteristics of gasoline spray after wall impingement from a high-pressure gasoline direct injector, a visible test rig was built to detect impinging spray development height, spray radius and spray tip growth rate. The impinging spray process was numerically simulated and verified by experimental data. According to experiment results and simulation, the effects of different injection pressure, ambient pressure, wall distance and angle and wall temperature on the characteristics of spray impingement were discussed. The results show that the spray high and radius are decreased with the increasing of ambient pressure. It is the opposite situation with the increasing of injection pressure. When the wall distance increases, spray high and fuel film thickness decrease, while spay radius increases. Increasing wall inclination and wall temperature can reduce the film thickness, while impingement wall time appear ahead for the enhenced wall inclination.%为了研究缸内直喷汽油机喷雾撞壁特性,建立了可视化喷雾试验台,测量了撞壁喷雾的高度、喷雾半径及喷雾远端发展速度.对喷雾撞壁过程进行了三维数值模拟,利用试验数据进行了校核.通过试验和模拟,分析了不同喷射压力、环境背压、喷嘴到壁面的距离、壁面倾角及壁面温度等因素对撞壁喷雾特性的影响.结果表明:环境背压的增大导致撞壁喷雾的高度和喷雾半径减小；在低背压条件下,由于环境气体对喷雾动量的反作用力较小,喷雾撞壁时刻明显早于高背压条件,且具有较大的喷雾远端速度；随着壁面距离的增大,撞壁喷雾高度和油膜厚度减小,喷雾半径增大；增大壁面倾角,撞壁时间提前,油膜厚度减小,撞壁喷雾高度和喷雾半径略有增大；壁面油膜随温度升高而减小.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(032)004【总页数】6页(P410-415)【关键词】汽油缸内直喷;喷雾撞壁;撞壁喷雾特性;壁面距离;壁面倾角;壁面温度【作者】王艳华;李波;李云清;陈峰【作者单位】北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191;中国汽车技术研究中心,天津300162;北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TK421汽油缸内直喷技术(GDI)的出现，在提高燃油经济性、降低污染物排放等方面具有潜在的优势，尤其在部分负荷工况时通过分层充量稀燃技术(DISC)来降低燃油消耗，即在火花塞处形成具有理论空燃比或稍浓的混合气，而在燃烧室的剩余部分充满了纯空气或燃烧循环产物稀释了的空气［1-6］.由于汽油机大多缸径较小，所以采用缸内直喷技术喷雾撞壁现象不可避免，尤其是在部分负荷工况时.在一定工况下，喷雾撞壁能加强燃油的升温和蒸发过程［7］，撞击破碎的燃油增加了与燃烧室接触的面积，而且近壁面的气体涡流加速了喷雾射流的扩散，提高了燃油与空气的混合程度.同时，喷雾撞壁后，在壁面形成了油膜，从而出现了液滴二次雾化现象，引起蒸发速率下降，部分燃油甚至脱离了主要燃烧阶段，液滴被氧化，以未燃碳氢化合物的形式排出［8］，尤其是在发动机冷启动和低速、低负荷运行工况时.在缸内直喷汽油机的研究中，人们发现缸套和活塞顶上的燃料油膜是产生较高HC和PM排放的重要原因［9-10］.喷雾撞壁角度和撞壁位置也是混合物形成的重要因素［11］.为了进一步开发DISI火花点火发动机，提高效率，降低排放，需要进一步研究喷雾撞壁现象.国内对汽油机燃油撞壁的研究较少，笔者通过试验和模拟分析，对汽油喷雾撞壁过程进行研究分析，考虑喷油压力、环境背压、壁面倾角、喷嘴距壁面的距离、燃油撞壁时间等因素对撞壁喷雾的影响，为燃烧室的设计、火花塞和喷油器的布局、进气道形式、喷油时刻的确定提供设计依据.1 试验装置1.1 喷雾撞壁试验试验用BOSCH公司的GDI喷油器，喷孔直径为0.5 mm.图1为高压燃油喷雾试验系统.高压压缩的氮气将燃油加压后传递到喷油器端.两端装有石英玻璃的定体积压力容器与另一装有高压压缩混合气(混合后的分子量与空气相当)的气瓶相连.一个经过研磨的、可调整角度和高度的壁板安装在容器内部.光源为镝灯，功率为1.8 kW.喷油信号由ST Micro-electronics L9707模块控制，输出的5 V TTL电平用于同步触发高速摄像机(Phantom公司生产)，分辨率为512×512，采样频率为10000帧·s-1.图1 燃油喷雾试验系统Fig.1 Fuel spray test system1.2 撞壁喷雾试验条件试验过程中每次喷油量为26.66 mg，喷油脉宽由喷油压力决定.喷油压力设为6.00 MPa，调整定压容器内压力从0.05～1.20 MPa变化.在容器内设置碰撞壁面，壁面中心到喷孔出口的距离取30，40，50，60 mm，调整不同壁面距离时的倾角分别为0°，30°，45°和60°.整个喷雾撞壁试验在环境温度且无空气扰动的情况下完成.1.3 喷雾撞壁参数定义为了描述撞壁后喷雾的发展，这里引入撞壁喷雾高度h和喷雾半径R.图2为垂直和倾斜喷雾撞壁参数示意图.图2 喷雾撞壁参数Fig.2 Parameters of spray impingement图2中喷雾半径R为撞壁后喷雾射流沿着壁面方向的贯穿距离;撞壁喷雾高度h为垂直于壁面方向的贯穿距离;L为从喷嘴到壁面的距离;θ为壁面倾角.采用基于Matlab软件自行开发的图像处理方法获得喷雾特性的定量化研究［12］.2 数学模型利用计算流体力学软件AVL Fire软件对喷雾撞壁过程进行模拟计算分析.对喷雾过程选用Han Sheet+TAB模型模拟初始雾化和二次雾化.燃油从喷孔喷出后，形成空心圆锥形的燃油薄膜.随着空气动力产生的表面波不断增长，在薄膜表面出现扰动，进而薄膜破碎成油线.不稳定的油线进一步破碎成较大的油滴.油滴在各种外力的作用下发生振动，分散成小液滴.采用Bai Gosman的撞壁模型.该模型考虑了液滴的黏附、铺展、反弹、飞溅.以入射液滴的韦伯数We为衡量标准.对于干壁面:① 附壁:We≤ALa-0.18;② 飞溅:We＞ALa-0.18，其中:A 为与壁面粗糙度有关的常数，这里A=2065;La为Laplace数，根据试验条件进行模拟计算.对于湿壁面:①反弹:We≤5;② 铺展:5＜We≤1320La-0.18;③ 飞溅:We＞1320La-0.18.3 结果和分析3.1 垂直喷雾撞壁发展过程图3为壁面距离L为50 mm，壁面倾角为0°，在环境背压 pamb为0.10，1.00 MPa，喷油压力 pinj为6.00 MPa时的喷雾撞壁发展过程试验与模拟对比.t1为燃油喷射从启动到喷雾撞壁时的时间.图3 垂直喷雾撞壁发展过程试验与模拟对比Fig.3 Comparison of vertical spray impingement processes in experiment and simulation由于环境温度为297 K，所以喷雾撞壁后产生附壁和飞溅现象.在喷雾撞壁发展过程中，由于喷雾射流和环境气体的相互作用，在高背压条件下形成明显的喷雾撞壁涡旋结构，气流运动阻碍了喷雾速度的发展.从图3可以看出，喷雾模拟结果和试验结果相近.在低背压环境下，喷雾为中空锥形，在壁面上形成的油膜较薄且与壁面有较大的接触面积，从而能加快液滴的蒸发、扩散.然而，随着环境背压的增大，喷雾锥角减小，喷雾液滴密集，撞壁后所形成的油膜较厚且分布在较小的范围内，不利于液滴的蒸发、扩散.撞壁后，由于环境气体的阻力作用，喷雾射流的动量快速递减.在pinj=6.00 MPa，θ=0°时，不同壁面距离的喷雾高度随撞壁后时间t2的变化，如图4所示.随着壁面距离的增加，撞壁喷雾高度递减.以撞壁时刻为时间零点，喷雾高度在2.4 ms时达到最大值，之后随着燃油喷雾与环境气体相互作用，液滴动量减小并伴随有蒸发，喷雾高度开始降低.图4 喷雾高度变化对比Fig.4 Varying of spray impinging wall height在 pinj=6.00 MPa，θ=0°时，喷雾半径随撞壁后时间的变化，如图5所示.撞壁喷雾半径随着壁面距离的增大而增大.低背压条件下喷雾锥角较高背压大，所以其喷雾撞击点半径较大.撞击壁面后喷雾半径的增大，使液滴与壁面有较大的接触面积，易于快速蒸发、扩散.图5 喷雾半径变化Fig.5 Varying of spray impinging wall radius模拟计算不同环境背压(0.10，1.00 MPa)的喷雾撞壁，喷油压力为6.00 MPa，壁面距离为40 mm，喷雾外形如图3-5所示.撞壁喷雾高度和喷雾半径随背压增大而减小，主要是因为高压环境，气体密度较大，所以对液体产生较大的运动阻力.3.2 倾斜喷雾撞壁发展过程壁面距离L为30 mm，壁面倾角为30°，喷油压力为6.00 MPa，在不同环境背压(0.10，1.00 MPa)下的喷雾撞壁发展过程，如图6所示.雾发展［13］.图7为环境背压为0.10 MPa，壁面倾角为30°，45°和60°，对撞壁喷雾高度和撞壁喷雾半径的影响.图6 倾斜喷雾撞壁发展过程试验与模拟对比Fig.6 Comparison of inclination spray impingement developments in experiment and simulation从图6可以看出，模拟结果与试验结果基本一致.由于撞壁喷雾在沿壁面向上方向的贯穿距离较小，因此，这里仅考虑撞壁喷雾沿倾斜壁面向下的喷图7 壁面倾角对撞壁喷雾高度及喷雾半径的影响Fig.7 Influence of wall inclination and wall inclination on spray height随着壁面倾角的增大，撞壁喷雾高度和半径都略有增大，表明:增加的壁面倾角减小了撞壁对喷雾发展的影响，更多的喷雾动量沿壁面向下发展.3.3 自由喷雾和撞壁喷雾的喷雾发展速度撞壁喷雾发展可以分成2部分:自由喷雾(从喷嘴到壁面段)和撞壁喷雾(从喷雾最初撞壁到撞壁结束段).这里引入撞壁时间tw作为2段喷雾的转折点.图8为不同壁面距离下，自由喷雾和撞壁喷雾远端的速度v发展情况.t3为开始喷油后时间.图8 壁面距离对撞壁喷雾发展速度的影响Fig.8 Influence of wall distance on velocity喷雾远端的速度增长自撞壁点处开始迅速递减，较小的壁面距离伴随较短的撞壁时间，壁面距离为50 mm时的撞壁时间为1.1 ms，壁面距离为40 mm时的撞壁时间为1.0 ms，壁面距离为30 mm时的撞壁时间为0.9 ms，从3.5 ms开始，喷雾发展速度保持在15 m·s-1即喷雾动量在于环境气体的作用中趋于平衡.在不同环境背压条件下的喷雾发展速度，如图9所示.在低背压条件下，由于环境气体对喷雾动量的反作用力较小，喷雾撞壁时刻较早，如环境背压为0.05 MPa时，撞壁时间为1.1 ms;而环境背压为1.00 MPa时，撞壁时间为3.2 ms.图9 环境背压对撞壁喷雾发展速度的影响Fig.9 Influence of ambient pressure on velocity3.4 喷雾撞壁油膜发展燃料油膜的形成，直接影响混合气形成和排放.图10-12为不同温度、不同撞击壁面距离以及壁面倾角下油膜质量变化的模拟结果.在pinj=6.00 MPa，pamb=0.05 MPa，L=40 mm，θ=30°，壁面油膜质量随温度变化，如图10所示.图10 壁面油膜质量随温度变化Fig.10 Effect of wall temperature on fuel film mass从图10可以看出，随壁面温度的升高，壁面油膜厚度减小.当壁面温度较低(300K)，油膜质量m1约为喷油总质量m的20%，φ=m1/m，当壁面温度超过汽油的平均沸点温度460 K时，壁面基本没有油膜存在.在 pinj=6.00 MPa，pamb=0.05 MPa，T=300 K，θ=30°，不同撞壁距离下喷雾油膜的变化，如图11所示.图11 不同撞壁距离下喷雾油膜变化Fig.11 Effect of wall distance on fuel film mass从图11可以看出，随着壁面距离的加大，油膜质量减少，主要是因为远距离撞击壁面的液滴动量相对较小，而近距离撞击壁面时，液滴不仅具有较大的动量而且飞溅现象比较明显.在 pinj=6.00 MPa，pamb=0.05 MPa，T=300 K，L=40 mm，不同壁面倾角下喷雾油膜的变化，如图12所示.图12 不同壁面倾角下喷雾油膜变化Fig.12 Effect of wall inclination on fuel film mass壁面倾角直接影响喷雾撞击距离，从图12可以看出，随壁面倾角的减小，撞壁时间相继滞后约0.1 ms，但是油膜厚度的形成速率递增.壁面倾角越小形成的油膜厚度越大.4 结论1)随着环境背压的增大，撞击喷雾高度和半径减小.较低背压下形成的喷雾具有较大的中空锥结构，撞壁后所形成的油膜较薄且分布面积较大，增大了燃油撞壁的接触面积，加速了喷雾的发展;有利于燃油液滴的蒸发、扩散，而在较大的背压下刚好相反.2)在低背压条件下，由于环境气体对喷雾动量的反作用力较小，喷雾撞壁时刻明显早于高背压条件，且具有较大的喷雾远端速度.3)随着撞击壁面距离的增大，喷雾粒子撞击壁面时具有的动量减小，撞壁喷雾高度减小，而喷雾撞壁半径增大.同时，增大撞击壁面距离，将延迟撞壁时刻，产生较小的喷雾远端速度和油膜厚度.4)壁面倾角的增大将减小撞壁阻力，有利于油雾向前发展，撞壁喷雾高度和喷雾半径略有增大.壁面油膜质量受壁面倾角的影响，壁面倾角增大，油膜厚度减小. 5)壁面油膜随温度升高而减小.当壁面温度超过汽油的平均沸点温度460 K时，壁面基本没有油膜存在.参考文献(References)【相关文献】［1］Shim Y S，Choi G M，Kim D J.Numerical and experimental study on hollow-conefuel spray of high-pressure swirl injector under high ambient pressure condition［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2008，22:320-329.［2］邓巍，何雄奎，丁为民.基于压力变量喷雾的雾化特性及其比较［J］.江苏大学学报:自然科学版，2009，30(6):545-548，563.Deng Wei，He Xiongkui，Ding Weimin.Characteristics and comparison of pressure-based variable spray［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2009，30(6):545-548，563.(in Chinese)［3］Wang Xibin，Gao Jian，Jiang Deming，et al.Spray characteristics of high-prssure swirl injector fueled with methanol 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柴油机喷雾油滴撞击球面特性的数值模拟
柴油机喷雾油滴撞击球面特性的数值模拟朱晓丽;仇性启;李大树;于磊;郑志伟【摘要】以柴油发动机燃烧室内喷雾油滴撞壁为研究对象,运用计算流体力学软件FLU-ENT,基于流体体积法(VOF),建立了高温柴油液滴撞击低温球形不锈钢壁面的数值模型,对撞壁过程流动及传热特性进行了研究,并对模型进行了实验验证.研究表明:柴油液滴撞击亲油性球形壁面后铺展系数随时间递增,一段时间后保持为恒定值;壁面热流密度在液滴与壁面接触区域内呈现不均衡分布,且数值随时间递减;液滴直径、撞壁速度对撞壁特性有影响,这两个因素均与铺展系数和总壁面热流密度数值成正相关,但与达到最大铺展系数及最大总壁面热流密度的无量纲时间无关;速度超过临界值,油滴撞壁后将会产生飞溅及二次液滴.【期刊名称】《青岛科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(037)004【总页数】7页(P440-445,450)【关键词】液滴撞壁;球面;撞壁特性;液滴直径;撞壁速度;数值模拟【作者】朱晓丽;仇性启;李大树;于磊;郑志伟【作者单位】中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)化学工程学院,山东青岛266580【正文语种】中文【中图分类】TK124;TK421柴油发动机喷雾燃烧中，由于燃烧室几何空间的限制，喷雾油滴撞击到固体壁面的现象不可避免[1]。
油滴撞壁后易沉积在燃烧室壁面上，造成油滴蒸发和燃烧不充分，降低燃烧效率，增加污染物的排放。
研究发动机喷雾燃烧过程中的油滴撞壁特性，有助于预测燃烧室内附壁油膜状况，进而对油滴撞壁现象进行合理优化或利用，适当提高燃烧效率，减少污染物的排放，因此具有非常重要的实际应用价值[2-3]。
目前对于液滴撞壁现象，国内外相关学者多选取液滴撞击理想的水平壁面为研究对象，对于撞击曲面的研究较少[4-6]；另外，前人的相关研究多侧重于撞壁的动力学特性研究，以及液滴尺寸、撞壁速度、壁面润湿性等相关因素对撞壁形态的影响[7-13]，较少考虑撞壁液滴与壁面间的传热特性。
油膜厚度检测方法
油膜厚度检测方法说实话油膜厚度检测方法这事，我一开始也是瞎摸索。
我试过好多种方法呢。
我最先想到的就是拿尺子去量，你可别笑啊，当时就觉得油膜不就那么一层嘛，直接量量多厚不就得了。
但很快我就发现这不行，油膜哪是老老实实让你用尺子量的呀，它又不是一块硬邦邦的东西，这个方法完全失败了。
后来呀，我就想到利用光学原理。
我就像个小科学家似的，找了个激光设备，想通过光穿过油膜的折射啥的来判断厚度。
这个理论上感觉挺靠谱的吧。
我就捣鼓啊，但是具体的折射角度这些数据的处理可把我难坏了。
首先这个设备就不好校准，稍微动一下偏差就很大。
而且不同的油膜性质可能不一样，对光的反应也不一样，我都不确定我测出来的数据是不是准确的。
这时候我才知道，这个方法要搞准确得有专业知识，我光自己瞎鼓捣是不行的。
再后来啊，我还试过称重的方法。
我想呢，先找个已知面积的容器，涂上油膜，然后称一下有油膜和没油膜的重量差值，根据油的密度算出体积，再根据面积算出厚度。
但是这里面误差可太多了。
比如说在涂油膜的时候很难保证涂得特别均匀，可能某一处厚一点，某一处薄一点，那算出来的体积就不对了，厚度也就跟着错了。
最近我试了一个相对靠谱点的方法。
就是利用电容原理，就像那种电容屏手机的原理，当有油膜存在的时候电容的值会发生变化。
我呢，先是做了个小小的电容检测装置，把这个装置放在油膜附近，然后记录电容值的变化。
不过这个方法也不是那么容易的。
想要精确测量的话，周围的环境也很重要。
像温度湿度这些就可能影响电容的数值。
我就想啊，要是能在一个恒温恒湿的环境里测就好了。
要是你也想检测油膜厚度的话，我的建议就是如果对精度要求不是特别高的话，像那种称重啊，光学简单测测的方法可以先试一下。
但要是对精度要求高，那就得去研究那些更科学复杂的方法，而且得多去了解相关的知识原理，可不能像我之前那样瞎搞了。
而且在动手做之前，一定要把得考虑到的因素都列出来，别到时候像我发现一堆问题手忙脚乱的。
嗯，目前我也就摸索到这么些方法了，以后要是有新发现我再跟你说。
等离子喷涂热障涂层厚度测量方法研究
等离子喷涂热障涂层厚度测量方法研究热障涂层是各类复杂的物理和化学成分组合的系统，可以用来保护基体外表面在高温条件下的损坏，它是一种缓冲层和隔热隔热材料。
所以它的厚度也是非常重要的，有作用的厚度太薄的热障涂层就不能发挥预期的作用了。
此外，根据热障涂层厚度的测量方法来判断热障涂层的质量，在实际中我们也可以根据测量结果来优化工艺。
首先，等离子喷涂热障涂层厚度的测量方法有很多种，例如，量角仪法，激光测厚仪法，原子力显微镜法，X射线技术法，离子束剖面分析法，接触角计法等。
而X射线技术可以用来测出热障涂层厚度，原理是发射X射线，然后用X射线扫描仪测到该热障涂层的厚度。
但是X射线技术有一些缺点，例如，测量时间长，定位不准确，成本高等。
此外，量角仪法也可以用来测量喷涂热障涂层的厚度，通常可以用量角仪测量得出只有一定厚度的厚度。
量角仪是利用一个尖状的金属片，经由声速变化的原理，让声音横波向涂层表面发射，声音部分在涂层上反射，回输入该金属片，然后由量角仪显示出该热障涂层的厚度。
但是这种方法的精确度受到量角仪的质量的影响，有时可能无法测出极薄的涂层厚度。
最后，激光测厚仪测量离子涂层厚度也是一种有效的方法，这种方法利用激光产生的聚焦点抛射至涂层表并反应回来，通过测量抛射-反射时间及抛射使用台数，从而得出该表面厚度，有精确高效的特点。
但是，这项技术不能测量有高反射机制的物体，而且也有一定的测试限制。
总之，等离子喷涂热障涂层的厚度测量方法有很多，例如量角仪法、激光测厚仪法和X射线技术法等，每种方法都有各自的优缺点，在实际测量中必须综合考虑，选择合适的方法。
此外，它们也可以用在其他类型的涂层厚度测量上，以此来确保涂层的质量，发挥预期的作用。
超声法测量油膜厚度的系统设计
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以预料的严重后果ꎮ 因此ꎬ实现油膜厚度的测量具有重要
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的研究意义ꎮ
目前 的 测 量 方 法 有 电 学 法
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[３]
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以及超声
法 [４] ꎮ 超声波具有非入侵、 穿透能力强、 指向性好等特
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０ 引言
据进行分析ꎬ得出油膜厚度ꎮ
为了防止磨损ꎬ通常在齿轮、轴承等机械零件的接触
表面加注润滑油ꎬ它们的使用寿命依赖于润滑油膜的完整
性 [１] ꎮ 油膜较厚时ꎬ会导致机械零件承载能力下降、工作
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不稳定等现象ꎻ油膜较薄时ꎬ会加剧接触表面磨损ꎬ产生难
电气与自动化
王波ꎬ等超声法测量油膜厚度的系统设计
ＤＯＩ:１０.１９３４４ / ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１６７１－５２７６.２０２０.０５.０３９
超声法测量油膜厚度的系统设计
王波ꎬ马希直ꎬ张步高
( 南京航空航天大学 机电学院ꎬ江苏 南京 ２１００１６)
摘 要:为了测量机械设备中油膜的厚度ꎬ基于超声波反射系数法设计了一种超声膜厚测量系统ꎮ
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｏｉｌ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎬ ａｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｂａｓｅｄ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ. Ｔｈｅ ｃｅｒｔａｉｎ ｈｕｍａｎ － ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ μＣ / ＯＳ － ＩＩ ａｎｄ
GDI超高压喷雾撞壁特性的激光可视化
第50卷第8期2019年8月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)V ol.50No.8Aug.2019 GDI超高压喷雾撞壁特性的激光可视化许锴1，卫立夏1，裴毅强2，王晨晰2，李翔2，李俊启1，叶自旺2，许贝2(1.广西大学机械工程学院，广西南宁，530000；2.天津大学内燃机国家重点实验室，天津，300072)摘要：为了探究缸内直喷(GDI)喷油器异辛烷燃料在超高喷射压力下喷雾的撞壁发展过程及附壁油膜特性，通过激光米氏散射原理和激光诱导荧光(LIF)系统对喷射压力为10~50MPa的喷雾进行测量，系统地研究喷雾撞壁形态的发展过程、扩展半径、反弹高度，以及附壁油膜的具体形态、油膜面积、燃油附壁率等参数随喷射压力升高而产生的变化。
研究结果表明：提高喷射压力，自由喷雾阶段枝状结构发展加快导致悬浮在空中的液滴簇团增多，燃油与空气混合作用增强；扩展半径和反弹高度随喷射压力的提高先增大后减小，二者峰值均出现在30MPa的超高压状态下；随着喷射压力增大，油膜整体变薄，油膜面积缓慢增大，附壁质量减少；喷射压力增至50MPa后，油膜平均厚度相比10MPa时减少约90%，燃油附壁率下降至5%左右。
关键词：超高压；GDI喷油器；激光诱导荧光法；喷雾撞壁；附壁油膜中图分类号：TK413.8文献标志码：A文章编号：1672-7207（2019）08-2009-09Laser visualization on characteristics ofGDI ultra-high pressure spray impingementXU Kai1,WEI Lixia1,PEI Yiqiang2,WANG Chenxi2,LI Xiang2,LI Junqi1,YE Ziwang2,XU Bei2(1.School of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning530000,China;2.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin300072,China)Abstract:In order to explore the spray-wall impingement development process of gasoline direct injection(GDI)injector fueled with isooctane under ultra-high injection pressure and the characteristics of the wall-adhering film,laser Mie scattering and laser induced fluorescence(LIF)system were used.Spray images were obtained under the injection pressure from10MPa to50MPa,and the various parameters including development process of the spray wall,the expansion radius,the rebound height,the shape of the wall-film,the wall-film area and the fuel adhering rate were studied systematically.The results show that with the increase of injection pressure,the development of the dendritic structure accelerates in the free spray stage,which in turn leads to the increase of droplet clusters suspended in the air and enhance the mixing effect of fuel and air.The expansion radius and the rebound height first increase and then decrease with the increase of injection pressure,and the peak values occur at an ultrahigh pressure state of30MPa.With the increase of injection pressure,the morphology change of the wall-film is not obvious,but the wall-film becomes thinner overall,the wall-film area slowly increases,and the quality of wall-film decreases.When the pressure increases to50MPa,the average thickness reduces by about90%compared with that at10MPa,and the fuel adhering rate reduces to about5%.Key words:ultra-high pressure;GDI injector;laser induced fluorescence method;spray impingement;wall-film收稿日期：2018−12−06；修回日期：2019−03−25基金项目(Foundation item)：移动源污染排放控制技术国家工程实验室开放课题(NELMS2017C01)(Project(NELMS2017C01)supported by the Open Fund of National Engineering Laboratory for Mobile Source Pollution Emission Control Technology)通信作者：裴毅强，博士，副教授，从事GDI发动机研究；E-mail:*************.cnDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2019.08.029第50卷中南大学学报(自然科学版)缸内直喷(gasoline direct injection,GDI)发动机能够减少爆震和泵气损失，因此，在动力性和燃油经济性上具有显著优势，目前已经成为汽油机领域的研究热点之一[1−3]。
涂层测厚仪和超声波测厚仪使用方法和技巧
涂层测厚仪和超声波测厚仪使用方法和技巧镀层测厚仪的日常维护方法一、检修或者维护和修理时注意关闭电源和电脑当我们的镀层测厚仪在线上检修或者短时间不用于生产任务时，我们就要适时关闭测厚仪的扫描电源以及电脑，让其得到充足的冷却休整，在下一次开启时提前一个小时为镀层测厚仪通上电和打开电脑，保证开启后能够正常的维持设备的运行。
二、检查好水冷却机的状态为了防止设备运行过热我们在使用镀层测厚仪时肯定要注意好水冷却机内的温度要保持在30度左右，每个月我们都需要给水冷却机进行换水，防止产生水体过于污浊产生沉淀物拦阻我们设备的使用。
三、定期进行润滑油的更换要想我们专业的镀层测厚仪能够正常连续的保持运转就得要定期的给扫描架的轴承进行润滑油的更换，这样技能提高我们设备的运行效率又能削减镀层测厚仪扫描架在使用时的磨损。
四、运行过程紧要注意检查工作即便我们拥有了品质好的镀层测厚仪也不能在运行的过程中马虎大意，肯定要做好运行过程中的检查工作，查看扫描架是否有不正常的震动或者是反常的声音等。
涂层测厚仪和超声波测厚仪使用方法和技巧涂层测厚仪使用方法和技巧:在使用涂层波测厚仪时注意对仪器的操作步骤及使用技巧，可以大大加添涂层测厚仪的使用寿命和测量的精准度。
超声波测厚仪使用注意四项（1）使用涂层测厚仪测量时，探头肯定要垂直于被测物的表面；（2）测量时不要拖动探头，由于这样不但对探头会造成磨损，也不会得到精准的测量结果；（3）测量时探头线在连接探头的位置不能过分弯曲及抖动（针对分体式涂层测厚仪），这样会影响测试效果，从而得不到精准而稳定的测量结果；（4）尽量保证涂层测厚仪为专人使用和保管；如感觉测量结果偏差比较大时，请先用随机配备的五片塑料校准片做一轮测试，如偏离允许误差较远则有可能是仪器自身出了问题，需返厂检修，切记不可自行拆卸自行维护和修理。
超声波测厚仪使用方法和技巧：1、工件表面粗糙度过大，造成探头与接触面耦合效果差，反射回波低，甚至无法接收到回波信号。
热喷涂涂层厚度的超声无损检测方法研究的开题报告
热喷涂涂层厚度的超声无损检测方法研究的开题报告一、选题背景热喷涂是一种表面修复和防护技术，可在金属、陶瓷、塑料、复合材料等材料表面形成一层密实、均匀的涂层，提高材料性能、延长使用寿命。
热喷涂涂层通常分为聚焦热喷涂、高速燃气喷涂和等离子喷涂等几种类型，其涂层厚度在几微米到数毫米不等，对涂层厚度的精确控制和检测具有重要意义。
由于热喷涂涂层的特殊性质，传统的检测方法难以准确识别和评估其涂层厚度及其质量问题，因而需要研究开发一种高精度、非破坏性的超声无损检测方法。
本研究将探讨热喷涂涂层厚度的超声无损检测方法及其应用。
二、研究目的本研究旨在探讨热喷涂涂层厚度的超声无损检测方法，包括超声传感器的选型、信号采集与处理、数据分析等方面，以实现对热喷涂涂层涂层厚度和质量的高精度检测和评估。
三、研究内容1. 热喷涂涂层的基础知识和超声无损检测原理2. 超声传感器的选择、定位和校准3. 超声信号采集与处理的技术4. 数据分析和处理方法的研究和开发5. 涂层厚度和质量的评估标准的研究6. 相关实验的设计与实施四、研究方案1. 研究方法：本研究采用实验研究法和数值模拟方法相结合，分析和探究热喷涂涂层的超声无损检测原理和方法，设计和开发相应的数据处理和分析软件。
2. 研究步骤：（1）热喷涂涂层的基础知识和超声无损检测原理的理论研究（2）超声传感器的选型、定位和校准以及超声信号采集和处理技术的开发（3）实验数据的采集和实验结果的分析（4）研究和开发涂层厚度和质量的评估标准（5）开发相关软件，进行数据处理和分析（6）实验验证、成果总结和论文撰写3. 研究内容：（1）热喷涂涂层的基础知识和超声无损检测原理（2）超声传感器的选型、定位和校准以及超声信号采集和处理技术的开发（3）实验数据的采集和实验结果的分析（4）研究和开发涂层厚度和质量的评估标准（5）开发相关软件，进行数据处理和分析（6）实验验证、成果总结和论文撰写五、预期成果本研究将设计和开发一种高精度、非破坏性的超声无损检测方法，能够准确识别和评估热喷涂涂层厚度及其质量问题。
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本技术涉及GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量系统及方法。
测量系统包括：GDI喷油器，第一石英玻璃平板，YAG激光器，第一反射镜和匀光片，CCD相机，滤波片、第二反射镜，加热系统；所述加热系统将第一石英玻璃平板加热至157摄氏度。
本技术相对于现有技术的优点是：根据标定试验得到的油膜厚度与荧光强度的关系，利用MATLAB程序将荧光强度信号转化为油膜厚度信息，并利用MATLAB程序计算得到附壁油膜的质量。
技术要求1.GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量系统，包括：位于正上方且垂直向下喷射的GDI喷油器，位于喷油器正下方的第一石英玻璃平板，YAG激光器，位于YAG激光器与第一石英玻璃平板下方之间的第一反射镜和匀光片，CCD相机，位于CCD相机与第一石英玻璃平板下方之间的滤波片、第二反射镜，加热系统；所述加热系统将第一石英玻璃平板加热至157摄氏度；其特征在于，所述加热系统包括：热电偶温度传感器、PID温控表、上金属托盘、下金属托盘、放置在上金属托盘和下金属托盘之间的加热丝、变压器、空气开关、固态继电器；所述上金属托盘上面放置第一石英玻璃平板；所述变压器的输入端连接220V交流电源，输出端一路连接在固态继电器的交流端，最后接入加热丝的其中一个电极，输出端另外一路通过空气开关最后接入加热丝的另一个电极；所述固态继电器的直流端连接温控表；所述加热丝通过传递热量给上金属托盘，然后将石英玻璃平板加热到设定的温度。
2.在权利要求1所述测量系统上实现的GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量方法，其特征在于，测量方法包括如下过程：(一)燃料选择：异辛烷和3-戊酮的混合物，其中，3-戊酮的体积百分比为12％；(二)固定厚度油膜的标定：将上石英玻璃平板、下石英玻璃平板用特定厚度的垫圈隔开，称之为第二石英玻璃平板，中部空腔充入燃料，形成固定厚度的油膜L标；将第二石英玻璃平板替代第一石英玻璃平板，用266nm激光照射已知厚度的油膜，拍摄记录此时的荧光信号F标；记D＝F标/L标；(三)油膜厚度测量：步骤一：连接系统，加热系统将第一石英玻璃平板壁面加热至试验所需温度；步骤二：GDI喷油器将燃料喷射在一定温度的第一石英玻璃平板上，YAG激光器发射激光束，含有波长为266nm的激光和少量波长为532nm的激光，经过第一反射镜，透射波长为532nm的激光，反射波长为266nm的激光，将少量532nm激光过滤掉，其次经过匀光片，使激光能量在截面上均匀分布，同时将激光束变大，照亮喷射在不同温度第一石英玻璃平板上的整个喷雾区域，3-戊酮在266nm激光照射下，产生峰值波长420nm的荧光信号，第二反射镜将该荧光信号反射到CCD相机中，CCD相机将该荧光信号F拍摄记录下来传输并保存至电脑；为了得到更好的试验效果，在第二反射镜和CCD相机之间的滤波片为允许波长410nm-430nm信号通过的带通滤波片，进一步过滤干扰信号；步骤三：根据L＝F/D，得到油膜的厚度L；步骤四：利用MATLAB程序计算得到附壁油膜的体积，并在已知燃料密度的情况下计算得到附壁油膜质量。
3.在权利要求1所述测量系统上实现的GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量方法，其特征在于，包括如下过程：(一)燃料选择：异辛烷和3-戊酮的混合物，其中，3-戊酮的体积百分比为12％；(二)固定厚度油膜的标定：将上石英玻璃平板、下石英玻璃平板用特定厚度的垫圈隔开，称之为第二石英玻璃平板，中部空腔充入燃料，形成固定厚度的油膜L标；将第二石英玻璃平板替代第一石英玻璃平板，用266nm激光照射已知厚度的油膜，拍摄记录此时的荧光信号F标；记D＝F标/L标；(三)油膜厚度测量：步骤一：连接系统，热电偶温度传感器测得的第一石英玻璃平板的表面温度低于PID温控表的设定值时，加热丝开始对第一石英玻璃平板进行加热；当热电偶温度传感器测得的第一石英玻璃平板的表面温度达到PID温控表的设定值后，加热丝停止对石英玻璃平板的加热过程；待石英玻璃平板表面温度降至PID温控表设定值之下后，加热丝继续对石英玻璃平板加热至设定值；加热系统反复进行上述过程，使得石英玻璃平板表面温度稳定在设定值，达到温度控制的目的；步骤二：GDI喷油器将燃料喷射在一定温度的第一石英玻璃平板上，YAG激光器发射激光束，含有波长为266nm的激光和少量波长为532nm的激光，经过第一反射镜，透射波长为532nm的激光，反射波长为266nm的激光，将少量532nm激光过滤掉，其次经过匀光片，使激光能量在截面上均匀分布，同时将激光束变大，照亮喷射在不同温度第一石英玻璃平板上的整个喷雾区域，3-戊酮在266nm激光照射下，产生峰值波长420nm的荧光信号，第二反射镜将该荧光信号反射到CCD相机中，CCD相机将该荧光信号F拍摄记录下来传输并保存至电脑；为了得到更好的试验效果，在第二反射镜和CCD相机之间的滤波片为允许波长410nm-430nm信号通过的带通滤波片，进一步过滤干扰信号；步骤三：根据L＝F/D，得到油膜的厚度L；步骤四：利用MATLAB程序计算得到附壁油膜的体积，并在已知燃料密度的情况下计算得到附壁油膜质量。
技术说明书GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量系统及方法技术领域：本技术涉及汽油发动机的GDI喷油器，进一步涉及GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量系统及方法。
背景技术：缸内直喷汽油机(gasoline direct injection，GDI)由于具有经济性好、动力性强、变工况响应快等优点，因此得到了越来越广泛的应用。
然而，这种将燃油直接喷入缸内的混合气制备方式同时带来了一些问题。
与进气道喷射汽油机相比，直喷汽油机喷油压力较高，燃油极易撞击发动机内壁并形成油膜，液态油膜在燃烧过程中难以完全燃烧，使得直喷汽油机颗粒物排放较高。
此外，撞击在缸壁上的燃油与机油相混合，经汽油稀释后的机油润滑性能下降，使得运动件之间的摩擦增加。
更为严重的是，进入燃烧室空间的机油因燃点低而易自燃，形成早燃现象，并极易导致超级爆震，破坏发动机关键零部件。
可见，直喷汽油机中的燃油撞壁现象是微粒排放、机油稀释和超级爆震的主要诱因，并将随着未来喷油系统压力的逐步提升而日益严重，目前已经成为进一步提高发动机效率和减少颗粒物排放的关键制约因素。
研究表明，喷雾撞壁形成的附壁油膜在燃烧过程中产生了池火(pool fires)现象，是直喷发动机碳烟排放的主要来源。
因此需要一种测量不同壁面温度下GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的方法及系统，以确定不同壁面温度下喷雾撞壁后附壁油膜的厚度和质量。
技术内容：本技术是提供了一种可以模拟发动机环境下的GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量系统及方法。
具体技术方案如下：GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量系统，包括：位于正上方且垂直向下喷射的GDI 喷油器，位于喷油器正下方的第一石英玻璃平板，YAG激光器，位于YAG激光器与第一石英玻璃平板下方之间的第一反射镜和匀光片，CCD相机，位于CCD相机与第一石英玻璃平板下方之间的滤波片、第二反射镜，加热系统；所述加热系统将第一石英玻璃平板加热至157摄氏度。
在上述测量系统上实现的GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量方法，包括如下过程：(一)燃料选择：异辛烷和3-戊酮的混合物，其中，3-戊酮的体积百分比为12％；(二)固定厚度油膜的标定：将上石英玻璃平板、下石英玻璃平板用特定厚度的垫圈隔开，称之为第二石英玻璃平板，中部空腔充入燃料，形成固定厚度的油膜L标；将第二石英玻璃平板替代第一石英玻璃平板，用266nm激光照射已知厚度的油膜，拍摄记录此时的荧光信号F标；记D＝F标/L标；(三)油膜厚度测量：步骤一：连接系统，加热系统将第一石英玻璃平板壁面加热至试验所需温度；步骤二：GDI喷油器将燃料喷射在一定温度的第一石英玻璃平板上，YAG激光器发射激光束，含有波长为266nm的激光和少量波长为532nm的激光，经过第一反射镜，透射波长为532nm的激光，反射波长为266nm的激光，将少量532nm激光过滤掉，其次经过匀光片，使激光能量在截面上均匀分布，同时将激光束变大，照亮喷射在不同温度第一石英玻璃平板上的整个喷雾区域，3-戊酮在266nm激光照射下，产生峰值波长420nm的荧光信号，第二反射镜将该荧光信号反射到CCD相机中，CCD相机将该荧光信号F拍摄记录下来传输并保存至电脑；为了得到更好的试验效果，在第二反射镜和CCD相机之间的滤波片为允许波长410nm-430nm信号通过的带通滤波片，进一步过滤干扰信号；步骤三：根据L＝F/D，得到油膜的厚度L；步骤四：利用MATLAB程序计算得到附壁油膜的体积，并在已知燃料密度的情况下计算得到附壁油膜质量。
本技术相对于现有技术的优点是：(一)该测量方法及系统所用的技术是激光诱导荧光法(laser-inducedfluorescence,LIF)。
其基本原理是：3-戊酮在266nm激光的照射下，会发出峰值波长为420nm的荧光信号，荧光信号的强度F与油膜厚度L存在对应关系，用CCD相机将该荧光信号拍摄记录下来，根据标定试验得到的油膜厚度与荧光强度的关系，利用MATLAB程序将荧光强度信号转化为油膜厚度信息，并利用MATLAB程序计算得到附壁油膜的质量。
(二)第一反射镜透射波长为532nm的激光，反射波长为266nm的激光，正好可将少量532nm 激光过滤掉。
(三)波长410nm-430nm信号通过的带通滤波片，正好可以保证波长为420nm的荧光信号被CCD相机捕捉到。
附图说明：图1是本技术系统结构示意图。
图2是实施例中加热系统的结构示意图。
图3是第二石英玻璃平板剖面结构示意图。
具体实施方式：实施例：GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量系统，包括：位于正上方且垂直向下喷射的GDI 喷油器，位于喷油器正下方的第一石英玻璃平板，YAG激光器，位于YAG激光器与第一石英玻璃平板下方之间的第一反射镜和匀光片，CCD相机，位于CCD相机与第一石英玻璃平板下方之间的滤波片、第二反射镜，加热系统；所述加热系统将第一石英玻璃平板加热至157摄氏度；所述加热系统包括：欧米伽热电偶温度传感器、PID温控表、上金属托盘、下金属托盘、放置在上金属托盘和下金属托盘之间的加热丝、变压器、空气开关、固态继电器；所述上金属托盘上面放置第一石英玻璃平板；所述变压器的输入端连接220V交流电源，输出端一路连接在固态继电器的交流端，最后接入加热丝的其中一个电极，输出端另外一路通过空气开关最后接入加热丝的另一个电极；所述固态继电器的直流端连接温控表；所述加热丝通过传递热量给上金属托盘，然后将石英玻璃平板加热到设定的温度。
在上述测量系统上实现的GDI喷雾撞壁附壁油膜厚度和质量的测量方法，包括如下过程：(一)燃料选择：异辛烷和3-戊酮的混合物，其中，3-戊酮的体积百分比为12％；(二)固定厚度油膜的标定：根据Lambert-Beer定律，荧光信号F与荧光剂浓度C(体积分数)以及油膜厚度上的关系为：F＝kI0(1-e-2.303εLC)其中I0为入射光强；ε为吸收系数；k为常数。