汽油燃料喷雾中形成机理检测方案(粒子图像测速)

6A 人 Strahlaufbereitung vonHochdruckeinspritzdiisen und BenzinDirekteinspritzung ·1o rne Fuel Spray Formation andGasoline Direct Injection Dr. G. Wigley Aeronautical and Automotive Engineering， Loughborough University， UK. G. PitcherLotus Engineering Ltd.， Powertrain Research， Hethel， Norwich， UK.Dr. H.Nuglisch， Dr. J. HelieContinental Automotive France SAS， Gasoline Systems， Toulouse， France Prof. N. Ladommatos Mechanical Engineering， University College London， UK. Statt einen einzelnen Forschungsschwerpunkt darzustellen， wer-den in dieser Veroffentlichung die Kombination von experimentel-len Einrichtungen und optischer Diagnosemethoden diskutiert，die in diesem Forschungsprojekt verwendet wurden. Ziel war denKraftstoffverbrauch eines Motors mit homogener Benzindirekt-einspritzung in der Teillast zu optimieren， unter Vermeidung vonEmissionsnachteilen. Die Wirkungsgradverbesserung wird ubereine Reduzierung der Drosselverluste durch einen variablenVentiltrieb erreicht. Untersuchungen der Strahlaufbereitung sowohl unter Umge-bungsbedingungen als auch in Druck- und TemperaturgeregeltenTestzellen werden dargestellt. Es wurden sowohl die PhasenDoppler Technik als auch Stroboskopischer Strahlabbildungdurch Schattenriss und Miestreuung verwendet. Die Ergebnisse wurden einerseits zur Validierung einer CFDSimulation des Strahlaufbruchs mittels VOF Methodik und ande-rerseits als Eingangsdaten fur empirische Modelle zur Strahl-optimierung verwendet. Zwei Einzylinder BDE Motoren wurden aufgebaut， ein thermo-dynamischer und ein optischer Motor. Beide Motoren habenidentische Brennraum-， Ansaug- und Auspuffgeometrien. DieMotoren wurden mit gleichen Lastpunkten betrieben， bei 20001/min und 2.7 bar indiziertem Mitteldruck und bei 3500 1/min und5.7 bar indiziertem Mitteldruck. Die Lastpunkte wurden mit vierverschiedenen Einlassoffnungsstrategien realisiert： Gedrosseltmit Standard Ventilerhebungskurven， ungedrosselt mit fruhemEinlassschliesen fur beide Ventile und mit je einem Ventil offnentum einen Drall im Brennraum zu erzeugen. Die Ergebnisse desthermodynamischen Einzylinders zeigen， dass in diesen Last-punkten mit fuher Einspritzung und fruhem Einlassschliessenkombiniert mit der Generierung eines Swirls durch das Offnen nureines Ventils bis zu 17% Reduktion des indizierten spezifischenVerbrauchs erreicht werden konnen. Das Ergebniss hangt davon ab， welches Ventil geschlossen bleibtund der optische Motor erklart dies Ergebnis durch den unter-schiedlichen Einfluss der Luftbewegung auf den Einspritzstrahl. 1 Einleitung Optische Diagnosemethoden werden seit uber 30 Jahren in derMotorforschung und -entwicklung verwendet und konnen alsausgereifte Technologien angesehen werden， auch wenn sienach wie vor kostenaufwendig sind. Es ist wahrscheinlich die Benzindirekteinspritzung， die unter denin letzter Zeit eingefuhrten Verbrennungskonzepten am meistenvon diesen optischen Methoden profitiert hat. Die optischenMethoden haben ihre Schwerpunkte in zwei Bereichen： Einer- Abstract Rather than discuss a single research topic， this paper reviewsthe combination of different research facilities and optical diag-nostics used in a project to optimize a homogeneously chargedGDI combustion system for part load conditions to deliver fueleconomy benefits without detrimental emissions by reducing thegas exchange losses through variable inlet valve actuation. Fundamental studies of the fuel sprays are described with anatmospheric and high pressure-temperature spray cell using thephase Doppler technique and single shot CCD imaging respecti-vely. These data have been used to initiate and validate CFDspray modelling of the liquid break-up using a VOF method and asan input for an empirical spray targeting model. Two single cylin-der GDI engines have been constructed， one optical and onethermodynamic， with matched performances under part loadconditions. Both engines were operated at standard test pointsof 2000 rpm and 2.7 bar IMEP and 3500 rpm and 5.7 bar IMEPwhere the IMEP was calculated over a 720°cycle to includepumping losses. These test points were achieved using four inletvalve strategies； throttled with standard valve lift profiles， un-throttled with E/VC for both valves and E/VC with the inlet valvesoperating independently to introduce swirl into the in-cylinderflow. The thermodynamic engine indicated that significant ISFCgains could be achieved， by up to 17% under part load conditions，by combining ElVC and only one inlet valve with an early injectiontiming. However， the optimum results were dependent on whichof the two valves was opened. The optical engine with the use ofspray imaging and particle image velocimetry highlighted thereasons being due to superior air-fuel mixing during the openvalve period. 1 Introduction Laser diagnostics have enjoyed a wide application in engineresearch and development for over 30 years now and are consi-dered to be mature technologies although demanding in cost andimplementation. Of the most recently introduced combustionconcepts it is gasoline direct injection， GDI， which has benefitedmost from optical diagnostics. Their use can be divided into twomain sectors； one demands detailed information on the injectorperformance as regards liquid break-up， atomisation and dropsize distributions， while the second， demands information con- High pressure injector spray types cerning the spray cone angle，penetration and distribution insi-de the engine cylinder and thenlinking these characteristicsthrough to combustion perfor-mance. Since the introduction of GDIinto mass production differenthigh pressure injector typeshave been introduced whichsignificantly add to the comple-xity of trying to generalise com- ren Verstandnis des Verbrennungsprozesses beizutragen. Seitder ersten Serieneinfuhrung der Benzindirekteinspritzer wurdenverschiedene Generationen von Hochdruck-Einspritzventilen ent-wickelt. Dies tragt bedeutent zur Komplexitat und Vielfalt der zuuntersuchenden Verbrennungssysteme bei. Die drei wichtigsten Ventiltypen sind in Abbildung1 dargestellt，mehr oder weniger in chronologischer Reihenfolge ihrer Einfuh-rung， und mit Einspritzdrucken， die von 50 bar uber 100 bis zu heu-tigen 200bar ansteigen. Das Drallventil hat die pulizierten Arbeiten bis heute dominiert， daes seit nunmehr 10 Jahren leicht verfugbar ist. Aufgrund derlangjahrigen Wechselwirkung zwischen optischen Diagnose-methoden， theoretischen Betrachtungen und numerischer Simu-lation sind die Ausbildung des Spraykegels， der Primaraufbruchund die Spraycharakteristiken fur das Drallventil relatif gutbekannt. Um das transiente Verhalten der Drallventile besserzu verstehen，wurden 3-D CFD Simulationen der globalen Strahlgeometrie undder transienten Ausbildung des Luftkerns im Spritzloch durchge-fuhrt [1， 2]. In einem zweiten Schritt wurde der Strahlaufbruchmittels klassischer linearer Theorie und dem DombrovskiAufbruchmechanismus in einem 1-D Ansatz simuliert und durchexperimentelle Daten validiert [3， 4]. Dieser Ansatz fuhrte zueinem Designtool， das fur die Auslegung der Drallventilgeome-trien verwendet wird [5]. Der detaillierte Aufbruchmechanismusals Funktion der Zeit， des Gegendruckes und der Temperatur istjedoch nach wie vor eine Herausforderung fur die numerischeSimulation. Ein weiterer Schritt wird hier prasentiert unterNutzung der VOF Methodik des OpenFoam Toolsets. Die neuen Einspritzventiltechnologien wie Multistream und aus-warts offnendes Piezoventil sind noch wesentlich weniger gutverstanden als die klassischen Drallventile. Hier leisten die opti-schen Diagnosetechniken einen signifikanten Beitrag fur dasVerstandnis der Physik des Strahlaufbruches und der Strahlaus-breitung. 2 Laboreinrichtungen und Diagnosetechniken 2.1 Einspritzstrahl-Prufstand Der atmospharische Strahlprufstand mit ungehindertem opti-schen Zugang wird fur Grundlagenuntersuchungen am Einspritz-strahl genutzt. Der Prufstand verfugt uber getrennte Nieder- undHochdruck Kraftstoffsysteme. Das Niederdrucksystem bestehtaus einem3 Liter Tank und einer standard 12 V Kraftstoffpumpe. bustion system design guide lines. The three types， shown inFigure 1， have appeared， almost in chronological order， with fueldelivery pressures increasing nominally from 50， 100 to 200 barrespectively. The pressure swirl injector has dominated the published work asit has been readily available for more than 10 years. The spraycone development， liquid break-up and atomisation characteri-stics are relatively well understood now due to a long interactionbetween optical diagnostics， theoretical and numerical model-ling. For the understanding of the transient behaviour of the automo-tive swirl injectors 3-D flow simulations have been used to deter-mine the global spray geometry and the transient formation oftheair core of the swirl spray [1， 2]. In a second step the break-upmechanism based on classical linear theory of stability and theDombrovski break-up could be simulated in a 1-D approach vali-dated by experimental data [3， 4]. This approach has led to adesign tool used for the geometrical swirl injector layout [5].Nevertheless， the detailed break-up， as a function of time， backpressure and temperature is still a challenge for numerical simu-lation. A further step is presented here using the VOF methodo-logy of the OpenFoam CFD toolset. The new injection technologies of the Multistream and Outwardopening Piezo-injector are much less understood than theclassical swirl injector. It is here that optical diagnostics aremaking a significant contribution to our physical understandingof the spray formation processes. 2 Research Facilities and Diagnostics 2.1Injector Spray Bench The atmospheric spray bench with unconfined optical access isthe basis for many fundamental spray studies. The bench usedhere consisted of separate low and high pressure fuel systems.The former comprised of a 3 litre fuel reservoir and a standardautomotive 12V pump. The primary purpose was to act as a sca- seits als Vordrucksystem fur dieHochdruckpumpe， andererseitsfur Strahluntersuchungen vonkonventionellenNiederdruck-ventilen zur Saugrohreinsprit-zung. Die Continental Hochdruckpum-pe zur Benzindirekteinspritzungwird von einem Elektromotor mitvariabler Drehzahl angetrieben.Ein kontrollierter konstanterKraftstoffdruck wird uber einenDruckregler im Bereich 40 bis200 bar eingestellt. Das Ventilwird mit handelsublichen RON95Kraftstoff betrieben. Das Abbildung2： Strahlprufstand und PDA SystemFigure 2：Injection spray rig and PDA system Ventil ist auf eine Traversiereinrichtung montiert， die drei ortho-gonale lineare Prazisionseinstellungen und eine Rotiereinrich-tung beinhaltet. Dies erlaubt die prazise vier-dimensionaleOrientierung des Kraftstoffstrahls relatif zu den stationaren opti-schen Diagnoseeinrichtungen， siehe Abbildung2. 2.2Imaging und PDA Systeme Hochdruck Kraftstoffstrahle sind optisch dichte Medien， d. h. dieLichtdurchlassigkeit ist durch Absorption und Mehrfachstreuungsehr gering. Die Konsequenz fur abbildende Techniken ist， dassdie gestreute oder transmittierte Lichtintensitat nicht zu quantita-tiven Analysen der Spraystruktur herangezogen werden kann.Die hier beschriebene Schattenrisstechnik als abbildendenTechnik kann nur die Strahlgrenzen aufzeigen. Fur eine bessereBildqualitat wurde weisses Licht statt Lasermethoden verwendet.Die abbildenden Techniken wurden ausschliesslich zur Beschrei-bung der Spraygrenzen verwendet um Strahlwinkel und Strahl-Eindringtiefe zu charakterisieren. Die Anwendung der Phasen Doppler Technik， PDA， in optischdichten Kratstoffstrahlen leided ebenfalls unter den erwahntenProblemen durch Mehrfachstreuung und Absorption.Aber da dieMessung von Tropfengeschwindigkeiten und Durchmessernnicht auf der Lichtintensitat sondern auf der Frequenzanalyse desgestreuten Lichts beruht， konnen Messungen noch erfolgreichdurchgefuhrt werden solange die Laserstrahlen bis zum Mess-punkt durchdringen， ein Messvolumen bilden und solange genu-gend gestreutes Licht durch den Strahl bis zum Detektor gelangt.Um die Wahrscheinlichkeit fur eine erfolgreiche Messung zuerhohen， muss das Messvolumen so klein wie moglich gehalten ses and a rotation stage to position and orientate the spray infour dimensions relative to the static optical diagnostic instru-mentation as shown in Fiqure 2. 2.2 Imaging and PDA systems High pressure fuel sprays are optically dense， i.e. direct lighttransmission through the spray can be very low due to multiplescattering and absorption leading to high obscuration levels. Theconsequence of this for image based diagnostics is that the scat-tered， or transmitted， light intensity cannot be uniquely related tothe spray density for a quantitative analysis of spray struc-ture.Shadowgraphy， using a high resolution CCD camera and conven-tional back lit Xenon flash illumination is the imaging method app-lied here. Only the spray boundaries are identified and coneangle and tip penetration are characterised quantitatively. The application of the phase Doppler technique， PDA， to densesprays also suffers from the problems identified above but， as themeasurement of droplet velocity and size is based on the fre-quency of the scattered signal rather than the signal intensity thetechnique can be successful as long as the input laser beamspenetrate the spray， form a measurement volume and the scatte-red light exits the spray to be collected. To increase the probabi-lity of a successful measurement the dimensions of the measure-ment volume have to be minimised. This requires the transmitterto provide high beam expansion and a large beam crossing anglewith the receiver positioned at a large off-axis light collectionangle. To maximise the probability of droplet detection the follo- werden. Das heisst fur die Optik einegrosse Strahlaufweitung und einen gros-sen Strahlkreuzungswinkel und eineEmpfangsoptik， die in einem grossenWinkel zur Laseraxe positionniert ist. Umdie Wahrscheinlichkeit der Detektionvon Tropfen zu maximisieren muss hoheLaserleistung eingesetzt werden， einegrosse Blendenoffnung des Empfangers，hohe Verstarkung des Photo-Multipliersund des Signalverstarkers， alles kombi-niert mit langen Datenaufnahmezeiten[6]. Der Sprayprufstand mit dem PDA Sys-tem ist im Abbildung 2 gezeigt. Die CCDKamera ist rechts vom Receiver plaziertmit dem Stroboskopischen Bildschirmvertical hinter dem Strahl. Simultane Strahlabbildung und PDAMessungen erlauben den Einfluss desKraftstoffstrahls auf die Laserstrahlenund das Messvolumen zu bestimmen.Die Kombination dieser beiden Techni-ken wird an einer Untersuchung zurSpraycharakterisierung nahe der Duseeines Drallventiles illustriert. Das Mess-volumen befand sich 5 mm unter derDusenoffnung eines Drallventils das mit50 bar Kraftstoffdruck betrieben wurde.Die Einspritzzeit war 1 ms. Ein radialerScan des Messvolumens von der geo-metrischenStrahlachsebisindie Abbildung 3： (a)Strahlbild，(b) PDA Daten fur die innere Grenzflache des wing are essential； a high laser power， alarge receiver aperture， high photo-mul-tiplier and amplifier gains together withlongexperimental cdata acquisitiontimes，[6]. The injection spray rig and PDA systemare shown in Fiqure 2with the PDAtransmitter lens on the right and thereceiver in the bottom left. The CCDcamera was placed alongside， and tothe right of the PDA receiver， with thefibre optic illumination panel mounted onthe vertical panel behind the spray. Performing simultaneous imaging andPDA allows the interaction of the spraycone with the input laser beams and thePDA measurement volume to be quanti-fied. The combination of these two tech-niques is illustrated by an experiment tocharacterise the spray in the near nozz-le region of a pressure swirl injector. ThePDA measurement volume was positio-ned in the vertical plane 5 mm below thenozzle tip of the injector with a fuel linepressure of 100 bar pressure. The injec-tion pulse duration time was 2 ms com-prising of 1 ms soak time and 1 ms fueldelivery. A radial scan of the injector，from the geometric vertical axis throughthe nozzle tip out to the periphery of thespray， was performed. The PDA proces-sor was set to acquire either， 30，000 vali- Sprayperipherie wurde durchgefuhrt. Datenacquisition wargesetzt zu entweder 30 000 validierte Messungen oder 1000Einspritzungen [7]. Das Bild der Strahl / Laser Interaktion ist in Abbildung 3 gezeigt.Das Bild zeigt， dass das Hauptproblem fur erfolgreiche PDAMessungen in der Dusennahen Region in der Abschwachung dereinfallenden Laserstrahlen (im Bild von rechts nach links) liegt，vor allem wenn das Messvolumen auf der inneren Strahlgrenzeliegt. Das Bild zeigt， dass dieLichtintensitat vor demMessvolumen hoch ist， die Eindringtiefe der Laserstrahlen jedochrelatif gering ist. Die PDA Daten in Abbildung 3b zeigen eine hoheDatenrate in der Spray Front und im Nachlauf， im Intervall zwi-schen 1.5 ms und 2.4 ms ist die Datenrate jedoch sehr gering，wennauch reprasentatif fur das Tropfenfeld. PDA Messungen in der dusennahen Region des transientenSpray einer Drallduse konnen mit Erfolg durchgefuhrt werdenund ein Modell fur den Primarzerfall konnte entwickelt werden [4，8]. PDA Messungen und Spraybilder sind essentiell fur die Analysemittels CFD um sowohl Randbedingungen als auch Validierungs-daten zu liefern. Eine komplette experimentelle Studie der dusen-nahen und -fernen Spraymorphologie und der dreidimensionalenTropfendynamik wurde fur eine CFD Studie des MitsubishiEinspritzventils geliefert. 2.3 Spray Modellisierung OpenF0AM wurde benutzt um das interne Stromungsfeld und diedusennahe Region einer Drallduse zu simulieren， [9] and [10]. EineVolume-Of-Fluid， VOF， Methode wurde verwandt um dieMorphologie der Kraftstoff / Luft Grenzflache zu erfassen. DieVOF Methode benutzt eine Indikatorfunktion， die die Volumen-fraktion der Phasen， y， beschreibt， mit y =1 fur den flussigenBereich， y=0 fur das gasformige Stromungsfeld und 0

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