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研究生: 簡豪毅
Chien, Hao-Yi
論文名稱: 缸內直噴噴嘴之自主開發及其噴霧特性分析
A Study of the Spray Characteristics of A Self-developed Gasoline-Direct-injection Fuel Injector
指導教授: 袁曉峰
Yuan, Tony
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: 缸內直噴燃油噴嘴設計噴霧特性
外文關鍵詞: GDI, injector design, spray characteristics
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  • 缸內直噴(GDI)引擎是一項節能且低汙染之技術,比起傳統岐管噴射(PFI)引擎可更精準地控制油氣混和比;而缸內直噴噴嘴之設計對於GDI引擎之性能有重要的影響,其噴嘴需提供穩定之供油量以及具有高重複性之噴霧幾何,才能使引擎正常運作。本研究針對電磁力驅動之渦旋式GDI噴嘴進行設計,已完成電磁線圈與渦旋產生器之基本設計,亦進行改變噴嘴之噴孔尺寸進行實驗觀察:包括流率量測、噴霧發展過程、霧化角分析、噴嘴延遲分析以及粒徑量測。實驗結果顯示,在相同噴注時間(5ms)及噴注壓力(103.4bar)下,當噴嘴孔徑由0.55mm (L/D=0.5)增大為0.7mm (L/D=0.5)時,燃料流量增加約56%,霧化角增加10度;當0.7mm孔徑噴嘴之L/D由1.0縮小至0.5時,流量增加約11.6%,霧化角增加約3度,但噴霧不穩定性亦提高;故若要獲得較大的噴霧霧化角,可將孔徑擴大,但為了避免噴霧之不穩定,可將L/D進行適當之調整。本實驗研究亦顯示,噴霧粒徑會隨噴油壓力上升而下降;在孔徑為0.55mm (L/D=0.5)之條件,其噴霧粒徑體積累積百分比的趨勢與使用商用噴嘴之結果相近,已部分滿足缸內直噴噴嘴設計之霧化需求。本論文之結果顯示孔徑對於缸內直噴之渦漩式噴嘴的噴霧霧化有重要的影響,應為噴嘴設計之重要參數。

    Gasoline direct injection (GDI) engine design is a low emission and energy saving technology. Comparing to the traditional port fuel injection (PFI), GDI can have more precise control of air fuel ratio, thus to reduce the hydrocarbon emission from engine. The design of the fuel injector of GDI engine is vital. The injector is required to provide a stable fuel supply and to have high repeatability of the injecting spray geometry in order to make the engine work properly. This research focuses on the design of a swirling-type solenoid valve for the use of GDI engine. The laboratory has completed the fundamental coil and the swirl generator designs of a fast-response fuel injector. This thesis study has performed the experimental observations to characterize the spray from the self-designed fuel injector with different orifice sizes and L/Ds (orifice length to diameter ratio) at various fuel injection duration time and injection pressures. The responding flow rate, spray angle, droplet size, injection delay as well as the detailed spray developing process at different conditions have been analyzed. The results show that the amount of fuel flow increases by 56% when the orifice of the fuel nozzle changes from 0.55mm (L / D = 0.5) to 0.7mm (L / D = 0.5) in the 5ms injection duration at the injection pressure of 103.4bar, while the spray angle increases about 10 degrees. When the L / D of the 0.7mm orifice reduces from 1 to 0.5 at the same injection duration and injection pressure, the amount of fuel flow increases about 11.6%, while the spray angle increases 3 degrees, however, the spray shows less stable as the L/D decreases. The results also show the droplet sizes decreases as the injection pressure rises. Foe the self-designed injector with orifice diameter of 0.55mm (L / D = 0.5), the cumulative percentage of spray droplet volume distribution shows comparative trends to that from commercial GDI injector. This research revealed that the choice of the orifice size of a swirling-type GDI injector strongly affects the atomization of the swirling liquid jet and is a crucial parameter in design.

    摘要 I Abstract II 誌謝 IV 目錄 V 表目錄 VII 圖目錄 IX 符號表 XV 第一章 緒論 1 1-1 文獻回顧 3 1-2 研究動機與目的 10 第二章 實驗設備 12 2-1 燃油噴嘴 12 2-2燃油噴嘴控制系統 12 2-3燃料供應系統 13 2-4影像擷取系統 14 2-5液滴平均粒徑量測儀 15 2-6 時序控制系統 15 第三章 研究與分析方法 16 3-1 燃油噴嘴設計 16 3-2觀察與分析方法 21 3-2-1作動延遲分析 21 3-2-2噴嘴流量量測 22 3-2-3霧化錐角分析 23 3-2-4噴霧粒徑量測 24 3-2-5噴霧端點穿透深度 24 第四章 結果與討論 25 4-1 孔徑對於噴嘴噴霧特性影響 25 4-2 噴嘴長徑比(L/D)對於噴嘴噴霧特性影響 30 4-3 噴嘴針閥作動延遲特性 32 4-4 燃油噴嘴噴霧粒徑 33 第五章 結論與未來工作 36 5-1 結論 36 5-2 未來工作 37 參考文獻 39 表1-1、汽油車用燃油噴霧特性之標準測試條件 41 表1-2、主要噴霧特徵變數總覽 42 表2-1、工作流體物理性質 42 表3-1、第三代噴嘴之設計參數 43 圖1-1、單噴流之碎裂模式 44 圖1-2、渦旋式流道設計 44 圖1-3、渦旋霧化器隨壓力增加之不同階段發展 45 圖1-4、壓力渦旋式噴嘴[5] 45 圖1-5、壓力渦旋式噴嘴噴霧結構 46 圖1-6、壓力渦旋式噴嘴之噴霧隨時間發展過程 46 圖1-7、多孔式噴嘴 47 圖1-8、氣助式噴嘴 47 圖1-9、Bosch HDEV5燃油噴嘴噴嘴剖面圖 48 圖1-10、噴嘴底座及針閥幾何圖 48 圖1-11、針閥頂端錐角和渦漩片傾斜角 49 圖1-12、缸內直噴燃燒系統種類 49 圖2-1、兩階段式電路波形 49 圖2-2、整體設備連接圖 50 圖2-3、高速攝影機 50 圖2-4、粒徑分析儀 51 圖3-1、針閥與底座接觸面積示意圖 51 圖3-2、第一代噴嘴設計圖 52 圖3-3、第一代噴嘴(孔徑為0.35mm)針閥全開後之噴流霧化現象 52 圖3-4、第一代噴嘴流量與壓力關係圖(噴油訊號寬度:5ms) 53 圖3-5、第二代噴嘴設計圖 53 圖3-6、渦漩流道偏移量定義 54 圖3-7、第二代不同孔徑之霧化情形(Pi =103.4bar) 54 圖3-8、第三代燃油噴嘴 55 圖3-9、噴嘴延遲特性示意圖 55 圖3-10、霧化角量測定義 56 圖3-11、粒徑量測位置 56 圖3-12、噴霧穿透深度示意圖 57 圖4-1、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)在不同噴油壓力下之流率與噴油時間關係圖 57 圖4-2、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)在不同噴油壓力下之流率與噴油時間關係圖 58 圖4-3、不同孔徑及Bosch噴嘴之流率與噴油時間關係(Pi =103.4bar) 59 圖4-4-a、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)隨時間發展之噴霧影像(Pi =34.5bar) 59 圖4-4-b、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)隨時間發展之噴霧影像(Pi =68.9bar) 60 圖4-4-c、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)隨時間發展之噴霧影像(Pi =103.4bar) 61 圖4-4-d、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)在不同噴油壓力下之噴霧發展比較 62 圖4-4-e、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)在不同噴油壓力下之噴霧輪廓比較 63 圖4-5-a、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)隨時間發展之噴霧影像(Pi =34.5bar) 64 圖4-5-b、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)隨時間發展之噴霧影像(Pi =68.9bar) 65 圖4-5-c、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)隨時間發展之噴霧影像(Pi =103.4bar) 66 圖4-5-d、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)在不同噴油壓力下之噴霧發展比較 67 圖4-7、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)在不同噴油壓力下Lm/D與霧化角之關係 69 圖4-8、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)在不同噴油壓力下Lm/D與霧化角之關係 69 圖4-10、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)在不同噴油壓力下噴油開始之噴霧端點穿透深度與時間關係 70 圖4-11、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)在不同噴油壓力下噴油開始之噴霧端點穿透深度與時間關係 71 圖4-12、不同孔徑之噴霧端點穿透深度與時間關係(Pi =103.4bar) 71 圖4-13、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)在不同噴油壓力下之流率與噴油時間關係 72 圖4-14、不同L/D之流率對於噴油時間關係(Pi=103.4bar) 72 圖4-15-a、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)隨時間發展之噴霧影像(Pi =34.5bar) 73 圖4-15-b、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)隨時間發展之噴霧影像(Pi =68.9bar) 74 圖4-15-c、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)隨時間發展之噴霧影像(Pi =103.4bar) 75 圖4-16-d、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)在不同噴油壓力下之噴霧發展 76 圖4-17、不同L/D之噴霧發展過程(Pi =103.4bar) 77 圖4-18、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)在不同噴油壓力下Lm/D與霧化角之關係 78 圖4-19、不同L/D之霧化角對於Lm/D之關係(Pi =103.4bar) 78 圖4-20、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)在不同噴油壓力下噴油開始之噴霧端點穿透深度與時間關係 79 圖4-21、不同L/D之噴霧端點穿透深度與時間關係(Pi =103.4bar) 79 圖4-22-a、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)開閥延遲特性 80 圖4-22-b、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)實際開閥時間長度 80 圖4-22-c、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)關閥延遲 81 圖4-23-a、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)開閥延遲特性 81 圖4-23-b、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)實際開閥時間長度 82 圖4-23-c、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)關閥延遲特性 82 圖4-24-a、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)開閥延遲特性 83 圖4-24-b、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)實際開閥時間長度 83 圖4-24-c、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)關閥延遲特性 84 圖4-25-a、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)之粒徑資料(Pi =34.5bar) 85 圖4-25-b、底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)之粒徑資料(Pi =68.9bar) 86 圖4-25-c底座A(Do=0.55mm,L/D=0.5)之粒徑資料(Pi =103.4bar) 87 圖4-26-a、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)之粒徑資料(Pi =34.5bar) 88 圖4-26-b、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)之粒徑資料(Pi =68.9bar) 89 圖4-26-c、底座B(Do=0.7mm,L/D=0.5)粒徑資料(Pi =103.4bar) 90 圖4-27-a、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)之粒徑資料(Pi =34.5bar) 91 圖4-27-b、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)之粒徑資料(Pi =68.9bar) 92 圖4-27-c、底座C(Do=0.7mm,L/D=1)之粒徑資料(Pi =103.4bar) 93 圖4-28、Bosch噴嘴之粒徑資料(Pi =103.4bar) 94

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    下載圖示 校內:2015-09-04公開
    校外:2015-09-04公開
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