臺灣博碩士論文加值系統

燃料與空氣的準備與進入燃燒室前的混合對於內燃引擎的燃燒與污染排放是一個很重要的參數，本研究的目的就要探討缸內直噴用燃料噴嘴在不同外界壓力環境下隨著不同噴霧時間所顯現的噴霧特徵。本研究使用博世(BOSCH)所生產市售之單孔缸內直噴噴嘴作為測試對象，搭配一自行設計並製作之高壓艙已進行相關測試，該高壓艙配有光學透視視窗以利雷射光學之應用。本研究運用以雷射光學為基礎之定量化視流法技術以分析各種噴霧特徵包括：噴霧演化、噴霧端點滲透深度、噴霧錐角與噴霧前緣速度。這些在不同壓力下的噴霧特徵將可以做為將來設計缸內直噴引擎、修改現有引擎以及開發引擎庫控制策略之基礎資料。

Preparation of fuel and air is an important factor in improving combustion process and emission of internal combustion engine. The objective of the present study is to analyze the spray characteristics of injector for GDI engine according to the injection time under ambient pressure conditions. Investigations in the present study are carried out using a mass-production single-hole injector which is manufactured by BOSCH for GDI engine. A pressure chamber with optical access windows was designed and fabricated which can simulate different environmental pressure. The spray characteristics in terms of evolution of spray tip penetration depth, spray cone angle, and spray front velocity are measured by using laser-based quantitative flow visualization technique. The spray characteristics in different pressure environments provide the basis for gasoline direct injection engine design, modifications of current engine and development of control strategy.

目錄
目錄 I
表目錄 IV
圖目錄 V
符號表 XII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機 3
第二章 文獻回顧與研究目標 5
2-1 缸內直噴引擎用燃油噴嘴之要求 5
2-2 燃油噴嘴之噴霧特性與其量測方法 6
2-3 研究目標 9
第三章 實驗設備與實驗方法 11
3-1 實驗設備與儀器 11
3-1-1 燃油噴嘴 11
3-1-2 燃料供應系統 11
3-1-3 噴油嘴控制裝置 11
3-1-4 環境壓力測試艙 12
3-1-5 流體承接器 12
3-1-6 精密電子天秤 13
3-1-7 雷射系統 13
3-1-8 取像裝置 13
3-1-9 時序控制裝置 14
3-2 實驗方法 14
3-2-1 噴油量量測方法 14
3-2-2 定量化視流法 14
3-2-3 噴霧端點穿透深度 16
3-2-4 霧化錐角 16
3-2-5 噴霧前端之粒子影像測速方法 17
3-2-6粒子影像測速方法之影像分析系統 18
第四章 結果與討論 20
4-1 噴油嘴之流量特性曲線 20
4-2 噴油嘴之噴油延遲特性與噴霧視流 21
4-3 噴霧端點穿透深度 23
4-4 霧化錐角 24
4-5 噴霧前端速度分析 25
第五章 結論與未來工作 28
5-1 結論 28
5-2 未來工作 30
參考文獻 32

表目錄
表1-1、汽油車用燃油噴霧特性之標準測試條件 35
表1-2、噴霧特性主要變數及其測試方法 36

圖目錄
圖1-1、缸內直噴燃燒系統之分類[3] 37
圖1-2、漩渦式壓力噴嘴之徑向燃油分佈[6] 37
圖1-3、漩渦式壓力噴嘴之噴霧發展過程[11] 38
圖2-1、高壓噴嘴系統及相關設備配置示意圖 39
圖2-2、缸內直噴噴嘴驅動電路之階段式電壓控制圖 40
圖2-3、低蒸發設計流體承接器 40
圖3-1、系統時序控制圖 41
圖3-2、邊緣檢測後之二值影像及其原始圖檔 41
圖3-3、霧化錐角定義示意圖 42
圖3-4、粒子影像測速之資料處理程序 43
圖3-5、粒子影像測速用標準影像 44
圖3-6、粒子影像測速用標準影像及其分析結果 44
圖3-7、粒子影像測速用標準影像及其分析結果 45
圖4-1、不同燃油噴射壓力之燃油平均噴注量與噴注時間的變化 46
圖4-2、不同環境壓力之燃油平均噴注量與噴注時間之關係 47
圖4-3、不同壓力差之燃油平均噴注量與噴注時間之關係 48
圖4-4-a、Pa=0.50bar之噴嘴開啟視流 49
圖4-4-b、Pa=0.75bar之噴嘴開啟視流 49
圖4-4-c、Pa=1.00bar之噴嘴開啟視流 50
圖4-4-d、Pa=2.00bar之噴嘴開啟視流 50
圖4-4-e、Pa=4.00bar之噴嘴開啟視流 51
圖4-4-f、Pa=6.00bar之噴嘴開啟視流 51
圖4-4-g、Pa=8.00bar之噴嘴開啟視流 52
圖4-5、噴嘴開關時的柱塞示意圖 52
圖4-6-a、Pa=0.50bar之噴油開始後演進時間的噴霧發展視流 53
圖4-6-b、Pa=0.75bar之噴油開始後演進時間的噴霧發展視流 53
圖4-6-c、Pa=1.00bar之噴油開始後演進時間的噴霧發展視流 54
圖4-6-d、Pa=2.00bar之噴油開始後演進時間的噴霧發展視流 54
圖4-6-e、Pa=4.00bar之噴油開始後演進時間的噴霧發展視流 55
圖4-6-f、Pa=6.00bar之噴油開始後演進時間的噴霧發展視流 55
圖4-6-g、Pa=8.00bar之噴油開始後演進時間的噴霧發展視流 56
圖4-7-a、Pa=0.50bar之噴油開始後演進時間與平均穿透深度之關係 56
圖4-7-b、Pa=0.75bar之噴油開始後演進時間與平均穿透深度之關係 57
圖4-7-c、Pa=1.00bar之噴油開始後演進時間與平均穿透深度之關係 57
圖4-7-d、Pa=2.00bar之噴油開始後演進時間與平均穿透深度之關係 58
圖4-7-e、Pa=4.00bar之噴油開始後演進時間與平均穿透深度之關係 58
圖4-7-f、Pa=6.00bar之噴油開始後演進時間與平均穿透深度之關係 59
圖4-7-g、Pa=8.00bar之噴油開始後演進時間與平均穿透深度之關係 59
圖4-8、噴油開始後相異演進時間之平均穿透深度與環境壓力之關係 60
圖4-9-a、L/D=2, 不同環境壓力之噴油開始後演進時間與平均霧化錐角之關係 60
圖4-9-b、L/D=4, 不同環境壓力之噴油開始後演進時間與平均霧化錐角之關係 61
圖4-9-c、L/D=6, 不同環境壓力之噴油開始後演進時間與平均霧化錐角之關係 61
圖4-9-d、L/D=8, 不同環境壓力之噴油開始後演進時間與平均霧化錐角之關係 62
圖4-9-e、L/D=10, 不同環境壓力之噴油開始後演進時間與平均霧化錐角之關係 62
圖4-10、ASOI=0.8ms,不同徑向距離之平均霧化錐角與環境壓力關係 63
圖4-11-a、Pa=0.50bar, ASOI=0.2ms的噴霧前端平均速度分佈 63
圖4-11-b、Pa=0.50bar, ASOI=0.4ms的噴霧前端平均速度分佈 64
圖4-11-c、Pa=0.50bar, ASOI=0.6ms的噴霧前端平均速度分佈 64
圖4-12-a、Pa=0.75bar, ASOI=0.2ms的噴霧前端平均速度分佈 65
圖4-12-b、Pa=0.75bar, ASOI=0.4ms的噴霧前端平均速度分佈 65
圖4-12-c、Pa=0.75bar, ASOI=0.6ms的噴霧前端平均速度分佈 66
圖4-13-a、Pa=1.00bar, ASOI=0.2ms的噴霧前端平均速度分佈 66
圖4-13-b、Pa=1.00bar, ASOI=0.4ms的噴霧前端平均速度分佈 67
圖4-13-c、Pa=1.00bar, ASOI=0.6ms的噴霧前端平均速度分佈 67
圖4-13-d、Pa=1.00bar, ASOI=0.8ms的噴霧前端平均速度分佈 68
圖4-14-a、Pa=2.00bar, ASOI=0.2ms的噴霧前端平均速度分佈 68
圖4-14-b、Pa=2.00bar, ASOI=0.4ms的噴霧前端平均速度分佈 69
圖4-14-c、Pa=2.00bar, ASOI=0.6ms的噴霧前端平均速度分佈 69
圖4-14-d、Pa=2.00bar, ASOI=0.8ms的噴霧前端平均速度分佈 70
圖4-14-e、Pa=2.00bar, ASOI=1.0ms的噴霧前端平均速度分佈 70
圖4-14-f、Pa=2.00bar, ASOI=1.2ms的噴霧前端平均速度分佈 71
圖4-14-g、Pa=2.00bar, ASOI=1.4ms的噴霧前端平均速度分佈 71
圖4-14-h、Pa=2.00bar, ASOI=1.6ms的噴霧前端平均速度分佈 72
圖4-14-i、Pa=2.00bar, ASOI=1.8ms的噴霧前端平均速度分佈 72
圖4-15-a、Pa=4.00bar, ASOI=0.2ms的噴霧前端平均速度分佈 73
圖4-15-b、Pa=4.00bar, ASOI=0.4ms的噴霧前端平均速度分佈 73
圖4-15-c、Pa=4.00bar, ASOI=0.6ms的噴霧前端平均速度分佈 74
圖4-15-d、Pa=4.00bar, ASOI=0.8ms的噴霧前端平均速度分佈 74
圖4-15-e、Pa=4.00bar, ASOI=1.0ms的噴霧前端平均速度分佈 75
圖4-15-f、Pa=4.00bar, ASOI=1.2ms的噴霧前端平均速度分佈 75
圖4-15-g、Pa=4.00bar, ASOI=1.4ms的噴霧前端平均速度分佈 76
圖4-15-h、Pa=4.00bar, ASOI=1.6ms的噴霧前端平均速度分佈 76
圖4-15-i、Pa=4.00bar, ASOI=1.8ms的噴霧前端平均速度分佈 77
圖4-15-j、Pa=4.00bar, ASOI=2.0ms的噴霧前端平均速度分佈 77
圖4-16-a、Pa=6.00bar, ASOI=0.2ms的噴霧前端平均速度分佈 78
圖4-16-b、Pa=6.00bar, ASOI=0.4ms的噴霧前端平均速度分佈 78
圖4-16-c、Pa=6.00bar, ASOI=0.6ms的噴霧前端平均速度分佈 79
圖4-16-d、Pa=6.00bar, ASOI=0.8ms的噴霧前端平均速度分佈 79
圖4-16-e、Pa=6.00bar, ASOI=1.0ms的噴霧前端平均速度分佈 80
圖4-16-f、Pa=6.00bar, ASOI=1.2ms的噴霧前端平均速度分佈 80
圖4-16-g、Pa=6.00bar, ASOI=1.4ms的噴霧前端平均速度分佈 81
圖4-16-h、Pa=6.00bar, ASOI=1.6ms的噴霧前端平均速度分佈 81
圖4-16-i、Pa=6.00bar, ASOI=1.8ms的噴霧前端平均速度分佈 82
圖4-16-j、Pa=6.00bar, ASOI=2.0ms的噴霧前端平均速度分佈 82
圖4-17-a、Pa=8.00bar, ASOI=0.2ms的噴霧前端平均速度分佈 83
圖4-17-b、Pa=8.00bar, ASOI=0.4ms的噴霧前端平均速度分佈 83
圖4-17-c、Pa=8.00bar, ASOI=0.6ms的噴霧前端平均速度分佈 84
圖4-17-d、Pa=8.00bar, ASOI=0.8ms的噴霧前端平均速度分佈 84
圖4-17-e、Pa=8.00bar, ASOI=1.0ms的噴霧前端平均速度分佈 85
圖4-17-f、Pa=8.00bar, ASOI=1.2ms的噴霧前端平均速度分佈 85
圖4-17-g、Pa=8.00bar, ASOI=1.4ms的噴霧前端平均速度分佈 86
圖4-17-h、Pa=8.00bar, ASOI=1.6ms的噴霧前端平均速度分佈 86
圖4-17-i、Pa=8.00bar, ASOI=1.8ms的噴霧前端平均速度分佈 87
圖4-17-j、Pa=8.00bar, ASOI=2.0ms的噴霧前端平均速度分佈 87

[1]Dodge, L.G., “Fuel Preparation Requirements for Direct-Injected Spark-Ignition Engines, SAE Technical Paper, No. 962015, 1996.
[2]Kume, T., Iwamoto, Y., Iida, K., Murakami, M., Akishino, K., Ando, H., “Combustion Control Technologies for Direct Injection SI Engine, SAE Technical Paper, No. 960600, 1996.
[3]Preussner, C., Doring, C., Fehler, S., Kampmann, S., “GDI: Interaction Between Mixture Preparation, Combustion System and Injector Performance, SAE Technical Paper, No. 980498, 1998.
[4]Zhao, F., Harrington, D.L., Lai, M.-C., “Automotive Gasoline Direct-Injection Engines, Society of Automotive Engineers Inc. , 2002.
[5]Lefebvre, A.H., “Atomization and Sprays, Hemisphere Publishing Corporation, 1989.
[6]Ortman, J., Lefebvre, A.H., “Fuel Distributions from Pressure-Swirl Atomizers, Journal of Propulsion and Power, Vol. 1, No. 1, pp. 11-15, 1985.
[7]Dodge, F.T., Dodge, L.G., Johnson, J.E., “Nozzle Development, Work Performed Under Contract No.： DE-AC21-86MC23005, 1989.
[8]Van Der Wege, B.A., Hochgreb, S., “Effects of Fuel Volatility and Operating Conditions on Fuel Sprays in Disi Engines: (1) Imaging Investigation, SAE Technical Paper, 2000-01-0535, 2000.
[9]Van Der Wege, B.A., Hochgreb, S., “Effects of Fuel Volatility and Operating Conditions on Fuel Sprays in Disi Engines: (2) PDPA Investigation, SAE Technical Paper, 2000-01-0536, 2000.
[10]Yamakawa, M., Isshiki, S., Lee, J.-K., Nishida, K., “3-D Piv Analysis of Structural Behavior of D.I. Gasoline Spray, SAE Technical Paper, 2001-01-3669, 2001.
[11]Lee, J., Nishida, K., 2003, “Insight on Early Spray Formation Process of a Highpressure Swirl Injector for Disi Engines, SAE Technical Paper, 2003-01-1809, 2003.
[12]Loustalan, P.W, Davy, M.H., Williams, P.A., “Experimental Investigation Into the Liquid Sheet Break-Up of High-Pressure Disi Swirl Atomizers, SAE Technical Paper, 2003-01-3102, 2003.
[13]Hung, D.L.S., Harrington, D.L., Gandhi, A.H., Markle ,L.E., Parrish, S.E., Shakal, J.S., Sayar, H., Cummings, S.D., Kramer, J.L., “Gasoline Fuel Injector Spray Measurement and Characterization – A New SAE J2715 Recommended Practice, SAE Technical Paper, 2008-01-1068, 2008.
[14]Raffel, M., Willert, C., Kompenhans, J., “Particle Image Velocimetry- A Practical Guide, Springer, Heidelberg, Germany, 1998.
[15]Wu, C.-Y., Dissertation for Ph.D., Institute of Aeronautics and Astronautics, National Cheng Kung University, Taiwan, 2003.
[16]Li, Y.-H., Wu, C.-Y., Chen, B.-C., Chao, Y.-C., “Measurements of High Luminosity Flame Structure by A Shuttered PIV System, Measurement Science and Technology, Vol.19, pp.1-11, 2008.
[17]Wu, C.-Y., Chao, Y. -C., Cheng, T.-S., Chen, C. -P., Ho, C. -T ., “Effects of CO Addition on The Characteristics of Laminar Premixed CH4/air Opposed-Jet Flames, Combustion and Flame, Vol.156, No.2, pp. 362–373, 2009.
[18]Okamoto, K., Nishio, S., Saga, T., Kobayashi, T., “Standard Images for Particle-Image Velocimetry, Measurement Science and Technology, Vol.11, No. 6, pp. 685-691, 2000.
[19]Rottenkolber, G., Gindele, J., Raposo, J., Dullenkopf, K., Hentschel, W., Wittig, S., Spicher, U., Merzkirch, W., “Spray Analysis of A Gasoline Direct Injector by Means of Two-Phase PIV, Experiments in Fluids, Vol.32, No.6, pp. 710-721, 2002.
[20]Stansfield, P., Wigley, G., Justham, T., Catto, J., Pitcher, G., “PIV Analysis of In-Cylinder Flow Structures Over A Range of Realistic Engine Speeds, Experiments in Fluids, Vol.43, No.1, pp. 135-146, 2007.