直喷汽油机中燃油撞壁及其与机油油膜相互作用机理的基础研究

In recent years, continuously increased fuel injection pressure in Gasoline Direct Injection (GDI) engines has augmented spray fuel impingement and consequent soot emissions, oil dilution and pre-ignition. This proposed research is aiming to investigate wall impingement phenomenain of fuel spray in GDI engines, in particular the dynamic development process of fuel film and the interaction mechanism between fuel droplets and oil film on cylinder wall. By applying multiple optical testing measurement technologies and numerical simulations, specific objectives of this research are threefold. First of all, it will explore dynamics of fuel film and development process of fuel droplets during secondary breakup when fuel spray impinges on high temperature cylinder wall and oil-film. Secondly, it will study and develop secondary breakup mechanism and criteria induced by boiling, splashing and jet flows. Results will be used to improve fuel spary impingement model of GDI engines. Finally, as oil droplets have been regarded as one of main inducements for pre-ignition, the detail how oil droplets produced from fuel spray impinging enter into cylinder and their distributions in combustion chamber will be examined. Relevant resarch outputs will not only enrich and develop GDI fuel spray impingement mechanism, but also reveal effects of key parameters of GDI engines on spray impinging, secondary breakup and oil droplets distributions. Meanwhile, important findings relating fuel spray impingement and the interaction with oil film will provide significant theoretical supports to new GDI combustion system design and control strategies for improving combustion efficiency and reducing soot emissions.

近几年来，随着直喷汽油机小型强化程度和供油系统压力的不断提升，燃油撞壁现象及其导致的碳烟排放、机油稀释和早燃日益严重。本项目针对直喷汽油机中的燃油撞壁现象，综合运用多种光学测试手段和模拟研究方法，开展持续喷射燃油条件下，缸壁油膜的动态发展过程以及燃油与机油两种不同物化属性液体之间的相互作用机理研究。旨在弄清燃油油束撞击汽油机高温壁面和机油油膜壁面时，动态油膜的建立、发展和变化过程及其对燃油二次破碎带来的影响；建立汽油燃料沸腾、飞溅和射流引发的二次破碎机理及其临界值标准，完善适用于直喷汽油机的燃油撞壁理论和模型；明确燃油撞击条件下，机油液滴进入燃烧室的途径和分布规律，为汽油机早燃现象提供理论依据。通过该研究，丰富和发展燃油撞壁破碎理论，明确直喷发动机关键参数对缸壁油膜和机油液滴空间分布的影响规律，进而为高效低碳烟排放直喷发动机的设计优化及控制提供基础理论支持。

GDI发动机的喷雾撞壁会导致碳烟排放的增加和机油稀释,改善喷雾撞壁是GDI发动机的研究热点之一。本项目开展GDI发动机内的喷雾撞壁机理研究,分析燃料喷雾撞壁过程中的液滴微观特性和燃料与机油的交互机理。开展了高速多液滴撞壁试验,观察到了喷雾中的多液滴撞壁的特殊过程及特殊现象,构建了多液滴撞壁模型,得到多液滴撞壁二次液滴粒径的概率密度,划分了不同撞壁现象的区域。搭建了相位多普勒测量系统,开展了GDI喷雾撞壁微观特性试验,对自由喷雾以及喷雾撞击干湿壁面下的入射、反射液滴的粒径、粒速进行测量;定量分析了机油壁面对液滴直径的影响。搭建了测量附壁燃料质量的喷雾撞壁试验台架,定量的分析了不同喷射参数下以及干湿壁面下的燃料附壁质量,分析了燃料在撞壁平板上的质量分布，观察到了机油液膜受到喷雾撞击后的流动和飞溅特性。搭建了燃料液滴撞壁试验台架，开展了单燃料液滴撞壁试验，定量分析了撞壁后燃料与机油的形态，分析了撞壁后冠状结构的形成机理，定量分析了冠状结构的成分，分析了不同参数对冠状高度和冠状直径的影响，拟合了冠状结构高度和直径的经验公式，通过光学手段对机油和燃料分别划分了飞溅阈值。开展了燃料液滴撞击机油液膜仿真计算，定量的分析了撞壁后燃料与机油的分布情况，对机油受到燃料撞击后导致的机油稀释进行分析。开展了GDI燃烧室内的喷雾撞壁仿真计算，研究了不同参数下的燃料附壁量与soot排放量，得到了达到最小附壁量和soot排放量的喷射策略。开展了高温高压容弹中的喷雾撞击机油液膜试验，研究了不同参数下的机油分布特性,分析了飞溅的机油液滴的粒径分布,得到了降低飞溅机油粒径的最优喷射压力。以上研究对揭示GDI发动机内的喷雾撞击缸套机油液膜以及指导GDI发动机的燃油喷射系统开发具有重要意义,为高效低碳烟排放直喷发动机的设计优化及控制提供基础理论支持,为精确数值模拟提供一系列准确可靠的数据。