柴油机燃油高压喷射诱导激波现象触发界限及对雾化特性影响机理解析

Due to the illegibility of high-pressure spray atomization mechanism, raising injection pressure is still the key factor to improve the fuel-air mixture quality and combustion efficiency in new-generation common rail system. Under the high injection pressure, the speed of the fuel spray increases accordingly and the shock-wave generation in the spray has been widely proved. This study will firstly focus on the shock-wave initiation condition during the injection process of the high pressure common rail system. A novel judgment that the occurrence of shock-wave phenomenon depends on whether the fuel speed at the nozzle exit exceeds the local sound speed or not is proposed and will be validated by experimental data. Through this investigation, the possibility of the shock-wave appearance in the real diesel engine working condition can be better unveiled. Furthermore, a unique research method is to employ. Based on the property that the different atmospheres differ greatly from each other in the local sound speed, the spray jets of shock-wave state and non-shock-wave state can be achieved under the same injection pressure, the same gas densities and only the different gas atmosphere. By comparing the variance of the spray characteristics in these two states, the influence of shock wave on the spray evolution can be analyzed effectively and quantitatively. In addition, based on single-droplet modeling method, by introducing M-CD influencing sub-model, a one-dimension model of droplet movement covering the high Reynolds number and high Mach number conditions will also be developed in order to better reveal the influencing mechanism of the shock wave during the injection process.

由于燃油高压喷射雾化机理尚未明晰，提高燃油喷射压力仍然是新一代高压共轨柴油机改善燃油雾化质量、提高燃烧效率的主要手段之一。高喷射压力条件下喷雾诱导激波现象在柴油机实际工作过程中的存在已经获得了证实。本项目以高压共轨喷油器喷油过程中激波现象产生的临界条件为研究出发点，以燃油离开喷孔速度是否超过当地音速作为喷雾诱导激波现象产生的判据并进行试验验证。 为高压喷射诱导激波现象在柴油机真实工作条件下的触发界限提供准确的预测。在此基础上,利用不同气体介质间当地音速差异显著的特性，分析高压共轨喷油器喷射诱导激波现象产生与否对雾化特性的影响规律及其随参数的变化趋势。最后，基于单液滴简化模型法，引入M-CD影响子模型，建立覆盖高雷诺数与高马赫数条件的液滴一维运动雾化模型，揭示激波现象对射流雾化特性的影响机理。

柴油发动机燃油喷射压力的不断提高使得射流速度超过环境气体的当地音速成为可能。本项目针对柴油机燃油高压喷射诱导激波现象的产生机理、特性及其对喷雾雾化的影响规律开展了深入的试验和模拟研究。本项目研究首先基于同步辐射X射线相称成像技术建立了近喷嘴区域燃油射流特性测量平台装置。基于上述平台，本项目研究了两支目标喷油器，顶置单孔喷油器和侧置多孔喷油器，在近喷嘴区域内的液核破碎、燃油射流速度等动力学特性。建立了喷孔出口燃油射流速度的预测公式，掌握了不同喷射压力条件下，喷孔出口燃油射流速度与环境气体音速的相对关系。与此同时，本项目搭建了高压共轨喷雾台架装置以及喷雾可视化定容弹装置。在此基础上，开展了燃油喷射诱导激波现象产生边界条件的研究。研究结果证明，在燃油喷射过程中，只要喷雾内的最高射流速度，即喷孔出口射流速度超过当地音速，就可以触发燃油喷射诱导激波现象。本项目进一步给出了不同环境气体温度条件下触发燃油喷射诱导激波现象所需最低燃油喷射压力的预测结果。上述研究结果为预测真实发动机工况下燃油喷射诱导激波现象的存在范围提供了理论指导。在此之后，本项目深入开展了燃油喷射诱导激波现象对射流雾化特性影响机理的试验与模拟研究。试验结果表明，燃油喷射诱导激波在脱离喷雾前锋面之后会显著地改变喷雾贯穿距等喷雾雾化特性。燃油喷射诱导激波产生的密度与喷射压力有关。顶置单孔喷油器与侧置多孔喷油器的喷雾雾化特性存在明显差异，特别是在燃油喷射的初始阶段。最后，本项目采用流体计算软件CONVERGE，基于LES大涡模拟开展了燃油喷射诱导激波现象的模拟研究。模拟结果成功地再现了实验中观察到燃油喷射诱导激波现象的特征，进一步提示了燃油喷射诱导激波现象的产生机理以及其对喷雾雾化特性的影响机理，为下一步针对超音速燃油喷射诱导激波的模型研究奠定了基础。