直喷汽油机闪急沸腾喷雾雾化机理研究

With the fine characters of short penetration, large spray angle and small droplet size distribution, flash boiling spray can be employed to improve the combustion process of gasoline direct injection engines significantly. In the present project, using high droplet number density interferometer particle imaging (IPI) combined with particle image velocimetry (PIV) technology, it is planned to conduct in-depth investigation on the droplet size distribution, droplet velocity field and gas velocity field of gasoline flash boiling spray, to fully grasp the characteristics of gasoline flash boiling spray, to reveal the spray collapse mechanism at high superheat degree, and to detect the effect of in-cylinder flow on spray and mixture formation. Through direct numerical simulation on the bubble formation, bubble growth, droplet breakup and droplet collision processes,it is expected to reveal the effect of contained bubble on the secondary atomization process, and finally improve the existing flash boiling spray atomization sub-models. On this basis, it is supposed to improve the combustion and emission characteristics of gasoline direct injection engine by using flash boiling spray for the first time. The present study is of great significance on the spray atomization theory, and will have a profound impact on the development of gasoline direct injection engine technology.

闪急沸腾喷雾具有贯穿距短、喷雾锥角大、液滴粒径小的优良喷雾特性，可以显著改善直喷汽油机的燃烧及排放特性。本项目拟采用独创的高液滴数密度激光干涉粒子成像（IPI）结合激光粒子成像测速（PIV）技术，对汽油闪急沸腾喷雾的宏观形态、粒径分布、液滴及气体速度场进行深入的研究，全面掌握闪急沸腾喷雾的喷雾特性，力求揭示高过热度下闪急沸腾喷雾塌缩现象的发生机理，探明缸内气流运动对闪急沸腾喷雾雾化及混合气形成的影响规律。同时，采用直接数值模拟方法，研究过热液滴内部气泡成核及生长、液滴破碎及碰撞等微观过程，揭示液滴内部气泡对二次雾化过程的作用机理，并以此为依据完善闪急沸腾喷雾相关雾化子模型。在此基础上，首次将闪急沸腾喷雾实际应用于直喷汽油机中，寻求改善直喷汽油机燃烧及排放特性的最佳途径。本项目的研究对于丰富和完善喷雾雾化理论具有重要的意义，并将对直喷汽油机技术的发展产生深远的影响。

闪急沸腾喷雾具有贯穿距短、喷雾锥角大、油滴直径小的优良喷雾特性，具备改善直喷汽油机的燃烧及排放特性的潜力。在闪急沸腾喷雾中，燃油物性、过热度、气流运动等参数对喷雾的形态结构、油滴直径、油滴速度、混合气的形成均有重要影响。因此，全面深入了解闪急沸腾喷雾的雾化机理对其在发动机上的实际应用具有重要的学术和应用价值。本课题采用实验与模拟相结合的研究手段，全面深入分析并揭示了闪急沸腾喷雾的雾化机理。首先，在定容弹中采用Mie散射与激光干涉粒子成像(IPI或EGPVS)技术相结合的方法研究了不同过热度下的闪急沸腾喷雾的贯穿距、喷雾锥角、油滴直径、油滴速度的变化规律，发现多孔喷雾在高过热度下会发生塌缩；通过对比分析单孔、双孔、六孔喷雾在高过热度下的形态结构，提出多孔闪急沸腾喷雾在高过热度下的塌缩机理在于气流卷吸与油束重叠的双重作用；其次，应用激光粒子图像测速技术(PIV)在光学发动机中研究了滚流和过热度对闪急沸腾喷雾混合气形成的影响，研究发现燃油温度对喷雾形态和速度场有决定性影响，缸内滚流对喷雾形态影响较小；再者，采用能量方程和动量方程耦合求解的方法，研究气泡在乙醇油滴中的生长过程，研究发现雅各比数对不同阶段的气泡生长特性有较大影响；考虑到闪急沸腾喷雾中油滴存在频繁碰撞现象，基于相场方法的格子玻尔兹曼多相流模型研究了油滴间的碰撞过程，研究表明对于相同尺寸液滴碰撞，We数是液滴动力学特征及结果的决定参数，Oh数则通过影响耗散过程最终定量碰撞模式的边界；对于不同尺寸液滴碰撞，随着直径比的减小液滴愈发难以发生分离，在低Oh数下液滴碰撞会出现内部射流现象，加强混合。为了进一步实现闪急沸腾喷雾燃烧模拟对宽广温度范围内物性数据的要求，提出了燃油运动黏度和蒸汽压的预测模型。