基于上海光源的汽油直喷发动机燃油喷雾破碎雾化机理研究

Gasoline direct injection, which is widely used in the mid-to-high end automobile market, is the present key technology to achieve energy conservation and emission reduction on ICE vehicles due to its advantages of high fuel economy, low cold start HC emissions, and precise electronic control. GDI fuel spray characteristic directly determines the pattern and quality of the mixture formation, which is a main factor affecting the combustion process. However, the fuel jet breakup and atomization process is a complex liquid-gas two-phase turbulent flow issue and the nozzle internal flow characteristics and spray breakup mechanism has not yet been fully revealed. This project intends to apply synchrotron radiation X-ray ultrafast imaging technology to visualize the influence of nozzle internal geometry and needle motion on nozzle internal flow and cavitation characteristics and construct a sophisticated GDI nozzle internal flow model. Then, X-ray phase contrast imaging, X-ray absorption and multiple exposure techniques will be applied to analyze the liquid-core breakup and atomization characteristics of GDI spray. The correlation between the nozzle internal flow characteristics and the spray liquid core breakup pattern and dynamics will be studied based on the dimensionless numbers (Reynolds number, Weber number, needle lift ratio, gas-liquid ratio, etc.) analysis method. Systematic spray model which contains the whole process of internal flow, liquid core primary breakup and secondary atomization of GDI sprays will be constructed in order to lay the foundation for the clarification of the GDI sprays breakup and atomization mechanism, as well as providing significant technical support for the initiative utilization of new spray atomization patterns.

缸内直喷技术(GDI)因其具有燃油经济性高、冷启动HC排放低、控制精准等优势被广泛应用于中高端车型，是现阶段实现燃油车节能减排目标的关键技术手段。GDI燃油喷雾特性直接决定混合气组织形式和形成质量，是影响燃烧过程的主要因素，然而燃油射流的破碎和雾化混合过程是一个复杂的气液两相湍流流动过程，且喷嘴内部流动规律及喷雾液核破碎机理的研究尚不完善。本课题拟通过同步辐射X射线成像技术，实现喷嘴内部结构参数及针阀运动规律对喷孔内流及空化特性影响的可视化研究，从而构建完善的GDI喷嘴内流模型；利用X射线相衬成像、吸收成像以及多重曝光等技术研究GDI喷雾液核破碎雾化特性，并基于无量纲数（雷诺数、韦伯数等）分析喷雾液核破碎形态及运动特性与喷嘴内流流动特性的相关性，建立耦合“内流-液核破碎-二次雾化”过程的系统喷雾模型，为GDI喷雾液核破碎雾化机理的阐明提供依据，同时也为燃油雾化新模式的主动利用奠定基础。

燃油雾化特性直接决定发动机缸内可燃混合气的组织形式和形成质量，是影响燃烧过程的主要因素，雾化质量的提高对于降低发动机油耗、减少污染物排放具有重要作用。本研究采用试验和仿真相结合的手段，分析了影响喷嘴内部流动状态的关键边界条件对于喷嘴内流及空化特性的影响机制，及其与喷雾破碎雾化特性的相关性，为揭示高压燃油喷射雾化机理奠定了基础。.搭建了针阀运动规律测试系统，实现了燃油喷射过程中针阀运动曲线的测量以及喷嘴内部燃油空化和流动分离现象的观测。同时，基于X射线显微CT成像技术搭建了喷嘴内部结构测量系统，实现了喷嘴结构参数的精确测量和喷嘴内流道模型的三维重构。.开展了金属喷嘴内流流动特性的研究，对比了不同结构喷嘴的内流可视化成像结果，分析了喷孔内部流动特性及空化分布特征与喷嘴结构的相关性。实验结果表明，喷孔锥度以及喷孔与压力室的相对位置对于喷喷嘴内部流动及空化特性具有显著影响。.采用VOF方法建立了高精度的GDI喷嘴内流特性仿真模型，当喷孔内部形成挑流时，会导致喷雾油束偏离喷孔轴线方向，造成多孔喷嘴喷雾包络角的变化，进而影响燃烧室内喷雾液滴的空间分布和混合气的组织形成。油束方向的偏转还可能会造成喷嘴尖端濡湿积油，导致发动机颗粒物排放增加。.基于X射线相称成像技术，开展了高压汽油喷油嘴的射流液核破碎过程及速度场测量；基于X射线吸收成像技术，开展了射流液核的密度场特性及其随参数变化规律的测量研究。喷射压力提高可以减少喷油嘴前端濡湿的燃油质量。射流液核速度特性对于内流流动特性非常敏感。在射流的稳态阶段，喷孔内的挑流宽度基本不变，但是挑流状态仍然会存在波动。.最后，基于ELSA方法建立了能够综合考虑喷嘴内部结构、环境因素、喷射参数、针阀运动等影响因素的系统喷雾模型，开展了喷嘴内部流动及燃油破碎雾化过程的同场耦合模拟。在喷孔基本尺寸相同的情况下，喷孔入口转角ω和入口法向倾角φ的改变对于喷雾宏观和微观特性均有明显影响。