发动机喷油嘴中气体倒流的形成机制及对喷孔沉积物生成影响

According to the phenomena of gas backflow into engine injector nozzle and deposit in nozzle holes built out of components of fuel and lubricant, the connection between the two phenomena is worth of deeply researching on the following three ways. Firstly, analyzing the mechanism of gas backflow into injector nozzle by means of experiment and numerical simulation，and presenting suitable dimensionless criterion for estimating quantity of backflow gas. Secondly, calculating temperature and phase distribution of residual fuel and backflow gas bubble in injector nozzle by means of thermal fluid-structure-interaction simulation, and investigating the formation condition of deposit inside and outside of injector nozzle. Finally, based on volume of fluid (VOF) method，numerical simulating unsteady jet of injector nozzle containing backflow gas bubble, and analyzing its atomization characteristic. The research results can be applied to analyzing the coking problem of engine injector, provide theoretical basis for optimal design of nozzle, and also enrich the fuel atomization theory on unsteady injection.

项目基于前期工作中发现的喷油嘴气体倒流现象和喷油嘴喷孔内部沉积物含有发动机缸内燃气成份的文献研究结果，分析认为喷油嘴气体倒流对喷油嘴沉积物生成有重要影响，有必要在三个方面做深入研究。1. 通过实验和数值模拟相结合的方法，分析喷油嘴中气体倒流的形成机制，提出适用的量纲一准则数以判断气体倒流的程度和临界值；2.建立喷油嘴的流固热耦合模型，计算喷油嘴内残留燃油和倒流气泡两相温度分布，分析是否满足喷孔内部沉积物生成条件；同时，计算喷嘴内流体受热膨胀而挤出的燃油质量，以分析喷孔外部沉积物的生成条件。3.基于VOF方法，对喷油嘴内存在倒流气体时的不稳定射流进行数值模拟研究，分析倒流气体对燃油初始雾化特性的影响。 项目研究成果有助于分析发动机喷油器普遍存在的结焦失效问题，为喷油嘴的结构优化设计提供理论依据，还可丰富不稳定喷射阶段的燃油雾化理论。

随柴油机高压喷射系统中多次喷射技术普及，燃油喷射雾化过程中的不稳定喷射阶段占比增加，由其引起的问题变得突出。本项目对发动机喷油嘴在断油过程中出现的气体倒流现象以及倒流燃气对喷孔内部沉积物生成的影响进行了深入的研究。主要研究内容可归纳为：1.对喷油嘴断油过程的气体倒流形成机理进行了试验和理论分析，发现断油时喷孔内发生的空化生成和溃灭现象是导致气体倒流的主要原因。2.通过对针阀落座喷嘴内流动理论模型的推导，提出了适用的无量纲空化数CN准则式以定性判断喷孔内的空化强度和气体倒流程度，确定了背压、燃油物性、压力室容积、孔长、断油初始速度等因素对喷嘴断油空化程度的影响规律。3.建立基于VOF方法和相变模型的不稳定喷射阶段喷孔内流场的数学模型，研究不同喷射条件和喷嘴结构条件下的喷嘴内多相流场，进一步验证了气体倒流形成机理。同时还发现随压力室结构变得狭直，压力室空化形态由旋涡导致的涡空化向末端拉伸导致的带状空化转变。4. 基于LES-VOF方法，分析倒流气体形成的残余气泡对燃油射流初期破碎的影响，发现射流初期的破碎形态随机呈现“蘑菇”与“液丝+伞状膜”是与残余气泡在喷孔内的位置相关的。5. 通过分析喷嘴内结焦沉积物特征，在孔内沉积物中发现了燃烧室内的润滑油成分，进一步证明了喷油间歇期的燃气倒流进入喷油器内部的现象。基于流固热耦合计算表明喷嘴内外表面温度接近导致燃油结焦反应的阈值温度，喷油嘴有导致燃油结焦反应形成沉积物的可能性。.项目研究成果有助于分析发动机喷油器普遍存在的结焦问题，为喷油嘴的结构优化设计提供理论依据，丰富了不稳定喷射阶段的燃油雾化理论。