柴油机缸内超声速燃油射流诱导激波的特性分析及其对雾化影响的机理研究

High-pressure injection technology is the effective way to promote fuel atomization and improve combustion and emission performance of diesel engines. When the fuel jet is faster than sound, shock wave will appear around the jet and affect the process of break-up, atomization and air entrainment of the jet significantly. At present, the theory about fuel injection, atomization and mixture preparation of diesel engine does not take into account the effects of shock wave. As a result, the existing atomization model can not accurately predict the fuel injection process, which setup an obstacle to the target of achieving accurate control of diesel engine combustion. This project aims to study the forming conditions, spatial shape and the change rule of the shock wave induced by supersonic fuel jet of diesel engines, by means of LDA, background oriented schlieren and PIV. The relationship between the diesel engine operating conditions and the characteristics of shock wave is established, based on the jet Mach number. The influence of shock wave on the macrostructure and distribution of the supersonic fuel jet is studied. And then the effects of induced shock wave on spray atomization and fuel/air mixing under diesel engine like conditions is analyzed quantifiably by the measurement of fuel/air equivalence ratio. On this basis, the dispersion equation of linear stability theory will be deduced by considering the effects of shock wave. Based on above reason, this project will provide the theory basis for the development of atomization mechanism and the improvement of atomization models and new combustion system of diesel engines.

高压喷射是促进燃油雾化、改善柴油机燃烧和排放的有效措施，当燃油喷射速度超过声速后，会在射流周围诱导产生激波，对射流的破碎、雾化以及油气混合特性产生明显影响。目前，对柴油机燃油喷射、雾化及混合气形成的理论解释中并未考虑激波的影响，因此现有的雾化模型无法对燃油喷射过程进行准确预测，这给实现柴油机缸内燃烧精确控制的目标设置了障碍。本项目拟利用LDA、背景导向纹影及PIV等光学测量技术对柴油机超声速射流诱导激波的产生条件、空间形状及发展变化规律进行研究。以射流马赫数为桥梁，建立激波特性与柴油机工况条件之间的对应关系，分析激给喷雾宏观结构及分布特性带来的变化，借助当量比来量化分析柴油机新技术条件下超声速射流诱导产生的激波现象对雾化及油气混合的影响。以此为基础，尝试在线性稳定性理论的色散方程中考虑激波带来的影响，最终为研究高压喷射条件下柴油机燃油雾化机理、开发新的雾化模型及燃烧系统提供科学的理论依据。

高压燃油喷射是促进燃油雾化，改善柴油机经济性和排放性的重要手段，当燃油喷射速度超过声速后，会在喷雾周围产生激波，对射流的破碎，雾化以及油气混合特性产生明显影响。本项目应用实验和仿真相结合的研究方法，对超声速燃油诱导激波的产生条件、演化过程、激波对燃油喷雾发展和油气混合特性的影响开展研究。. 通过搭建高压燃油喷雾可视化实验装置平台，采用纹影法测量技术，研究了不同喷油压力、背压等参数下的超声速燃油喷雾诱导激波演化特性、喷雾宏观结构演化特性，燃油喷雾浓度特性等。采用N2和SF6气体的对比实验研究，分析了超声速燃油诱导激波对燃油喷雾形态、喷雾贯穿距、喷雾锥角的宏观特性参数的影响，并且基于线性稳定性理论对喷孔近场激波的频率特性开展研究。研究表明，激波的传播会促进燃油喷雾贯穿距的发展，相同喷油压力下，激波条件下的喷雾贯穿距要比非激波条件下高13%，燃油喷雾的油气混合效果也得以加强。背压和喷射压力越高，激波的频率越高，能够促进燃油喷雾的破碎和混合。本项目以燃油喷雾马赫数为桥梁，提出了激波结构与喷雾马赫数的对应关系。. 同时，项目采用CFD仿真结合大涡模拟技术进一步拓展研究范围，分析了不同马赫数条件下的超声速燃油射流诱导激波特性以及激波对燃油喷雾雾化的影响机理，以射流马赫数为桥梁建立了激波特性和射流马赫数的对应关系，并分别研究了激波传播过程中对缸内密度场、速度场、温度场的影响。研究表明，激波后的气体压力、密度、温度均有所提高，在极高喷射压力条件下，激波造成的环境温度升高有可能会引发缸内燃油喷雾自燃。深入研究超声速射流诱导激波现象对雾化及油气混合的影响，有助于加深人们对高压喷射条件下燃油雾化机理的理解和认识，为丰富和发展燃油雾化的相关理论基础，开发新的雾化模型等提供理论依据，具有重要的研究意义。