高强化燃烧条件下超临界燃料射流混合机理和燃烧特性研究

As a novel fuel supply approach, supercritical fuel injection into a supercritical environment can achieve mixture formation rapidly, reduce the dependence on the fuel supply system and have a great applied potential to advance diesel engine technologies in the future. Because the surface tension of supercritical fluids is close to zero, the phenomena of atomization and evaporation disappear and the mechanisms of supercritical fuel injection, mixture formation and combustion are totally different from those under subcritical conditions. Supercritical fuel injection, mixing, and combustion have received little research attention and are poorly understood. In this proposal visualization techniques will be used to investigate the structure of supercritical fuel injection, mechanisms of mixture formation and development, ignition delay, and characteristics of combustion and heat release in a combustion bomb and a sapphire optical engine under supercritical high pressure and high temperature conditions. Combined with numerical simulation, the features of supercritical fuel injection and mixture formation will be revealed, as well as characteristics of ignition delay and combustion. Based on the findings of this research project, the method of controlling supercritical fuel combustion will be proposed. The proposed research is essential not only to the exploration of the theory of supercritical fuel injection, mixing and combustion under the intensified conditions, but also to the evaluation of the visualization techniques applicable to supercritical fluids in engine measurements.

超临界喷射作为一种新型燃料供给方式，可以实现快速混合气制备，并降低对供油系统的依赖，在未来先进柴油机上具有很大的应用潜力。超临界燃料由于表面张力近似为零，雾化、蒸发等现象消失，其喷射混合机理和燃烧特性与传统液体燃料完全不同，至今还没有被完全理解。本项目在高温高压定容燃烧弹和蓝宝石光学发动机上，采用可视化测试技术研究超临界射流结构形态、混合气形成与发展规律、着火燃烧放热特征，并与数值模拟相结合，系统揭示超临界燃料射流结构与传统液体燃料的差异、混合气形成与输运机制、着火和燃烧特性，并提出超临界燃烧控制方法。其研究不仅对发动机高强化燃烧条件下的超临界喷射混合机理和燃烧特性进行了有益的探索，同时对超临界流体可视化测试在发动机研究领域的实际应用具有重要参考价值。

超临界燃料喷射在未来先进发动机研发中具有巨大的应用潜力。然而，目前尚缺乏综合的理论体系和基础数据，因此，对超临界燃料应用中迫切需要解决的关键问题进行研究势在必行。.本项目针对高强化燃烧条件下超临界燃料喷射、混合与燃烧等基础科学问题展开研究。首先，搭建一套粒径激光测试系统，用于评估亚临界和超临界喷射雾化效果，研究发现，随着燃料喷射压力和温度的提高，燃料从液滴向跨临界和超临界态转移，其索特平均直径将逐渐减小，直至消失，证明超临界利于燃油蒸发。.然后，搭建了喷嘴内流试验台，研究不同模式下喷嘴内流对喷雾特性的影响，结果表明，高温燃油能促进喷嘴内部的空穴程度，同时影响随后的喷雾过程，促进燃油的雾化，有利于油气混合。.之后，搭建了超临界物性测试系统一套，研究不同汽柴油混合物的临界点物性，得到了不同比例汽柴油混合物临界温度和临界压力，为实际燃料在超临界领域的应用提供边界条件。.然后，制作了超临界喷射系统两套，全方位研究不同喷油器结构以及不同类型燃料的超临界喷射特性；建立了获取宏观气相结构的高速纹影测试系统和获取宏观液相结构的高速背光测试系统；在流动式定容燃烧弹上开展正庚烷和汽柴油混合燃料的亚临界/超临界喷射特性研究。结果表明，燃油超临界喷射特性和液态喷射有不同的喷射特性，前者类似高密度气体喷射。.随后，在光学发动机上进行亚临界喷雾燃烧特性研究，研究发现，随着温度升高，缸内压力和放热率上升速度加快，最高爆发压力和放热率都相对升高；明亮的火焰大幅度减少，燃烧持续期缩短，附壁油膜厚度和分布面积都开始降低。这些现象说明随着缸内温度升高，蒸发加快，更多的可燃混合气生成参与燃烧，燃烧效果好，碳烟生成降低。该部分研究成果在国际燃烧大会宣读交流，并入选论文集《Proceeding of the combustion institute》。.最后，完成超临界燃料蒸发特性仿真研究，仿真结果表明，当环境压力和环境温度均大于二甲醚的临界压力和临界温度时，在蒸发过程中液滴表面会从亚临界态迁移到超临界态，液滴表面消失，说明超临界环境能够大大促进燃料蒸发。