喷油压力对直喷汽油机缸内喷雾发展影响的试验研究

第一章绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景汽车产业蓬勃发展之时，机动车保有量持续增长，能源短缺和环境污染现象愈发严峻，研发绿色环保型汽车变成业界迫切要攻克的主要课题之一，缸内直喷发动机凭借良好的燃油经济性，出众的动力输出特性和显著的减排效果，在动力总成领域的重要性逐渐加强，正慢慢变成关键部件。缸内直喷技术（GasolineDirectInjection,GDI）起源于20世纪20年代，经过近一个世纪的发展已经逐渐成熟，并且在汽车工业上得到了广泛的应用。与传统的进气道喷射汽油机相比，GDI技术有着诸多显著的优势。在燃油经济性方面，燃油直接喷入燃烧室，大幅度减少了燃油在进气歧管和缸壁上的附着损失，燃油利用效率提高了15-20%；具有明显的进气冷却效应。雾化燃油进入气缸吸热蒸发，降低了进气温度，提高了充量密度，增加了发动机的扭矩和功率输出；能够形成分层均质混合气REF_Ref4880\r\h[1]。这一特性既改善了燃烧效率又给稀薄燃烧技术的达成给予了关键支撑，通过对燃油喷射时机以及喷雾特征加以精确控制，在火花塞周围可形成富于燃料的可燃混合气区域，而在燃烧室其余部分则填充稀薄混合气或者纯净空气，从而达成整体稀薄燃烧效果，此技术方案在发动机处于部分负荷工况时会显著改善燃油经济性，当喷油时刻推迟到压缩行程后期时，由于混合气与高温缸壁接触时间变短，爆震倾向得以抑制，于是可以选用更大几何压缩比的设计，进而改进热效率并优化动力性能。当下缸内直喷汽油机燃烧系统的设计大致包含两种技术路线REF_Ref6147\r\h[2]：空气引导型和喷雾引导型。前者借助精确控制进气流场达成混合气分层，后者依靠燃油喷射特性完成分层混合气的形成，高压喷射属于喷雾引导型燃烧的关键技术之一，在改善发动机性能方面有着重要作用，采用高压喷射可以明显改善喷雾雾化效果，优化贯穿距离，增大锥角分布范围，进而提升燃油雾化的细致程度，加快燃料蒸发速度，缩短燃烧持续期，高压喷射能在一定程度上解决气缸内部背压带来的问题，保证喷油量和喷油时刻的准确性和稳定性，根据上述技术优势，高压喷射已被视为未来缸内直喷汽油机发展的关键技术方向之一。本文以兼顾动力性、围绕经济性与排放性能优化的喷雾导向燃烧系统开展研究，着重针对不同喷油压力下的燃油喷雾特性进行探究，借助测量分析喷雾宏观形态、扩散锥角以及射流穿透距离等关键参数，细致探究喷油压力对喷雾发展过程的影响规律，从而给系统优化设计与匹配赋予重要的实验依据和理论支持。1.1.2研究意义缸内直喷汽油机由于其良好的燃油经济性和较低的排放水平被看作是发动机技术发展的重要方向，而燃油喷射系统则是实现缸内直喷的关键部件，其雾化特性决定了燃烧过程的效能，探究喷油压力对喷雾发展规律的影响有利于加深对喷雾动态与燃烧机理耦合关系的认识，而且为优化燃烧室结构设计、提升整机性能提供了理论依据，在学术研究和工程实践中都具有重要意义。研究高压环境下的燃油喷雾宏观特性，着重考察喷油压力对喷雾锥角、贯穿距离这些关键几何参数变化规律的影响，喷雾的几何形态直接影响燃料在空间中的分布情况，这会深刻影响混合气形成、火焰传播乃至整个燃烧过程，深入探究喷雾宏观结构的演变规律，可以达到对喷雾特性定量描述和预测的目的，还给燃烧系统优化设计赋予了理论基础和操作指南REF_Ref6490\r\h[3]。展示燃油在各种工况条件下的雾化、破碎和蒸发内部机制，可以为创建带有明确物理含义的喷雾数学模型给予理论依据，当下燃油喷射时往往伴随着雾化、液滴碰撞和聚并等复杂的微观现象，这些因素给喷射数值模拟带来不少麻烦，喷射压力对雾化机理、液滴粒径分布等关键特征有着重要影响，而且从根本上改变了喷雾的微观动态发展进程，探究各种喷射状况下雾化的具体特点，对于认识喷雾微观结构的动态改变规律、改进现有的喷雾模型以及提升数值模拟的精确度有着十分重要的意义。缸内直喷汽油机燃烧系统开发与优化紧密相关于燃油喷雾特性REF_Ref6543\r\h[4]，发动机在不同工况下的喷雾特性要求有着明显差别，低负荷时为了形成分层混合气需要较小喷雾锥角和适当贯穿距离，高负荷时则需较大喷雾锥角与贯穿距离来促进混合气快速均匀扩散，探究喷油压力对喷雾演变过程的影响规律能够针对特定工况需求准确选取喷射参数，进而对燃烧过程实施有效主动控制。在排放与油耗法规日趋严格的当下，缸内直喷汽油机要在更严峻的运行环境下达到稳定、高效且清洁的燃烧目标，这就对燃油喷射技术提出了更高要求，近些年超高压喷射以及多段喷射这些前沿技术虽然有所发展，但其大规模应用仍需依靠系统化的喷雾特性研究来支撑，这项研究的成果既可为现有的燃烧系统设计给予理论支持，又对新式喷射技术的开发有着重要意义。基于以上分析，系统开展喷油压力对直喷汽油机喷雾特性影响的试验研究，不仅可以丰富燃烧系统优化设计的理论认识，提升发动机综合性能，而且对推动内燃机技术创新具有重要意义，具有明显的学术价值和工程应用价值。本研究得到的数据成果将为工程应用提供更加全面系统的实验数据支持，通过引入新的研究视角和方法，可以促进缸内直喷汽油机技术领域的发展。1.2国内外研究现状1.2.1汽油机缸内直喷技术研究现状现在主流的发动机大多采用缸内直喷技术，这种技术相比传统的化油器系统的优势是可以通过精确调节喷油器的喷油量、喷射时间和喷射时间来实现高效的燃油供应，可以实现多种燃烧方式，如稀薄燃烧、分层燃烧、加浓燃烧等多种燃烧方式。通过缸内直喷技术，在一定的工况下可以实现分层稀燃的效果，降低泵气损失，防止爆震，优化压缩比，提高燃油利用率和经济性REF_Ref6575\r\h[5]。20世纪50年代初，梅赛德斯-奔驰300SL车型首次搭载了采用缸内直喷技术的发动机，如图1.1所示。该车型所用燃烧系统是在传统的化油器结构基础上添加燃油喷射装置，通过进气行程的燃油喷射提高燃油与空气的混合均匀性，进而提高燃烧效率。1969年德国MAN公司开发出了FM燃烧系统，如图1.2所示，喷油嘴设置于活塞顶部特制凹坑处，高温高压环境下提高缸内气体湍流强度，加快燃油与空气混合速度，同时实现分层油气分布。图1.1Benz缸内直喷燃烧系统图1.2MAN缸内直喷燃烧系统1974年，德士古公司开发出TCCS燃烧系统，其特点是活塞接近上止点时，喷油器沿着气流方向向汽缸内喷油，火花塞也沿着气流方向布置，以实现点火，其具体结构可参考图1.3。1978年，福特公司开发出PROCO燃烧系统REF_Ref10690\r\h[6]，创新地将两个火花塞对称布置在喷油器两侧，以提高缸内混合气点燃的效率，其结构布局如图1.4所示。图1.3TCCS缸内直喷燃烧系统图图1.4PROCO缸内直喷燃烧系统随后大众、奔驰、宝马等汽车制造企业也纷纷发表声明，表示反对缸内直喷技术，并减少对其技术研发的资金投入。究其根本原因是燃油喷雾控制策略研究不足，导致燃油喷射进入气缸后燃烧不充分，尾气中污染物含量仍然较高，动力性能提升效果不明显，燃油经济性也有所下降。20世纪90年代初期，伴随排放标准愈发严格且电控技术被普遍采用，缸内直喷发动机慢慢崭露头角，到了1996年，三菱汽车率先把这项技术用到Galant车型上，并推向市场，同样在这个时段，丰田公司发布一款2.0L排量的直喷发动机，它比传统机型功率大出约10%，但油耗却明显缩减将近30%，到了本阶段末段，梅赛德斯-奔驰也开启了对缸内直喷技术展开研究的工作，跨入新世纪之后，凭借电子控制燃油喷射，可变气门正时，进气系统这些前沿科技持续得到改良并趋于完备，缸内直喷技术达成了重大突破REF_Ref10801\r\h[7]。2002年梅赛德斯-奔驰在C级车系中率先采用1.8L缸内直喷发动机之后，全球汽车制造企业开始加强了对这项技术的研发力度，到2004年奥迪凭借创新的分层燃烧喷射技术和涡轮增压直喷引擎实现了技术上的突破，与此同时大众也推出了具备涡轮增压以及分层燃烧特征的直喷机型，近些年来随着技术不断更新换代，皇冠搭载的是丰田定制的动力总成，宝马7系所配备的是自行研发的直喷系统，由此可见这项技术领域仍然处在动态发展中。国内关于缸内直喷汽油机的研究比国外开始得稍晚一些，但是其关键技术层面已经取得了阶段性的成果，天津大学为了改进喷油器的布局方案，专门建立了一个汽油机缸内直喷燃烧系统，而且把燃烧室分成了高负荷和低负荷两个功能区域，另外还完成了高压供油系统的研发工作，依靠搭建单缸试验平台，全面探究了喷油正时对发动机各项性能指标造成的影响情况，罗滇生等学者REF_Ref6827\r\h[14]就半直接喷射技术展开过相关的实验研究，结果显示：喷油时刻精准控制对于燃油经济性有着比较明显的影响效果，在小负荷工况下尤为突出，而且采取电控低压半直接喷射策略之后，虽然全负荷工况下的功率和扭矩都有所上升，不过整体燃油效率却是有所降低的状态。赵慧等研究者REF_Ref6745\r\h[15]针对EQ6100型汽油机进行了燃油直喷技术的实验分析，结果显示，在采用燃油直喷技术之后，该类型汽油机的动力性与经济性均得到了明显的改善，尤其在缸内空燃比达到30时，发动机可以维持在稀薄燃烧工况下的稳定运转，这表明了燃油直喷技术在该类发动机中有着一定的应用潜力和适用范围。王燕军、王建昕等研究人员REF_Ref13155\r\h[8]针对两段喷射直喷汽油机燃烧系统展开深入探究之后得出结论，双阶段喷射明显改善了混合气的形成质量，在两次喷油量比值接近1∶3时，缸内分层燃烧的混合气分布更加接近理想状态，高剑等人选取三菱缸内直喷发动机作为研究对象，围绕燃油喷雾和分层燃烧展开相关研究工作，通过数值模拟分析特定工况下的数据来说明喷油器布置方式、滚流强度、喷油时刻等诸多因素，对于燃烧过程中的分层混合特性、火焰传播路径以及燃烧效率均存在显著影响作用。蒋坚等学者对柴油机轴针式喷油器展开优化设计，形成起新的燃油喷射体系，并在怠速工况之下开展实验探究REF_Ref13227\r\h[9]，实验结果体现出，该方案既优化了燃油经济性，又有效削减了燃烧过程中的有害物质排放量。胡军军，周龙保等人按照多孔式喷油器技术，针对TY1100单缸柴油机实施改良，从而达成对气缸内燃油喷射的精准操控，从实验数据来看，当处于全负荷状态时，这种改良方案使得化学计量空燃比下的油耗率下降大约6%，而且，它还明显缩减了HC排放量（降幅达到31%），并且削减了NOx排放量（减少大概10%）。1.2.2二冲程汽油机缸内直喷技术研究现状二冲程发动机采用缸内直喷技术后，可以实现多种不同的燃油喷射模式，如高压缸内喷射、低压缸内喷射、油气混合喷射、机械辅助空气喷射等。目前，国际上许多先进的技术都广泛地应用于二冲程汽油机缸内直喷系统的研发中。AVL公司提出的半直接燃油喷射技术、Orbital公司开发的OCP二冲程汽油机燃油喷射方案、法国石油研究院设计的IAPAC燃油喷射系统、比亚乔公司创新的FAST燃油喷射技术、里卡多公司主导研发的分层燃烧燃油喷射系统等。20世纪90年代中后期，小型交通工具领域开始采用空气辅助喷射系统（AASI）。这种技术改善了燃油雾化效果以及混合均匀程度，从而明显提升了燃烧效率，意大利Aprilia公司把这种技术用到二冲程小排量发动机上之后，燃油消耗率下降大约百分之二十左右，比亚乔公司研发出一种名叫FAST的空气辅助喷射系统，它可以让燃油准确地喷射到气缸顶部附近，不过因为对发动机结构改动比较大，并且伴随着一些工程难题，所以没能大规模生产。M.Pontoppidan等学者REF_Ref13312\r\h[10]就发动机小负荷工况展开比较，仔细探究空气辅助喷射和液压高压喷射技术的应用效果，空气辅助均质充量压缩ignition（AADI）技术能够明显推动分层混合气的形成，高压喷射技术则更利于达成超稀薄燃烧模式，把高压喷射技术应用到二冲程缸内直喷发动机上的研究依然不多，主要受到高成本和高技术壁垒的限制，Bartolini等人依照阀门关闭瞬时动能转化原理提出一种新的燃油喷射机制，由此启发Heimberg等人设计出一种不需要传统高压油泵的电控燃油喷射系统。该系统采用在喷油器中嵌入电磁驱动撞针来加大燃油雾化压力，川崎重工把这项技术融合到自己的船外机产品里，通过实验数据表明，其燃烧排放物里的污染物浓度远低于现行的环保法规所规定的限值。日本富士重工的Yamagishi等研究者REF_Ref13355\r\h[11]对二冲程发动机缸内直喷技术进行了研究，发现二冲程发动机通过使用缸内直喷技术，可以准确控制燃油喷射时间，大大提高了燃烧效率和燃油经济性，并减少了有害和毒性气体的排放量。当下，我国针对二冲程电控汽油机的研究尚处在初步探索阶段，研究成果比较有限，天津大学，南京理工大学，西安交通大学等高校在低压喷射和空气辅助系统结合的二冲程汽油机研究上取得了一些成果，天津大学蔡晓林团队把直线电磁泵当作核心技术载体，首次把FAI（燃料空气独立）技术应用到二冲程汽油机领域，开发出集成度高，准确可控的燃油喷射系统，这种技术依靠电磁推动来达成喷油器的精确开启和关闭，在优化燃油利用率的同时，大幅度削减了尾气污染物的排放量，实验数据显示，依照FAI技术研发的发动机可以在比较低的驱动电压下做到3MPa以上的喷射压力，这很好地显示了FAI技术明显的技术优势和广阔的使用前景。袁隆华针对WJ1E68FM2型汽油机采用缸内高压喷射技术展开多项试验REF_Ref13407\r\h[12]，试验结果显示此技术可以有效提高燃油经济性并改善排放效果，陈波宁在木兰50型发动机进气道里安排喷油器，执行分层扫气试验研究，这种做法能够使燃油消耗降低25%-40%，碳氢化合物排放量削减大约40%，不过可能会伴随着CO排放量的增多，陈昌巨等学者对南方125型二冲程汽油机实施深入实验与研究，凭借电控夹气喷射技术明显改善了动力性能和燃油利用效率。红林机械厂所开发的CAT系统包含高压柱塞泵、高效电磁阀、精密喷射器以及节气门位置传感器，给行业给予了更新颖的技术途径，怠速工况测试显示，燃油消耗率缩减大概40%，碳氢化合物和一氧化碳排放量的削减均超越了50%。把缸内直喷技术应用到二冲程发动机上，既可以防止燃油短路现象发生，又能提高燃油利用率，改善排放特性。1.2.3缸内直喷汽油机燃烧系统研究现状发动机小负荷工况运行时，压缩行程后期气流运动特性会在燃烧室内形成分层稀薄混合气区，使部分负荷工况下的燃油经济性得到改善，为保证中小负荷工况下火花塞周围混合气浓度稳定，必须对燃烧室几何结构设计、缸内气体流动模式、燃油喷射策略及点火正时等核心参数实施精确匹配与优化调控。三菱4G93直喷发动机采用的创新燃烧系统，通过优化进气道流动轨迹和活塞顶面特殊曲面结构，实现缸内混合气体分层分布（如图1.5所示）。丰田第一代D-4发动机也采用了先进的燃烧技术，其最大的特点是涡流控制型直进气道和螺旋形进气道，并首次采用渐开线几何结构提高燃烧室性能（如图1.6所示）。日产NEODi系列发动机对燃烧系统进行了改进，在活塞头部曲线形状上做了精心设计，并将喷油器布置在进气道底部区域，利用滚流效应在火花塞附近形成一定浓度的混合气。图1.5三菱缸内直喷发动机燃烧系统图1.6丰田第一代D-4发动机燃烧系统Benz车系所配备的缸内直喷发动机燃烧系统采取简化构造，它最突出之处就是喷油器同火花塞靠得很近(见图1.7)，这样就能保证火花塞四周有足够多的油气混合气体，这种供油方式依靠半球形气缸盖和盆形活塞顶一同形成，喷油器处于中心部位，火花塞被安置在喷雾区两侧，这套燃油喷射体系把可调式高压共轨手段包含在内，压力数值会在4到12兆帕范围内不停变动，FEV公司研发的缸内直喷发动机燃烧构架能够借助滚流和涡流运动来改善混合气分配状况，进而对火花塞周边混合气浓度加以精准控制，达成燃烧效率最高化目标(见图1.8)。图1.7Benz缸内直喷发动机燃烧系统图1.8FEV缸内直喷发动机燃烧系统除了三菱、除了丰田和日产研发的缸内直喷发动机之外，Ricardo公司、AVL公司以及马自达也在该技术上做了研究，而奥迪和大众推出的新款产品则具备燃料分层喷射的功能，其燃烧室结构设计较为繁杂，因为混合气的点燃需要借助一定的气流引导方式，所以喷油器和火花塞之间的空间布局需要保留一定的距离，从而让点火效率得以提高。高负荷工况下运行时，发动机常常采用进气道和燃烧室联合喷射的供油策略，这种方式延长了燃油蒸发和雾化的时长，使油气混合得更加均匀充分，形成了接近理想配比的可燃气体混合物，给发动机高效运行给予了保障，从1999年开始，很多国际汽车制造厂商陆续推出了依照稀薄燃烧原理研发的缸内直喷汽油机，像雷诺、菲亚特等部分型号，这类发动机只有当空燃比处于最佳状况的时候才可能稳定运转。宝马的部分引擎也采用了类似的均质预混燃烧技术路线，动力输出性能得到了明显的提升，戴姆勒-克莱斯勒则借助于GDI（GasolineDirectInjection）化学计量控制技术，在4缸1.8升CLK系列涡轮增压发动机中同时实现了燃油经济性与动力性能的优化REF_Ref9560\r\h[13]。采用缸内直喷技术的发动机在提升发动机整体运行效率、降低发动机燃油消耗率、减轻发动机燃烧后的污染排放方面取得了一定的成效。1.2.4缸内直喷发动机喷雾特性及混合气形成的仿真研究现状对缸内直喷发动机燃油喷雾特性展开研究，目的是探寻其内部工作原理，然后以此理论为依据来改进发动机的动力性能和燃油经济性，而且还要削减有害排放物，如果想要深入了解发动机的工作原理，就需要把热力学，传热学，化学反应动力学以及流体力学这些学科的知识加以交叉融合。针对发动机工作过程开展研究的时候，采用数值模拟分析方法，可以深入探究汽油机的运行机理及其性能特征，利用数值模拟技术REF_Ref9687\r\h[19]，可以从更深层次来剖析各个关键参变量变化的规律，工况条件还有特定结构参数所带来的影响，这些分析结果还可以和其他研发阶段的实验数据相互交叉验证和补充，从而对发动机做出更加全面细致的评估和改良，给改善整机性能给予扎实的理论支持和技术保障。开展发动机喷雾特性以及混合气形成过程的模拟仿真研究，既有助于对汽车发动机湍流运动，喷雾行为，混合气生成及燃烧机理等内容进行详尽阐释，又可凭借数值计算手段有力推动发动机设计优化与性能改进。社会不断向前发展，计算机技术不断更新换代，数值计算方法也在不断发展，在汽车发动机的研究中，利用计算流体力学可以对进气道、气门、缸内等结构参数对气体流动的影响机理及相互作用规律进行深入探究，并获得进气道与缸内流场的空间分布特性；部分以仿真驱动的虚拟研究可替代传统的试验过程，在降低研发成本的同时，缩短开发周期，提高研发效能与经济效益。发动机缸内流动具备突出的非定常性，较强的压缩效果，激烈的旋流以及明显的各向异性等特点，造成传统试验开发方法遭遇耗时久，条件苛刻等困难，而且耗费许多资源，计算流体力学技术在某种程度上改善了这种状况，但是它本身具有的局限却很难彻底解决。在创建数值模型的时候要做很多假定来简化繁杂的物理过程，而这些假定常常同实际测量数据有差别，一些重要的边界条件还是得依靠试验才能得到，这样就缩小了单纯用理论去剖析的范围；主流的插值算法会被网格划分的精细度所左右，其收敛的稳定程度容易受到影响；仿真得出的结果很容易被操作者的经验和技能水准所左右，特别是当缺少直接的试验依照时，由人来设定的边界参数也许会给最后成果带来潜在的干扰。数值仿真和实验研究各具优势，又各有局限，这就对发动机研发设计人员提出了更高要求，要使研发过程中出现的协同优化效应，研发设计人员需深刻掌握数值仿真与实验研究的特点及不足。近些年来，国内外学者针对缸内直喷动力系统的喷雾特征以及混合气生成机理展开了大量的数值模拟与实验探究工作，2003年，Allocca等人借助定容弹装置对缸内直喷系统执行喷雾试验，还采用数值仿真手段，细致剖析不同参数情形下喷雾行为的动态发展状况，该研究团队依照KIVA3V平台重新构建起液滴粉碎模型，并且用实验数据来检验其精确度。Rotondi等人运用数值模拟手段，详细分析了直喷汽油机中的混合气分布状况和分层燃烧现象，研究显示，混合气的形成依赖于空气动力学效应同燃油喷射策略之间相互作用的情况，Naitoh等借助CFD工具来改善缸内流场结构并设定喷射参数，从而提高了混合气生成效率，并且使局部区域内浓度变得更为稀薄些，他们通过实验发现喷射压力以及喷油正时的改变都会给缸内混合气浓度分布带来不小的影响。2010年，白云龙、王建昕等人运用数值模拟技术，结合标定试验所得到的数据，创建了含有排气通道的GDI发动机三维模型REF_Ref9687\r\h[18]，然后就理论当量比混合气和分层混合气这两种工况展开燃烧过程的全尺寸仿真研究REF_Ref10216\r\h[16]，次年，武珊依靠数值模拟手段细致探究混合气形成机理，完成喷雾特性标定工作，而且通过改善喷油角度和喷射时序来改良混合气品质，研究显示，混合气浓度过高时，缸内局部富集区域会明显增多碳氢化合物排放，这就会加快活塞组件的磨损速度，缩减其使用寿命。同一年，谭文政等研究者采用三维CFD数值模拟的方法，针对均质充量压燃直喷发动机在全工况的进气、压缩和混合气形成过程进行了仿真研究。重点对比了两种不同的喷油时刻下燃油分布和混合气演变的规律，并提出了优化混合气特性的改进型燃烧室设计。2012年，赖伟东利用AVL公司研制的FIRE软件（三维仿真软件）对低压空气辅助缸内直喷发动机工作过程进行了仿真分析，他的研究为缸内直喷发动机燃烧系统的优化设计提供了重要参考依据。2015年，白洪林借助AVL公司的三维仿真平台REF_Ref6579\r\h[20]，采用实验验证和数值模拟相结合的方法，对空气辅助直喷喷油器喷雾的微观特性及宏观表现进行了研究，同时对喷雾粒径、喷油开始时刻、活塞结构及气流运动等因素对喷雾特性及混合气形成规律的影响进行了分析。邓绮慧（2017）运用数值仿真手段，针对某增压直喷汽油机的爆震和颗粒物排放问题展开研究，着重剖析了燃油喷射参数以及两种不同喷油正时对燃烧特性所产生的影响机理，通过仿真得知，改良后的喷射策略虽然改善了发动机热效率，不过却存在着排气门开启时刻缸内soot浓度偏高的瑕疵，朱延鑫（2019）依靠定容可视化试验平台及其相关实验数据，联系数值模拟和实际测量，探究了燃油温度变动对直喷汽油机燃烧特性和排放性能的影响规律，经过研究得出结论，采取二次喷射策略可以提升燃烧热效率，而且明显缩减污染物排放量。2018年，彭璐运用试验研究同数值模拟相融合的方式，详细探究了喷孔参数，喷油压力以及环境压力等要素对喷嘴内部流动行为产生的影响机制，还创建起喷油器内部流场的实验，从而全面剖析了喷嘴内部流动特性对于燃油喷雾分布模式的关联状况。2020年，刘志远就椭圆喷孔在提升柴油机燃油雾化效率以及油气混合效果方面表现出的优势，结合实验验证这种技术手段，阐释了借助多次喷射技术来改进椭圆喷孔配置并优化柴油机综合性能的具体方案。2021年，蔡维一等REF_Ref10096\r\h[17]在假设稀相纳米颗粒掺混异质粒子对喷雾特性有潜在影响的基础上，利用现有的喷雾宏观测量数据和软件，进一步探讨了多种外部条件因子与喷雾的关键特征参数之间相互作用的规律和内部联系。1.3主要研究内容本研究聚焦于喷雾导向缸内直喷汽油机，此技术拥有动力性能、经济性以及排放优化方面的明显优点，重点针对不同喷油压力下的燃油喷雾特性展开实验分析，研究内容包含如下几个部分：:(1)为了实现高压环境下燃油喷雾现象的可视化观测，需要搭建相应的实验平台，根据缸内直喷汽油机燃烧室的特点，设计并加工出具有较好光学透过性的试验台架，选取合适的光源、成像设备和图像采集装置，搭建高速摄像系统，对喷雾的全过程进行高速摄像，记录并分析。(2)研究喷油压力对喷雾宏观几何特性的影响，利用高速摄像技术获取不同喷油压力下的喷雾演化图像，结合数字图像处理手段，量化分析喷雾锥角、贯穿距离等关键几何参数随喷油压力变化的规律，揭示喷雾形态随时间演化的内在机理，深入探究喷油压力对喷雾几何特性影响的原理。(3)针对喷油压力怎样影响燃油雾化特性这一问题展开深入探索，着重关注直喷发动机内部燃油的细微雾化情况，借助设置不同的喷射压力情形来全面考察诸如雾化锥角，液滴粒径分布以及破碎长度之类的重要参数的变化走向，进而揭示出液柱分裂和液滴变细期间所涉及到的物理内涵，并着力去评判超高压环境下雾化现象具备的特别之处及其可能具有的实际应用价值。(4)探究喷油压力给混合气形成机制带来的影响原理，联系燃烧室几何形状以及内部流动状况，剖析各种喷射情形之下混合气产生情况存在差别的原因，重点考量燃油蒸发速度，空气掺合作用以及起主要作用的要素，论述混合气浓度场分布和均匀度的变化规律，从而为达成发动机燃烧进程的精准掌控给予理论支撑。(5)本研究从不同喷油压力条件出发，先做喷雾特性试验分析，再进行实际点火燃烧实验，重点在于研究各种喷射模式下火焰传播变化的规律，找出喷雾特性和燃烧性能参数之间存在什么样的内在联系机制，进而给改进发动机高效清洁燃烧控制技术给予理论依据和技术指引。(6)创建起喷雾特征同发动机性能之间的数量联系，通过细致剖析喷雾特征对燃烧效率，排放指标等关键参数的影响机理，融合台架试验得到的实验数据，形成喷雾参数同发动机性能参数间的数量联系模型，从而给发动机性能改善赋予理论根据和技术改良方案。本研究聚焦于缸内直喷汽油机的关键技术之一高压燃油喷射，从宏观到微观，从理论到实验，展开了全面且细致的研究，研究成果既给燃烧系统的改良设计给予了关键的实验数据支持，又在改善发动机总体性能方面有着明显的理论引导意义和实际应用价值，期间所创建的试验办法和分析模型也能给其他学科领域的深入探究给予有用的参照。

第二章燃油喷雾实验系统和方法计算机技术飞速发展，促使各学科在计算机科学领域展开深入交叉融合，催生出诸多崭新的交叉学科，这些学科不但拓宽了研究视野，而且开拓出全新发展道路，在这种情形下，依托大数据环境的数字化制造得以出现，同传统的实验研发模式相比，数字化制造存在明显的优势，其一，可以大幅缩减产品研发时长并削减研发开支，其二，凭借产品运行数据，在虚拟环境里精准模拟实际工况，进而有效地减小试验同理论之间的差距，其三，能够针对产品关键参数展开改进，从而进一步改良产品质量及性能表现。本章主要介绍文中所采用的燃油喷雾测试实验技术，实验部分包括动态响应特性测试、流量属性测试和喷雾形态可视化技术、喷油器动态响应测试方法、喷油器流量特性实验方法。2.1燃油喷雾测试实验方法本研究选取四孔喷油器与十孔喷油器作为实验对象，着重对动态响应特性、流量特性、喷雾锥角、贯穿距离等关键指标展开测试，通过实验获取的数据来决定后续仿真分析所须要的关键参数，再从中选出合适的喷雾数值模拟模型，实验系统在12V的额定电压下运作，环境温度处于17到23摄氏度之间，采用正庚烷当作测试介质，由于其具有稳定的化学性质，而且物理性质接近汽油，所以能保证实验结果准确无误且操作安全。2.1.1燃油喷雾实验系统本研究设计并完成一套自主开发的高压燃油喷射控制系统，目的在于针对燃油喷射的全过程展开精确的实时调控，实验当中，通过交流伺服电机推动凸轮轴转动，进而带动高压汽油泵产生稳定的高压燃油流，系统凭借上位机来指定目标燃油压力数值，从而做到油压输出的精准调整，而且，借助上位机软件向喷油器控制器发出关键参数，这些参数包含驱动电流，启喷时间，喷射时长以及重复喷射次数，还会生成电磁阀驱动信号和外部触发信号，给光学试验平台给予数据支持和触发参照，图1表现了定容弹喷雾光学测试系统的总体架构，图2.1则具体表明了该系统的组成部件的布置情况。图2.1喷雾定容弹光学试验研究平台示意图2.1.2喷油器动态响应测试方法动态响应测试的重点是喷油器关键性能参数的量化，主要为开启延迟时长与关闭延迟时长，电控喷油器的运行过程可以被划分为三个阶段，从初始闭合状态到完全开启的启动阶段、保持全开状态的稳态工作区间，以及从全开状态回到完全闭合的终止阶段。根据加速度传感器对喷油器针阀动态响应特性进行实验研究，采集针阀在驱动信号施加与撤除过程中的机械振动信号，分别得到两种类型喷油器的开启与关闭时刻，从而完成喷油器动态性能的定量评价。2.1.3喷油器流量特性实验方法喷油器在相同的喷油周期内，单次燃油喷射量随着脉冲宽度的变化规律称为流量特性。本试验主要针对动态喷射量测试和稳态流量特性测量这两方面进行试验。依据喷油器工作特性，我们用精度达到0.01mg的电子天平来对每次喷射过程中收集到的燃油重量实施精确测定，并且还要把相关数据及时记录下来以便后续处理。(1)稳态流量测试试验方法在进行稳态流量检测实验之前，要对喷油器做好预喷射准备，把喷油周期设成10毫秒，喷油脉宽设成10毫秒，喷油压力设成5巴，总共喷射1000次，在测试的时候，分别针对喷油周期（10毫秒和15毫秒），喷油压力（5巴和3.45巴）这几种不同的组合条件，来测量喷油器完全打开时的稳态流量，按照这样的步骤，依次对两种类型的喷油器实施性能评价，而且要在同样的参数设定下，再次采集10组数据，借助称重并记录每次喷射的燃油质量，最后用算术平均值来表示各个工况下的喷油器稳态喷射速率。（2）动态流量测试试验方法如表2.1所示的动态流量测试方案，利用调整喷油参数来模仿真实工况情况。在实验过程中把喷油压力设定成3.45bar与5bar两种情形，而喷油周期则统一设为10ms，喷油脉宽限定于0到10ms之间，鉴于喷油器在小脉宽运行初期表现出非线性特点，在0到2ms这个范围内采取步长为0.1ms的细致测量方式；到了2到5ms区间时，为了加快检测速度，选用1ms步长进行检测，在5到10ms的大脉宽部分，由于针阀落座可能会对实验准确度造成影响，所以把喷油周期延长到15ms，并且依然用1ms步长实施深入探究。表2.1动态流量测试试验方法喷油压力周期脉宽周长3.45bar/5bar10ms0-2ms0.1ms3.45bar/5bar10ms2-5ms1ms3.45bar/5bar15ms5-10ms1ms喷油器动态响应特性实验研究时，由于循环喷油量小且测试过程容易受到各种干扰因素影响，实验数据可能会出现系统偏差，为了减小这种误差对测量精度的影响，本研究采用多次独立测量取平均值的方式来提高数据可信度，在每个参数设置条件下进行1000次单循环喷射，然后重复整个过程10次，最后得到10组动态喷油测试数据，用高精度称重设备测定每次喷射后的累计燃油质量，再利用统计分析方法算出对应控制脉宽下的准确平均喷油量，进而形成标准的动态喷油流量特性曲线节点。（3）待测变量分析①稳态流量稳态流量指喷油器在稳定试验条件下全开时的燃油供给率（g/s）②动态流量在试验条件相同的情况下，喷油器在一定的压力下，以不同的设定脉宽时测得的喷油量（单位：毫克/脉冲）。③喷油斜率（m）单位脉宽喷油量变化的线性回归流量曲线计算方法④时间偏移喷油量为零时，线性回归流量曲线与X轴交点至原点的位移定义为时间偏移量X⑤流量偏移驱动脉宽为零时，线性回归流量曲线与Y轴交点至原点的距离被定义为流量偏移Y⑥计算动态流量根据已知的喷油斜率和喷油驱动脉宽，利用公式（2.2）即可准确地计算出对应脉宽时的喷油量数值（单位：mg/pulse）。⑦计算线性偏差理论上，喷油器动态喷油量与驱动脉宽呈线性关系，其公式如下：实际测量发现，理想喷油器流量特性曲线与实测曲线之间存在着无法避免的差别，本研究选取喷油脉宽为3ms、4ms、5ms、6ms、7ms以及8ms（周期10ms）的动态工况点进行实验，针对各测试数据展开线性拟合，形成理论上的理想喷油曲线模型，在相同脉宽下，用实测流量值减去按照理想曲线算出的预期流量值，取两者之间的相对误差当作线性偏差指标，按照相关技术标准，该线性偏差要被严格限制在正负5%以内。⑧喷油器再现性喷油器流量的动态再现性与稳态再现性属于评价其性能稳定性的重要指标，可利用下面的公式达成定量表达，（2.4）动态重复性计算公式（2.5）稳态重复性计算公式：动态流量再现性百分比可表述为：在相同的工况条件下，选取一个特定的测试点进行不少于30次的重复试验，用该组数据的最大值与最小值之差除以平均值得到的结果表示；稳态流量再现性百分比定义为：在恒定的驱动压力下，使喷油器完全开启并至少进行30次试验，用最大稳态流量与最小稳态流量之差除以它们的平均值得到的数值来表示。2.1.4燃油喷雾可视化方法缸内直喷发动机的性能表现主要受缸内气体流动状况、混合气形成质量和燃烧过程优劣的影响，这些要素的主要决定因素是喷油器的设计参数和燃油喷雾特征，在数值仿真建模过程中，喷雾特性被准确描述时会直接关联喷雾模型的选择，而这种选择的合适与否又间接影响到整机多维耦合计算的精度，选用符合实际工况的喷雾模型之后，可以大幅提升流场分布，燃料分配以及燃烧反应等物理化学过程的模拟精度，进而更为贴切地体现发动机的实际运行情形。本研究围绕小排量低压直喷发动机的燃油喷雾特性展开，通过可视化试验深入探究其喷射行为，从而给后面数值模拟模型的创建与参数校准给予试验支撑，依照喷油器流量特性测试得到的结果，搭建起适合缸内直喷汽油机的喷雾可视化试验体系，采用高速摄像手段记录定容情况下的燃油喷雾形态演变，再用图像分析软件获取其空间分布特性及其动态发展进程，详细论述了试验条件的设计，定容喷雾台架的搭建，宏观特性参量的测量方法以及喷雾图像的处理步骤，覆盖了喷雾特性测定的主要部分。（1）喷雾特性参数对燃油喷雾特性的研究通常从微观和宏观两个角度进行。在微观上主要研究油液滴的粒径分布均匀性、直径大小等参数，在本实验中主要研究宏观参数，宏观参数是指油束随着曲轴转角的变化，其在三维空间的外部形态变化，通常用喷雾锥角和贯穿距离等直观参数来表示。本次试验主要测量喷雾锥角和贯穿距离。（2）喷雾可视化试验图2.2给出了燃油喷雾可视化试验系统的组成，系统主要由高速摄像机、图像采集及处理终端、电控喷油特性测试台、装有石英玻璃端面的定容燃烧室、背景光源等组成。由于汽油喷射实验存在一定的安全隐患，故本文利用正庚烷代替汽油进行喷雾特性观察。所用定容容器为圆柱形，内径和高度分别为200mm和300mm，高压喷嘴安装于顶部中心位置。具体实验参数如表2.2所示。图2.2燃油喷射系统可视化试验装置示意图表2.2喷雾试验测试喷射压力环境背压环境气体环境温度喷油持续期燃料温度3.45bar/5bar0.1MPa空气300K2ms297K本实验使用的是美国phantom系列高速摄像系统，该设备的图像分辨率为1280*800，其拍摄速度最高可以达到每秒百万帧。实验中我们使用数据线将摄像设备与计算机连接，然后通过Phantom配套的软件对拍摄参数进行精准控制。我们设置拍摄间隔为305.89us，分辨率为800*600，其操作界面如图2.3所示。图2.3Phantom控制软件面板由于高速摄像机的帧率过高，导致单次成像的曝光时间大大减少，无法达到光学采集所需要的进光量，造成画面整体亮度不足、图像质量下降。针对此问题，在实验设计中采用LED光源作为背景光源，将LED光源固定在定容燃烧室的一侧，为燃油喷雾提供充足的光照。在完成外部光源的布置之后，通过高速摄像系统在燃烧室观察窗处连续动态地观察喷雾形态。本燃油喷雾可视化试验装置的布置如图2.4所示。图2.4燃油喷雾可视化试验测试实物图（3）图像处理方法通过喷雾可视化实验得到图像资料后，利用图像处理软件对采集到的影像数据进行后期分析处理，从中提取出喷射锥角、贯穿长度等关键参数，用这些参数当作基准参考值来进行喷雾模型的校准工作，其中贯穿距离被定义成喷雾轴线方向上最远端到起始点之间的垂直投影长度；喷射锥角则是选取贯穿距离60%处的两个点并把它们与起点相连之后所形成的那个角度来表示，这个角度体现着喷雾的扩散状况。具体的图像处理流程可参照图2.5中的内容。原始图像（b）一次处理二次处理图2.5喷雾图像处理2.2试验方案与数据处理方法为了保证数据的可比性，在实验中将定容弹内部初始状态设置为压力1bar，温度23℃。在实验过程中，通过调节高压油泵的输入压力，分别为50bar、100bar、150bar和200bar来改变喷射特性，喷射脉宽按照发动机典型低负载工况需求设置为1.2ms。喷雾成像图像采集阶段，为了保证数据的统一性以及可重复性，在实验中每一组工况都至少获得40次独立测量值，然后利用算术平均法剔除喷雾射流随机波动导致的系统误差，针对喷雾油束贯穿距以及喷雾锥角这两项参数的测定，本研究严格按照SAEJ2715行业标准规程来进行定义与量化分析，贯穿距被定义为喷雾前端到尾端在垂直方向上最大投影长度（单位：毫米），至于喷雾锥角，则是根据这样的几何规则来确定：以喷孔中心轴线为基准，分别选取距离喷嘴出口下方5毫米和15毫米处水平截面与喷雾形态边界相交点之间的连线所形成的夹角作为最终度量指标。2.3本章小结为使数据具有较强的可比性，本研究对定容弹喷雾实验的条件进行如下设置：初始环境压力为1bar，温度为23℃。通过改变高压油泵输入压力分别为50bar、100bar、150bar、200bar，对喷射特性进行系统研究。根据典型的发动机低负荷工况实际工作要求，将喷射脉宽固定为1.2ms。在喷雾图像拍摄实验中，为了保证数据的可靠性和一致性，每种工况下至少采集40组样本，用算术平均法剔除由于随机扰动引起的测量误差。喷雾油束的贯穿距和锥角的定义，本文按照SAEJ2715标准的技术规范进行：贯穿距指喷雾顶端到其最远端在垂直方向上的投影距离，单位为毫米(mm)；喷雾锥角是指从喷油嘴下方5mm和15mm水平面之间，连接两个沿喷雾边界的点所形成的夹角。

第三章喷油压力对喷雾宏观特性影响缸内直喷汽油机运行期间，燃油直接喷入气缸，这就使得燃油与空气的混合时间受到限制，要想削减颗粒物排放量，就务必改善燃油雾化效果及其与空气的混合状况，鉴于此，本项研究通过试验探寻不同喷射压力下的喷雾宏观特性，进而对直喷汽油机中喷油器喷雾形态演化，液滴破碎机理以及油气混合进程的发展规律展开深入剖析，并利用量化手段去评判喷雾贯穿距离和喷雾锥角改变的情形，从而加深人们对喷雾行为及其混合气形成机制的认况。3.1喷油压力对喷雾宏观形态的影响本研究利用高速摄影技术，针对不同喷油压力下的喷雾演变过程展开可视化研究，从不同视角抓取的喷雾发展图像存在明显区别，如图3.1所示，从正视图（图3.1a）可看出，喷雾刚开始的时候，各个喷射压力条件下整体形态的边界十分清晰，轮廓分布比较均匀，这是由于液滴动能较高，造成喷雾前端呈现出明显的尖角，随着喷雾不断向外扩张，其前段区域慢慢变得圆钝起来，“尖角”开始向扇形转变，并且头部周围产生大量细小分支。这些周边分支结构显然有着沿油束径向扩展的倾向，但其轴向穿透能力却较弱，这主要是由于分支油束在主油束演化过程中与外部空气相互作用并部分脱离母体，由于其液滴粒径小、动量低，故更易发生径向扩展。随着喷射压力的增大，在喷雾充分展开后，相邻油束之间开始出现局部重叠的现象，这是喷雾发展过程中对周围气流强烈卷吸的结果，且喷射压力越大，这种卷吸效应就越强。从侧视影像（图3.1b）中表现出的喷雾发展形态可以看出，油束轮廓变化的规律同正视视角下的情形十分接近，随着喷油压力不断上升，油束边缘虚影部分所占据的面积明显增多，这显示出较高的喷射压力有利于燃油液滴被更加彻底地破碎成小尺寸液滴，在空气介质当中形成更为均匀的雾化分布，而且相邻油束彼此间的重叠范围也有所扩大，这说明高速油束在传播过程里对周围气流产生的卷吸效果变得越发强烈，进而进一步加强了其空间扩展的能力。(a)正视视角下喷雾形态图像(b)侧视视角下喷雾形态图像图3.1不同视角下喷雾形态发展特性图像3.2喷油压力对喷雾宏观特性参数的影响要想深入探究喷油压力给喷雾宏观特性参数带来影响的原理，就要依照美国汽车工程师学会（SAE）制订的J2715标准，针对喷雾贯穿长度，喷雾锥角，喷雾覆盖范围这些关键指标执行规范化的界定与表述。3.2.1喷油压力对喷雾贯穿距影响图3.2本研究通过实验数据比较，探究了不同喷油压力下喷雾贯穿距的改变状况，分析显示，不论喷油压力怎样变动，燃油在刚踏入定容弹腔之时就带有明显的轴向动量，随着喷雾进程的推进，外在空气阻力对油束的影响渐渐显露出来，造成油束轴向推进速率慢慢下降，这种情形直观地表现在贯穿距随时间流逝而表现出斜率递减的态势上，等到喷雾到达动态平衡以后，由于动能不断消耗，油束最后会和外界气流达成稳定状况，虽然加大喷油压力能够提升燃油从喷嘴出口开始的推进力量，不过这种影响只是在最初阶段起作用，从总体来看，各个工况条件下喷雾贯穿距后期增长速度大致相同（大约为40m/s）。虽然提高喷油压力能有效提升燃油初始动能，但是它对贯穿距的延长效应会随着压力的上升而慢慢变弱，在试验指定的喷油压力区间（从5MPa开始，按照5MPa步长递增到20MPa），贯穿距分别增加了12%、6.2%和5.8%，出现这种情形的主要原因是：随着喷油压力不断增大，燃油液滴不仅获得了更多的动量，而且颗粒尺寸有所减小，这使得油束前端区域的液滴蒸发速度变得更快，从而削弱了高压对贯穿距增长的实际效果。图3.2不同喷油压力条件下燃油贯穿距对比图3.3显示了喷油压力存在差异时，喷雾贯穿速度变化规律的情况，根据实验数据可以得知，不论是喷油压力处在何种状态之下，喷雾贯穿速度在初期阶段都表现出明显的快速下降趋势，之后在后期则慢慢变得稳定起来，在喷油压力数值较高的情况下，贯穿速度衰减的程度显得更加明显，这足以证明喷油压力对于喷雾动力学行为有着十分明显的影响效果，该研究结论与图3.2中的分析结论呈现出高度的一致性。图3.3不同喷油压力条件下燃油贯穿速度对比3.2.2喷油压力对喷雾锥角影响图3.4给出了不同喷油压力条件下喷雾锥角随时间的变化结果。对于不同的喷油压力情况，喷雾锥角随时间的变化均呈现出先升高后降低的趋势，并最终趋于稳定。具体而言，在喷雾自喷孔喷出的初始阶段，燃油贯穿速度较大，燃油液滴由于具有较高的动量，液滴破碎情况更为剧烈。同时，由于在轴向方向上受到空气阻力较大，油束更倾向于横向发展，相应地喷雾锥角逐渐增大。但随着喷雾的进一步发展，由于燃油油束受轴向作用的逐渐衰减，喷雾锥角逐渐降低。最终当喷雾趋于稳定后，喷雾锥角的整体变化不明显。图3.4不同喷油压力条件下燃油喷雾锥角对比3.2.3喷油压力对喷雾面积影响图3.5和图3.6分别给出了不同喷油压力条件下喷雾面积的变化情况以及喷雾面积变化率的对比结果。由图可知，在喷雾发展的初期阶段，喷雾投影面积的变化较为明显。如图所示，燃油自喷孔喷出后的0.7ms时，喷雾面积的增长速率较高，之后由于喷雾油束中大量液滴的脱离使得大粒径燃油液滴转变为小粒径状态，最终导致喷雾增长率逐渐降低。随着喷雾的继续发展至稳定状态，喷雾面积的增长率亦趋于稳定，尤其是在喷油结束后，喷雾面积的增长率出现明显下降。。图3.5不同喷油压力条件下喷雾面积变化规律图3.6不同喷油压力条件下喷雾面积变化率对比3.3喷油压力对喷射末期液滴甩滴效应的影响燃油喷射末期，由于针阀落座时会存在回跳，使得油路出现瞬间流通，部分燃油由于在高压的作用下会从喷孔重复喷出，由于此时燃油运动速度较低，油束液柱主要以连续状态形式由喷孔甩出，液滴尺寸相对较大，燃油破碎效果相对较差，导致在喷孔附近存在较多富燃料区，燃烧过程中产生大量未燃HC、CO等产物。图3.6为不同喷油压力下喷雾末期燃油液滴甩滴情况对比。从图中可以看出，喷油器甩滴阶段燃油会相对较长时间以大粒径形式存在，由于自身动能较弱，与空气相互作用不强，更加不易破碎。而提高喷油压力后，由于液滴的动能提升，能够在一定程度上强化甩滴液滴的破碎过程，因此直观上甩滴现象有所改善。图3.6不同喷油压力下喷雾末期甩滴现象对比3.4燃油喷雾实验系统对喷油压力影响的针对性描述

本研究关注喷油压力对直喷汽油机缸内喷雾特性演变规律的影响机理，为此开发一套拥有自主知识产权的高压燃油喷射控制系统，以达到精确调节的目的，该系统利用交流电机推动凸轮轴转动，从而带动高压汽油泵工作，通过上位机设定目标燃油压力值，实现油压精准控制的目标，按照上位机软件设定喷油器有关参数，包含驱动电流，启喷时刻，脉冲宽度与时长，生成对应的驱动信号和外部触发信号，给后续光学试验平台给予同步数据支撑和实验条件保障。此燃油喷雾实验平台给探究喷油压力对缸内喷雾发展的影响给予了可靠的科技支撑，通过喷油压力的调控与高速摄像技术相融合，可以清楚地显示不同压力状况下喷雾的形状，液滴的破碎情形以及射流间的相互作用区别之处，进而为剖析喷油压力的作用机制赋予关键的实验根据，凭借该系统的准确参数控制能力，可以对喷油压力如何改变喷雾宏观特性（例如射程，扩散角和覆盖范围）的现象展开量化研究，这对改良喷油器的设计并优化燃烧效率有着重大的理论意义和实用价值。燃油喷雾实验系统的应用不但拓宽了喷油压力影响因素的研究范围，而且为获得准确可靠的试验数据给予了强有力的支撑，该实践成果对分析喷油压力的作用机制以及推动直喷汽油机性能改进有着非常重要的推动作用。3.5本章小结燃油喷射末期，针阀回跳瞬间油路导通，部分高压燃油经喷孔喷出，燃油流速明显减小，液滴多呈连续液柱形式脱离喷孔，并呈现甩滴状态，此时液滴粒径较大，雾化效果差，喷孔附近形成局部富燃料区，燃烧不完全，大量HC和CO等污染物生成。图3.6不同喷油压力下喷雾末期甩滴形态对比。研究表明，喷油压力低时，甩滴阶段液滴长时间保持大尺寸，动能不足，难以与空气充分交互，液滴破碎效果不佳。喷油压力高时，液滴获得能量更大，动力学特性增强，甩滴阶段破碎效率提升，整体喷雾行为表现也更优。

总结(1)喷油压力增大时，喷雾锥角在开始阶段有明显增大的趋向，但喷油压力达到某个临界值之后，增长速度就慢慢变缓并趋于平稳，这是由于喷油压力上升时，燃油以较快的速度从喷孔喷出，与周围空气发生剧烈掺混，空气动力剪切效应促使喷雾迅速扩展，于是锥角迅速增大，当喷油压力超过一定数值的时候，虽然单位时间里经过喷孔的燃油质量流量一直在增多，不过空气动力学阻力已经接近饱和状态，这就限制了喷雾锥角的进一步增大。(2)喷油压力变大之后，喷雾的贯穿距离表现出非常明显的非线性增长态势，这是由高压环境下的燃油喷射起始动量得到提升这一事实所导致的，它拥有了更强的力量去冲破空气阻力，从而能够达到更远的距离，因为燃油被雾化以后液滴的直径有所缩减，这样就使得与周围空气之间进行热交换的效率得以改善，使得液滴温度降低，黏度增加，这种物理属性对贯穿距离继续延长形成了明显的制约效果。(3)随着喷射压力不断增大，喷雾总体积快速扩张的现象，其本质机理在于喷油压力较大时，喷孔出口燃油流体速度被显著提高，气动效应相互作用下，燃油柱出现明显膨胀与碎裂情形，分解成细小液滴向更多空间区域分散，使得喷雾投影总面积迅速变大，当喷油压力继续上升时，喷雾覆盖面积增长速率则会逐渐变缓。(4)喷油压力增大之后，喷雾边界变得十分清楚而且明显，这意味着喷雾核心部分的液滴粒径分布渐渐趋向于平均化，雾化效果明显改善，在高压喷射的情况下，单位时间里经过喷孔的燃油流量增多，燃油流速上升，燃油柱面所受的外部空气动力干扰变得越发厉害，更容易被分解成粒径分布更为均等的小液滴。(5)数值模拟分析显示，喷油压力增大时，喷雾前锋区域的轴向速度明显提升，径向速度梯度也显著增大，喷嘴附近区域