直喷发动机喷雾冲击和壁膜形成分析
人们越来越担心空气污染及其对人类健康和气候变化的有害影响，这导致车辆排放标准越来越严格。这些法规有助于大幅减少交通运输源的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和颗粒物。欧盟的欧 7 标准将于 2026 年生效，进一步收紧了这些限制，为 10 纳米颗粒物排放设定了阈值，并要求在 -7°C 下进行低温排放测试。为了帮助改善燃烧过程并减少颗粒物排放，同志社大学的研究人员揭示了燃油喷雾如何在直喷发动机内形成壁膜。他们的研究结果发表在《燃料》杂志上，为寒冷条件对壁膜形成的影响及其对颗粒物排放的贡献提供了宝贵的见解。
研究团队由曾任同志社大学博士生、现为日本产业技术综合研究所研究员的松田大博士领衔，成员包括日本同志社大学的千田二郎和松村江里子。
直喷式汽车因其更高的燃油效率而广受欢迎，与进气道喷射系统相比，可节省 10% 至 20% 的燃油。2020 年，美国 55% 的轻型汽车配备了直喷式发动机。然而，将燃油喷射到如此靠近发动机的位置会减少燃油蒸发和与空气混合的时间，导致燃油混合物更浓，气缸壁上的沉积物增加。这可能导致燃烧不充分和排气中的颗粒物含量更高。
“当注入一定量的燃料时，一部分燃料撞击壁面，一部分燃料附着在壁面上，不破裂的壁膜量就是最终的量。我们的研究旨在明确壁膜形成过程中的现象与质量之间的关系。”松田博士解释道。
为了模拟发动机气缸壁上壁膜的形成，研究人员将异辛烷注入可控制温度和喷射压力的壁面。之所以选择异辛烷，是因为它在低温下的表现与汽油相似。
在该装置中，异辛烷通过用干冰冷却的喷射器以 45 度角喷射到壁面上。使用直接粘合在其侧面的热交换器来调节壁面的温度。然后将壁面放置在用氮气密封的容器中，以消除空气中水分的影响。
研究人员采用了两种方法来测量粘附在壁上的燃料喷雾的质量：一种是吸收法，即在燃料喷射后称量放在壁上的卫生巾；另一种是全内反射激光诱导荧光（TIR-LIF）法，即使用激光检测与燃料混合的标记物的荧光。
实验发现，随着燃料喷雾冲击壁面，随着时间的推移，更多的燃料会附着在壁面上，导致壁膜变厚。该厚度在喷雾结束时达到最大值。在此峰值之后，附着在壁面上的燃料量迅速下降，然后趋于稳定。这表明喷雾停止后壁膜会破裂。
当燃料喷射温度为 253 开尔文 (K) (-20.15°C) 时，喷雾壁面撞击率（即撞击壁面的燃料量与喷射的燃料总量之比）与 293 K (19.85°C) 相比增加了 8.4%。之所以出现这种增加，是因为较冷的燃料粘度更高，雾化效果较差，导致撞击壁面的液滴数量较少但较大。
然而，较大的液滴的附着效率不如较小、分散的液滴，并且在喷雾停止后最终会从薄膜上脱落。此外，较高的喷射压力会导致更多的燃料溅到壁上，从而减少最终粘附在壁上的燃料量。
“冷燃料会增加喷雾冲击的比率，从而导致更高的壁面粘附率，”松田博士解释道。
这些发现提供了对壁膜形成的详细信息，有助于优化燃油喷射策略并开发更清洁、更高效的直喷发动机。
更多信息： Dai MATSUDA 等人，直喷火花点火发动机低温喷雾冲击壁膜实验分析，Fuel (2024)。DOI ：10.1016/j.fuel.2024.132407
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