李睿宸,陳朝陽,姚曉新,湯成龍

(1.長安大學(xué)汽車學(xué)院,710064,西安;2.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安)

柴油機(jī)熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好,廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中,但其碳煙和NOx排放偏高,且這兩種污染物之間存在顯著的此消彼長的關(guān)系,很難通過機(jī)內(nèi)措施同時(shí)有效控制。與柴油機(jī)相比,汽油機(jī)排放較為清潔,但受爆震燃燒限制,壓縮比小,熱效率低,經(jīng)濟(jì)性差。汽油壓燃技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn),利用汽油類燃料辛烷值高、蒸發(fā)性好的特點(diǎn),使燃料與空氣在著火前充分混合,避免在缸內(nèi)形成過濃區(qū)和過稀區(qū),從而減少碳煙和NOx的生成,同時(shí)采用壓縮著火的方式,壓縮比較高,可大幅度提高熱效率。然而,由于汽油類燃料反應(yīng)活性低,著火能力差,汽油壓燃技術(shù)在低負(fù)荷時(shí)存在著火困難、燃燒穩(wěn)定性差的問題,高負(fù)荷時(shí)也會因?yàn)槿紵艧徇^快而使壓力升高率過高,GCI發(fā)動機(jī)全負(fù)荷工況運(yùn)行還存在困難。

向汽油中摻混高十六烷值燃料是公認(rèn)的提高燃料反應(yīng)活性、改善GCI發(fā)動機(jī)低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性的有效措施[1-2]。聚甲氧基二甲醚(PODE)十六烷值高、揮發(fā)性好,燃料本身含氧且不含碳碳鍵,與汽柴油互溶性好,常用作燃料添加劑來改善傳統(tǒng)燃料的著火、燃燒及排放特性。王滸等對PODE3/汽油混合燃料的反應(yīng)活性控制壓燃燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明相比于柴油/汽油混合燃料,摻混PODE3能改善中高負(fù)荷噴霧燃燒過程的局部當(dāng)量比分布和能量密度分布,可以降低發(fā)動機(jī)的碳煙排放,提高其指示熱效率[3]。劉佳林等對汽油/PODE混合燃料的部分預(yù)混燃燒進(jìn)行了研究,結(jié)果表明摻混20%PODE,可明顯降低高負(fù)荷下的壓力升高率和碳煙排放,中等負(fù)荷燃燒可控性相應(yīng)增強(qiáng),低負(fù)荷時(shí)也有更好的燃燒穩(wěn)定性以及更低的HC和CO排放[4]。

燃料噴霧過程直接影響混合氣的形成和燃燒,進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的動力性和排放性。為了充分認(rèn)識PODE摻混對汽柴油燃料燃燒過程的影響細(xì)節(jié),研究者們對PODE及其混合燃料的噴霧特性進(jìn)行了研究。李東華等通過高壓共軌系統(tǒng)研究了PODE摻混對柴油霧化特性的影響,結(jié)果表明添加PODE后柴油的噴霧貫穿距離減小,平均噴霧錐角和噴霧投影面積略有增大,索特平均直徑(SMD)略有減小,說明PODE摻混有助于促進(jìn)柴油的霧化[5]。劉佳林等對PODE/汽油混合燃料在單孔噴嘴中的噴霧特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明摻混PODE會使混合燃料噴霧貫穿距離和噴霧錐角增加,SMD增大[6]。為了進(jìn)一步了解PODE摻混對汽油噴霧特性的影響,本文基于定容彈實(shí)驗(yàn)臺和高壓多孔噴油器,利用高速紋影技術(shù)對不同摻混比的PODE/汽油混合燃料在不同噴射壓力和環(huán)境溫度下的宏觀噴霧特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,重點(diǎn)分析PODE摻混對不同初始條件下混合燃料的噴霧貫穿距離、噴霧錐角和噴霧投影面積的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件

本文的實(shí)驗(yàn)工作是在西安交通大學(xué)噴霧與燃燒實(shí)驗(yàn)室的定容彈噴霧實(shí)驗(yàn)臺上展開的,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,主要由定容彈、燃油供給系統(tǒng)、紋影攝像系統(tǒng)和噴射控制系統(tǒng)(ECU)組成。具體實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)及布置參見文獻(xiàn)[7]。

圖1 定容彈噴霧實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)主要對純汽油G100(RON95)、純聚甲氧基二甲醚P100及其兩種比例的混合燃料(PODE的體積分?jǐn)?shù)為20%、50%,分別記作G80P20和G50P50)的噴霧特性進(jìn)行對比研究。20 ℃時(shí)實(shí)驗(yàn)燃料主要物理性質(zhì)如表1所示。

表1 20 ℃時(shí)實(shí)驗(yàn)燃料主要物理性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用噴油器采用缸內(nèi)直噴(GDI)噴油器,噴孔直徑為0.3 mm,噴射壓力(Pinj)分別取10 MPa和20 MPa,環(huán)境背壓(Pamb)為0.1 MPa,環(huán)境溫度(Tamb)分別為20 ℃、100 ℃和150 ℃。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,每個(gè)工況點(diǎn)重復(fù)5次實(shí)驗(yàn),并取其平均值做為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2 噴霧圖像處理

實(shí)驗(yàn)采用Matlab軟件對高速紋影攝像系統(tǒng)得到的噴霧過程圖片進(jìn)行處理,以獲取噴霧貫穿距離、噴霧錐角和噴霧投影面積等宏觀噴霧特性參數(shù)。首先將原圖轉(zhuǎn)換為灰度圖并減去背景,然后設(shè)置固定閾值,通過剪背景、降噪、圖像二值化、邊界提取等圖像處理方法得到噴霧輪廓圖,最后基于噴霧輪廓圖定量測取噴霧宏觀特性參數(shù)。噴霧貫穿距離L定義為從噴嘴口能到達(dá)油束最遠(yuǎn)端的距離;噴霧錐角[8]θ定義為在離噴嘴口軸向距離5 mm和15 mm與油束外輪廓交點(diǎn)的兩條線段的夾角;噴霧投影面積A定義為與光路方向垂直的噴霧面最外沿包裹的投影區(qū)域面積。噴霧宏觀特性參數(shù)的定義如圖2所示。

圖2 噴霧宏觀特性參數(shù)的定義

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 噴霧形態(tài)分析

圖3給出的是噴射壓力為20 MPa、環(huán)境背壓為0.1 MPa時(shí),不同環(huán)境溫度(20 ℃、100 ℃、150 ℃)條件下4種燃料在1.5 ms噴射時(shí)刻(ASOI)的噴霧圖像。從圖中可以看出,隨著PODE摻混比的增加,噴霧貫穿距離小幅增加。對G100、G80P20和G50P50,隨著環(huán)境溫度升高,噴霧形態(tài)發(fā)生了不同程度的變化,噴霧錐角逐漸減小,且前兩種燃料的油束結(jié)構(gòu)明顯向軸向收縮,噴霧邊緣呈現(xiàn)弧形,G50P50相對于前兩者收縮程度較小,仍能觀察到油束分叉現(xiàn)象。這是因?yàn)殡S環(huán)境溫度升高,這4種燃料在噴霧過程中產(chǎn)生了不同程度的閃急沸騰現(xiàn)象,如圖中紅色框中所示。環(huán)境溫度升高對P100燃料的噴霧形態(tài)幾乎沒有影響。

圖3 不同環(huán)境溫度下4種燃料在1.5 ms噴射時(shí)刻的噴霧圖像

2.2 噴霧貫穿距離

圖4給出了不同噴射壓力和環(huán)境溫度下4種燃料的噴霧貫穿距離隨噴射時(shí)間的發(fā)展歷程。由圖中可以看出,對4種燃料來說,隨著噴射壓力的升高,其噴霧貫穿距離都明顯增加,這是因?yàn)閲娚鋲毫υ黾邮沟脟娮炜诔跏忌淞魉俣仍黾?從而使噴霧沿軸向發(fā)展的初始動量增加所致[9]。

(a)Tamb=20 ℃

對比4種燃料在不同噴射壓力和環(huán)境溫度下的噴霧貫穿距離,發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴射壓力較低(10 MPa)時(shí),燃料的噴霧貫穿距離隨PODE摻混比增加變化很小;當(dāng)噴射壓力較高(20 MPa)時(shí),隨PODE摻混比的增加,噴霧貫穿距離明顯增大。與汽油相比,PODE密度更大。PODE摻混使得噴霧油束初始動能增大,同時(shí)PODE較大的黏度和表面張力也使得液滴不容易變形和破碎[10]。當(dāng)噴射壓力較大時(shí),噴霧出口射流初始速度較大,燃料性質(zhì)對噴霧貫穿距離的影響也更加明顯。

隨環(huán)境溫度升高,4種燃料的噴霧貫穿距離之間的差異越來越明顯,對于G100、G80P20來講,其噴霧貫穿距離隨環(huán)境溫度增加有不同幅度減小,其中G100減小幅度最大,G50P50的噴霧貫穿距離減小幅度十分有限,而P100的噴霧貫穿距離隨環(huán)境溫度增大卻略微增加。取噴射時(shí)間為1.4 ms時(shí)的噴霧貫穿距離進(jìn)行比較,溫度從20 ℃升高至150 ℃時(shí),G100的貫穿距離由71.00 mm縮小到66.92 mm;而P100的貫穿距離則由74.42 mm增大到77.50 mm。這主要由于燃料的蒸發(fā)性差異所致,對于G100和PODE摻混比較小的混合燃料(G80P20),其餾出溫度較低,環(huán)境溫度為100 ℃和150 ℃時(shí),噴霧過程中會發(fā)生閃急沸騰現(xiàn)象[11],噴霧油束發(fā)生坍塌,油束之間互相重疊,向軸線方向收縮,細(xì)小的液滴被空氣卷吸在噴霧尖端兩側(cè),形成與射流運(yùn)動方向相反的渦旋結(jié)構(gòu),小的液滴受高溫環(huán)境影響蒸發(fā)[12],削弱了噴霧向前發(fā)展的動能;隨PODE摻混比增大,燃料餾出溫度升高,閃急沸騰和蒸發(fā)作用減弱。對于G50P50來說,其閃沸程度較低,液滴蒸發(fā)對噴霧貫穿距離削弱和高溫低密度環(huán)境對噴霧貫穿距離的促進(jìn)程度相當(dāng),使得噴霧貫穿距離變化很小。P100餾出溫度高,實(shí)驗(yàn)溫度下蒸發(fā)作用影響很小,而較高的環(huán)境溫度使環(huán)境氣體密度降低,對噴霧的反作用力減小,這在一定程度上促進(jìn)了噴霧在軸向的發(fā)展。

2.3 噴霧錐角

圖5給出了噴射壓力為20 MPa、環(huán)境背壓為0.1 MPa時(shí),不同環(huán)境溫度下4種燃料的噴霧錐角隨噴射時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可以看出,在噴霧初始階段,4種燃料的噴霧錐角都很大,且隨噴射時(shí)間的推進(jìn)迅速減小,在0.4 ms之后趨于穩(wěn)定。這主要是受噴油器針閥開啟瞬態(tài)響應(yīng)、噴嘴內(nèi)部流動特性和上一次噴射的低壓燃油沉積作用的影響,這些因素使得噴霧錐的整體形態(tài)在噴霧初期產(chǎn)生不穩(wěn)定,當(dāng)噴油器針閥完全開啟后,噴霧錐角趨于穩(wěn)定[13]。為了避免噴霧錐角波動,取0.4 ms后穩(wěn)定的噴霧錐角數(shù)據(jù),并求其平均值進(jìn)行比較。

(a)Tamb=20 ℃

圖6所示為4種燃料在不同噴射壓力和環(huán)境溫度時(shí)的平均噴霧錐角。由圖可以看出,隨著噴射壓力升高,噴霧錐角有一定幅度的減小,這主要是因?yàn)楦叩膰娚鋲毫箛婌F射流初始動能和湍動能增加,環(huán)境氣體對噴霧油束的反作用力相對減弱,使得噴霧錐角減小[14-15]。

圖6 不同噴射壓力和環(huán)境溫度下的平均噴霧錐角

對于G100、G80P20和G50P50,隨環(huán)境溫度升高,平均噴霧錐角明顯減小,環(huán)境溫度從20 ℃增大至150 ℃時(shí),3種燃料的噴霧錐角減小幅度分別為11.7%、9.8%和6.9%,這主要是受兩方面作用的影響。一方面,隨環(huán)境溫度升高,噴霧邊緣與空氣擾動效果增強(qiáng),邊緣細(xì)小液滴蒸發(fā)加快,噴霧錐角減小。另一方面,不同燃料因蒸發(fā)性差異引起在噴霧過程中產(chǎn)生不同程度的閃急沸騰現(xiàn)象,噴霧油束向軸向方向收縮,其中G100閃沸程度最大,噴霧錐角減小幅度也最大。P100的噴霧錐角隨環(huán)境溫度升高減小幅度十分有限,僅為1.5%。

對比4種燃料的噴霧錐角發(fā)現(xiàn),隨PODE摻混比增加,噴霧錐角不斷增加。這主要是因?yàn)榕c汽油相比,PODE密度較高,較高的燃料密度會加劇噴霧邊緣和周圍環(huán)境氣體之間的湍流相互作用,使得噴霧錐角增大[6,16]。

2.4 噴霧投影面積

噴霧投影面積可以表征燃料與周圍空氣的混合程度。圖7給出了噴射壓力為10 MPa和20 MPa時(shí),4種燃料在不同環(huán)境溫度下的噴霧投影面積隨噴射時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可以看出,隨噴射壓力增大,4種燃料的噴霧投影面積均明顯增加。這主要是因?yàn)殡S噴射壓力增大,噴霧質(zhì)量流量增大,液滴與空氣的速度差增大,卷吸作用增強(qiáng),因此液滴的碎裂能力增強(qiáng),噴霧投影面積增加。

(a)Tamb=20 ℃

噴射壓力較低(Pinj=10 MPa)時(shí),燃料摻混對噴霧投影面積的影響較小,而噴射壓力較高(Pinj=20 MPa)時(shí),4種燃料噴霧投影面積的差異較大,且隨環(huán)境溫度增大,差異程度增大。環(huán)境溫度為20 ℃時(shí),4種燃料的噴霧投影面積相差很小,且除G80P20外,隨PODE的添加燃料的噴霧投影面積略有減小,這主要是因?yàn)镻ODE黏度和表面張力較大,汽油摻混PODE后,燃料在較大的黏度和表面張力作用下霧化效果變差,噴霧投影面積減小。環(huán)境溫度為100 ℃和150 ℃時(shí),隨PODE的添加燃料的噴霧投影面積逐漸減小,且環(huán)境溫度為150 ℃時(shí)減小幅度更大。這主要是因燃料蒸發(fā)性差異引起。環(huán)境溫度升高時(shí),混合燃料中的低餾分成分在噴霧過程中會優(yōu)先蒸發(fā),產(chǎn)生閃急沸騰效應(yīng),加速燃料液滴蒸發(fā),使液相噴霧投影面積減小。環(huán)境溫度越高、PODE摻混量越小時(shí),閃急沸騰現(xiàn)象越強(qiáng)烈,噴霧投影面積就越小。

為了便于比較不同燃料在不同環(huán)境溫度下的噴霧投影面積,圖8給出了不同噴射壓力1.5 ms噴射時(shí)刻,4種燃料的噴霧投影面積隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系?？梢钥闯?噴射壓力較大時(shí),燃料的噴霧投影面積較大,且4種燃料的噴霧投影面積差異較大;隨環(huán)境溫度升高,4種燃料的噴霧投影面積的差異越來越明顯。由于閃沸效應(yīng),環(huán)境溫度升高時(shí)蒸發(fā)性較好的G100噴霧錐角減小,同時(shí)噴霧邊緣液滴大量蒸發(fā)使得噴霧投影面積快速減小;隨PODE摻混比的增大,噴霧過程中的閃沸效應(yīng)減弱,噴霧投影面積隨溫度升高而減小的幅度變緩;環(huán)境溫度升高對P100 ℃的噴霧投影面積的影響很小,這主要是因?yàn)镻ODE沸點(diǎn)較高,在實(shí)驗(yàn)涉及的3個(gè)溫度下都不會蒸發(fā)。

(a)Pinj=20 MPa

3 結(jié) 論

在定容彈實(shí)驗(yàn)臺上研究了不同噴射壓力和環(huán)境溫度下G100、P100及其混合燃料(G80P20和G50P50)的宏觀噴霧特性,得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)環(huán)境溫度為100 ℃或150 ℃時(shí),G100、G80P20和G50P50燃料噴霧過程中出現(xiàn)了不同程度的閃急沸騰現(xiàn)象。

(2)隨PODE摻混比增加,汽油/PODE混合燃料的噴霧貫穿距離增加。當(dāng)噴射壓力和環(huán)境溫度較高時(shí),4種燃料的噴霧貫穿距離的差異較為顯著。

(3)在相同噴射條件下,隨PODE摻混比增加,噴霧錐角略有增加。對于同種燃料,環(huán)境溫度升高噴霧錐角減小。P100的噴霧錐角隨環(huán)境溫度升高幾乎不變。

(4)噴射壓力較大時(shí),燃料噴霧投影面積較大,4種燃料的噴霧投影面積間的差異也較大;隨環(huán)境溫度升高,燃料噴霧投影面積減小,且其減小幅度隨PODE摻混比增大而減小。G100的噴霧投影面積隨環(huán)境溫度升高大幅度減小,P100的噴霧投影面積幾乎不隨實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)環(huán)境溫度的升高而改變。

(5)摻混20%PODE具有比汽油略大的噴霧貫穿距離、噴霧錐角和噴霧投影面積,油氣混合質(zhì)量與汽油類似,更高PODE摻混比會使得燃料與空氣混合程度和蒸發(fā)性能變差。