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        基于LIBS 的定容燃燒彈內(nèi)乙醇直噴局部當(dāng)量比測定

        2021-08-24 14:45:28葛睿涵胡二江高群飛黃佐華
        燃燒科學(xué)與技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:噴油器當(dāng)量標(biāo)定

        葛睿涵,胡二江,高群飛,黃佐華

        (西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

        汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)可比進(jìn)氣道噴射自然吸氣均質(zhì)混合氣汽油機(jī)熱效率提高20%~25%,是提高汽油機(jī)熱效率的重要手段.目前國內(nèi)外高效汽油機(jī)均采用缸內(nèi)直噴技術(shù)[1],因此研究汽油機(jī)缸內(nèi)直噴的燃燒調(diào)控具有十分重要的意義.對于汽油噴霧研究主要集中在噴霧特性認(rèn)識的本身,很少將噴霧與燃燒進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究[2-3].為了探究噴霧與燃燒的關(guān)系,需要對實(shí)際情況下點(diǎn)火位置局部當(dāng)量比有一定的認(rèn)識.

        LIBS 作為一種新型的表征方式,在測量混合氣局部濃度方面有較好的應(yīng)用[4-6].Toshio 等[7]利用LIBS 測量了定容裝置內(nèi),氫氣直噴與二次噴射不同位置局部當(dāng)量比隨時間的變化關(guān)系;Stavropoulos等[8]利用LIBS 測量了甲烷-空氣混合氣不同位置的濃度變化;Wang 等[9]利用氬氣作為稀釋氣體,在寬波譜范圍內(nèi),對不同激光入射能量下的甲醇和乙醇預(yù)混氣測量了局部當(dāng)量比變化;Zhang 等[10]在不同激光能量和背壓條件下,利用LIBS 測量了煤油-空氣混合物的局部當(dāng)量比變化.通過上述文獻(xiàn)可以看出,LIBS作為一種表征方式在測量局部當(dāng)量比方面有較好的研究基礎(chǔ).同時可以發(fā)現(xiàn),對于噴射條件下的測量主要集中于小分子氣體如氫氣、甲烷,而對液體燃料混合氣的測量則主要在液體燃料與稀釋氣體預(yù)混的狀態(tài)下進(jìn)行測量.但實(shí)際缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)所使用的多為液體燃料.

        此外,進(jìn)氣道(port fuel injection,PFI)與缸內(nèi)直噴(direct injection,DI)結(jié)合的雙噴技術(shù)的應(yīng)用也是提高汽油機(jī)熱效率的方式之一,也有許多基于PFI 和DI 雙噴的研究已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[11-13].

        基于上述說明,本文主要開展了定容燃燒彈內(nèi),LIBS 測量液體燃料乙醇在不同噴射壓力、噴射脈寬和預(yù)混噴射比下的中心點(diǎn)火位置局部當(dāng)量比隨時間的變化關(guān)系,為開展相關(guān)燃燒調(diào)控實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ),為缸內(nèi)直噴式發(fā)動機(jī)和雙噴發(fā)動機(jī)燃燒調(diào)控提供基礎(chǔ)理論依據(jù).

        1 實(shí)驗(yàn)裝置

        本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖如圖1 所示.其中定容燃燒彈內(nèi)徑與長度均為100 mm,定容燃燒彈及與燃燒彈相連管路總體積為0.85 L,燃燒彈兩端石英玻璃視窗直徑為140 mm.實(shí)驗(yàn)中使用的光譜儀型號為Shamrock 750,ICCD 相機(jī)型號為iStar DH-334T,Andor Technology.預(yù)混氣燃料由定容燃燒彈上注射口注射,靜置3 min 后進(jìn)行測量.實(shí)驗(yàn)采用Nd:YAG 激光器(Grace NASOR),聚焦鏡焦距150 mm,選用激光波長為355 nm,在光譜儀光柵前設(shè)置355 nm 的濾波片對激光進(jìn)行濾波.激光脈沖的入射能量和出射能量分別通過兩個能量計探頭(Coherent,型號:J-50-MB-YAG 和J-25-MB-LE)測量,實(shí)驗(yàn)中所用激光能量為60 mJ/pulse.加熱系統(tǒng)由加熱帶、保溫棉、溫控儀和熱電偶組成.相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[14-15].

        圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

        噴射系統(tǒng)選用高壓六孔噴油器,噴油器在容彈內(nèi)實(shí)際噴射圖像如圖2 所示,圖中所設(shè)置噴射脈寬2 ms,噴射壓力10 MPa.噴射系統(tǒng)由液壓泵提供噴射壓力,液壓泵可達(dá)最大壓力為100 MPa,表壓精度為0.5 級.電控系統(tǒng)基于LabView 進(jìn)行編程后,可通過計算機(jī)對噴油器噴射時刻、噴射脈寬及同步器進(jìn)行控制,控制精度為μs 級別.

        圖2 噴射壓力10 MPa 標(biāo)況下定容燃燒彈內(nèi)噴油器噴射圖像Fig.2 Spray photographs in constant volume bomb at injection pressure of 10 MPa

        圖2 中0 ms 圖中紅色十字標(biāo)注位置為容彈中心的激光擊穿位置,即本實(shí)驗(yàn)測量的局部當(dāng)量比位置,距離噴油器噴油位置37 mm.圖2 中0 時刻為同步觸發(fā)相機(jī)與噴油器時刻,在0.25 ms 后觀測到液體噴出.可知噴油器實(shí)際噴油約有0.25 ms 延遲,因此在實(shí)際觸發(fā)激光器和ICCD 相機(jī)時在同步器上設(shè)置0.25 ms 延遲.

        實(shí)驗(yàn)時,由加熱系統(tǒng)先將容彈及管路加熱至所需溫度353 K,容彈抽真空后,預(yù)混工況下液體燃料用微量注射器經(jīng)注射閥注射到燃燒彈內(nèi)部真空氣化,根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況向容彈中充入氮?dú)庾鳛橄♂寶怏w達(dá)到工況所需初始壓力0.1 MPa;進(jìn)氣結(jié)束后,靜止3 min,使燃料和空氣均勻混合;在噴射工況下,通過噴油器向容彈內(nèi)噴射乙醇;最后通過同時觸發(fā)同步器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,對各個工況點(diǎn)進(jìn)行8 次重復(fù)實(shí)驗(yàn).本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)工況如表1 所示.實(shí)驗(yàn)中為防止激光擊穿使得混合氣燃燒,理論當(dāng)量比下的氧氣分壓由氮?dú)馓娲?,燃料分壓仍等于理論分?

        表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental conditions

        2 當(dāng)量比及噴油量標(biāo)定

        2.1 當(dāng)量比標(biāo)定

        圖3 所示為燃料C2H6O,燃料當(dāng)量比0.6,初始溫度353 K,大氣壓條件下的混合氣光譜圖.對于實(shí)驗(yàn)測得的光譜圖,通過原始曲線求得擬合基線,再對波峰進(jìn)行擬合.

        圖3 乙醇-氮?dú)饣旌蠚釲IBS光譜Fig.3 LIBS spectrum of ethanol/N2 premixed gas mixture

        可以看出在ICCD 相機(jī)可測得的波段內(nèi),有較為明顯的H656 和N 峰值,選用最高的N746 峰值進(jìn)行計算,求取H656 與N746 峰值強(qiáng)度比(peak intensity ratio,PIR).在波峰強(qiáng)度較大時,PIR 受底噪影響較小,但波峰強(qiáng)度較小時會出現(xiàn)較大的偏差.因此對于測得的全部數(shù)據(jù),在曲線較為平緩區(qū)段取得基線,如圖3 中藍(lán)色虛線所示,實(shí)際H656 強(qiáng)度由峰值減去基線值求得.N746 強(qiáng)度的計算方式與H656 一致.

        圖4 所示為不同當(dāng)量比下,初始溫度353 K,大氣壓條件下乙醇-氮?dú)獾幕旌蠚夤庾V示意圖.可以看出隨當(dāng)量比增大,N746 峰值變化較小,而H656 峰值有較大提升.

        圖4 不同當(dāng)量比條件下乙醇-氮?dú)饣旌蠚釲IBS光譜Fig.4 LIBS spectrum of ethanol/N2 premixed gas mixture under different equivalence ratios

        在當(dāng)量比0.2~5.0 范圍內(nèi),對預(yù)混氣PIR 進(jìn)行測定.為減小實(shí)驗(yàn)引起的誤差,對每個測試點(diǎn)進(jìn)行150 次測量,測量后計算得到平均值為該當(dāng)量比下對應(yīng)的PIR 值.通過一次線性回歸對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.

        預(yù)混氣的標(biāo)定結(jié)果如圖5 所示.該回歸曲線線性相關(guān)度R2=0.998 57,說明標(biāo)定測試結(jié)果具有較高的可信度.在噴射及噴射預(yù)混實(shí)驗(yàn)中,通過該一次函數(shù)對實(shí)際局部當(dāng)量比進(jìn)行標(biāo)定.

        圖5 乙醇-氮?dú)饣旌蠚釮656/N746 隨當(dāng)量比變化LIBS標(biāo)定曲線Fig.5 LIBS calibration curve of ethanol/N2 premixed gas mixture H656/N746 vs.equivalence ratio

        2.2 噴油量標(biāo)定

        實(shí)驗(yàn)中使用的燃料為阿拉丁光譜級乙醇,濃度為99.98%.為確定在乙醇噴射下全局當(dāng)量比與中心位置局部當(dāng)量比關(guān)系,需要確定在實(shí)驗(yàn)工況下不同噴射壓力與噴射脈寬時的實(shí)際噴射燃料量進(jìn)行標(biāo)定.實(shí)驗(yàn)通過兩種方式對燃料噴射量進(jìn)行了標(biāo)定,分別為質(zhì)量標(biāo)定和分壓標(biāo)定.

        其中質(zhì)量標(biāo)定通過在設(shè)定條件下將乙醇噴入量筒中脫脂棉內(nèi),重復(fù)30 次噴射后稱重,對單次噴射質(zhì)量求其平均值后轉(zhuǎn)化為燃料體積;分壓標(biāo)定為在室溫條件下,在設(shè)定條件下將乙醇噴入定容燃燒彈內(nèi),靜置3 min 后,通過容彈上的壓力變送器讀取噴射前后的壓力差對實(shí)際噴入燃料量進(jìn)行計算.計算公式如下:

        式中:V 為容彈體積0.85 L;Δp 為標(biāo)況下噴射一定乙醇后的壓力差;R 為理想氣體常數(shù);M 和ρ 為對應(yīng)乙醇摩爾質(zhì)量和標(biāo)況下的密度.

        通過質(zhì)量與壓力標(biāo)定的燃料體積量如圖6 所示,可以看出通過兩種方法算得的實(shí)際燃料量在不同工況下約有2μL 的差距.這是由于在實(shí)際測定時,噴油器離開量筒時乙醇揮發(fā),使得質(zhì)量標(biāo)定得出的實(shí)際噴油量小.因此本實(shí)驗(yàn)采用分壓標(biāo)定得出的燃料量對實(shí)際的噴油器噴射乙醇量進(jìn)行標(biāo)定.

        圖6 噴油脈寬1 ms 時,不同噴射壓力下質(zhì)量與分壓的噴油器乙醇噴射量標(biāo)定Fig.6 Ethanol injection quality obtained using mass and partial pressure calibration methods under different injection pressures when injection pulse time is 1 ms

        3 結(jié)果與分析

        圖7 所示為353 K、0.1 MPa、全局當(dāng)量比φ=0.6時,中心位置局部當(dāng)量比隨時間變化關(guān)系.圖中所示0 ms 時刻為噴射開始時刻,為保證全局當(dāng)量比一致,噴射壓力10 MPa,15 MPa,20 MPa 和25 MPa 對應(yīng)的噴射脈寬分別為5.2 ms,3.6 ms,3.1 ms 和2.6 ms,圖中對應(yīng)顏色點(diǎn)為結(jié)束噴射時刻,即各工況對應(yīng)的噴射脈寬.

        圖7 不同噴射壓力下中心位置局部當(dāng)量比隨時間變化曲線Fig.7 Center local equivalence ratio under different injection pressure

        由圖可以看出,當(dāng)噴射壓力越高時,中心局部當(dāng)量比能達(dá)到的最大值也越大,且噴射壓力越大,達(dá)到最大峰值的時間也越早.圖8 所示為噴射壓力相同時(15 MPa)不同噴射脈寬局部當(dāng)量比變化示意圖.噴射脈寬由小到大對應(yīng)的全局當(dāng)量比分別為0.4、0.6和0.8.可以看出,在噴射結(jié)束時刻不同的情況下,局部當(dāng)量比達(dá)到最大值的時刻并沒有太大差別,這說明圖7 在不同噴射壓力下,局部當(dāng)量比的變化主要與噴射壓力有關(guān),與實(shí)際結(jié)束噴射時刻的關(guān)系較小.

        圖8 不同噴射脈寬中心位置局部當(dāng)量比隨時間變化曲線Fig.8 Center local equivalence ratio under different injection pulse time with different injection pulses

        根據(jù)上述分析,在不同工況下,中心位置的局部當(dāng)量比隨時間變化先增后減,在不該定容燃燒彈內(nèi),不同噴射壓力與脈寬下,均在噴射開始時刻16 ms 左右與全局當(dāng)量比接近.噴射壓力較大時可以加速噴霧的氣化,在噴射壓力較高時,中心位置的局部當(dāng)量比所能達(dá)到的最大值也較高.

        對比文獻(xiàn)[7]中氫氣單孔噴油器噴射的中心位置當(dāng)量比隨時間變化結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),本實(shí)驗(yàn)中所測得的中心位置當(dāng)量比變化較小,所達(dá)到的最高峰值均小于全局當(dāng)量比的2 倍.這是由于在該實(shí)驗(yàn)裝置下,一方面噴嘴距測點(diǎn)距離較大,另一方面六孔噴油器噴射出的噴霧束并未正對測點(diǎn).中心位置的當(dāng)量比變化主要基于燃料的擴(kuò)散情況變化,與噴射過程中的燃料量增減無關(guān).

        不同預(yù)混比下局部當(dāng)量比隨時間變化關(guān)系如圖9 所示(噴射壓力15 MPa,φ=0.8).在不同噴射預(yù)混比例下,噴射比例較小時的曲線變化更為平緩,且所達(dá)到的最大局部當(dāng)量比十分接近.與圖8 中噴射脈寬不同時,中心位置局部當(dāng)量比達(dá)到最大所用的時間基本相同.而圖9 中可以看出,在加入預(yù)混后,局部當(dāng)量比達(dá)到最大值所用的時間較直噴時更長.

        圖9 不同預(yù)混噴射比例下中心位置局部當(dāng)量比隨時間變化Fig.9 Changes in center local equivalence ratio with time under different premix-injection proportions

        在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),LIBS 對預(yù)混氣進(jìn)行標(biāo)定時與噴射時測得的結(jié)果各原子發(fā)射光譜強(qiáng)度具有較大差異.在預(yù)混狀態(tài)下,在當(dāng)量比φ=0.2~5.0 范圍內(nèi),所測得的N746 譜峰強(qiáng)度浮動較小.在噴射條件下,對工況進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)時,盡管同一工況點(diǎn)峰值強(qiáng)度比變化較小,但是N746 強(qiáng)度會出現(xiàn)較大的浮動.

        圖10 所示為實(shí)驗(yàn)標(biāo)定過程中N746 與H656 峰值隨當(dāng)量比變化情況.可以看出,N746 峰值隨當(dāng)量比平均值及誤差棒都很小,說明在測試的當(dāng)量比范圍內(nèi),N746 的峰值與當(dāng)量比無關(guān).上述實(shí)驗(yàn)中,局部當(dāng)量比的變化均小于2.0,以當(dāng)量比0.4~2.0 范圍內(nèi)的N746 峰值變化作為參考,如圖11 所示,N746 峰值均在2 300±700 范圍內(nèi).

        圖10 預(yù)混條件下H656與N746譜峰峰值隨當(dāng)量比變化Fig.10 Changes in H656 and N746 spectrum peaks with equivalence ratio under premixed condition

        圖11 所示為不同噴射壓力下N746 峰值變化,可以看出對比預(yù)混情況下具有很大的波動,且在噴射壓力較高時波動較大.這可能是在實(shí)際噴射時噴油器的循環(huán)變動造成的,由于液體燃料的氣化不完全,在初始階段對激光入射光線和擊穿產(chǎn)生的光線有反射與折射作用,使得光譜儀實(shí)際接收到的光強(qiáng)產(chǎn)生了較大變動.

        圖11 預(yù)混條件下N746譜峰峰值隨當(dāng)量比變化與噴射條件下N746隨噴射壓力變化Fig.11 Changes in N746 spectrum peak values under premixed and injection conditions

        4 結(jié)論

        本文主要研究了在定容燃燒彈內(nèi),LIBS 測量乙醇噴射不同噴射壓力、噴射脈寬和預(yù)混噴射比例下的容彈中心位置局部當(dāng)量比隨時間的變化關(guān)系.實(shí)驗(yàn)選用 H656/N746 峰值比對混合氣當(dāng)量比進(jìn)行標(biāo)定.主要研究結(jié)論為

        (1) 在全局當(dāng)量比相同的情況下,本實(shí)驗(yàn)容彈中心位置局部當(dāng)量比在不同噴射壓力下均隨時間呈先增后減的趨勢;在噴射壓力越大的情況下,局部當(dāng)量比增幅越大,且更快地達(dá)到最大峰值;不同噴射壓力下,中心位置局部當(dāng)量比均在16 ms 左右趨于平緩.

        (2) 同一噴射壓力下,不同噴射脈寬對達(dá)到局部當(dāng)量比最大值的影響較小;全局當(dāng)量比與噴射壓力相同時,預(yù)混比越大時,相對達(dá)到平衡所需的時間越長,但局部當(dāng)量比的變化較為平緩.

        (3) 采用LIBS 對容彈內(nèi)中心位置液體燃料噴射過程中局部當(dāng)量比進(jìn)行測定時,由于噴霧前期氣化不完全的原因,與對預(yù)混狀態(tài)下的混合氣相比,原子發(fā)射光譜峰值有較大的循環(huán)變動.

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