乙醇圓柱射流霧化破碎過(guò)程的PIV試驗(yàn)研究

姚春德 侯亞幫 賈麗冬，2 劉軍恒 魏立江

1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072 2.洛陽(yáng)理工學(xué)院，洛陽(yáng)，471023

0 引言

當(dāng)前，石油能源安全已經(jīng)構(gòu)成經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸［1］，清潔替代燃料的研究已成為發(fā)動(dòng)機(jī)研究的一個(gè)主要方面。燃料乙醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用由來(lái)已久，大量研究表明［2－7］，在柴油機(jī)進(jìn)氣管中噴射乙醇在不降低原機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，能夠大幅度降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx和微粒（PM）的排放，加裝氧化催化轉(zhuǎn)化器后，HC和CO得到了大幅度降低，微粒（PM）也進(jìn)一步減少。

在增壓中冷柴油機(jī)進(jìn)氣管噴射乙醇的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣管的壓力對(duì)進(jìn)氣管乙醇的噴射產(chǎn)生了較大影響，尤其在大負(fù)荷工況下進(jìn)氣管壓力對(duì)乙醇噴射影響更大，此時(shí)控制單元即使下達(dá)乙醇噴射指令，乙醇噴射量也難以提升。增壓柴油機(jī)在100%負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣管進(jìn)氣平均壓力范圍一般為0.236～0.322MPa，在25%負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣平均壓力范圍為0.123～0.185MPa［8］。之前大部分研究都集中在進(jìn)氣管預(yù)混乙醇的柴油／乙醇組合燃燒對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性影響方面，而對(duì)乙醇在進(jìn)氣管環(huán)境中的噴射特性研究甚少，因此有必要深入研究乙醇在進(jìn)氣管內(nèi)的圓柱射流特性，以便完善進(jìn)氣管預(yù)混乙醇的柴油機(jī)柴油／乙醇雙燃料燃燒理論，更好地為乙醇在柴油機(jī)上的廣泛應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。本文采用定容彈模擬增壓中冷柴油機(jī)的進(jìn)氣管環(huán)境，利用PIV（particle image velocimetry）測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展了乙醇圓柱射流霧化特性的研究，研究包括不同容彈背壓、溫度下的乙醇圓柱射流發(fā)展過(guò)程以及圓柱射流特性，得到不同背壓、溫度下乙醇圓柱射流貫穿距離、射流錐角的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置如圖1所示，包括噴霧容彈系統(tǒng)、電控乙醇噴射系統(tǒng)和PIV激光測(cè)試系統(tǒng)三部分。

噴霧容彈公稱直徑為150mm，可視部分直徑為150mm。噴霧容彈的結(jié)構(gòu)如圖2所示。噴霧容彈筒體呈T字形，有3個(gè)石英玻璃窗口，其中兩個(gè)窗口在一條軸線上，第3個(gè)窗口布置在前面兩個(gè)窗口軸線的垂直平分線上，形成窗口在同一軸線和窗口相互垂直的兩條光路，試驗(yàn)時(shí)可以根據(jù)需要選用合適的光路。噴霧容彈的工作壓力1.0MPa，使用直徑3mm的金屬管從高壓氮?dú)馄恐腥?，?jīng)過(guò)進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁?，通過(guò)容彈上的壓力表進(jìn)行觀測(cè)并決定進(jìn)氣閥是否關(guān)閉。噴霧容彈的最高工作溫度為100℃，容彈周邊的加熱帶對(duì)其進(jìn)行加熱，并使用溫度控制儀表進(jìn)行恒溫控制。

圖1 乙醇圓柱射流試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 噴霧容彈結(jié)構(gòu)圖

電控乙醇噴射系統(tǒng)使用自制的單片機(jī)進(jìn)行控制，下達(dá)指令給噴嘴驅(qū)動(dòng)器來(lái)決定噴油器是否開(kāi)始工作。乙醇噴射器固定在噴霧容彈上部，噴射壓力由限壓閥控制，限壓閥能夠保證醇軌內(nèi)部壓力與容彈內(nèi)壓力始終有0.35MPa的壓差。電控乙醇噴射系統(tǒng)使用的是博世單孔噴油器。

PIV系統(tǒng)采用DANTEC公司的TR－PIV，由激光器、CCD相機(jī)和PIV主機(jī)及處理軟件組成。PIV系統(tǒng)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。測(cè)量系統(tǒng)觸發(fā)激光器產(chǎn)生激光，通過(guò)光學(xué)組鏡產(chǎn)生出平面激光照亮噴霧，同時(shí)由CCD相機(jī)記錄下照片，保存在計(jì)算機(jī)中。噴嘴、激光和相機(jī)的觸發(fā)時(shí)間由可控定時(shí)單元（PTU）控制，從而實(shí)現(xiàn)同步。

表1 PIV系統(tǒng)參數(shù)表

2 試驗(yàn)內(nèi)容

乙醇圓柱噴射射流特性試驗(yàn)?zāi)M增壓中冷柴油機(jī)進(jìn)氣道噴射乙醇的情況。具體測(cè)試點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 乙醇圓柱射流試驗(yàn)的測(cè)試點(diǎn)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 容彈背壓、容彈溫度和噴射脈寬對(duì)乙醇圓柱射流發(fā)展過(guò)程的影響

試驗(yàn)獲得了各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的乙醇圓柱噴射射流圖像，對(duì)射流的發(fā)展過(guò)程和幾何形態(tài)進(jìn)行了對(duì)比分析。圖3所示為容彈背壓對(duì)乙醇圓柱射流過(guò)程的影響，其容彈溫度為20℃，噴射脈寬為4ms，容彈背壓依次為0、0.1MPa和0.3MPa。由圖3可知，容彈背壓為0時(shí)乙醇圓柱射流前鋒以較大的速度向前發(fā)展，圓柱射流核心區(qū)在0.5～1.0ms之間的某個(gè)時(shí)刻發(fā)生斷裂，射流前鋒和邊緣發(fā)生破碎形成液滴。隨著背壓的升高，乙醇圓柱射流前鋒運(yùn)動(dòng)速度變慢，射流核心區(qū)發(fā)生斷裂的時(shí)刻推遲，射流邊緣與周圍氣體之間的相互作用增強(qiáng)，動(dòng)量交換增大，卷吸作用加強(qiáng)，整體來(lái)看隨著背壓的升高，乙醇圓柱射流的霧化破碎過(guò)程變得劇烈。

圖4所示為容彈溫度對(duì)乙醇圓柱射流過(guò)程的影響，其中容彈背壓為0.3MPa，噴射脈寬為4ms，容彈溫度分別為20℃和60℃。由圖4可知，容彈溫度由20℃變成60℃時(shí)，由于介質(zhì)氣體密度減小，對(duì)乙醇圓柱射流前鋒運(yùn)動(dòng)的阻力減小，此時(shí)射流前鋒運(yùn)動(dòng)比20℃略有增加，60℃下的乙醇射流邊緣蒸發(fā)加劇，蒸發(fā)使液滴直徑變小，有利于乙醇霧化。圖5所示為噴射脈寬對(duì)乙醇圓柱射流過(guò)程的影響，其中容彈背壓為0.1MPa，容彈溫度為60℃，噴射脈寬依次為4ms、8ms和12ms。由圖5可知，不同噴射脈寬下乙醇圓柱射流形狀差別不大，然而，隨著脈寬的增大，可以看出乙醇圓柱射流出口處較大速度的射流“追趕”碰撞破碎霧化的射流前鋒，從而形成大直徑的液滴，使乙醇霧化破碎變得困難。因此在進(jìn)氣管噴射乙醇，噴醇量一定時(shí)，可以通過(guò)較小脈寬多次噴射來(lái)加快乙醇的霧化。

圖3 容彈背壓對(duì)乙醇圓柱射流過(guò)程的影響（容彈溫度20℃，噴射脈寬4ms）

圖4 溫度對(duì)乙醇圓柱射流過(guò)程的影響（容彈背壓0.3MPa，噴射脈寬4ms）

3.2 容彈背壓、容彈溫度和噴射脈寬對(duì)乙醇圓柱射流貫穿距離的影響

圖6、圖7所示分別為容彈背壓、N2密度對(duì)乙醇圓柱射流貫穿距離的影響。其工況為：容彈溫度為60℃，噴射脈寬為8ms，容彈背壓分別為0、0.05MPa、0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa。由圖6可知，在噴射開(kāi)始后的0.5～2.5ms內(nèi)，圓柱射流貫穿距離隨著時(shí)間的增加而增大，增長(zhǎng)速度逐漸變小，而非線性增長(zhǎng)。隨著容彈背壓升高，同時(shí)刻的貫穿距離變小。這是因?yàn)槿輳棻硥荷撸輳梼?nèi)氣體密度增大，對(duì)圓柱射流的阻力增大，導(dǎo)致射流速度降低。文獻(xiàn)［9－10］總結(jié)的貫穿距離經(jīng)驗(yàn)公式表明，噴射貫穿距離S與噴射壓力和容彈內(nèi)部壓力之差Δp正相關(guān)，與介質(zhì)密度ρa(bǔ)反相關(guān)。容彈背壓升高，Δp減小，介質(zhì)密度ρa(bǔ)增大，故噴射貫穿距離S減小。S的表達(dá)式如下：

圖5 噴射脈寬對(duì)乙醇圓柱射流過(guò)程的影響（容彈背壓0.1MPa，容彈溫度60℃）

式中，c為速度系數(shù)；ρl為液體燃料密度；t為噴射時(shí)間；tb為分裂時(shí)間；α為系數(shù)，與噴孔長(zhǎng)度及噴孔入口倒圓半徑有關(guān)；D為噴孔直徑。

圖6 背壓對(duì)乙醇圓柱射流貫穿距離的影響（容彈溫度60℃，噴射脈寬8ms）

圖8所示為容彈溫度對(duì)乙醇圓噴射射流的影響。其工況為：容彈背壓為0和0.3MPa，噴射脈寬為4ms，容彈溫度分別為20℃和60℃。由圖8可知，當(dāng)容彈溫度由20℃變?yōu)?0℃時(shí)，容彈背壓為0和0.3MPa的乙醇圓柱射流貫穿距離都增大。在乙醇噴射后的相同時(shí)刻，可以看出貫穿距離從高到低的工況依次為容彈背壓0、容彈溫度60℃，容彈背壓0、容彈溫度20℃，容彈背壓0.3MPa、容彈溫度60℃，容彈背壓0、容彈溫度60℃。這可能是因?yàn)槿輳棻硥?、容彈溫度的變化引起乙醇和介質(zhì)N2運(yùn)動(dòng)黏度發(fā)生變化造成的。圖9所示為容彈背壓、容彈溫度對(duì)N2、乙醇運(yùn)動(dòng)黏度的影響。其中N2、乙醇的運(yùn)動(dòng)黏度分別用μ1、μ2表示，乙醇與N2的運(yùn)動(dòng)黏度比用β表示。由圖9可知，μ1隨著容彈背壓的升高逐漸變小，μ2隨著容彈背壓的升高沒(méi)有明顯變化。當(dāng)容彈溫度由20℃變?yōu)?0℃時(shí)，相同容彈背壓下的μ1顯著變大，μ2顯著變小，也就是說(shuō)N2與乙醇的運(yùn)動(dòng)黏度隨著容彈溫度升高而產(chǎn)生相反方向的變化。同容彈溫度下乙醇與N2的運(yùn)動(dòng)黏度比β隨著容彈背壓的升高逐漸增大，與貫穿距離隨著容彈背壓升高逐漸減小正好相反。通過(guò)比較20℃和60℃兩個(gè)容彈溫度下的β曲線，可以發(fā)現(xiàn)β從低到高的工況依次為容彈背壓0、容彈溫度60℃，容彈背壓0、容彈溫度20℃，容彈背壓0.3MPa、容彈溫度60℃，容彈背壓0、容彈溫度60℃；與這些工況下的貫穿距離變化趨勢(shì)相反。作出如下猜測(cè)：貫穿距離的變化與燃料和介質(zhì)氣體的運(yùn)動(dòng)黏度比β的變化有著密切聯(lián)系，基本呈現(xiàn)相反的發(fā)展趨勢(shì)。

圖7 N2密度對(duì)乙醇圓柱射流貫穿距離的影響（容彈溫度60℃，噴射脈寬8ms）

圖8 容彈溫度對(duì)乙醇圓噴射射流貫穿距離的影響（噴射脈寬4ms）

圖9 容彈背壓、容彈溫度對(duì)N2、乙醇運(yùn)動(dòng)黏度的影響

圖10所示為噴射脈寬對(duì)乙醇圓柱射流貫穿距離的影響。其工況為：容彈背壓0.05MPa，容彈溫度60℃，噴射脈寬分別為4ms、8ms、12ms、16ms。由圖10可知，隨著噴射脈寬的增大，相同容彈背壓、相同容彈溫度下的乙醇圓噴射射流貫穿距離略有增大，貫穿距離最大差距僅約為7.0mm，其發(fā)生在乙醇圓柱射流后2.0ms時(shí)刻。這可能是因?yàn)橄嗤輳棻硥合嗤瑴囟认翹2和乙醇的運(yùn)動(dòng)黏度都沒(méi)有發(fā)生變化，乙醇與N2的運(yùn)動(dòng)黏度比β也沒(méi)有發(fā)生變化，所以乙醇射流貫穿距離變化不大。同時(shí)由于大脈寬下乙醇圓柱射流出口速度一直較大，較大速度的射流“追趕”碰撞射流前鋒，所以大脈寬下射流貫穿距離略有增大。

圖10 噴射脈寬對(duì)乙醇圓柱射流貫穿距離的影響（容彈背壓0.05MPa，容彈溫度60℃）

3.3 容彈背壓、容彈溫度和噴射脈寬對(duì)乙醇射流錐角的影響

噴霧錐角采用Seung給出的定義，即噴嘴與噴霧兩端邊界最寬處所形成的角度為噴霧錐角，如圖11所示。圖12所示為容彈背壓、容彈溫度和噴射脈寬對(duì)乙醇噴射后1.0ms時(shí)刻射流錐角的影響。其工況為：容彈溫度20℃和60℃，噴射脈寬4ms和8ms，容彈背壓依次為0、0.05MPa、 0.1MPa、0.2MPa 和 0.3MPa。由圖12可知，乙醇射流錐角隨著容彈背壓的升高而增大。同容彈溫度、同容彈背壓下噴射脈寬由4ms變?yōu)?ms時(shí)，乙醇射流錐角基本略有增大。容彈溫度由20℃變?yōu)?0℃時(shí)，乙醇射流錐角在0～0.05MPa時(shí)明顯變大，在0.2～0.3MPa時(shí)略微增大，這是由于乙醇噴射進(jìn)60℃的介質(zhì)N2中吸收N2的熱量，乙醇蒸發(fā)明顯。隨著容彈背壓升高，兩種容彈溫度對(duì)射流錐角的影響差別變小。

圖11 噴霧錐角的定義

圖12 容彈背壓、容彈溫度和噴射脈寬對(duì)乙醇噴霧錐角的影響（乙醇噴射后1.0ms）

4 結(jié)論

（1）容彈背壓對(duì)乙醇射流特性影響明顯。容彈背壓從0逐漸升高到0.3MPa，介質(zhì)N2密度逐漸增大，乙醇圓柱射流的阻力增大，射流貫穿距離逐漸減小，減小速度逐漸變慢，射流錐角逐漸增大，增大速度也逐漸變慢。

（2）環(huán)境溫度升高有利于乙醇蒸發(fā)破碎。容彈溫度由20℃變?yōu)?0℃時(shí)，乙醇運(yùn)動(dòng)黏度μ2變小，μ2與介質(zhì)N2運(yùn)動(dòng)黏度μ1的比值β減小，乙醇圓柱射流發(fā)展阻力減小，射流貫穿距離增大；溫度升高，乙醇圓柱射流過(guò)程中，蒸發(fā)加快，射流錐角增大。

（3）噴射脈寬的改變對(duì)乙醇圓柱射流貫穿距離和射流錐角的影響不明顯，然而相同噴射速率下，脈寬越大，霧化越困難。故在柴油機(jī)進(jìn)氣道噴射乙醇，較小脈寬的噴射更有利于乙醇霧化。

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