Polymethoxy Dimethyl Ether/汽油混合燃料噴霧特性實驗研究

李睿宸,陳朝陽,姚曉新,湯成龍

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

柴油機熱效率高、經(jīng)濟性好,廣泛應用于生產(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系,很難通過機內措施同時有效控制。與柴油機相比,汽油機排放較為清潔,但受爆震燃燒限制,壓縮比小,熱效率低,經(jīng)濟性差。汽油壓燃技術結合了傳統(tǒng)汽油機和柴油機的優(yōu)點,利用汽油類燃料辛烷值高、蒸發(fā)性好的特點,使燃料與空氣在著火前充分混合,避免在缸內形成過濃區(qū)和過稀區(qū),從而減少碳煙和NOx的生成,同時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活性低,著火能力差,汽油壓燃技術在低負荷時存在著火困難、燃燒穩(wěn)定性差的問題,高負荷時也會因為燃燒放熱過快而使壓力升高率過高,GCI發(fā)動機全負荷工況運行還存在困難。

向汽油中摻混高十六烷值燃料是公認的提高燃料反應活性、改善GCI發(fā)動機低負荷燃燒穩(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活性控制壓燃燃燒過程進行了數(shù)值模擬研究,結果表明相比于柴油/汽油混合燃料,摻混PODE3能改善中高負荷噴霧燃燒過程的局部當量比分布和能量密度分布,可以降低發(fā)動機的碳煙排放,提高其指示熱效率[3]。劉佳林等對汽油/PODE混合燃料的部分預混燃燒進行了研究,結果表明摻混20%PODE,可明顯降低高負荷下的壓力升高率和碳煙排放,中等負荷燃燒可控性相應增強,低負荷時也有更好的燃燒穩(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,進而影響發(fā)動機的動力性和排放性。為了充分認識PODE摻混對汽柴油燃料燃燒過程的影響細節(jié),研究者們對PODE及其混合燃料的噴霧特性進行了研究。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行了研究,結果表明摻混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,本文基于定容彈實驗臺和高壓多孔噴油器,利用高速紋影技術對不同摻混比的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行了實驗研究,重點分析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 實驗裝置和研究方法

1.1 實驗裝置和實驗條件

本文的實驗工作是在西安交通大學噴霧與燃燒實驗室的定容彈噴霧實驗臺上展開的,實驗裝置如圖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。具體實驗儀器參數(shù)及布置參見文獻[7]。

圖1 定容彈噴霧實驗裝置圖

實驗主要對純汽油G100(RON95)、純聚甲氧基二甲醚P100及其兩種比例的混合燃料(PODE的體積分數(shù)為20%、50%,分別記作G80P20和G50P50)的噴霧特性進行對比研究。20 ℃時實驗燃料主要物理性質如表1所示。

表1 20 ℃時實驗燃料主要物理性質

實驗用噴油器采用缸內直噴(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 ℃。為了保證實驗結果的可靠性,每個工況點重復5次實驗,并取其平均值做為最終實驗結果。

1.2 噴霧圖像處理

實驗采用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)。首先將原圖轉換為灰度圖并減去背景,然后設置固定閾值,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油束最遠端的距離;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 實驗結果與討論

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,不同環(huán)境溫度(20 ℃、100 ℃、150 ℃)條件下4種燃料在1.5 ms噴射時刻(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構明顯向軸向收縮,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。這是因為隨環(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,這是因為噴射壓力增加使得噴嘴口初始射流速度增加,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)當噴射壓力較低(10 MPa)時,燃料的噴霧貫穿距離隨PODE摻混比增加變化很小;當噴射壓力較高(20 MPa)時,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]。當噴射壓力較大時,噴霧出口射流初始速度較大,燃料性質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。取噴射時間為1.4 ms時的噴霧貫穿距離進行比較,溫度從20 ℃升高至150 ℃時,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,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,細小的液滴被空氣卷吸在噴霧尖端兩側,形成與射流運動方向相反的渦旋結構,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程度相當,使得噴霧貫穿距離變化很小。P100餾出溫度高,實驗溫度下蒸發(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,不同環(huán)境溫度下4種燃料的噴霧錐角隨噴射時間的變化關系。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,且隨噴射時間的推進迅速減小,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、噴嘴內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,這主要是因為高的噴射壓力會使噴霧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,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,邊緣細小液滴蒸發(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。這主要是因為與汽油相比,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,4種燃料在不同環(huán)境溫度下的噴霧投影面積隨噴射時間的變化關系。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。這主要是因為隨噴射壓力增大,噴霧質量流量增大,液滴與空氣的速度差增大,卷吸作用增強,因此液滴的碎裂能力增強,噴霧投影面積增加。

(a)Tamb=20 ℃

噴射壓力較低(Pinj=10 MPa)時,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,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,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,這主要是因為PODE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,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,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,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,閃急沸騰現(xiàn)象越強烈,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噴射時刻,4種燃料的噴霧投影面積隨環(huán)境溫度的變化關系?？梢钥闯?噴射壓力較大時,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,環(huán)境溫度升高時蒸發(fā)性較好的G100噴霧錐角減小,同時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,這主要是因為PODE沸點較高,在實驗涉及的3個溫度下都不會蒸發(fā)。

(a)Pinj=20 MPa

3 結 論

在定容彈實驗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,得到以下結論。

(1)當環(huán)境溫度為100 ℃或150 ℃時,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。當噴射壓力和環(huán)境溫度較高時,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,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驗范圍內環(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。