發(fā)動機缸內(nèi)環(huán)境下二甲醚噴霧特性的試驗

孫 敬，張光德，三村昂，金野滿，若林大輝

(1.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北武漢430081;2.茨城大學(xué)理工學(xué)研究科，日本茨城日立3160036)

開發(fā)新型替代燃料是解決日益嚴(yán)峻的石油危機和環(huán)境問題的方法之一.二甲醚(DME)具有能從天然氣、煤、生物資源等多種原料中大量制取、化學(xué)分子結(jié)構(gòu)中含有氧元素、可以實現(xiàn)無煙燃燒、十六烷值高、燃燒噪音小等很多優(yōu)點［1-3］，作為柴油的替代燃料已經(jīng)引起了許多科學(xué)家的關(guān)注.二甲醚的燃燒熱值和液態(tài)密度比柴油小，產(chǎn)生相同熱量需要大約1.8倍的燃料噴射量.另外，二甲醚表面張力和黏度低，飽和蒸汽壓高，蒸發(fā)迅速，因此二甲醚噴霧與柴油噴霧相比，在噴霧特性方面可能有較大差異［4-8］.中國也有關(guān)于DME噴霧特性研究方面的試驗數(shù)據(jù)，堯命發(fā)等［5］對二甲醚噴霧混合特性進行了試驗研究.但受試驗條件和技術(shù)水平等限制，模擬發(fā)動機缸內(nèi)實際高溫、高壓環(huán)境，研究DME噴霧特性的資料較少.為了詳細(xì)了解噴射壓力、噴孔直徑和周圍環(huán)境溫度、壓力因素對高溫高壓條件下二甲醚噴霧宏觀特性的影響，本研究利用超高速攝像機在模擬發(fā)動機實際壓力和溫度的條件下觀察二甲醚的噴霧特性.

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗觀察裝置

試驗觀察裝置的簡圖如圖1所示.

圖1 試驗裝置簡圖

在耐熱、耐壓的定容容器中模擬發(fā)動機實際情況中的氣體成分、密度、溫度和壓力等條件，從噴嘴噴出的DME透過定容容器側(cè)面的石英玻璃被超高速攝像機捕捉下來.定容容器四周分別安裝有4支加熱棒，可以使容器內(nèi)部氣體溫度達到500 K左右.通過在容器內(nèi)點燃可燃?xì)怏w產(chǎn)生更高的試驗溫度和壓力.調(diào)節(jié)定容容器內(nèi)初期溫度和壓力，將CO，H2和O2氣體充入其中，并用火花塞點火使其燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的缸內(nèi)環(huán)境，通過電腦采樣得到缸內(nèi)溫度壓力隨時間的變化曲線，然后根據(jù)試驗條件選擇相應(yīng)的時刻將DME噴入定容容器中進行試驗.由于DME飽和蒸氣壓高，常壓下為氣態(tài)，因此，試驗過程中，采用氮氣加壓，以保證DME為液態(tài).DME噴射壓力可以根據(jù)試驗條件利用手動泵(長野高壓設(shè)備公司生產(chǎn)，型號為37-5.75-60.TFE)調(diào)節(jié).

采用噴霧觀察光學(xué)方法，只能拍攝液態(tài)物質(zhì)的背景散射法.這種可視化方法的優(yōu)點在于圖像清晰，便于觀察，同時也存在不能反映氣態(tài)DME噴霧特性的缺點.對于噴霧形成過程等要求連續(xù)觀察的情況下，使用NAC ULTRA Cam高速攝像機，攝影速度為106幀·s-1.以觀察噴霧宏觀特性為目的時，攝影速度選為2×104幀·s-1.

1.2 試驗方法

試驗條件中的壓力與溫度關(guān)系曲線如圖2所示.

圖2 試驗條件的壓力與溫度關(guān)系曲線

高溫高壓試驗條件包括2大類:①氣體溫度為800 K，壓力為 4.50 MPa，密度為 19.4 kg·m-3模擬自然吸氣式發(fā)動機內(nèi)部氣體環(huán)境;② 氣體溫度為920 K，壓力為 8.80 MPa，密度為 32.8 kg·m-3模擬增壓式發(fā)動機內(nèi)部環(huán)境.自然吸氣發(fā)動機環(huán)境壓力不超過臨界壓力，而溫度超過臨界溫度，也稱為亞臨界環(huán)境;增壓發(fā)動機環(huán)境則溫度壓力均超過DME臨界條件，也稱為臨界環(huán)境.為了更全面地了解噴射初期噴霧形成過程，在進行DME臨界和超臨界高溫高壓環(huán)境下噴霧試驗的同時也進行了DME噴霧常溫常壓試驗.試驗條件如表1所示.

表1 試驗條件

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 噴嘴附近噴射初期的噴霧形成過程

DME的壓力與比容關(guān)系曲線如圖3所示.

圖3 DME的壓力與比容關(guān)系曲線

從圖3可以看出:在溫度為444 K，壓力為4.32 MPa條件下DME從噴孔噴出后溫度壓力迅速下降，然后穿過氣液平衡線，經(jīng)歷了從液態(tài)到氣態(tài)的不連續(xù)變化過程，也稱為“蒸發(fā)”過程.噴霧中會有大量氣泡隨之產(chǎn)生并不斷長大，隨后氣泡就會使噴霧呈爆炸性地變成氣態(tài)，即發(fā)生閃急沸騰現(xiàn)象.

在定容容器內(nèi)，溫度為444 K，壓力為4.32 MPa，噴孔直徑為0.35 mm，攝影速度為106幀·s-1，曝光時間為90 ns，從噴射開始到噴射后0.07 ms內(nèi)的噴嘴附近DME噴霧超高速觀察情況如圖4所示，DME噴射開始后，首先由于受到周圍氣體的阻力而首先橫向膨脹，之后維持噴霧前端橢圓形的狀態(tài)發(fā)展，在0.05 ms噴霧分裂圖片中液柱周圍沒有看到明顯的液滴，整個噴射過程中噴柱邊緣呈卷吸狀垂直發(fā)展.

圖4 初期噴射階段DME噴霧

2.2 噴射壓力對噴霧特性的影響

在定容容器內(nèi)溫度為920 K，壓力為8.80 MPa，噴孔直徑為0.35 mm，當(dāng)噴射壓力分別為30，60，100，140 MPa時，DME噴霧貫穿距離隨噴射時間的變化關(guān)系如圖5所示，噴霧貫穿距離隨著噴射壓力的增加而增大，在噴射壓力分別為30，140 MPa時，最大噴霧貫穿距離分別為17，23 mm.在不考慮DME密度隨噴射壓力的變化情況下，這主要是由于噴射速度不同引起.噴射壓力增大，燃料噴射速度增加，所以噴霧貫穿距離也隨之增大.這與M.Konno等［9］在試驗條件在溫度為800 K，壓力為4.50 MPa，噴孔直徑為0.25 mm下得到的DME噴霧貫穿距離受噴射壓力影響的結(jié)論一致.

圖5 噴射壓力對噴霧貫穿距離的影響

2.3 噴孔直徑對噴霧特性的影響

在容器內(nèi)溫度為920 K，壓力為8.80 MPa，噴射壓力為60 MPa，攝影方法為背景散亂光時，噴孔直徑對液態(tài)噴霧貫穿距離的影響如圖6所示，噴孔直徑為0.30 mm時，噴霧貫穿距離最大在15 mm處;當(dāng)噴孔直徑為0.35 mm時，噴霧貫穿距離最大可以達到17 mm，即隨噴孔直徑減小，噴霧貫穿距離也減小.從液體動量角度考慮，這是因為噴孔面積減小后，相同噴射壓力條件下，燃料噴射量減小，這樣噴射出的DME動量減小，所以液態(tài)噴霧貫穿距離就隨噴孔直徑的減小而減小.另外，噴孔直徑減小使DME霧化效果提升，噴霧更細(xì)，蒸發(fā)更快，因此液態(tài)噴霧貫穿距離減小.

圖6 噴孔直徑對噴霧貫穿距離的影響

2.4 環(huán)境溫度壓力對噴霧特性的影響

定容容器內(nèi)環(huán)境溫度壓力條件對噴霧貫穿距離的影響如圖7所示.

圖7 環(huán)境條件對噴霧貫穿距離的影響

從圖7可以看出:隨著環(huán)境壓力和溫度的增加，噴霧貫穿距離明顯減小.這是因為在溫度為920 K，壓力為8.80 MPa條件下，高溫高壓使得容器內(nèi)氣體密度比溫度為800 K，壓力為4.50 MPa條件下大，因此噴霧發(fā)展過程中受到的氣體阻力增加，噴霧貫穿距離減小.另外，溫度增加，促進DME蒸發(fā)，也是噴霧貫穿距離減小的重要原因.在溫度為800 K，壓力為4.50 MPa條件下，如圖3所示，此時DME也穿過了氣液平衡線，經(jīng)歷了蒸發(fā)過程.在溫度為920 K，壓力為8.80 MPa條件下，如圖3所示，DME并沒有穿過氣液平衡線，而是迅速地經(jīng)歷了連續(xù)的從液態(tài)到氣態(tài)的變化過程.由此，在溫度為920 K，壓力為8.80 MPa時，由于DME并沒有蒸發(fā)過程，所以噴霧形態(tài)應(yīng)該比溫度為800 K，壓力為4.50 MPa條件下的更趨于直線狀.迅速的連續(xù)變化過程也使此時的噴霧貫穿距離較短.

在定容容器中模擬自然吸氣式發(fā)動機內(nèi)部環(huán)境，進行了二甲醚噴霧特性試驗，結(jié)果如圖8所示.柴油噴霧研究結(jié)果如圖9所示［10］，柴油噴霧噴射過程中特別在噴射后0.07 ms時噴霧油束周圍有大量柴油液滴出現(xiàn).二者對比結(jié)果表明:DME由于飽和蒸汽壓高，蒸發(fā)迅速，在高溫、高壓環(huán)境下，DME噴霧迅速蒸發(fā)，噴射后任何時刻，周圍都沒有出現(xiàn)液滴.

圖8 DME噴霧圖

圖9 柴油噴霧圖

在定容容器內(nèi)溫度為293 K，壓力為0.10 MPa的常溫常壓下，攝影速度為103幀·s-1，曝光時間為18 ns，噴嘴附近處的DME噴霧如圖10所示.

圖10 常溫下DME噴霧

從圖10可以看出:噴射初期，大量混亂分布的液滴呈霧狀，僅在DME噴霧周圍出現(xiàn);在噴射后5.00 ms時，霧狀液滴進一步顆粒化，幾乎分布在整個觀察區(qū)域內(nèi).在常溫常壓下觀察到了在前述條件溫度為444 K，壓力為4.32 MPa情況下圖4中沒有出現(xiàn)的DME噴霧液滴.

3 結(jié)論

1)由于受到噴射速度的影響，噴霧貫穿距離隨著噴射壓力的增加而增大.

2)相同噴射壓力條件下，液態(tài)DME噴霧貫穿距離隨噴孔直徑的減小而減小，增壓發(fā)動機實機條件下，由于缸內(nèi)氣體密度增加，噴霧貫穿距離較自然吸氣發(fā)動機條件下減小.

3)柴油噴霧周圍有大量液滴，液滴重復(fù)微?；瑖婌F逐漸蒸發(fā)，而DME噴霧在常溫常壓下出現(xiàn)液滴，且液滴細(xì)小，在發(fā)動機缸內(nèi)環(huán)境下拍攝不到液滴，噴霧直接從外緣部分開始急劇蒸發(fā).

References)

［1］程 翔，張光德，胡立群.二甲醚發(fā)動機燃料噴射系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.內(nèi)燃機車，2007(7):12-14.Chen Xiang，Zhang Guangde，Hu Liqun.Present situation and development of fuel injection system for dimethyl ether-fueled engine［J］.Diesel Locomotives，2007(7):12-14.(in Chinese)

［2］盛新堂，高廣新，吳國偉，等.二甲醚發(fā)動機燃料噴射過程及其影響因素研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2012，46(1):9-12.Sheng Xintang，Gao Guangxin，Wu Guowei，et al.Investigation of dimethyl ether injection process and influencing factors［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2012，46(1):9-12.(in Chinese)

［3］Yao Mingfa，Zheng Zunqing，Xu Sidu，et al.Experimental study on the combustion process of dimethyl ether(DME)［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2003-01-3194.

［4］Suh H K，Lee C S.Experimental and analytical study on the spray characteristics of dimethyl ether and diesel fuels within a common-rail injection system in a diesel engine［J］.Fuel，2008，87(6):925-932.

［5］堯命發(fā)，許斯都，金 萍.二甲基醚(DME)噴霧混合特性的研究［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2001，19(5):410-416.Yao Mingfa，Xu Sidu，Jin Ping.An investigation on the characteristics of the spray development and the mixing process for dimethyl ether(DME)［J］.Transactions of CSICE，2001，19(5):410-416.(in Chinese)

［6］王艷華，李 波，李云清，等.直噴汽油機噴霧撞壁特性試驗與模擬［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，32(4):410-415.Wang Yanhua，Li Bo，Li Yunqing，et al.Experiment and simulation of spray impingement for gasoline direct injector［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2011，32(4):410-415.(in Chinese)

［7］潘劍鋒，盧青波，王 謙，等.柴油機燃燒過程的數(shù)值模擬及燃燒室改進［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，33(4):390-395.Pan Jianfeng，Lu Qingbo，Wang Qian，et al.Numerical simulation for combustion process of diesel engine and improvement of combustion chamber［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2012，33(4):390-395.(in Chinese)

［8］吉恒松，張程程，張州榕，等.船用柴油機實現(xiàn)低NOx燃燒的數(shù)值模擬［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，34(4):384-389.Ji Hengsong，Zhang Chengcheng，Zhang Zhourong，et al.Numerical simulation of low-NOxcombustion in marine diesel engine［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2013，34(4):384-389.(in Chinese)

［9］Konno M，Chiba K.Experimental and numerical analysis of high pressure DME Spray［C］∥SAE Technical Paper Series.USA:SAE Publication Group，Paper Number:2010-01-0880.

［10］徳田龍人，三村昂，海老原秀樹，等.DME噴霧のノズル近傍観察とKIVA-3Vによる數(shù)値解析［C］∥自動車技術(shù)會.日本:春季大會學(xué)術(shù)講演會前刷集，2011:156-162.