二甲醚燃料噴射壓力對(duì)噴霧發(fā)展過(guò)程的影響

宋文鵬， 張光德， 孫敬， 趙慧勇， 馬駿

(1. 武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 湖北 武漢 430081；2. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 十堰 442002；3. 茨城大學(xué)理工學(xué)研究科， 日本 茨城 3160036)

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二甲醚燃料噴射壓力對(duì)噴霧發(fā)展過(guò)程的影響

宋文鵬1, 2， 張光德1, 2， 孫敬1, 3， 趙慧勇1, 2， 馬駿1

(1. 武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 湖北 武漢 430081；2. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 十堰 442002；3. 茨城大學(xué)理工學(xué)研究科， 日本 茨城 3160036)

利用定容容器模擬增壓發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高溫高壓條件，利用高速攝像機(jī)觀察二甲醚噴霧，探討了噴射壓力對(duì)噴霧貫穿距離、噴霧蒸發(fā)等噴霧發(fā)展過(guò)程的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在噴射初期噴霧貫穿距離與噴射時(shí)間成正比關(guān)系，在噴射后期，環(huán)境氣體卷入噴霧中，噴霧貫穿距離與噴射時(shí)間平方根成正比關(guān)系；二甲醚燃料液態(tài)噴霧貫穿距離相對(duì)于氣態(tài)來(lái)說(shuō)非常短，DME液態(tài)噴霧貫穿距離基本不隨時(shí)間的增加而增長(zhǎng)。

二甲醚； 噴霧貫穿距； 燃油霧化； 噴射壓力

近幾年我國(guó)汽車保有量增長(zhǎng)迅速，由此帶來(lái)的環(huán)境污染和能源危機(jī)等問題日益嚴(yán)峻，尋找清潔高效的石油替代燃料成為當(dāng)務(wù)之急[1]。二甲醚(Dimethyl Ether，簡(jiǎn)稱DME，分子結(jié)構(gòu)CH3—O—CH3)具有燃燒高效、清潔、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，作為傳統(tǒng)燃料柴油的替代燃料得到了越來(lái)越多的關(guān)注[2]。DME是含氧燃料，制取來(lái)源廣泛，十六烷值大于55，自燃性好。另外，DME在大氣壓下、-25 ℃時(shí)呈液態(tài)，物理特性與液態(tài)天然氣類似，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。由于二甲醚與柴油理化特性存在差異，所以需要對(duì)二甲醚燃料噴射過(guò)程和噴霧特性進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)研究。余敬周等[4]對(duì)DME噴霧的閃急沸騰效應(yīng)進(jìn)行了研究；金野等[5-6]模擬非增壓缸內(nèi)環(huán)境對(duì)DME噴霧宏觀及微觀特性進(jìn)行了研究。本研究在定容容器中模擬增壓發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高溫高壓條件(壓力為8.8 MPa，溫度為920 K)，利用高速攝像機(jī)，分別采用投影法和背景散射法的光學(xué)觀察手段，詳細(xì)探討了噴射壓力對(duì)噴霧貫穿距離、噴霧蒸發(fā)等噴霧發(fā)展過(guò)程的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)條件

表1示出DME和柴油的物理化學(xué)特性參數(shù)的比較[3]。圖1示出試驗(yàn)觀察裝置簡(jiǎn)圖。試驗(yàn)要求的8.8 MPa-920 K高溫高壓條件是通過(guò)在定容容器中點(diǎn)燃N2，O2，H2和CO的混合氣體產(chǎn)生的。試驗(yàn)過(guò)程中，為了保證DME呈液態(tài)，采用N2加壓的方法使DME保持液態(tài)。DME噴射壓力可以根據(jù)試驗(yàn)條件利用手動(dòng)泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。噴霧觀察方法是采用能同時(shí)拍攝液態(tài)、氣態(tài)噴霧的投影法(紋影法)和只能拍攝液態(tài)噴霧的背景散射法。投影法的基本原理是讓平行光穿過(guò)觀察領(lǐng)域，并且在通過(guò)觀察領(lǐng)域后采用凸透鏡聚光，然后再通過(guò)攝影機(jī)。光通路中的密度變化或者微粒存在都會(huì)使光的明暗程度發(fā)生變化，從而被攝影機(jī)捕捉到。背景散射法是在觀察領(lǐng)域后方安裝使光線散射的散光板而進(jìn)行攝影的光學(xué)方法，這種攝影方法不受光通路中由于密度變化而引起折射率變化的影響，只能拍攝液態(tài)DME噴霧，而不能拍攝蒸發(fā)后的氣態(tài)DME噴霧。

表1 DME和柴油的物理化學(xué)特性參數(shù)

試驗(yàn)采用的二甲醚噴油器噴孔直徑為0.35 mm，攝影速度設(shè)置為20 000 幀/s，噴射壓力利用手動(dòng)泵分別設(shè)置為30，60，100，140 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 噴射壓力對(duì)噴霧貫穿距離的影響

噴射初期的噴霧與周圍氣體幾乎不進(jìn)行動(dòng)量交換，因此噴霧貫穿距離僅由噴射速度決定，與時(shí)間成比例。噴射中后期，由于環(huán)境氣體卷入，噴霧貫穿距離可用噴霧線性準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)理論來(lái)表示，與時(shí)間的平方根成比例。噴射初期和噴射中后期在時(shí)間上存在一個(gè)拐點(diǎn)。

2.1.1 噴射壓力對(duì)與時(shí)間成比例區(qū)域的影響

噴射初期，噴霧貫穿距離僅由噴射速度決定。初期噴射速度為v0，由伯努利方程求得：

式中：pinj為噴射壓力；ρ為燃料密度。

圖5示出了二甲醚液體密度與壓力的關(guān)系曲線，由圖可知二甲醚液體密度隨壓力上升而增加?？紤]液體密度增加的因素后，由圖6可以看出，壓力升高后理論值與試驗(yàn)值也相對(duì)較接近。由以上結(jié)論可知，根據(jù)伯努利方程和液體密度推算結(jié)果，噴霧貫穿距離與噴射時(shí)間成正比關(guān)系。

2.1.2 噴射壓力對(duì)與時(shí)間的平方根成比例區(qū)域的影響

環(huán)境氣體卷入噴霧的過(guò)程中，噴霧貫穿距離L2用噴霧線性準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)理論表示為

假設(shè)ρf，θ不隨噴射壓力變化而變化，則噴霧貫穿距離L2可以表示為

2.2 噴射壓力對(duì)噴霧蒸發(fā)的影響

圖8示出噴孔直徑為0.35mm，噴射壓力為60MPa時(shí)，分別采用投影法和背景散射法得到的噴霧貫穿距離比較。背景散射法求得的噴霧貫穿距離表示的是液態(tài)噴霧貫穿距離。投影法得到的噴霧貫穿距離隨噴射時(shí)間的延長(zhǎng)增加，但背景散射法得到的噴霧貫穿距離只有15mm左右，可以說(shuō)液態(tài)噴霧貫穿距離相對(duì)于氣態(tài)來(lái)說(shuō)非常短，由此可知DME是一種蒸發(fā)迅速的燃料。

圖9示出噴孔直徑為0.35mm，噴射壓力分別為30MPa，60MPa，100MPa，140MPa時(shí)，由背景散射法得到的噴霧貫穿距離。從圖中可以看出，噴霧貫穿距離基本不隨時(shí)間的增加而增長(zhǎng)。另外，噴射壓力增加使噴射初速增加，因此由于噴射量增加，噴霧貫穿距離應(yīng)該增加，但是實(shí)際上雖然噴射壓力有所增加，噴霧卻基本上在15mm左右蒸發(fā)完畢。

圖10示出噴孔直徑為0.35mm，噴射壓力分別為30MPa，60MPa，100MPa，140MPa時(shí)采用背景散射法得到的噴霧發(fā)展過(guò)程圖。由圖10可以看出，在二甲醚噴射的過(guò)程中，雖然噴射壓力不同，但二甲醚液滴部分只在從噴孔開始的一定距離內(nèi)發(fā)展，并沒有像圖3那樣幾乎占據(jù)整個(gè)容器，這可以說(shuō)明二甲醚是一種蒸發(fā)迅速的燃料。另外，與圖3相比，二甲醚液滴部分較細(xì)較短，也就是說(shuō)，二甲醚噴霧從噴孔噴出后的一定距離內(nèi)向前發(fā)展并且迅速蒸發(fā)，之后的噴霧發(fā)展就類似于氣體噴射。

3 結(jié)論

a) 在二甲醚噴射初期，即噴射后0.2ms內(nèi)，噴霧與周圍氣體幾乎不進(jìn)行動(dòng)量交換，噴霧貫穿距離與噴射時(shí)間成正比關(guān)系；在噴射后期，即噴射后0.2ms，環(huán)境氣體卷入噴霧中，根據(jù)噴霧線性準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)理論，假設(shè)二甲醚液體密度和噴霧錐角不隨噴射壓力變化而變化，噴霧貫穿距離與噴射時(shí)間平方根成正比關(guān)系；

b) 在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)不同噴射壓力的條件下，DME液態(tài)噴霧貫穿距離基本不隨時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，噴霧基本上在15mm左右蒸發(fā)完畢，并且二甲醚燃料液態(tài)噴霧貫穿距離相對(duì)于氣態(tài)來(lái)說(shuō)非常短，因此可以證明DME是一種蒸發(fā)迅速的燃料。

[1] 張光德，孫敬，游彩霞，等.二甲醚燃料供給系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車科技, 2012(6):1-6.

[2]ConstantineArcoumanis,ChoongsikBae,RoyCrookes，etal.Thepotentialofdimethyletherasanalternativefuelforcompression-ignitionengines[J].Fuel,2008,87:1014-1030.

[3]JoonhoJeon,SangIlKwon,YongHeePark,etal.Visualizationsofcombustionandfuel/airmixtureformationprocessesinasinglecylinderenginefueledwithDME[J].AppliedEnergy, 2014,113:294-301.

[4] 余敬周，張煜盛，張輝亞，等.DME閃急沸騰噴霧特性的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30(3)：13-17.

[5]MitsuruKonno,KazukiChiba,TakeshiOkamoto.ExperimentalandnumericalanalysisofhighpressureDMEspray[C].SAEPaper2010-01-0880.

[6] 千葉和貴.DME噴霧の數(shù)値解析の精度向上ならびに噴霧內(nèi)部構(gòu)造の解明[D].平成20年度修士學(xué)位論文，2009：9-41.

[編輯: 李建新]

Effect of Dimethyl Ether Injection Pressure on Fuel Spray Process

SONG Wenpeng1,2, ZHANG Guangde1,2, SUN Jing1,3, ZHAO Huiyong1,2, MA Jun1

(1. School of Automobile and Traffic Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;2. Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronics, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China;3. Graduate School of Science and Engineering, Ibaraki University, Ibaraki 3160036, Japan)

In-cylinder high temperature and high pressure condition of supercharged engine was simulated by using constant volume vessel, the dimethyl ether spray was observed by using a high speed camera and the effect of injection pressure on the spray process such as spray penetration and spray evaporation was discussed. The results show that the spray penetration is proportional to the injection time in the early injection period and proportional to the square root of injection time during the late injection period due to the mixing of spray with ambient air. Compared with the gaseous dimethyl ether, the liquid spray penetration of dimethyl ether is much shorter and does not increase with the increase of time.

dimethyl ether; spray penetration; spray evaporation; injection pressure

2014-07-10;

2014-09-21

汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖北汽車工業(yè)學(xué)院)開放基金項(xiàng)目(ZDK201212);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50975212)；“汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心”研究平臺(tái)

宋文鵬(1990—)，男，碩士，研究方向?yàn)槠嚺欧趴刂萍夹g(shù)；1029406418@qq.com。

張光德(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事汽車節(jié)能減排技術(shù)研究；gd-zhang@wust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.011

TK411.71

B

1001-2222(2015)03-0051-04