不同比例柴油/PODE3-4混合燃料噴霧特性的對比研究

張新赟，賈超杰，李俊啟，何云信

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧530004）

內燃機作為日常生活主要的動力來源之一，提高其經(jīng)濟性和降低排放是目前面臨的主要問題，尤其是在全球環(huán)境污染的情況下，除了改進發(fā)動機自身結構外，尋找一種經(jīng)濟性好和排放污染少的新燃料去替代傳統(tǒng)燃油也是解決上述問題的有效途徑之一[1]。

聚甲氧基二甲醚（PODEn）具有較高的十六烷值（63以上），能與柴油以任意比例互溶，并且具有較好的可燃性和較高的揮發(fā)性。國內外學者[2]主要集中在PODEn對柴油機燃燒和排放性能影響方面的研究，而對于柴油/PODEn混合燃料噴霧特性的研究十分少見，蒸發(fā)狀態(tài)下氣液兩相的研究更是從未有過報道，由于燃料的噴霧特性與混合氣形成息息相關，進而直接影響發(fā)動機的燃燒和排放性能，所以在PODEn作為柴油機替代燃料的課題中，對其蒸發(fā)狀態(tài)下氣液兩相噴霧特性的研究是不可缺少的。通過高速相機和紋影儀拍攝不同摻混比的柴油/PODE3-4混合燃料在定容彈內的噴霧氣液兩相發(fā)展過程圖片，分析了不同比例柴油/PODE3-4混合燃料在蒸發(fā)狀態(tài)下氣液兩相的噴霧特性。

1　實驗裝置和方案

試驗所用基礎燃料為0#普通柴油，記為P0.在P0的基礎上摻混20%、50%的PODE3-4，分別記為P20、P50.表1為試驗燃料的部分理化特性參數(shù)。其中混合燃料（P20、P50）的物性參數(shù)采用Kay混合法則進行估算，計算公式[3]為

式中：φ為混合燃料的物性參數(shù)，n為燃料組分數(shù)目，xi為第i種燃料的質量分數(shù)，φi為第i種燃料的物性參數(shù)。

表1　試驗燃料的物化性質

圖1為試驗系統(tǒng)示意圖，由定容彈、燃油噴射系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)組成。用石英玻璃做成三個可視窗安裝在定容彈的前端和左右兩側；進氣孔和排氣孔設置在定容彈的后端面，實現(xiàn)進排氣和掃氣，通過進氣孔向定容彈內腔充入氮氣直至達到試驗所需環(huán)境背壓；定容彈頂部裝有加熱棒、壓力傳感器和溫度傳感器。加熱棒下端延伸到定容彈內腔中用于升高試驗環(huán)境溫度，定容彈內部的壓力用壓力傳感器來檢測，定容彈內部的溫度用溫度傳感器來檢測。高速相機在定容彈的一側視窗拍攝噴霧發(fā)展過程的圖片，另外兩側視窗形成紋影法光學通路。試驗采用博世第3代高壓共軌燃油噴射試驗臺控制噴油信號，噴油器使用P型單孔噴油嘴。高速相機和共軌噴油器的觸發(fā)和同步通過ECU驅動信號來實現(xiàn)。試驗參數(shù)見表2.

圖1　試驗系統(tǒng)示意圖

表2　噴霧試驗條件

本試驗用紋影法和直拍法分別拍攝了試驗燃料的噴霧整體與噴霧液相發(fā)展過程，使用Matlab編程將噴霧圖片轉化為所需的數(shù)字信息。本文噴霧特性參數(shù)定義如圖2所示，氣相參數(shù)主要有氣相長度和氣相面積百分比，整體噴霧貫穿距離減去噴霧液相貫穿距離即可得到噴霧氣相長度，氣相長度可以直接反映出噴霧霧柱在軸向發(fā)展的蒸發(fā)程度；整體噴霧面積減去噴霧液相面積即可得到噴霧氣相面積，氣相面積與整體噴霧面積的比值即為氣相面積比例，氣相面積比例可以直接反映出整個噴霧霧柱的蒸發(fā)程度。

圖2　噴霧參數(shù)定義

2　實驗結果與分析

圖3為噴油壓力160 MPa、環(huán)境溫度350℃、環(huán)境背壓5 MPa、噴孔直徑10 mm工況下，三種燃料的噴霧整體與噴霧液相隨噴油時刻的發(fā)展圖像。從圖3（a）可以看出，三種燃料的噴霧霧柱都隨時間逐漸增長，P50的噴霧前端相對于P20和P0的比較粗大。從圖3（b）可以看出，P0的噴霧液相隨時間逐漸增長，而P50的噴霧液相在初期隨時間逐漸增長，中后期便趨于穩(wěn)定。三種燃料的噴霧液相在初期清晰光滑，隨后液相前端產(chǎn)生較多薄霧，該薄霧是由破碎霧化的小液滴組成，P20相對于P0噴霧液柱明顯變小并且液相前端薄霧變少，而P50的噴霧液柱更小，前端薄霧更少。由此可以說明，混合燃料的噴霧相對于純柴油的噴霧有更多的液滴蒸發(fā)變成氣態(tài)，而摻混越多的PODE3-4，蒸發(fā)的液滴也會越多。原因是PODE3-4摻混越多，混合燃料的黏度就會越低，因此破碎霧化效果越好，液滴蒸發(fā)越快。

圖3　不同燃料的噴霧發(fā)展圖像

圖4為上述相同工況下三種試驗燃料的噴霧氣相長度隨噴油時刻變化曲線，可以看出在此試驗工況下，P0與P20噴霧前端在末期才出現(xiàn)小幅度的氣液兩相分離，而P50的噴霧前端在1 ms左右便出現(xiàn)較為明顯的氣液兩相分離，并且氣相長度逐漸增長。說明在此試驗工況下，摻混一定比例PODE3-4的混合燃料相對于純柴油，噴霧前端有更多的液相燃料蒸發(fā)變?yōu)闅庀嗳剂?，這有利于減輕油束碰壁產(chǎn)生的濕壁現(xiàn)象，并可以減小著火后火焰區(qū)域的液相燃料比例。

圖4　不同燃料的氣相長度

圖5為上述相同工況下三種試驗燃料的氣相面積比例隨噴油時刻變化曲線，從圖中可以看出，三種燃料初期氣液兩相并未分離，隨后PODE3-4含量越高的燃料，氣液兩相分離的時刻越提前，氣相面積比例也越高。原因是摻混PODE3-4的混合燃料相對于純柴油，噴霧液柱的破碎霧化程度提高，有更多的液滴蒸發(fā)成為氣相燃料，而且隨著PODE3-4摻混比例的增加，燃料的破碎霧化效果更好，液滴蒸發(fā)速度更快。

圖5　不同燃料的氣相面積比例

3　結論

在噴油壓力160 MPa、環(huán)境溫度350℃、環(huán)境背壓5 MPa、噴孔直徑10 mm工況下，在純柴油中摻混PODE3-4，可以有效改善燃油的破碎霧化效果，使噴霧前端、噴霧整體都有更多的液相燃料蒸發(fā)成為氣相燃料，氣相長度和氣相面積比例均增加，并且隨著PODE3-4摻混比例的提高，混合燃料的破碎霧化以及蒸發(fā)效果更好，這有利于減輕油束碰壁產(chǎn)生的濕壁現(xiàn)象和減小著火后火焰區(qū)域的液相燃料比例，從而減少碳煙的生成。