張新赟,賈超杰,李俊啟,何云信
(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,廣西 南寧530004)
內(nèi)燃機(jī)作為日常生活主要的動(dòng)力來(lái)源之一,提高其經(jīng)濟(jì)性和降低排放是目前面臨的主要問(wèn)題,尤其是在全球環(huán)境污染的情況下,除了改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)外,尋找一種經(jīng)濟(jì)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(wèn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者[2]主要集中在PODEn對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能影響方面的研究,而對(duì)于柴油/PODEn混合燃料噴霧特性的研究十分少見(jiàn),蒸發(fā)狀態(tài)下氣液兩相的研究更是從未有過(guò)報(bào)道,由于燃料的噴霧特性與混合氣形成息息相關(guān),進(jìn)而直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放性能,所以在PODEn作為柴油機(jī)替代燃料的課題中,對(duì)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(guò)高速相機(jī)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(nèi)的噴霧氣液兩相發(fā)展過(guò)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。
試驗(yàn)所用基礎(chǔ)燃料為0#普通柴油,記為P0.在P0的基礎(chǔ)上摻混20%、50%的PODE3-4,分別記為P20、P50.表1為試驗(yàn)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(jìn)行估算,計(jì)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?jǐn)?shù)目,xi為第i種燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù),φi為第i種燃料的物性參數(shù)。
表1 試驗(yàn)燃料的物化性質(zhì)
圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖,由定容彈、燃油噴射系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng),圖像采集系統(tǒng)組成。用石英玻璃做成三個(gè)可視窗安裝在定容彈的前端和左右兩側(cè);進(jìn)氣孔和排氣孔設(shè)置在定容彈的后端面,實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣和掃氣,通過(guò)進(jìn)氣孔向定容彈內(nèi)腔充入氮?dú)庵敝吝_(dá)到試驗(yàn)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(nèi)腔中用于升高試驗(yàn)環(huán)境溫度,定容彈內(nèi)部的壓力用壓力傳感器來(lái)檢測(cè),定容彈內(nèi)部的溫度用溫度傳感器來(lái)檢測(cè)。高速相機(jī)在定容彈的一側(cè)視窗拍攝噴霧發(fā)展過(guò)程的圖片,另外兩側(cè)視窗形成紋影法光學(xué)通路。試驗(yàn)采用博世第3代高壓共軌燃油噴射試驗(yàn)臺(tái)控制噴油信號(hào),噴油器使用P型單孔噴油嘴。高速相機(jī)和共軌噴油器的觸發(fā)和同步通過(guò)ECU驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2.
圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
表2 噴霧試驗(yàn)條件
本試驗(yàn)用紋影法和直拍法分別拍攝了試驗(yàn)燃料的噴霧整體與噴霧液相發(fā)展過(guò)程,使用Matlab編程將噴霧圖片轉(zhuǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)度,氣相長(zhǎng)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(gè)噴霧霧柱的蒸發(fā)程度。
圖2 噴霧參數(shù)定義
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(shí)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(shí)間逐漸增長(zhǎng),P50的噴霧前端相對(duì)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(shí)間逐漸增長(zhǎng),而P50的噴霧液相在初期隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng),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(duì)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(shuō)明,混合燃料的噴霧相對(duì)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(huì)越多。原因是PODE3-4摻混越多,混合燃料的黏度就會(huì)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(yàn)燃料的噴霧氣相長(zhǎng)度隨噴油時(shí)刻變化曲線,可以看出在此試驗(yàn)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(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng)。說(shuō)明在此試驗(yàn)工況下,摻混一定比例PODE3-4的混合燃料相對(duì)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(zhǎng)度
圖5為上述相同工況下三種試驗(yàn)燃料的氣相面積比例隨噴油時(shí)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(shí)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(duì)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
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(zhǎng)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。