（机械电子工程专业论文）液态lpg燃料喷射过程的实验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 液化石油气( l p g ) 具有经济性好、燃料易于储运和低污染排放等优点，已成为优 良的汽车发动机代用燃料之一。目前广泛应用的采用气态l p g 燃料供应方式的发动机与 原汽油机相比，普遍存在动力性下降的缺点，而采用进气道多点液态l p g 喷射( m p l i ) 可有效地解决这个问题。但是由于l p g 和汽油热物性的迥然差异导致l p g 的喷雾过程 和汽油的有较大差别，而燃油喷雾混合过程是发动机缸内热力过程的基础，因此，研究 掌握l p g 喷雾的发展过程对混合气形成、优化燃烧和排放性能具有重要的意义。为此， 本文使用可视化实验的方法，研究了液态l p g 的喷射过程。 基于对由密度梯度引起的折射率梯度敏感的纹影方法建立了光学纹影可视化实验 台，并设计、制作了控制装置控制使液态l p g 喷嘴和高速c c d 相机按照一定的脉冲时 序工作以拍摄特定时刻的喷雾图像。通过对试验系统中存在的误差的分析，提出了减小 误差的措施。 考察了l p g 自由喷雾的宏观特性，得到如下结论：随喷射压力的增加，喷雾贯穿距 离增加，而喷雾锥角减小；与不带分流套的单孔喷嘴相比，带有双孔分流套的喷嘴的雾 化效果更好，有利于形成均匀混合气；l p g 会产生剧烈的闪急沸腾，雾化效果比汽油要 好。 使用单孔喷嘴，分别针对9 0 0 、6 0 0 和3 0 0 三种入射角度获得了在2 0 m p a 喷射压力下 的喷雾碰壁图像序列。得出结论：液滴飞溅对混合气的形成很重要，它会受到壁面倾斜 角度等诸多条件的影响，壁面倾斜角度越大，沿壁面向下的壁面射流越明显，向上方的 飞溅越少；碰壁喷雾发展过程中由于受到壁面阻力以及射流头部的环境介质阻力的作用， 形成壁面射流漩涡，并且倾斜碰壁会产生大尺度的油气混合翻卷漩涡，这种壁面射流漩 涡能够促进油气混合，有助于加强空气卷吸，有利于燃油的二次雾化。 制作了透明单、双阀进气管模型。分别使用单、双孔喷嘴，得到了l p g 喷雾在进气 管内的反射图像序列。对比数值模拟得到的l p g 喷雾在进气管内的粒子轨迹和压力分 布，得出结论：随着喷射时间的增加，反射的l p g 空气混合气越接近进气歧管入口，因 此应充分考虑进气岐管较短的原汽油机改换成l p g 燃料后可能引起的各缸间进气干涉 现象；同时由于反射压力波的作用会导致进气管内压力的波动，影响进气充气效率；与 山东建筑大学硕士学位论文 单进气管相比，在双进气管内l p g 喷出后的喷雾发展受到进气管管壁的约束更强一些， 喷雾碰壁反射的程度以及压力的波动都比单进气管内要低。 关键词：l p g 喷雾，闪急沸腾，纹影法，喷雾碰壁，反射 山东建筑大学硕士学位论文 e x p e r i m e n to ns p r a yp r o c e s sf o rl i q u i dp h a s el p g j i a n gx i a o m i n ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yx ub o y a n a b s t r a c t l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ( l p g ) h a sb e e nc o n s i d e r e do n eo ft h ee x c e l l e n ta l t e r n a t i v e v e h i c l ef u e l sf o ri t sl o w e rf u e lc o s t ，e a s i e rs t o r ea n dt r a n s p o r t a t i o na n dl o w e re m i s s i o n s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp e t r o l e u mf u e l s c o m p a r i n gt ot h eo r i g i n a lg a s o l i n ee n g i n e ，am a i n p r o b l e mo ft h em o s tc o m m o nb e i n gu s e dl p ge n g i n e ，c o n v e r t e df r o mt h eg a s o l i n ee n g i n e 诹t ham i x e ro rag a s e o u sp h a s ei n j e c t i o nf u e ls u p p l ys y s t e m ，i st h ep o w e rl o s s i nc o n t r a s t ， m u l t i - p o r tl i q u i dp h a s el p gi n j e c t i o n ( m p l i ) s e e m st ob eab e t t e rc h o i c eo ft h ef u e ls u p p l y s y s t e ms i n c ei tw i l ln o tb r i n gs u c hap r o b l e m h o w e v e r , t h ed i f f e r e n c e so ft h et h e r m o - p h y s i c a l p r o p e r t i e sb e t w e e nt h el p ga n dg a s o l i n em a k ei t ss p r a yc h a r a c t e r i s t i c sw i d e l yd i f f e r e n tf r o m t h eg a s o l i n e s s p r a yp r o c e s sh a ss i g n i f i c a n te f f e c to nc o m b u s t i o na n de m i s s i o n so ft h ee n g i n e ， s oi ti sv e r yn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tt ou n d e r s t a n dt h el p g ss p r a yp r o c e s st oc o n t r o lt h ef u e l i n j e c t i o n ，o p t i m i z et h ec o m b u s t i o n ，r e d u c et h ee m i s s i o n s t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho ns p r a yp r o c e s s o fl i q u i dp h a s el p gu s i n gt h ev i s u a l i z a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h es c h l i e r e np h o t o g r a p h y , am e t h o dt h a ti sv e r ys e n s i t i v et or e f r a c t i o ni n d e xg r a d i e n t c a s u s e db yd e n s i t yg r a d i e n ti nat r a n s p a r e n tm e d i u m ，i se m p l o y e dt os e tu pav i s u a l i z a t i o nt e s t a p p a r a t u st oc a p t u r es p r a yi m a g e s ac o n t r o ld e v i c ei sd e s i g n e dt ot r i g g e rt h ei n j e c t o ra n dt h e c c dc a m e r aa c c o r d i n gt oac e r t a i nt i m es e q u e n c et oo b t a i nt h es p r a yi m a g ea tac e r t a i ni n s t a n t t h ee r r o ra n a l y s i si sd o n e ，a n dt h em e a s u r e sd i m i n i s h i n ge r r o ra r eb r o u g h tf o r w a r dt oi m p r o v e t h er e l i a b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s m a c r o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c s o fl p gs p r a ya r e i n v e s t i g a t e d ，a n dt h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r em a d e ：w i t ht h ei n j e c t i o np r e s s u r ei n c r e a s i n g ，t h es p r a yt i pp e n e t r a t i o ni s i n c r e a s e d ，w h i l et h es p r a ya n g l ei sd e c r e a s e d ；d o u b l e - h o l ei n j e c t o rh a sb e t t e ra t o m i z a t i o n e f f e c tt h a ns i n g l e - h o l ei n j e c t o ro nt h ef u e ls p r a yb e c a u s et h ei m p i n g e m e n to fs p r a y 、析t hf l o w s p l i th e a do fd o u b l e h o l ei n j e c t o rh a sp r o m o t e dt h ea t o m i z a t i o na n de v a p o r a t i o no fl i q u i d p h a s el p c l ，t h e r e f o r e ，i tw i l lp r o d u c eam o r eh o m o g e n e o u sa i r - f u e lm i x t u r e ；l i q u i dp h a s el p g i i i 山东建筑大学硕士学位论文 c a l lf o r mam o r eh o m o g e n e o u sa i r - f u e lm i x t u r et h a ng a s o l i n eb e c a u s eo fi t sf l a s h i n g t h es p r a yi m a g es e q u e n c e su s i n gas i n g l e - h o l ei n j e c t o r , u n d e ri i l j e c f i o np r e s s u r eo f 2 0 m p aa r eo b t a i n e df o rt h r e ei n c i d e n ta n g l e s ：9 0 0 ，6 0 0a n d3 0 0 ，r e s p e c t i v e l y t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r em a d e ：s p r a ys p l a s h i n gi sv e r yo b v i o u si nt h ee a r l i e rs t a g e ，h o w e v e r , i tf a l l so f f i nt h el a t e rs t a g e ；t h eo i lf i l mi sa b l et of l o wo nt h ei n c l i n ew a l ls u r f a c e sb e c a u s eo fg r a v i t y a n de n t e r i n ga i rc u r r e n t ，a n dw i t ht h ei n c l i n ea n g l e sg e t t i n gb i g g e r , t h eo i lf i l mf l o w i n g b e c o m e sm o r eo b v i o u s ，m e a n w h i l e ，t h eo i lf i l mt h i c k n e s si so b v i o u s l yb i g g e r t r a n s p a r e n ti n t a k em a n i f o l dm o d e l si n c l u d i n gas i n g a l v a l v eo n ea n dad o u b l e - v a l v eo n e a r em a d e t h er e f l e c t i o no fl p g s p r a yi m a g es e q u e n c e si ni n t a k em a n i f o l d sa r ec a p t u r e du s i n g as i n g l e h o l ei n j e c t o ra n dad o u b l e h o l eo n e ，r e s p e c t i v e l y c o m b i n i n g 、) ，i t ht h ep a r t i c l e t r a j e c t o r i e sa n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fl p gs p r a yi ni n t a k em a n i f o l d so b t a i n e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r em a d e ：w i t ht h ei n c r e a s eo ft i m e ，t h em i x t u r e i sc l o s e rt ot h ei n l e to ft h ei n t a k em a n i f o l d ，t h ei n t e r f e r e n c ep h e n o m e n as h o u l db ec o n s i d e r e d s u f f i c i e n t l yw h e nt h el p ge n g i n em o d i f i e df r o mt h eg a s o l i n ee n g i n e 、析t hs h o r ti n t a k e m a n i f o l d ；p r e s s u r ef l u c t u a t i o nc a u s e db yt h ep r e s s u r ew a v eo fr e f l e c t e ds p r a yi m p a c t so ng a s v o l u m e t r i ce f f i c i e n c y ；c o m p a r e dw i t ht h es i n g a l v a l v ei n t a k em a n i f o l d ，r e s t r a i nl p g s p r a y r e c e i v e si n t h ed o u b l e - v a l v eo n ei s s t r o n g e r ，t h ed e g r e eo fr e f l e c t i o na n dt h ep r e s s u r e f l u c t u a t i o na r el o w e r k e yw o r d s ：l p gs p r a y , f l a s h i n g ，s c h l i e r e n ，s p r a y - w a l li m p i n g e m e n t ，r e f l e c t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 盘醢鱼过日期逊尘：乡l 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师 签名： 日期洫。占：丕l e l 期丛! 星! 五丝 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 作为人类历史上发明的最重要的交通运输工具，汽车极大地丰富和改善了人类的生 活方式，同时也拉近了城乡距离，加速了城市化和工业化的进程。据报道，2 0 0 5 年末全 世界汽车保有量已达到8 亿辆，平均每7 5 人拥有1 辆【1 1 。而在我国，近年来，汽车工业 也得到了快速发展。1 9 8 5 年全国的机动车保有量仅为3 0 0 万辆，到2 0 0 5 年已突增至2 7 0 9 5 万辆【2 卅，而且其增长势头有增无减。据有关预测，到2 0 2 0 年我国汽车总需求量将接近 2 0 0 0 万辆，总保有量有可能突破1 5 亿辆。 但是另一方面，汽车在带给人类社会极大的方便和促进各国产业发展的同时，其保 有量的迅猛增长也造成了大量的石油消耗和对人类赖以生存的自然环境的严重污染。众 所周知，石油为不可再生资源，而它在地球上的储量是有限的，并且其分布是极不均匀 的，加上现在每年全世界要消耗石油3 3 - - - 3 5 亿吨【5 1 ，储量、耗量与分布不均之间的矛盾 更加突出。据国际石油组织估计，按目前已探明的石油储量和现在的石油消耗速度，世 界可用石油资源只可维持3 0 - - 4 0 年【6 1 ，因此石油作为最重要的战略资源已成为全世界争 夺的目标，由此爆发的世界范围内的局部战争不断出现，今后全球范围的石油危机在所 难免。传统的汽车发动机以汽油、柴油作为燃料，必然受到石油危机的困扰。石油系燃 料在燃烧过程中产生的有害成分主要为一氧化碳( c 0 ) 、碳氢化合物( h c ) 和氮氧化物 ( n o x ) ，同时根据燃料等级的差异，还会有不同程度的硫氧化物( s o x ) 、铅化合物和微 粒等，这些有害成分最终由排气管排出，因而也称排气污染物( 或排气有害成分) 。随着 近年来地球温室效应的加剧，本来不是有害气体的二氧化碳( c 0 2 ) 也被列为汽车有害 排放的指标。近年来，随着机动车保有量的迅猛增加，我国机动车尾气污染问题日显严重， 国家环保中心预测，到2 0 1 0 年我国汽车尾气排放量将可能占空气总污染源的6 4 【7 j 。 因此，如何在发展汽车工业的同时解决其带来的能源和环境问题，是汽车工业乃至整个 文明社会需要亟待解决的重大问题，是世界性的大课题。 为节约能源，同时作为排气污染的防范措施，世界各工业国家纷纷加紧研究与开发 汽车发动机代用燃料。我国发改委于2 0 0 4 年1 1 月2 9 日发布了节能中长期专项规划， 提出了十大重点节能工程，其中节约和替代石油工程就是十大工程之一。液化石油气 山东建筑大学硕士学位论文 ( l p g ) 具有经济性好、燃料易于储运和低污染排放等优点，已成为当前国际上最具有 推广价值的汽车发动机代用燃料之一，并形成了巨大的l p g 汽车市场。至2 0 0 3 年全世 界已有大约8 3 0 万辆l p g 汽车在运行，而我国截至2 0 0 4 年底，正式确定的清洁汽车重 点推广应用城市( 地区) 有1 9 个，燃气汽车保有量为2 1 5 万辆，其中l p g 汽车1 1 4 万 辆，1 9 个重点推广应用城市( 地区) 加气站数量达7 1 2 座【引。发展和推广l p g 汽车，既 能起到节约石油消耗的作用，又能起到保护环境的作用，是一件利国、利民的大事。 1 2l p g 的物化性质及燃用l p g 发动机的特点 1 2 1l p g 的物理化学性质 表1 1l p g 与天然气、汽油的性质对比 l p g 天然气 性质 汽油( 9 0 4 ) 丙烷正丁烷( 甲烷) 分子式c 3 h sc 4 h l oc h 4 c 5 c 1 2 密度( n k l l ) ( k g m 。3 ) 5 2 86 0 24 2 47 0 0 7 8 0 密度( 气相) ( k g m 。3 ) 2 0 22 5 9 80 7 1 5 沸点( ) 4 2 10 51 6 1 53 0 9 0 饱和蒸汽压( m p a ) ( 2 0 c ) 0 8 4o 20 0 5 临界温度( ) 9 6 7 1 5 28 2 6 临界压力( m p a ) 4 2 5 3 84 6 2 气化潜热( 1 0 n g ) 4 2 63 8 55 1 03 1 0 3 4 0 质量比 1 5 6 51 5 4 31 7 2 51 4 8 理论空燃比 体积比 2 3 8 l 3 0 9 59 5 28 5 8 6 低热值( m j k g ) 4 5 7 74 6 3 95 0 0 54 3 9 0 混合气热值( m j m 。3 1 3 4 93 5 23 3 93 7 3 辛烷值( r o n ) 1 1 1 59 51 3 09 2 着火极限( ) 2 2 9 5 1 9 8 55 1 51 3 7 6 着火温度( ) 4 6 64 3 05 3 73 9 0 4 2 0 火焰传播速度( m s ) 3 83 73 3 83 9 4 7 火焰温度( ) 1 9 7 01 9 7 51 9 1 82 1 9 7 l p g 主要来自于炼油厂的副产品和天然气与油田伴生气处理后获得的产品。l p g 的 主要成分依其产地不同也有较大区别，但基本上还是以c 3 和c 4 为主的烃类，即丙烷 ( c 3 h 8 ) 、丁烷( c 4 h l o ) 、丙烯( c 3 h 6 ) 、丁烯( c 4 h 8 ) 混合物。车用l p g 燃料的主要成分为丙 烷和丁烷，不饱和烃类仅占很少一部分甚至没有。因此丙烷和丁烷的性质决定了l p g 作 为车用燃料的的性质，表1 1 列出了丙烷、丁烷与天然气( 甲烷) 、汽油( 9 0 8 ) 、的主要 山东建筑大学硕士学位论文 物理化学性质【9 。1 0 】。 从表1 1 中可以看出，l p g 作为内燃机燃料具有如下特点： 1 ) l p g 中主要成分丙烷和丁烷的单位质量的低热值高于汽油，但理论混合气热值 要比汽油低6 左右。 2 ) l p g 的抗爆性能好于汽油，l p g 的研究法辛烷值在1 0 0 - 1 1 0 之间，可以采用较 高的压缩比以提高汽车的动力性和经济性。 3 ) l p g 的着火界限比汽油的着火界限略宽，更适合采用稀薄燃烧技术。 4 ) l p g 比汽油的着火温度高，火焰传播速度慢，因此需要较高的点火能量和较大 的点火提前角。 5 ) l p g 的最高燃烧温度比汽油低2 0 0 c ，有利于减少污染物n o x 的生成。 1 2 2 燃用l p g 发动机的特点 因为l p g 在常温下存在气态和液态两种物理状态，所以与汽油机不同，l p g 发动机 既可以采用气态燃料供应方式也可以采用液态燃料供应方式。再加上l p g 与汽油不同的 燃料性质，使得燃用l p g 的发动机具有与普通汽油发动机不同的特性。 1 ) 燃料供应 l p g 的燃料供应分为气态和液态、电控和非电控、缸外和缸内等不同方式。 普通供气方式采用减压阀、蒸发器、混合器等一套装置，实现燃料供给，其主 要缺点是无法对l p g 供气量实现精确控制【1 l 】。采用气态喷射的方式能实现空燃 比的精确控制，它的缺点是不能对动力性下降取得根本性的改观。液态方式主 要用于电控喷射，它需要克服l p g 的汽化，一般需要增压或增加液体的流动性。 不管采用缸内或缸外方式，液态喷射对提高动力性都取得了根本性的改观【1 2 】。 2 ) 经济性 l p g 的单位质量低热值较汽油高，而且可在常温下储运，很适合汽车使用。 前几年由于l p g 价格低廉，燃油费用较汽油低，经济性成为l p g 发动机的重要 优点。目前l p g 的价格不断上涨已不具有明显优势，但从美国e i a 公布的最新 数据来看，l p g 仍比汽油便宜2 5 左右【1 3 】，而英国l p g 协会的数据更显示使用 l p g 比汽油能节省4 0 1 拘成本【h 】。l p g 的经济性还体现在它的高辛烷值上，l p g 山东建筑大学硕士学位论文 辛烷值为1 0 0 - - - - 1 1 0 之间，抗爆性能好，能提高发动机压缩比而获得较高效率。 3 ) 排放特性 低污染排放是l p g 发动机的重要优点，也是目前发展l p g 发动机的根本依 据所在。据t e x a s a & m 大学的研究者试验，污染排放量低于美国联邦车辆排放 标准，在试验中非甲烷碳氢化合物( n m h c ) 、c o 及n o x 等指标达到或接近加 州大气保护局( c a r b ) 制定的极低排放标准( u l e v ) ，除了n o 。以外，其他 指标均好于汽油【”1 。s i e r e n s 和l u h m a n 等人的研究表明l p g 汽车能达到极低的 污染排放量【1 6 - 1 7 1 ，另外的一些研究结果表明比燃用汽油时有显著改善【1 8 】。根据 国内学者的研究，采用电控喷射方式l p g 发动机或汽车能达到甚至优于欧i i 排 放标准，或者比燃用汽油时有显著的改善u 9 1 ，也有学者研究非电控喷射条件下 n o x 的排放比燃用汽油时有所增加。c h e n 等人在l p g 中加入适量的二甲醚 ( d m e ) ，结果表明它们能在较宽的负荷范围内高效燃烧，合适的比例能使n o x 接近零排放【2 l j 。 4 ) 动力性 汽油发动机改燃用l p g 之后，动力性下降一度被认为是最大的问题，其主 要原因是燃料以气态方式供应致使充气效率下降。有研究者对不作任何改进的 原机燃用l p g ，其最大功率下降1 3 7 1 ，采用改进措施后动力性下降约5 t 2 2 1 。 要根本性地解决动力性下降问题，可以采用两种方式，一种是采用缸外进气管 液态喷射【1 2 ，2 3 1 ，其动力性与燃用汽油时相当；另一种方式是采用缸内直接喷射 2 4 - 2 6 o 5 ) 着火性能和起动性能 由于l p g 的汽化潜热比汽油高3 0 ，在相同的压缩比下，l p g 发动机汽缸 内压缩终点附近的温度和压力比汽油机的要低。另外，l p g 的着火温度高，火 焰传播速度慢。所以，l p g 发动机的着火性能比较差，冷起动性能差。但是l p g 发动机可以通过采用较高的压缩比、加大点火提前角、合理控制起动喷射脉宽 和喷射时刻等方式来提高缸内压缩终点的温度和压力【2 7 】。 1 3 闪急沸腾雾化机理 山东建筑大学硕士学位论文 杂 鹾 图1 1 闪急沸腾喷雾与常规射流喷雾的压一焓对比图 由于l p g 在常温下的饱和蒸气压远大于0 1m p a 、沸点远小于常温，所以当它以液 态形式从喷嘴喷出到大气环境中时，将会剧烈蒸发气化，产生闪急沸腾现象。闪急沸腾 喷雾雾化机理完全不同于常规射流雾化，闪急沸腾喷雾产生过程由图1 1 中的l 2 3 4 线表示：过冷液体流经喷嘴喷入气体时，压力开始降低。当压力降低到液体温度对应的 饱和压力以下时，热力状态便进入亚稳定过热区，若液体在此区域能够停留一定时间， 蒸气泡将出现并生长，直至达到平衡蒸气分数时止。随着压力继续下降，气泡集结速率 和气泡生长速率加快，到点3 时集结速率已相当大。当压力继续降低到低于相应的液态 亚稳界线上的值时，气泡会克服表面张力产生膨胀和破裂，使射流雾化【2 引。闪急沸腾喷 雾与常规燃油雾化相比有三个特点：1 ) 雾化效果好；2 ) 初始喷雾锥角大，油气混合快； 3 ) 喷雾贯穿距离短。常规燃油喷射过程是图1 1 中的1 2 线。由于液体的温度低于气体 压力对应的饱和温度，它发生于液核区，因而是液液喷射过程【2 9 1 。为形成闪急沸腾喷雾， 液体的始、终点要位于亚稳定过热区的两边。若此条件不满足，可加热液体使1 点右移 至1 点，也可减压气体使4 点下移至液态亚稳界线的下方。 在内燃机上，闪急沸腾现象往往被利用来促进燃料的雾化并冷却混合气，改善燃烧 和排放特性。在现代汽油机中，m p i 系统因反应快速和燃油喷射量可控性高而最为普及。 在该系统中，液体燃料通过电控喷油器喷入压力相对低的大气中。在发动机的某些运转 工况下，进气歧管内的压力降低到汽油某些组分的饱和蒸气压以下。这引起相应组分的 闪急沸腾。在柴油机中，燃油在喷出喷油器之前，若先加热到缸内压力对应的饱和温度 以上，则在喷出时，压力的突然降低会造成闪急沸腾。 山东建筑大学硕士学位论文 气泡生长雾 oo o 珏 oo o o 移 oo o ot o o o 谚 oq 芝 气 液滴 、3 ，：方j = i = 喷雾边界 、 过热度方式喷雾边界 剧1 2 两种闪忽沸腾现象 b r o w n 和y o r k 【3 0 1 以及l i e n h a r d 等 3 1 1 认为存在两种i n 急沸腾现象，如图1 2 。一种足 存喷嘴内部就产生了7 气泡，就是所湘的气穴现象；另一种足在喷嘴外部由丁过热度的存 征，当液体喷离喷口1 段距离之后j 产生7i 泡。他们发现，气泡的生长受喷嘴壁面料糙 度和液体湍流度的影响，具有平滑壁面的喷嘴能够抑制气八的产生，存喷嘴的外部j 芦，： 生i 、人j 急沸腾现象；他们还发现闪急沸腾对最终喷雾，钽态和喷雾粒径( s m d ) 的影响与液 体离jr 喷口时的能黾, h x j j 力稳定一陆有a - 。p a r k 和l e e l 3 2 1 通过实验证实了b r o w n 和y o r k 的 理论，并建议将喷孑l 的k 径比f l d ) 作为判断发， 砷叮种闪急沸腾的依掘；他们还发现 随过热度的增加s m d 逐渐减叫、。k i m 等例通过颅先加热乙醇燃料然后喷射实现_ j 7 闪急 沸腾雾化，他们在直喷式内燃机j ：的实验表明由j 二j n 急沸腾雾化引起的s m d 的减小， 提丌了发动机的功率并减少了末燃乙醇的排放。v a n d e r w e g e 等川使用相位多普勒粒子 分析仪研究了燃料温度和环境压力对s m d 利喷雾锥角的影响，并给? “了相应的经验公 式，他们发现增加燃料温度或者减小环境j | i 力都丁以减小喷雾粒径。g c m c i 等f 3 5 1 发现掺 入低沸点组分i , j 。以显著改善正 1 六烷的雾化特性，并给 了s m d 随过热度和气穴数变 化的经验公式。o z a 等1 2 9 1 描述了闪急沸腾喷射的热j 过程，并提出了气泡增长的分析模 型。s e n d a 等川使用单一燃料征点燃式内燃机l 的研究结果表明| 、人j 急沸腾的产，卜和燃料 饱和蒸气压与喷雾环境j _ f i 力的差值何关。他们还分别针对轴针式喷嘴和孑l 式喷嘴提出了 闪急沸腾喷雾的雾化和蒸发过 呈模型，计算结果与实验结果较为吻合。d a v y 等3 7 哆 别使 用m i e 散射和激光诱导荧光法研究了彳i 同成分燃料的闪急沸腾对喷雾形成和混合7i 形成 过程的影响，结果表明燃料的性质对混合气形成的影向1 j 喷射f l , 寸玄l j 有荚。 山东建筑大学硕士学位论文 在国内方面，许峰【3 8 1 和段树林等【3 9 】通过燃油加热研究了燃料种类、加热温度和环境 压力对闪急沸腾喷雾宏观特性的影响；采用双喷嘴及闪急沸腾喷射进行了柴油机中然用 煤液化燃料的研究，并用激光全息术测量了闪急沸腾喷雾的粒度分布，发现闪急沸腾喷 雾场的粒度分布具有喷雾粒子直径小、喷注的轴向和径向粒子分布均匀等特点；闪急沸 腾喷雾燃烧方式可大大降低柴油机的碳烟和油耗率。魏建勤等【4 叫将高温高压水突然降至 饱和蒸气压以下与柴油同时从同一喷孔喷出，过热水沸腾产生气泡，气泡迅速膨胀、冲 击液注，改善了柴油的雾化。黄震等【4 1 1 提出了燃油溶气雾化的概念。在高压下将c 0 2 溶 入燃油中，当燃油喷入缸内压力相对低的高温气体时，会发生闪急沸腾或气相的闪急分 离，这可以改善燃油雾化，并指出闪急沸腾喷雾的径向速度和径向扩散范围远大于传统 喷雾，前者速度的空间分布远比后者均匀，闪急沸腾改善雾化的原因在于气相对液体射 流的闪急冲击作用。他们还在发动机上取得了预期的燃烧效果。 1 4l p g 发动机技术及发展现状 l p g 发动机技术大致经历了四代产品的更替：第一代为混合气式气态燃料供应系统， 第二代为l p g 电子控制燃料供应系统，第三代为l p g 迸气管电控喷射系统，第四代为 l p g 缸内直喷技术。 第一代产品可采用l p g 专用系统或l p g 与汽油双燃料系统。通过在节气门前安装 的混合器使l p g 气化并与空气混合，形成较为均匀的混合气后被吸入汽缸，这种燃料供 应方式结构简单，成本低，在技术上要求也较低。其主要缺点在于气态l p g 挤占进气体 积，使得充气效率下降，带来动力下降的问题；而且无法控制l p g 的供气量，空燃比波 动较大，排放难以满足环保要求。目前我国由汽油机改装的l p g 发动机大都采用这种燃 料供应方式。 第二代产品将发动机的转速、进气管压力及废气中的氧含量等信号传送到电子调节 器，电子调节器将发出调节信号至控制电磁阀或其他流量控制装置来控制l p g 的供应 量，而后在混合器中与空气混合，类似于汽油机中的电控化油器阶段。由于根据不同工 况较准确地控制l p g 的供应量，故能达到较好的排放效果。 第三代l p g 进气管电控喷射系统按照供应燃料的状态可以分为气态喷射和液态喷 射( l p l i ) ；按照喷嘴的安装位置和喷嘴数量又可以分为单点喷射( s p i ) 和多点喷射 山东建筑大学硕士学位论文 ( m p d 。发达国家己经开始采用多点l p g 液态喷射方式( m p l i ) 4 2 】。采用m p l i 可以 显著的改善发动机动力性下降的问题，使得发动的功率与原汽油机持平，排放也得到改 善。其原因有： 1 ) 部分液态l p g 来不及气化，以液态的形式进入发动机，减少了挤占进气体积， 较气态l p g 供应方式提高了充气效率 2 ) 部分l p g 在气化过程中吸收了大量的热，是进气温度降低，提高了进气密度， 也提高了充气效率。 3 ) 由于进气温度较低，而液态l p g 进入汽缸后继续蒸发吸热，降低了缸内温度， 使最高燃烧温度也下降，从而降低了n o 。的生成量。 4 ) 采用电控方式能确保高速高负荷下燃料的充足供应，而不会像普通供气方式那 样在高负荷下出现供气不足。 缸内直喷技术( d i ) 是未来l p g 发动机发展的目标和趋势。这种方式将l p g 喷嘴 安装在缸盖上，把液态l p g 直接喷射到发动机的气缸里。由于没有节气门的节流作用， 因此减少了发动机的泵气损失，提高了发动机的工作效率。然而像汽油机的缸内直接喷 射( g d i ) 一样，l p g 的缸内直接喷射也面临着很多的技术困难和问题，目前的研究和 应用还不多【2 4 】。 综合考虑发动机开发和使用成本，结合当前不断严厉的排放法规，就目前来看，m p l i 仍是l p g 发动机燃料供给系统的首选目标，而且其技术相对完善。将现有的m p i 汽油 机直接改装成l p g 发动机既可以充分利用现有的大量汽油机，节省成本，又可以降低有 害气体的排放并缓解石油供应紧张的现状。 1 5 本文的研究内容 将m p i 汽油机改装为m p l i 发动机虽然是当前较为可行的方法，但是由于l p g 和 汽油热物性的迥然差异将会导致l p g 一空气混合气的形成和汽油一空气混合气的形成有 较大差别。由表1 1 可以看出，即使丁烷的沸点也只有0 5 v ，2 0 。c 的饱和蒸汽压高于2 个大气压。在发动机工作时，进气管内的压力一般低于大气压，而温度又高于2 0 。c ，因 此液态l p g 以高压喷入进气管后，将产生剧烈的闪急沸腾，而不同于汽油、柴油的常规 射流雾化。 山东建筑大学硕士学位论文 混合气的形成过程对发动机的燃烧和排放都有重要的影响，而混合气的形成又依赖 于燃料喷雾的过程，所以研究掌握l p g 的喷雾情况对优化、匹配与l p g 燃料相适应的 进气管、喷嘴的安装位置、喷射脉宽等影响l p g 发动机动力和排放性能的参数有重要的 意义。 应用纹影可视化方法考察液态l p g 在不同喷射压力下自由喷雾的发展过程，以及碰 壁后喷雾型态的发展情况是本文的主要研究内容。拟完成的主要工作有以下四个方面： 1 ) 建立l p g 喷雾的纹影可视化实验装置。选用合适的可视化方法与手段，能够获 取l p g 喷雾的瞬间图像。 2 ) 分别完成单孔和双孔喷嘴在模拟m p l i 喷射条件下的l p g 自由喷雾实验，考察 在不同喷射压力下的l p g 喷雾发展过程，以及各自喷雾特性包括喷雾贯穿距离、 喷雾锥角随时间的变化规律。 3 ) 制作合适的金属壁面，利用纹影实验装置拍摄l p g 以液态形式喷出，并与金属 壁面碰撞后喷雾发展情况的瞬间图像，考察l p g 的平板反射过程。 4 ) 制作透明进气管模型( 包括单进气阀进气管和双进气阀进气管) ，分别针对单、 双阀进气管，利用纹影实验装置拍摄在进气阀关闭条件下，l p g 以液态形式喷 射后，喷雾与进气管壁、进气阀碰撞后喷雾型态发展过程的瞬间图像，对比数 值模拟，考察进气歧管内l p g 喷雾的反射过程。 1 6l p g 喷雾可视化研究的现状 由于喷雾对发动机的燃烧和排放性能的决定性作用，发动机研究者们使用多种手段 对燃料的喷雾特性已进行了深入的研究，但主要集中在汽油和柴油这两种传统燃料，而 对于包括l p g 在内的代用燃料的喷雾特性则较少。 h y u n 等【4 3 1 使用直接摄影法研究了5 m p a 以下喷射压力条件下的丁烷和d m e 的喷雾 特性，发现随喷射压力和环境背压的增加，喷雾液核破碎成细小液滴的速度会加快；喷 雾外围的蒸汽层随着环境背压的增加则逐渐减小，并且这个蒸汽层和湍流混合长度有关。 o g u m a 等 4 4 1 使用阴影法研究了混入十六烷值提高剂的l p g 和柴油的喷雾特性的异同， 结果表明l p g 的高挥发性( 低沸点、高饱和蒸汽压) 并不影响它的喷雾贯穿距离，甚至 比柴油的还要大；而且由于高挥发性致使l p g 的投影喷雾面积增长速度快于柴油。l e e 山东建筑大学硕士学位论文 等【4 5 1 通过比较数值模拟和风洞实验的结果后认为，喷雾环境中的气流速度对l p g 喷雾贯 穿距离的影响要比喷射压力大，因为l p g 喷雾的贯穿距离取决于喷雾中液滴和环境气体 之间的阻力作用；提高喷射压力会加剧l p g 的闪急沸腾，而且l p g 蒸汽会减小液滴和 环境气体之间的阻力作用。l e e 等【4 6 1 使用纹影法、m i e 散射法、p l i f 法等多种流动显示 方法对l p g 喷雾的研究显示，环境背压和燃料温度对l p g 喷雾特性有很大影响。环境 背压低于l p g 的饱和蒸汽压，由于闪急沸腾的出现，喷雾锥角变大；而环境背压高于 l p g 的饱和蒸汽压时，其喷雾特性和柴油类似，但喷雾贯穿距离和喷雾粒径小于轻柴油。 燃料温度的升高也会使喷雾锥角变大，喷雾贯穿距离变小。j e r m y 等研究了缸内直喷 条件下的l p g 和汽油喷雾，通过对比，他们发现两种燃料喷雾之间的差异并不明显。 相比国外，国内对l p g 喷雾的可视化研究则更少。曹建明【4 8 - 4 9 1 和祁东辉【5 0 】等使用直 接摄影法研究了l p g 柴油混合燃料的喷雾特性，发现由于减压沸腾效应的影响，喷雾锥 角变大，喷雾粒子变小；混合燃料液滴尺寸的数目分布向小颗粒液滴方向偏移，但燃料 液滴的尺寸范围和发散边界增大。肖合林等【5 1 1 研究了l p g 柴油混合燃料成分、喷射压力、 喷孔直径和环境背压等参数对喷雾贯穿和喷雾形状的影响。结果表明燃料喷雾的贯穿距 离随背压的升高而减少，而喷雾锥角则增大；当环境背压大于l p g 的临界压力时，喷雾 贯穿距离和喷雾锥角均随喷射压力的上升、喷孔直径的增大而增大；环境背压对贯穿距 离、喷雾锥角的影响均大于喷射压力。 通过对s a ep a p e r ( 美国汽车工程师学会论文集) 、s a et r a n s a c t i o n ( 美国汽车工程 师学会论文汇编) 、a s m e ( 美国机械工程师学会) 、j s a e ( 日本汽车工程师学会论文集) 和内