乙醇汽油喷雾特性研究及低压直喷喷嘴优化_图文

1、收稿日期:2010 10 24;修回日期:2011 01 13作者简介:朱 斌(1985 ,男,硕士,研究方向为油醇混合燃料物性以及喷雾特性;aonika 。乙醇汽油喷雾特性研究及低压直喷喷嘴优化朱 斌,许 敏,张玉银,张高明(上海交通大学汽车电子控制技术国家工程实验室,上海 200240摘要:通过闪光灯喷雾测试试验和乙醇汽油物性的测量、计算,对乙醇汽油喷雾特性进行了研究,最后使用AV L Fire 软件完成低压喷嘴结构参数修改,并对不同喷嘴的雾化效果进行了对比。试验结果表明:混合燃料中乙醇比例增大导致乙醇汽油密度、黏度增大,乙醇比例与表面张力关系不大;喷雾贯穿距随着乙醇汽油密度和黏度的升高而

2、降低,而喷雾角与表面张力的变化方向相反。仿真结果显示,对于低压直喷喷嘴,减小喷孔锥角或者增大喷孔入口处液腔厚度有助于提高喷雾雾化效果。关键词:乙醇汽油;喷雾特性;喷嘴;优化;低压直喷中图分类号:T K413.8 文献标志码:B 文章编号:1001 2222(201101 0079 06随着国际原油价格的攀升以及国内外节能减排呼声的日益高涨,代用燃料的推广和普及对缓解我国石油资源不足具有重要意义。醇类燃料作为最有前途的汽车发动机代用燃料已经越来越引起国内外科研机构和政府部门的重视。醇类燃料与汽油相比具有更高的辛烷值、更宽泛的着火范围、更高的火焰传播速度以及更高的汽化潜热值1。将醇类燃料或者油醇混

3、合燃料应用在发动机(进气道喷射和缸内直喷上,对减少CO 2以及其他燃烧排放物有一定的作用1。影响喷雾雾化效果的因素主要有三方面:外界控制条件、燃油物性以及喷油器结构。目前,对于醇类代用燃料发动机,研究的重点主要集中在解决冷起动、燃料腐蚀性等问题,而并没有重点考虑燃料物理化学属性的变化对喷雾及燃烧过程的影响。大部分的代用燃料发动机都只是采用原来的、适用于汽油燃料的喷雾燃烧系统,这样势必影响代用燃料发动机的性能。而部分针对代用燃料发动机喷雾与燃烧系统的研究也只限于通过优化燃烧室的结构使其适应喷雾以提高燃烧的质量,这是被动的,没有考虑从控制燃烧过程的源头(喷雾雾化来解决问题。相对于高压直喷系统,低压

4、直喷系统拥有低成本、系统结构简单等优势,而当油醇混合燃料用于低压直喷系统时喷雾雾化效果会降低,这时就需要优化喷嘴结构以削弱低喷射压力对雾化效果的负面作用。本研究通过对乙醇汽油物性的测量、计算及在高压定容容器中乙醇汽油的喷雾特性闪光灯测试试验,研究乙醇汽油物性与喷雾特性的关系,并利用计算机仿真来探索喷嘴内部结构对雾化效果的影响,为乙醇汽油在直喷发动机尤其是低压直喷发动机上的应用提供基础研究。1 试验装置和试验方法物性测试选用的基础燃料为乙醇(分析纯、97号汽油。物性测试试验主要仪器设备有密度仪(M DY 1,精度为0.001g/cm 3、表面张力测量仪(QBZY 3,精度为0.001m N/m

5、、恒温水箱(-2099 。乙醇汽油中乙醇体积分数分别为0%,15%,30%,50%,65%,85%,100%。油醇混合物黏度的计算采用精度较高的Lobe 法2。喷雾测试试验设备见图1,低压直喷喷嘴垂直图1 喷雾测试设备布置第1期(总第192期2011年2月车 用 发 动 机V EH ICL E EN GI NE No.1(Ser ial N o.192Feb.2011安装在高压定容容器顶部,容器内部压力可以通过N 2瓶和真空泵在20kPa2M Pa 之间调节。装载待测燃油的活塞式蓄压器顶部与另一个N 2瓶相连,油压可以调节到指定值,通过调节喷嘴安装基座水套的循环水温度来控制燃油温度。使用可编程

6、时间控制单元(PTU 实现喷油器、快速闪光灯和CCD 相机(1376 1040分辨率,15fps 拍摄速度的同步,CCD 相机采集闪光灯照射下的若干时刻的喷雾照片,全部为单次拍摄。喷嘴为许敏等人3开发的9孔低压直喷喷嘴,该喷嘴特点是在较低喷射压力下利用喷嘴内部强烈的湍流产生雾化效果较好的喷雾。2 试验内容物性数据测量采取的是对同一个物性点进行3次测量并取平均值的方法。燃料温度测试点设定在-1060 之间,以10 为增量进行测量。从低温下的分层静置试验看出,各种比例的油醇混合物在一周内未发生分层现象,所以试验中未加入助溶剂。喷雾测试试验模拟低压缸内直喷(2M Pa 喷射压力的情况,由喷油器的流量

7、曲线和实际喷油量计算喷油器的喷油脉宽,具体的测试点见表1。喷雾测试试验中配制了5种燃料:E0(汽油,E15,E50,E85,E100,针对每种乙醇汽油均完成了8个测试点的喷雾测试。表1 喷雾测试的测试点基础燃料汽油(97号,乙醇(分析纯待测燃料E0,E15,E50,E85,E 100环境温度/ 20环境压力/kPa 20,40,85,190燃油温度/ - 10,0,25,50,60, 80, 90喷射压力/M Pa23 试验结果及分析3.1 物性结果由物性测量和计算数据(图2至图4可知,温度升高导致燃料密度、黏度和表面张力降低,密度和黏度随乙醇体积分数的升高而升高,表面张力与乙醇体积分数无明显

8、关系,温度较高时,表面张力波动幅度变大。由于密度 (标准偏差小于0.002和表面张力(标准偏差小于0.002的标准偏差很小,图2和图4的误差棒很短。图2 乙醇汽油密度图3 乙醇汽油黏度图4 乙醇汽油表面张力3.2 贯穿距按照美国汽车工程师协会(SAE的标准,多孔喷嘴的喷雾外轮廓边缘距离喷嘴5m m 和15mm 的4个点所确定的线段AB 和CD 的夹角 即为喷雾角,某个时刻喷嘴到喷雾外轮廓最远点的垂直方向距离即为贯穿距L (见图5。图5 喷雾角及贯穿距定义图6和图7示出了两种工况下的喷雾照片。图6工况:燃油温度25 ,环境压力190kPa,喷射压80 车 用 发 动 机 2011年第1期力2M

9、Pa,喷射开始后1.2ms;图7工况:燃油温度90 ,环境压力20kPa,喷射压力2MPa,喷射开始后1.2ms 。由图可见,喷雾没有明显的单个喷雾油束。燃油温度较低(25 ,见图6时喷雾呈圆锥形3,混合比例对喷雾角的影响较小,喷雾边缘附近可观察到较大油滴存在。由于闪沸的作用4,燃油温度较高(90 ,见图7时喷雾变为纺锤形,贯穿距变长,可观察到的大油滴明显减少,可见此时喷雾雾 化效果更好。图6 低油温时不同油醇混合比下的喷雾图7 高油温时不同油醇混合比下的喷雾燃料的喷雾特性受到外界因素(如喷射压力、燃油温度的影响,同时内部因素对喷雾特性也有直接的作用,这个内部因素就是燃油本身的成分以及燃油的物

10、化属性,选择合适的燃油将对提高喷雾质量有很大的帮助。图8示出燃油喷射1ms 后贯穿距随乙醇体积分数的变化,图中图标格式为燃油温度_环境压力_喷射压力_喷油脉宽。从图8看出:燃油温度在中低温时,贯穿距随乙醇比例的升高而降低;在高温时,贯穿距先增大再减小。这是由于高温时喷雾发生了闪沸4,闪沸现象是由于液体内部的压力瞬间降至饱和蒸气压以下而发生的。喷嘴针阀开启后高压 图8 不同混合比下乙醇汽油喷雾的贯穿距燃油喷出,当液体压力降至饱和蒸气压以下时,液体内部产生许多迅速膨胀的气泡,这些气泡促使液泡快速破碎成小液滴。根据曾东建等人的研究5,乙醇汽油在低比例范围内有较高的饱和蒸气压,于是比例较低的乙醇汽油(

11、如E15更容易发生闪沸,而闪沸的强弱对喷雾破碎长度和贯穿距有影响6。非闪沸条件下密度、黏度对乙醇汽油喷雾贯穿距的影响见图9(工况:油温0 ,环境压力20kPa,喷射压力2M Pa,喷射开始后1m s。由图可知,密度、黏度升高,贯穿距减小。黏度增大导致喷嘴内部对燃油的阻力增大,会减小贯穿距7。由伯努利方程(见式(1可知,当p L ,h 0,C 0不变时,密度增大则速度减小,贯穿距变短,同时,H iro yasu 8总结的贯穿距经验公式(见式(2至式(3也能解释密度增大导致贯穿距减小的原因。p L + L g h 0+12L v 2=C 0。(1式中:p L , L ,v 分别为流体的压强、密度和

12、速度;h 0为铅垂高度;g 为重力加速度;C 0为常量。S =C2 p 1t 0 t t b1.19C(p a0.25D t t t b。(2t b =1.41C1 Da p 。(3式中:C 为速度系数; 为喷嘴系数;S 为喷雾贯穿距; p 为喷射压力和环境压力之差; 1为液体燃料密度; a 为空气密度;t 为喷油时间;t b 为分裂时间;D 为喷孔直径。图9 密度、黏度对乙醇汽油喷雾贯穿距的影响3.3 喷雾角从试验数据看出,随乙醇比例的提高,喷雾角为非单调变化。经过对比,发现喷雾角和燃料表面张力存在联系,图10示出乙醇汽油典型的表面张力 喷雾角曲线(工况:油温60 ,环境压力150kPa,喷

13、射压力2M Pa,喷射开始后1.2ms。从图上看出81 2011年2月 朱 斌,等:乙醇汽油喷雾特性研究及低压直喷喷嘴优化表面张力和喷雾角的曲线变化趋势是相反的。表面张力越小,液滴越容易破碎成更小的颗粒,受到喷雾边界紊流层影响,卷吸作用增强,喷雾角 越大。图10 乙醇汽油表面张力对喷雾角的影响4 数值模拟计算及结果在Pro/E 软件中建立喷嘴内部液腔模型,然后利用三维CFD 仿真软件AVL Fire 完成喷嘴内部流场仿真,将内部流场计算得到的接口文件(包含速度、湍流动能等信息作为外部喷雾仿真的边界条件进行耦合计算。图11示出1/4低压喷嘴内部液腔模型(喷嘴0,图12示出外部喷雾的圆柱体计算区域

14、。仿真计算条件见表2 。图11喷嘴内部液腔模型图12喷雾圆柱体计算区域表2 仿真计算条件内部液腔单元数/个67402(1/4喷嘴圆柱体区域单元数/个240000燃油种类E0燃油温度/ 25,50环境温度/ 20喷射压力/M Pa 2环境压力/kPa 190, 85蒸发模型M ulti com pon ent 初次破碎模型Blob injection model二次破碎模型Tab model仿真的喷雾图像与试验照片有类似的实心圆锥体的喷雾外形(见图13,工况:燃油温度25 ,环境压力190kPa,喷射压力2MPa。图14示出了贯穿距仿真值与试验值与时间的关系,图中图标格式为燃油温度_环境压力_喷

15、射压力。由图14可知,贯穿距的计算值比试验值略微偏高,这可能与使用M at lab 计算喷雾照片上的贯穿距试验值时选用偏高的阈值有关。图13 E0的试验照片和仿真图像图14 E0喷雾贯穿距的试验值与仿真值对比对低压直喷喷嘴 图15喷嘴尺寸示意的原始尺寸进行修改,得到5个结构相似的新喷嘴数模,编号15,原始喷嘴编号为0。图15示出原始喷嘴尺寸示意(1/2竖直截面,表3列出修改前后的尺寸。表3 喷嘴尺寸喷嘴编号尺寸/( /( /( /( L 1/mm L 2/mm L 3/mm 02036.890100.60.410.45110-2-0.80.510.553-25-4-105-5-0-注: - 表

16、示与喷嘴0尺寸相同。82 车 用 发 动 机 2011年第1期使用相同的工况对6个喷嘴进行仿真计算,喷嘴内部流场和外部喷雾计算采用25 燃油温度、190kPa 环境压力及2M Pa 喷射压力的工况点,燃料为E0。由图16可知,喷嘴1的喷孔内部平均压力最大,即喷嘴1的压降最小(与2M Pa 初始油压相比,喷雾液滴喷出后能量更大, 雾化效果更好。图16 喷孔内部平均压力图17示出了喷嘴内部平均湍流动能随时间的变化趋势,喷嘴4和喷嘴5有较大的平均湍流动能,如果湍流分散到喷嘴内部的死角,湍流就不会对喷雾雾化有较大影响,但只要湍流随着主要流体流出喷孔,一般情况下湍流能促进液滴快速破碎,增强雾化效果。图1

17、8示出喷嘴4和喷嘴5在针阀开启后的内部湍流分布,喷嘴4的湍流动能集中在喷孔处,湍流对液滴的快速破碎有很大帮助,而喷嘴5的湍流动能主要分布在尺寸变化较大的转角和喷孔处, 部分湍流动能在喷嘴内部耗散掉了。图17 喷嘴内部平均湍流动 能 图18 喷嘴4和喷嘴5内部湍流分布取距喷孔20m m 的平面为索特平均直径D sm 计算平面,计算各喷嘴的D sm ,并求得喷射开始后1.11.3m s 的D sm 平均值(见图19。喷嘴1和喷嘴4的D sm 较小,有较好的雾化效果,这与前面得出的结论相吻合。图19 各喷嘴的喷雾D sm 平均值图20示出了各喷嘴的喷雾蒸发量。喷嘴4蒸发量最大,其次为喷嘴1,进一步看

18、出喷嘴1和喷嘴4有较好的雾化效果。总的来说,减小 角或增大 角能增强喷嘴的喷雾雾化效果,而其他尺寸参数对喷雾雾化影响较小。图20 喷嘴喷雾蒸发量5 结论本研究通过对乙醇汽油的物性测量、计算及喷雾特性测试试验和CFD 仿真,研究了乙醇汽油物性与喷雾特性的关系以及低压直喷喷嘴的结构优化。a油醇混合物的密度、黏度和表面张力随温度的升高而降低;密度、黏度随着醇类比例的升高而升高,表面张力与醇类比例无明显关系;b油醇混合物的喷雾贯穿距随着密度、黏度的升高而降低;油醇混合物的喷雾角与表面张力呈现出相反的变化趋势;c减小低压直喷喷嘴的 角或增大 角能提高喷雾雾化效果,喷嘴的其他尺寸( , ,L 1,L 2,

19、L 3对喷雾雾化影响较小。致谢:本研究在上海科学技术委员会的资助下完成。感谢上海交通大学的教授David L.S.H ung 、博士83 2011年2月 朱 斌,等:乙醇汽油喷雾特性研究及低压直喷喷嘴优化84 车 用 发 动 机 of Internal Co mbustio n Eng ines. n. , 2010. 2011 年第 1 期 Chongqing: s. 生张铭、 硕士生曹菁菁对本研究的帮助和支持。 参考文献: 1 M aclean L H , L ave B L . Eva luating A uto mobile F uel/ P ro pulsio n System T

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25、pray character istics o f et hanol gaso line w ere researched. With A VL F ir e softw are, the str uctur al par ameters o f low pr essure injector w ere modified and the spra y effects of different injector s w ere co mpa red. T he r esults show that the incr ease of ethano l pro po rtion leads to t

26、he incr ease o f mix tur e density and v isco sity. Ho wev er, the mix ture sur face tension has little r elation w it h the ethanol pr opor tio n. With the increase of mix ture densit y and v iscosity , the spr ay penetr atio n dro ps. T he spr ay angle changes in negative dir ection of surface ten

27、sio n. Based o n simulatio n r esults, the optimized injector can impro ve the spr ay effect. Key words: ethano l g asoline; spr ay character istic; injecto r; optimization; low pr essure dir ect inject ion 编辑: 李建新 ( 上接第 78 页 3 魏春源, 张卫 正, 葛蕴珊. 高 等内 燃机 学 M . 北 京: 北 京理工大学出版社, 2001. 4 CD adapco Japan Co. Ltd. . GT Co ol U serps M anual M . Japan: CD adapco, 2007. Dual Inter cooling Schemes for Turbocharged Diesel Engine GAO Si yuan, ZH AO Chang lu, LI Yun lo