醇类燃料高压旋流喷雾特性试验研究

醇类燃料高压旋流喷雾特性试验研究

醇类燃料是低热值的新燃料近年来，由于传统汽油机的优点，它综合了传统汽油机和汽油的优点，其优点如生产率高、排放低、动力性好等，引起了机械界的关注。日本、美国和欧洲的许多机械研究机构对原油气体泄漏的研究非常活跃。GDI发动机要求燃油喷雾在高负荷时粒径小,油束分散且贯穿度小;在中、低负荷时要求油束紧密,在活塞顶部凹坑等的引导下实现分层燃烧醇类燃料,特别是甲醇,由于可以从煤、天然气中制取,也可以从生物质中制取,属可再生能源,最近几年作为内燃机代用燃料在国内也逐渐开始了研究。虽然醇类低热值比汽油低得多,但对比在当量混合比情况下消耗等量空气所能发出的热量来看,醇类与汽油相当,因此在汽油机上燃用醇类燃料,发动机输出功率可基本保持不变或略增。醇类燃料辛烷值高,在汽油机上使用时,可以提高压缩比,有利于提高发动机的动力性能和经济性能。同时由于醇类燃料分子中含有氧,甲醇中含氧量高达50%,因此燃烧后不易形成碳烟。同时由于醇类燃料的汽化潜热比汽油大得多,可以大幅度降低发动机最高燃烧温度,降低NO由于醇类燃料具有以上优点,因而目前甲醇或乙醇与汽油组成混合燃料在点燃式发动机中开始获得应用。为了醇类燃料发动机在今后获得更广泛的应用,有必要对醇类燃料的喷雾特性做深入地研究1高压喷射试验图1为试验装置示意图本试验中采用的电控压力旋流型喷油器如图2所示。该旋流型喷油器主要依靠喷孔周围的切向狭缝来形成燃油喷射的切向速度分量,这样就把压力能有效地转换成为旋转力矩。如此结构一方面促进雾化同时又限制了油束贯穿度,在离心力的作用下燃油离开喷孔后即形成圆锥型的燃油薄膜,然后薄膜破碎进而形成空心圆锥型喷雾。试验中通过高压氮气使燃油达到规定的喷射压力,高压燃油经过粗滤器和细滤器进入喷油器。喷油器的喷射时刻和喷射脉宽由AT89C51单片机和喷油器驱动电路所组成的电子控制单元来控制。试验中旋流型喷油器的喷射脉宽固定为1.5ms;喷射压力分别为2.0MPa、3.6MPa、4.6MPa和5.0MPa;环境背压分别为0.1MPa、0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa和2.0MPa;所有试验均在室温条件下进行,定容弹中没有气流运动。为了对各种燃料的喷雾特性进行详细的比较,本文除了对醇类燃料的喷雾过程进行试验研究和数值模拟,也与汽油的试验结果进行了对比分析。2纹影照片照片图3和图4为试验所得的乙醇和甲醇高压旋流喷雾发展的纹影照片。由于甲醇和乙醇旋流喷雾基本情况类似,下面首先以乙醇为例,分别讨论喷射压力和背压对醇类喷雾的影响。2.1背压特征的喷雾宏观结构图5和图6分别为喷射压力为5.0MPa下,环境背压对甲醇油束喷雾贯穿度和油束锥角的影响。总体来看醇类燃料喷雾随着背压的升高,油束贯穿度和喷雾锥角均随之降低。对于背压为0.1MPa情况下,油束贯穿度和喷雾锥角的发展与其他较高背压的情况略有不同。开始阶段,背压为0.1MPa的喷雾贯穿速度最大,贯穿距离也增加最快,喷雾锥角也相应快速增大;而喷油开始后约2.4ms,背压为0.1MPa的贯穿距离基本维持在约70mm,而在其他背压条件下贯穿度继续增加,背压为0.5MPa甚至还略微超过背压为0.1MPa时的贯穿度。在喷雾锥角,背压为0.1MPa下的喷雾锥角一直是最大的,但在2ms左右经过一短暂的下降过程后喷雾锥角逐步稳定在60°左右。随着背压的升高由于喷射压力不变则喷射初速随之相应减小,并且由于环境气体压力对喷雾油束的阻力增加,从而减小了喷雾运动的速度,而使贯穿度随之降低。通过观察喷雾图片可以看出,背压高低不同则喷雾油束形状明显不同,低背压(0.1MPa)情况下,油束基本呈中空圆锥形结构,油束分布宽广且锥角大。燃油开始喷射后,随着时间的推移喷雾不断发展,可以清晰地观察到在油束中后部两侧边缘有两个相对旋转的涡流结构,造成强烈的空气卷吸现象。低背压时喷雾锥角的下降实际上是由于在喷射阶段结束后,喷雾前端细小液滴的破碎乃至蒸发导致边界模糊不清造成的。在高背压条件下油束紧密宽度减小,整个油束喷雾呈现出实心圆锥的形状,在油束顶端两侧也出现两个相对旋转的涡流结构,也同样形成明显的空气卷吸现象,涡旋的范围随背压增加而减小,如图7所示。如上所述,背压高低不同,喷雾和涡旋的结构明显呈现出完全不同的特点试验中背压在0.5MPa或更大时,与背压为0.1MPa时明显不同,但具体在多大背压情况下喷雾和涡旋的结构开始发生转变,还有待进一步的试验研究。2.2喷射压力对喷雾总动能的影响图8和图9分别为背压为0.1MPa情况下,喷射压力对乙醇油束喷雾贯穿度和油束锥角的影响。随喷射压力的增加,喷雾贯穿度和喷雾锥角随之增加;至喷雾充分发展阶段(2.5ms以后),喷射压力对此时趋于稳定的喷雾贯穿度和喷雾锥角也有类似影响,但相互之间差别不大。在低喷射压力p在背压不变的情况下,随喷射压力的增加,喷雾初速增加,喷油速率随之增加,本文中单次喷雾的脉宽均为1.6ms,若假定喷孔流量系数基本不变,则单次喷雾所具有的喷雾总动能仅与喷雾初速有关,为后者的三次方关系,即喷射压力与背压之间压差的1.5次方成正比,若喷射压力分别为2.0MPa、3.6MPa、5.0MPa的喷射总动能比约为1∶2.5∶4.2,这是形成空气卷吸的涡流结构的能量来源。这样一来,就可以很容易解释不同喷射压力空气卷吸涡流强弱的不同了。2.3发动机旋流型喷雾特性试验结果显示,醇类燃料和汽油类似,整个旋流喷雾过程都可分为两部分:初始喷雾段和主喷雾段。在中空圆锥形的主喷雾前端有一部分初始的喷雾液团。这是由于在针阀和切向狭缝之间的体积存有前一次喷油循环结束后的残余燃油,所以在本次喷油开始阶段由于还没有足够的切向速度,故这部分燃油液滴主要分布在沿着喷油器的轴线方向,含有数量较多的大液滴,雾化质量较差,成为初始喷雾液团。主喷段总体形状为中空锥形结构,可以清晰地观察到在油束边缘有环形的涡流结构(图3),这是GDI发动机旋流型喷油器喷雾的典型特征。在低背压条件下油束分布宽广且锥角大,喷雾总体形状为中空锥形结构,燃油开始喷射后,随着时间的推移喷雾不断发展,可以清晰地观察到在油束两侧边缘有两个相对旋转的涡流结构,造成强烈的空气卷吸现象;在高背压条件下油束紧密宽度减小,整个油束喷雾呈现出实心圆锥的形状。图10a和图10b分别为甲醇、乙醇和汽油的喷雾贯穿度和喷雾锥角在背压0.1MPa时的对比。从中可以看出,甲醇、乙醇和汽油的贯穿度曲线基本上交织在一起,只是在3ms以后汽油的贯穿度仍缓慢增加,而甲醇和乙醇的贯穿度基本保持不变。随背压的增加,3种燃料的贯穿度曲线交织更为显著。从喷雾锥角曲线来看,汽油和乙醇差别不大,而在喷雾开始1.0ms后甲醇的喷雾锥角相对略大一些。另一方面,对醇类喷雾而言初始喷雾液团不如汽油喷雾明显,存在时间也较短。甲醇与乙醇相比,喷雾发展情况基本类似,只是甲醇喷雾贯穿度略小,喷雾消散得更快,喷雾锥角也更大一些,这主要是因为甲醇蒸气压是后者的近两倍,更容易挥发引起的。不过从表1可以看出,汽油的蒸气压比甲醇和乙醇的都明显要大,而从汽油的喷雾贯穿度和喷雾锥角曲线来看,则似乎与此分析不一致,原因可能是甲醇和乙醇都是单一成分,而汽油由多种成份组成,其蒸气压主要表现为沸点较低馏分的数值,这些成分容易蒸发而较高馏分的则相对难以蒸发故总体表现汽油的初始液团比醇类更加明显。汽油喷雾锥角比甲醇小可能也有类似原因。3背压对醇脆的影响对醇类燃料的高压旋流喷雾数值模拟采用SenecalPK图11为不同背压下汽油、甲醇和乙醇高压旋流喷雾数值模拟的SMD对比。从图中可以看出,对3种燃料,喷雾的总体SMD都随背压的增加而减小;三者比较而言,汽油的SMD都是最小的。这是因为液滴的破碎是由液滴和气体的We数决定的曲线很接近;而在高背压时,由于环境气体密度增大,气体的We数增大,液滴破碎加剧,液滴更小。与乙醇相比,甲醇的极小液滴的汽化倾向比乙醇更强烈。因而甲醇液滴中有更多的极小液滴汽化,使得残存液滴的SMD增加,因而使得在高背压下甲醇的SMD大于乙醇。喷雾数值模拟显示,在t=3.0ms时,甲醇喷雾的气态质量比乙醇喷雾多30%以上,这也间接证明了上面的分析。图12为根据模拟计算所得的乙醇在不同背压下定容弹内的流场矢量图。在喷射压力和喷油持续期不变的情况下,随背压的增加,喷射初速和喷油量减少,油束自身的动能减少,传递给环境气体的动能也相应减少。从图10中可以看出,随背压的增加,空气运动速度减小,由油束所引起的卷吸涡旋范围也明显变小,并且该涡旋的位置与喷孔的距离也更近了。该涡旋的位置决定了旋流喷雾油束涡旋发生的位置及其规模的大小。这表明,随背压的增加,旋流喷雾油束的涡旋距离喷孔更近,涡旋范围更小。这一点与前面的旋流喷雾试验吻合。由于在高背压下油束贯穿度显著减小,从而造成在低背压下涡旋产生在油束的后部,而在高背压下涡旋产生在油束两侧的现象。4燃油旋流喷雾特性分析(1)醇类燃料的旋流喷射与汽油的旋流喷射在油束的外形结构上呈现出类似的趋势,即在低背压条件下油束分布宽广且锥角大,喷雾总体形状为中空锥形结构,且在主喷雾前端存在初始喷雾液团在高背压条件下油束紧密宽度减小整个油束喷雾呈现出实心圆锥的形状。(2)醇类燃料和汽油类似,在燃油开始喷射后,随着时间的推移喷雾不断发展,可以清晰地观察到在油束两侧边缘有两个相对旋转的涡流结构。低背压条件下涡旋出现在油束中后部两侧边缘,高背压条件下出现在油束前段两侧边缘。(3)甲醇、乙醇与汽油旋流喷雾的贯穿度曲线基本上重叠在一起,只是在4.0ms后才稍有差别。3种燃料的喷雾锥角曲线对比,甲醇喷雾锥角最大,乙醇和汽油则差