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MF-汽油掺混燃料直喷喷雾试验研究

2019-03-11高东志王凤滨付铁强

汽车工程 2019年2期
关键词:背压喷油汽油

高东志,郭 勇,王凤滨,付铁强

(中国汽车技术研究中心有限公司,天津 300300)

前言

SI发动机小型化和燃料的多样化是近年来的研究热点。小型化发动机可得到较高的热效率和较低的CO2排放。直喷技术具有燃油计量精确、允许发动机使用高的压缩比和燃油经济性好等优点,广泛应用于小型化SI发动机[1-2]。同时产生了不同的喷油策略,例如壁面引导、气流引导和喷雾引导。喷雾引导模式能够使火花塞附近产生富油区,形成良好的分层稀薄燃烧;也可形成均质混合气,达到较好的燃烧效率[3-5]。因此,这对喷雾形态要求非常严格并且空气-燃油混合气的形成在不同的发动机工况。例如,在低负荷时早喷,以形成均质混合气,缸内环境压力为20kPa左右;晚喷形成分层混合气时,缸内压力在50kPa左右;在高进气增压的条件下,缸内压力可以达到1MPa左右[6]。另外,燃油温度范围可以是冷起动时的293K,直到高负荷连续工况下的393K。这使得喷雾条件复杂,若发生喷雾碰壁,则会导致碳烟和未燃碳氢排放的增加。另一方面,在DISI发动机低负荷-早喷策略下,会形成闪急沸腾现象,由于相变使燃油的雾化机理和喷雾结构产生很大变化。油束沿轴线方向塌缩,剧烈闪沸时,使得喷雾贯穿距增长,导致湿壁现象,并且偏离沿喷孔的初始设计方向。因此,为了达到高效和清洁燃烧过程,不同条件下的直喷喷雾特性需要进一步的研究。

另一方面,生物质替代燃料由于具有可持续性和降低CO2排放的优点,在SI发动机研究中也变得非常重要。醇类生物质燃料具有生产程序简单、高辛烷值、高蒸发潜热和低掺比下不需要改变原有的燃油供给系统等优点,得到广泛的应用(E5应用于英国,E10应用于德国,E25应用于巴西)。但是在高掺比(E85,E100)和冷起动时,由于其较低的能量密度和较高的蒸发潜热,存在不足。因此,这就需要寻找更加高效的替代燃料。呋喃类燃料由于其生产工艺的突破得到了广泛的关注[7-8],其低热值及密度更加接近汽油;蒸发潜热低于乙醇,有利于发动机的冷起动。另一方面,MF沸点较低,有利于燃油的雾化,燃料特性参见表1。在发动机性能方面已经吸引了很多学者的研究。卫海桥等[9]在单缸四冲程SI发动机中对M10燃烧和排放性能进行了研究,得出M10的输出转矩和有效功率较E10略有增加,HC和CO排放较汽油更低。MATTHIAS T等[10]在直喷单缸机上对MF进行喷雾及发动机性能试验研究,结果表明MF较乙醇蒸发更快;与传统燃料相比,HC排放降低约61%;相较于RON95汽油,具有更好的抗爆震性能。以上表明MF相较于乙醇是更具有潜力的生物质替代燃料。但是其与汽油掺混燃料的喷雾特性研究不足。

因此,本文中采用多孔直喷喷油器对MF-汽油掺混燃料和汽油喷雾特性进行研究。通过改变燃油温度和环境背压,在定容燃烧弹中结合高速纹影技术得到不同工况的喷雾特性,包括喷雾形态、喷雾贯穿距、喷雾锥角和喷雾面积。本研究为MF-汽油掺混燃料的喷雾基础研究,可为其在DISI发动机中的应用提供借鉴。

表1 燃料特性[11]

1 试验装置与研究方法

1.1 试验设备和条件

本试验在定容燃烧弹试验台架上进行,如图1所示。台架包括6部分:定容燃烧弹本体、喷油系统、温度控制系统、进排气系统、纹影成像系统和高速摄像机。定容燃烧弹本体安装有两个相对的观察窗,可供纹影测量光路通过,窗口为圆形,直径为8cm,容弹体积为 2.32L。弹体承受最高压力为10MPa。喷油系统由自行开发的电控单元控制,可灵活调节轨压和喷油量,精确控制当量比。燃油温度由加热带提供,并由电磁继电器控制。高速摄像机(Photron FASTCAM SA5)由5V电压触发,与喷油信号同步,拍摄速率为20 000帧/s(512×512像素)。进排气系统分别安装在燃烧室的两端,距离较远,便于扫清燃烧室内的废气。反射式纹影系统采用典型的Z型布置,结合高速摄像机,实现燃烧室内喷雾图像的采集。试验装置示意图如图1所示。

图1 试验装置示意图

试验条件如表2所示,采用3种不同的燃油温度(293,323 和 353K),7 种不同的环境背压(30,80,200,350,600,850 和 1 100kPa),喷油压力稳定在10MPa,喷油持续期为3ms。所用燃料为标准的商用95号辛烷值汽油和掺混燃料M20(20%的2-甲基呋喃掺混80%的汽油,按照体积比),M40。

表2 试验条件

1.2 喷雾图像处理

喷雾轮廓、喷雾贯穿距、喷雾锥角和喷雾横截面积是用来表征喷雾结构的宏观参数。本研究中这些参数由自编的MATLAB程序获得。通过设定阈值定义喷雾的边界。依次通过膨胀、填充和腐蚀获得喷雾形状。然后,定义原点在喷嘴的顶端以及窗口直径的大小,将喷雾照片的像素值转化为长度值。根据SAE—J2715标准[12],定义距离喷嘴5和15mm两条直线与油束外轮廓交点连成的线段AC和BD之间的夹角为喷雾锥角;定义喷嘴在竖直方向上与油束最远端的距离为喷雾贯穿距。最后,定义强度大于400的像素点的面积为喷雾面积。图2给出了图像处理和参数定义的示意图。

图2 图像处理和参数定义

2 试验结果和分析

2.1 喷雾形态

图3为汽油和M40在1ms ASOI(after start of injection)的喷雾图片。燃油温度为293,323和353K,环境压力范围30~1 100kPa。总体上,对于同一种燃料,喷雾贯穿距随着燃油温度的增加而减小。随着喷雾的发展,由于油束与空气的相互作用,液态油束不断地破碎并且减速。随着燃油温度的升高,增加了液滴与空气分子之间的能量交换,并加速液态油雾的破碎和蒸发,导致喷雾贯穿距减小。在30和80kPa时,不同程度的闪急沸腾现象发生,而在环境压力为200~1 100kPa范围内,没有发生闪沸现象。比较汽油和M40的喷雾形态,可以看出两者较为接近。在低压下,闪沸发生,M40油束向喷孔轴线方向收缩更加剧烈,使喷雾前端较汽油减小。这导致M40喷雾贯穿距较汽油略有增加。尤其是在环境背压30kPa,燃油温度323和353K时,M40的喷雾体较汽油形成更细的柱状喷雾。这表明,低沸点燃料MF的掺入,在较高燃油温度下闪急沸腾现象加强,这使得喷雾收缩加剧且贯穿距增加。比较环境压力200kPa以后的图像,在相同的条件下,M40的喷雾贯穿距略小于汽油。这可以归结为低沸点燃料的掺入导致蒸发作用加剧。

2.2 喷雾贯穿距

图3 汽油和M40在不同环境背压和燃油温度下的喷雾图片(1ms ASOI)

图4为喷雾贯穿距随着喷油时间的量化关系。在喷雾发展0.5ms以内,喷雾贯穿距随时间几乎呈线性,贯穿速度可达57m/s左右,随着时间的增加(喷雾的发展),喷雾贯穿速度逐渐下降;当发生闪沸以及较低环境背压下,喷雾贯穿速度随时间减小的趋势减弱。由图4可见,在未发生闪沸现象时(200,350,600,850 和 1 100kPa)喷雾贯穿距随环境背压的增加而减小。且相同的条件下,M40的喷雾贯穿距较汽油略小。这是因为随着MF的掺入,油束前端液体的蒸发现象加强。当发生闪急沸腾现象时,喷雾的发展趋势与未发生闪沸时有所不同。当环境背压为30,80kPa时,各喷雾均发生了不同程度的闪沸,喷雾贯穿距随着压力的降低先减小后增大。并且在相同的条件下,M40的喷雾贯穿距较汽油略大。可以解释为,当开始发生闪沸现象时(80kPa),燃油内部发生微爆现象,使液滴粒径减小,喷雾各油束膨胀并发生重叠,喷雾前端与空气的相互作用加剧,动量减小,使喷雾贯穿距以及贯穿速度减小(这是由于此时喷雾前端两侧出现大尺度的涡旋结构,将前端的油滴向上卷吸,从而减弱了向前的贯穿动量)。当环境背压进一步降低为30kPa时,喷雾贯穿距又呈现出增加的趋势,表明当发生剧烈闪沸时,喷雾前端急剧收缩,减小了与空气的作用面积,受到空气阻力减小,喷雾贯穿距及贯穿速度增加。当燃料中掺入MF时,这种现象更加明显。这是由于MF的加入,导致燃料中低沸点成分增加,在相同的条件下,与汽油相比发生闪沸程度剧烈,喷雾收缩使前端更窄,阻力减小,使贯穿距略有增加。燃料相同,温度由293升高到353K时,不论是否发生闪沸,喷雾贯穿距均有所下降,这与图3显示的结果类似。但是发生闪沸时,喷雾贯穿距下降的趋势更加明显,这是由于闪沸发生导致液滴粒径更小,温度升高时,油束前端的小液滴更容易蒸发,使喷雾贯穿距减小程度增加。

2.3 喷雾锥角和喷雾面积

图4 不同环境背压和燃油温度下汽油和M40的喷雾贯穿距随时间的变化

图5 汽油、M20和M40在不同环境背压(30,80,350,600和850kPa)下的喷雾锥角(1ms ASOI)

图5为 3种燃料(汽油,M20,M40)喷油发展1ms的喷雾锥角,在 5种环境背压下(30,80,350,600和850kPa)随燃油温度的变化关系。发生闪沸时(30,80kPa),喷雾锥角较未闪沸时偏大。并且随着闪沸程度的增加(随着环境背压的减小),喷雾锥角略有增大;在较低压力350kPa时,喷雾锥角受燃油温度和燃料种类的影响不显著;在环境压力为600和850kPa时,同种燃料喷雾锥角随温度的增加而增加,并且随着MF掺比的增加,这种趋势更加明显;在相同温度下,随着掺比的增加,喷雾锥角增加。这表明随着环境背压的增加,喷雾油束所受到的空气阻力越大,喷雾沿轴线方向的贯穿速度越小,后面喷出的燃油还在不断地补充到前面喷出的燃油中,导致油束堆积,并向周围扩散,使喷雾锥角变大。而燃油温度的升高和MF掺比的增加,有利于燃料的雾化,使得喷雾锥角增加。在过渡闪沸阶段80kPa时,相同温度下,M40的喷雾锥角略小于M20,且随温度的增加而略有减小。这可以解释为,低沸点燃料的掺入,使油束外围的蒸发作用加剧,从而减小了喷雾锥角。

图6为 3种燃料(汽油,M20,M40)喷油发展1ms的喷雾面积,在 5种环境背压下(30,80,350,600和850kPa)随燃油温度的变化关系。从总体上比较5幅图可知,随着环境背压的增加,喷雾面积是减小的。低压下(30,80kPa),燃料发生闪急沸腾,掺比增加,相同条件下的喷雾面积增加;喷雾面积随温度几乎成线性下降的关系。当环境压力为350kPa时,图中曲线相近,燃料成分对喷雾面积的影响不大。当压力升高到600和850kPa时,在相同条件下,喷雾面积随掺比的增加而略有增加;喷雾面积随着燃油温度的增加先增加后减小。这是由于低沸点燃料的掺入,使雾化作用加强,喷雾面积增加。另一方面,由于环境温度升高,使燃料黏性降低,使喷雾面积增加,当温度进一步增加到353K时,表面蒸发作用表现的更加明显,又使得喷雾面积减小。

图6 汽油、M20和M40在不同环境背压(30,80,350,600和850kPa)下的喷雾面积(1ms ASOI)

3 结论

本研究表明存在闪急沸腾和非闪急沸腾两种喷雾形态。

(1)当闪沸发生时,随着MF掺比的增加,闪沸现象加剧并使得喷雾前端塌缩严重,喷雾贯穿距增加。随着环境背压的降低,贯穿距先减小后增加。喷雾锥角较未闪沸时增加,喷雾面积随着MF掺比的增加而增加并且与燃油温度呈负相关。

(2)当没有发生闪沸时,随着MF掺比的增加,喷雾贯穿距减小;当环境背压为600和850kPa时,同种燃料喷雾锥角随着燃油温度的增加而增加。另一方面,相同燃油温度下,随着MF掺比的增加喷雾面积略有增加。

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