李睿宸,陈朝阳,姚晓新,汤成龙

(1.长安大学汽车学院,710064,西安;2.西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

柴油机热效率高、经济性好,广泛应用于生产生活中,但其碳烟和NOx排放偏高,且这两种污染物之间存在显著的此消彼长的关系,很难通过机内措施同时有效控制。与柴油机相比,汽油机排放较为清洁,但受爆震燃烧限制,压缩比小,热效率低,经济性差。汽油压燃技术结合了传统汽油机和柴油机的优点,利用汽油类燃料辛烷值高、蒸发性好的特点,使燃料与空气在着火前充分混合,避免在缸内形成过浓区和过稀区,从而减少碳烟和NOx的生成,同时采用压缩着火的方式,压缩比较高,可大幅度提高热效率。然而,由于汽油类燃料反应活性低,着火能力差,汽油压燃技术在低负荷时存在着火困难、燃烧稳定性差的问题,高负荷时也会因为燃烧放热过快而使压力升高率过高,GCI发动机全负荷工况运行还存在困难。

向汽油中掺混高十六烷值燃料是公认的提高燃料反应活性、改善GCI发动机低负荷燃烧稳定性的有效措施[1-2]。聚甲氧基二甲醚(PODE)十六烷值高、挥发性好,燃料本身含氧且不含碳碳键,与汽柴油互溶性好,常用作燃料添加剂来改善传统燃料的着火、燃烧及排放特性。王浒等对PODE3/汽油混合燃料的反应活性控制压燃燃烧过程进行了数值模拟研究,结果表明相比于柴油/汽油混合燃料,掺混PODE3能改善中高负荷喷雾燃烧过程的局部当量比分布和能量密度分布,可以降低发动机的碳烟排放,提高其指示热效率[3]。刘佳林等对汽油/PODE混合燃料的部分预混燃烧进行了研究,结果表明掺混20%PODE,可明显降低高负荷下的压力升高率和碳烟排放,中等负荷燃烧可控性相应增强,低负荷时也有更好的燃烧稳定性以及更低的HC和CO排放[4]。

燃料喷雾过程直接影响混合气的形成和燃烧,进而影响发动机的动力性和排放性。为了充分认识PODE掺混对汽柴油燃料燃烧过程的影响细节,研究者们对PODE及其混合燃料的喷雾特性进行了研究。李东华等通过高压共轨系统研究了PODE掺混对柴油雾化特性的影响,结果表明添加PODE后柴油的喷雾贯穿距离减小,平均喷雾锥角和喷雾投影面积略有增大,索特平均直径(SMD)略有减小,说明PODE掺混有助于促进柴油的雾化[5]。刘佳林等对PODE/汽油混合燃料在单孔喷嘴中的喷雾特性进行了研究,结果表明掺混PODE会使混合燃料喷雾贯穿距离和喷雾锥角增加,SMD增大[6]。为了进一步了解PODE掺混对汽油喷雾特性的影响,本文基于定容弹实验台和高压多孔喷油器,利用高速纹影技术对不同掺混比的PODE/汽油混合燃料在不同喷射压力和环境温度下的宏观喷雾特性进行了实验研究,重点分析PODE掺混对不同初始条件下混合燃料的喷雾贯穿距离、喷雾锥角和喷雾投影面积的影响。

1 实验装置和研究方法

1.1 实验装置和实验条件

本文的实验工作是在西安交通大学喷雾与燃烧实验室的定容弹喷雾实验台上展开的,实验装置如图1所示,主要由定容弹、燃油供给系统、纹影摄像系统和喷射控制系统(ECU)组成。具体实验仪器参数及布置参见文献[7]。

图1 定容弹喷雾实验装置图

实验主要对纯汽油G100(RON95)、纯聚甲氧基二甲醚P100及其两种比例的混合燃料(PODE的体积分数为20%、50%,分别记作G80P20和G50P50)的喷雾特性进行对比研究。20 ℃时实验燃料主要物理性质如表1所示。

表1 20 ℃时实验燃料主要物理性质

实验用喷油器采用缸内直喷(GDI)喷油器,喷孔直径为0.3 mm,喷射压力(Pinj)分别取10 MPa和20 MPa,环境背压(Pamb)为0.1 MPa,环境温度(Tamb)分别为20 ℃、100 ℃和150 ℃。为了保证实验结果的可靠性,每个工况点重复5次实验,并取其平均值做为最终实验结果。

1.2 喷雾图像处理

实验采用Matlab软件对高速纹影摄像系统得到的喷雾过程图片进行处理,以获取喷雾贯穿距离、喷雾锥角和喷雾投影面积等宏观喷雾特性参数。首先将原图转换为灰度图并减去背景,然后设置固定阈值,通过剪背景、降噪、图像二值化、边界提取等图像处理方法得到喷雾轮廓图,最后基于喷雾轮廓图定量测取喷雾宏观特性参数。喷雾贯穿距离L定义为从喷嘴口能到达油束最远端的距离;喷雾锥角[8]θ定义为在离喷嘴口轴向距离5 mm和15 mm与油束外轮廓交点的两条线段的夹角;喷雾投影面积A定义为与光路方向垂直的喷雾面最外沿包裹的投影区域面积。喷雾宏观特性参数的定义如图2所示。

图2 喷雾宏观特性参数的定义

2 实验结果与讨论

2.1 喷雾形态分析

图3给出的是喷射压力为20 MPa、环境背压为0.1 MPa时,不同环境温度(20 ℃、100 ℃、150 ℃)条件下4种燃料在1.5 ms喷射时刻(ASOI)的喷雾图像。从图中可以看出,随着PODE掺混比的增加,喷雾贯穿距离小幅增加。对G100、G80P20和G50P50,随着环境温度升高,喷雾形态发生了不同程度的变化,喷雾锥角逐渐减小,且前两种燃料的油束结构明显向轴向收缩,喷雾边缘呈现弧形,G50P50相对于前两者收缩程度较小,仍能观察到油束分叉现象。这是因为随环境温度升高,这4种燃料在喷雾过程中产生了不同程度的闪急沸腾现象,如图中红色框中所示。环境温度升高对P100燃料的喷雾形态几乎没有影响。

图3 不同环境温度下4种燃料在1.5 ms喷射时刻的喷雾图像

2.2 喷雾贯穿距离

图4给出了不同喷射压力和环境温度下4种燃料的喷雾贯穿距离随喷射时间的发展历程。由图中可以看出,对4种燃料来说,随着喷射压力的升高,其喷雾贯穿距离都明显增加,这是因为喷射压力增加使得喷嘴口初始射流速度增加,从而使喷雾沿轴向发展的初始动量增加所致[9]。

(a)Tamb=20 ℃

对比4种燃料在不同喷射压力和环境温度下的喷雾贯穿距离,发现当喷射压力较低(10 MPa)时,燃料的喷雾贯穿距离随PODE掺混比增加变化很小;当喷射压力较高(20 MPa)时,随PODE掺混比的增加,喷雾贯穿距离明显增大。与汽油相比,PODE密度更大。PODE掺混使得喷雾油束初始动能增大,同时PODE较大的黏度和表面张力也使得液滴不容易变形和破碎[10]。当喷射压力较大时,喷雾出口射流初始速度较大,燃料性质对喷雾贯穿距离的影响也更加明显。

随环境温度升高,4种燃料的喷雾贯穿距离之间的差异越来越明显,对于G100、G80P20来讲,其喷雾贯穿距离随环境温度增加有不同幅度减小,其中G100减小幅度最大,G50P50的喷雾贯穿距离减小幅度十分有限,而P100的喷雾贯穿距离随环境温度增大却略微增加。取喷射时间为1.4 ms时的喷雾贯穿距离进行比较,温度从20 ℃升高至150 ℃时,G100的贯穿距离由71.00 mm缩小到66.92 mm;而P100的贯穿距离则由74.42 mm增大到77.50 mm。这主要由于燃料的蒸发性差异所致,对于G100和PODE掺混比较小的混合燃料(G80P20),其馏出温度较低,环境温度为100 ℃和150 ℃时,喷雾过程中会发生闪急沸腾现象[11],喷雾油束发生坍塌,油束之间互相重叠,向轴线方向收缩,细小的液滴被空气卷吸在喷雾尖端两侧,形成与射流运动方向相反的涡旋结构,小的液滴受高温环境影响蒸发[12],削弱了喷雾向前发展的动能;随PODE掺混比增大,燃料馏出温度升高,闪急沸腾和蒸发作用减弱。对于G50P50来说,其闪沸程度较低,液滴蒸发对喷雾贯穿距离削弱和高温低密度环境对喷雾贯穿距离的促进程度相当,使得喷雾贯穿距离变化很小。P100馏出温度高,实验温度下蒸发作用影响很小,而较高的环境温度使环境气体密度降低,对喷雾的反作用力减小,这在一定程度上促进了喷雾在轴向的发展。

2.3 喷雾锥角

图5给出了喷射压力为20 MPa、环境背压为0.1 MPa时,不同环境温度下4种燃料的喷雾锥角随喷射时间的变化关系。由图可以看出,在喷雾初始阶段,4种燃料的喷雾锥角都很大,且随喷射时间的推进迅速减小,在0.4 ms之后趋于稳定。这主要是受喷油器针阀开启瞬态响应、喷嘴内部流动特性和上一次喷射的低压燃油沉积作用的影响,这些因素使得喷雾锥的整体形态在喷雾初期产生不稳定,当喷油器针阀完全开启后,喷雾锥角趋于稳定[13]。为了避免喷雾锥角波动,取0.4 ms后稳定的喷雾锥角数据,并求其平均值进行比较。

(a)Tamb=20 ℃

图6所示为4种燃料在不同喷射压力和环境温度时的平均喷雾锥角。由图可以看出,随着喷射压力升高,喷雾锥角有一定幅度的减小,这主要是因为高的喷射压力会使喷雾射流初始动能和湍动能增加,环境气体对喷雾油束的反作用力相对减弱,使得喷雾锥角减小[14-15]。

图6 不同喷射压力和环境温度下的平均喷雾锥角

对于G100、G80P20和G50P50,随环境温度升高,平均喷雾锥角明显减小,环境温度从20 ℃增大至150 ℃时,3种燃料的喷雾锥角减小幅度分别为11.7%、9.8%和6.9%,这主要是受两方面作用的影响。一方面,随环境温度升高,喷雾边缘与空气扰动效果增强,边缘细小液滴蒸发加快,喷雾锥角减小。另一方面,不同燃料因蒸发性差异引起在喷雾过程中产生不同程度的闪急沸腾现象,喷雾油束向轴向方向收缩,其中G100闪沸程度最大,喷雾锥角减小幅度也最大。P100的喷雾锥角随环境温度升高减小幅度十分有限,仅为1.5%。

对比4种燃料的喷雾锥角发现,随PODE掺混比增加,喷雾锥角不断增加。这主要是因为与汽油相比,PODE密度较高,较高的燃料密度会加剧喷雾边缘和周围环境气体之间的湍流相互作用,使得喷雾锥角增大[6,16]。

2.4 喷雾投影面积

喷雾投影面积可以表征燃料与周围空气的混合程度。图7给出了喷射压力为10 MPa和20 MPa时,4种燃料在不同环境温度下的喷雾投影面积随喷射时间的变化关系。由图可以看出,随喷射压力增大,4种燃料的喷雾投影面积均明显增加。这主要是因为随喷射压力增大,喷雾质量流量增大,液滴与空气的速度差增大,卷吸作用增强,因此液滴的碎裂能力增强,喷雾投影面积增加。

(a)Tamb=20 ℃

喷射压力较低(Pinj=10 MPa)时,燃料掺混对喷雾投影面积的影响较小,而喷射压力较高(Pinj=20 MPa)时,4种燃料喷雾投影面积的差异较大,且随环境温度增大,差异程度增大。环境温度为20 ℃时,4种燃料的喷雾投影面积相差很小,且除G80P20外,随PODE的添加燃料的喷雾投影面积略有减小,这主要是因为PODE黏度和表面张力较大,汽油掺混PODE后,燃料在较大的黏度和表面张力作用下雾化效果变差,喷雾投影面积减小。环境温度为100 ℃和150 ℃时,随PODE的添加燃料的喷雾投影面积逐渐减小,且环境温度为150 ℃时减小幅度更大。这主要是因燃料蒸发性差异引起。环境温度升高时,混合燃料中的低馏分成分在喷雾过程中会优先蒸发,产生闪急沸腾效应,加速燃料液滴蒸发,使液相喷雾投影面积减小。环境温度越高、PODE掺混量越小时,闪急沸腾现象越强烈,喷雾投影面积就越小。

为了便于比较不同燃料在不同环境温度下的喷雾投影面积,图8给出了不同喷射压力1.5 ms喷射时刻,4种燃料的喷雾投影面积随环境温度的变化关系。可以看出,喷射压力较大时,燃料的喷雾投影面积较大,且4种燃料的喷雾投影面积差异较大;随环境温度升高,4种燃料的喷雾投影面积的差异越来越明显。由于闪沸效应,环境温度升高时蒸发性较好的G100喷雾锥角减小,同时喷雾边缘液滴大量蒸发使得喷雾投影面积快速减小;随PODE掺混比的增大,喷雾过程中的闪沸效应减弱,喷雾投影面积随温度升高而减小的幅度变缓;环境温度升高对P100 ℃的喷雾投影面积的影响很小,这主要是因为PODE沸点较高,在实验涉及的3个温度下都不会蒸发。

(a)Pinj=20 MPa

3 结 论

在定容弹实验台上研究了不同喷射压力和环境温度下G100、P100及其混合燃料(G80P20和G50P50)的宏观喷雾特性,得到以下结论。

(1)当环境温度为100 ℃或150 ℃时,G100、G80P20和G50P50燃料喷雾过程中出现了不同程度的闪急沸腾现象。

(2)随PODE掺混比增加,汽油/PODE混合燃料的喷雾贯穿距离增加。当喷射压力和环境温度较高时,4种燃料的喷雾贯穿距离的差异较为显著。

(3)在相同喷射条件下,随PODE掺混比增加,喷雾锥角略有增加。对于同种燃料,环境温度升高喷雾锥角减小。P100的喷雾锥角随环境温度升高几乎不变。

(4)喷射压力较大时,燃料喷雾投影面积较大,4种燃料的喷雾投影面积间的差异也较大;随环境温度升高,燃料喷雾投影面积减小,且其减小幅度随PODE掺混比增大而减小。G100的喷雾投影面积随环境温度升高大幅度减小,P100的喷雾投影面积几乎不随实验范围内环境温度的升高而改变。

(5)掺混20%PODE具有比汽油略大的喷雾贯穿距离、喷雾锥角和喷雾投影面积,油气混合质量与汽油类似,更高PODE掺混比会使得燃料与空气混合程度和蒸发性能变差。