二甲醚閃急沸騰噴霧的實驗研究

張鵬

（中國艦船研究設計中心湖北武漢430064）

二甲醚閃急沸騰噴霧的實驗研究

張鵬

（中國艦船研究設計中心湖北武漢430064）

采用高速攝像技術在常溫常壓狀態下對二甲醚閃急沸騰噴霧過程進行了觀察，研究了啟噴壓力和噴孔直徑對噴霧形態發展過程、噴霧貫穿距和噴霧錐角的影響。實驗結果表明，噴嘴啟噴壓力越大，渦環形成時間越晚，噴霧錐角越小，噴霧貫穿距越大；噴孔直徑越小，渦環形成時間越晚，噴霧錐角越小。噴孔直徑對噴霧貫穿距的影響則比較復雜，在噴霧前期，噴孔直徑越小，噴霧貫穿距越大，但在噴霧后期，情況正好相反。

二甲醚閃急沸騰噴霧高速攝像噴霧貫穿距噴霧錐角

Spray angle

引言

燃油的射流霧化和蒸發混合發展過程是決定燃油在發動機缸內時空分布的關鍵因素，進而決定著發動機燃燒品質的優劣，并最終影響發動機的性能與排放[1，2]。與柴油相比，二甲醚低沸點、高飽和蒸汽壓的理化屬性使得二甲醚在燃油噴射過程中容易發生閃急沸騰現象[3，4]。由于二甲醚閃急沸騰噴霧的霧化機理與普通噴霧存在較大差異，其噴霧特性也表現出獨有的特點，因此，如果將普通噴霧研究獲得的認識和結論應用于閃急沸騰噴霧，必將產生較大的誤差或者根本不能使用。

鑒于此，為了更深入、更全面地了解和掌握二甲醚閃急沸騰噴霧特性，本文采用高速攝像技術對二甲醚閃急沸騰噴霧過程進行了觀察，在常溫常壓（285K，0.1 MPa）下研究了啟噴壓力和噴孔直徑對噴霧形態發展過程、噴霧貫穿距和噴霧錐角的影響。

1 噴霧實驗裝置

圖1為自由噴霧實驗的裝置示意圖。

圖1 二甲醚閃急沸騰噴霧實驗裝置示意圖

它由定容壓力室、燃油噴射控制系統、高速攝像機和光路系統組成。定容室外部設計成立方體形狀，兩側安裝光學平面玻璃。考慮到DME的飽和蒸汽壓較高，為了防止氣阻現象的發生，實驗中采用高壓氮氣直接對DME燃料罐進行加壓，使燃油管路中的輸油壓力始終保持在1.8 MPa的水平。高速攝像機為日本Photron公司生產的Fastcam_SA1.1高速攝像機，其最高拍攝速度可高達675000幀/s，本文的實驗所采用的拍攝速度為30000幀/s。在一次拍攝過程中，高速攝像機大約能捕捉到五個噴霧過程。對于第一個噴射過程，由于高壓油管中的燃油壓力尚未完全建立，故此過程內的噴霧發展不能代表燃油噴射系統正常工作時的情況，同時，為了盡量消除之前噴霧過程對所需實驗結果的影響，實驗中一般取第二個噴霧過程作為研究對象。實驗條件如表1所示。

表1 二甲醚閃急沸騰噴霧實驗條件

2 實驗結果與分析

噴霧特性一般用噴霧貫穿距和噴霧錐角來描述，由于DME閃急沸騰噴霧呈拋物線型，這主要是氣泡的生長和破碎作用所造成的。因此，本文將閃急沸騰噴霧的噴霧錐角θ定義為與噴霧勢核區相切的兩條切線所形成的夾角，而將噴嘴出口到噴霧頂端的距離定義為閃急沸騰噴霧的貫穿距L，如圖2所示。

圖2DME閃急沸騰噴霧形態

圖3 、圖4和圖5分別示出了不同啟噴壓力下的二甲醚閃急沸騰噴霧擴展動態過程。限于篇幅，本文取照片間隔為1/15000 s。從圖4中可以清楚地看到噴霧渦環結構的形成和演變過程。在噴射開始后約0.2109 ms，由于環境空氣的阻力作用，在噴霧前端兩側開始形成渦環結構，此時噴霧前端呈倒蘑菇狀[5]。隨著時間的推移，噴霧前端兩側由于渦環結構在噴霧兩側產生的空氣卷吸作用而發生徑向收縮，并不斷變窄，此時的噴霧勢核區和噴霧主體區逐漸呈拋物線型[6，7]。隨著時間的進一步推移，渦環結構因受到空氣的阻力作用而逐漸變大變長，噴霧前端兩側的徑向收縮更加明顯，此時的噴霧前端由倒蘑菇狀變為鐵錨狀，且由于蒸發作用而不斷消失。與圖4相比，圖3中的渦環形成時間較晚，原因在于燃油噴射速度較快，氣泡的生長和破碎作用對射流的徑向擴展作用不明顯，但其隨后的渦環結構的演變過程相對較快，這是燃油噴射速度較快，噴霧前端受到的空氣阻力較大所造成的。

圖3 實驗1的噴霧形態照片圖（第一張照片對應的時刻為0.0564 ms，啟噴壓力為17 MPa，噴孔直徑為0.5 mm）

從圖5中可以看到，渦環的形成時間比圖4所示要早，這主要是由于較低的噴嘴啟噴壓力導致燃油噴射速度較低，氣泡的生長和破碎對射流在徑向上的擴展作用比較明顯，噴霧迎風面積和迎風阻力相應增加所造成的。從圖中還可以看到，渦環結構的發展和演變過程要比圖4所示緩慢，且不如圖4所示明顯，這主要是在噴霧的中后期，較低的噴射速度導致噴霧前端受到的空氣阻力較小所造成的。此外，在噴霧的中后期，噴霧主體區出現了條紋狀的撕裂現象，這主要是燃油噴射速度較低，噴霧單位體積內的油滴數目較少以及油滴的蒸發作用所造成的。

對實驗1、2、3的拍攝結果進行手工測量后，得到了噴霧貫穿距和瞬態噴霧錐角隨時間的變化關系，分別如圖6和圖7所示。

由于燃油噴射壓力在傳統的泵——管——嘴燃油噴射系統中變化較大，因此在圖6中可以看到，受噴油壓力波動的影響，實測貫穿距在噴霧過程中存在加速現象，這與Suh[8]的實驗結果相似。此外，實驗結果表明，噴嘴啟噴壓力越大，噴霧貫穿距也越大。噴霧錐角測量值隨時間的變化曲線基本上呈“U”形，這說明噴霧早期和晚期的錐角要比噴霧中期的錐角大，這主要是燃油噴射速度在噴霧早期和晚期較低，氣泡的生長和破碎對射流的徑向擴展作用比較明顯所造成的。同時，實驗結果表明，噴嘴啟噴壓力越大，噴霧錐角越小。

圖4 實驗2的噴霧形態照片圖（第一張照片對應的時刻為0.0444 ms，啟噴壓力為12 MPa，噴孔直徑為0.5 mm）

圖8 和圖9分別示出了不同噴孔直徑下拍攝到的噴霧動態發展過程。從圖8中可以看到，與圖4相比，渦環結構的形成時間相對較晚，且尺寸相對較小，其原因在于減小噴孔直徑將減小噴霧的迎風面積和迎風阻力。與此同時，射流單位體積內的氣泡數目也相應減少，結果導致氣泡的生長和破碎作用對射流的徑向擴展作用不明顯。從圖中還可以看到，隨著時間的推移，渦環結構的演變過程不明顯，且消失過程要比圖4所示快。另外，與圖5所示相似，噴霧主體區在噴霧中后期出現了明顯的條紋狀撕裂現象，這都是噴孔直徑較小所造成的，因為噴孔直徑越小，噴油速率越低，噴霧單位體積內的油滴數目就越少，并且噴孔直徑越小，油滴直徑越小，蒸發速率也就越快。從圖9中可以看到，由于噴孔直徑過小，照片中的噴霧體很纖細，幾乎看不到渦環結構的形成和發展演變過程。另外，由于油滴直徑過小，蒸發作用很強，結果導致噴霧前端的油滴在空氣中運動時失速很快，并隨空氣一起運動，噴霧前端因此呈飄絲狀。

圖5 實驗3的噴霧形態照片圖（第一張照片對應的時刻為0.05 ms，啟噴壓力為7 MPa，噴孔直徑為0.5 mm）

圖6 噴霧貫穿距隨時間的變化

圖7 噴霧錐角隨時間的變化

圖8 實驗4的噴霧形態照片（第一張照片對應的時刻為0.0667 ms，啟噴壓力為12 MPa，噴孔直徑為0.32 mm）

圖9 實驗5的噴霧形態照片（第一張照片對應的時刻為0.0639 ms，啟噴壓力為12 MPa，噴孔直徑為0.18 mm）

圖10 噴霧貫穿距隨時間的變化

圖11 噴霧錐角隨時間的變化

圖10 和圖11分別示出了噴霧貫穿距和噴霧錐角測量值隨時間的變化關系。

從圖10中可以看到，在噴霧前期，噴孔直徑越小，噴霧貫穿距的測量值越大；但在噴霧后期，情況正好相反。其原因在于，當噴孔直徑較小時，噴霧迎風面積和迎風阻力較小，燃油噴射速度較快，這都是噴霧貫穿距增大的有利因素；但是噴孔直徑較小也將導致油滴直徑較小，結果油滴在空氣中運動時失速較快，這是噴霧貫穿距增大的不利因素。圖10所體現出來的實際噴霧貫穿距在不同的噴孔直徑下隨時間的變化特點正是有利因素和不利因素相互競爭的結果。實驗4的實測貫穿距同樣存在加速現象，但不如實驗2明顯，實測貫穿距隨時間的推移基本呈線性變化，這同樣是由噴油壓力的變化所造成的。實驗5的噴孔直徑最小，油滴直徑也最小，因此油滴在空氣中運動時失速最快，此時噴油壓力的變化對貫穿距的影響不明顯，實測貫穿距基本不存在加速現象。從圖11中可以看到噴霧錐角測量值的變化曲線同樣呈“U”形，并且噴孔直徑越小，噴霧錐角越小。

3 結論

本文采用高速攝像技術，對二甲醚閃急沸騰噴霧進行了5次比較實驗，研究了噴嘴啟噴壓力和噴孔直徑對噴霧宏觀特性的影響。實驗結果表明，噴嘴啟噴壓力越大，渦環結構形成得越晚，其發展和演變過程越快。渦環形成時間的早晚及其演變過程的快慢實際上是氣泡的生長和破碎作用與噴霧前端受到的空氣阻力相互競爭的結果。另外，噴嘴啟噴壓力越大，噴霧貫穿距越大，噴霧錐角越小。噴孔直徑越小，渦環形成的時間越晚，其破碎和消失過程越快。噴孔直徑對噴霧貫穿距的影響比較復雜，在噴霧前期，噴孔直徑越小，噴霧貫穿距越大，但在噴霧后期，情況正好相反。另外，噴孔直徑越小，噴霧錐角越小。

1Kim Y K，Iwai N，Suto H，et al.Improvement of alcohol engine performance by flash boiling injection[J].JSAE Review，1980（2）：81~86

2Duan S L，Feng L，Song Y C，et al.The investigation on droplet distribution and combustion characteristics of flash boiling spray in diesel engines(in Chinese)[J].Transactions of CSICE，1999，17（1）：54~58

3Wakai K，Yoshizaki T，Nishida K，et al.Numerical and experimental analyses of the injection characteristics of dimethyl ether with a D.I.diesel injection system[J].SAE Paper 1999-01-1122

4Yu J，Lee J W，Choongsik B.Dimethyl ether（DME）spray characteristics compared to diesel in a common-rail fuel injection system[J].SAE Paper，2002-01-2898

5Zeng Y B and Lee C F.An atomization model for flash boiling sprays[J].Combus Sci Tech.，2001，169（1）：45~67

6Oguma M，Hyun G，Goto S，et al.Atomization characteristics for various ambient pressure of dimethyl ether（DME）[J].SAE Paper，2002-01-1711

7Lee S W，Jin K，Yasuhiro D.Spray characteristics of alternative fuels in constant volume chamber（comparison of the spray characteristics of LPG，DME and n-Dodecane）[J]. JSAE Review，2001，22（3）：271~276

8Suh H K，Park S W，Lee C S.Atomization characteristics of dimethyl ether fuel as an alternative fuel injected through a common-rail Injection system[J].Energy and Fuels，2006，20（4）：1471~1481

Experimental Research on Flash Boiling Spray of Dimethyl Ether

Zhang Peng
China Ship Development and Design Center（Wuhan，Hubei，430064，China）

In this study，the high-speed digital imaging technique is applied to observe the developing process of flash boiling spray of dimethyl ether at low ambient pressure,and the effects of nozzle opening pressure and nozzle hole diameter on the spray shape，spray tip penetration and spray angle during the injection are investigated.The experimental results show that with the enhancement of nozzle opening pressure,the time when the vortex ring structure of flash boiling spray forms becomes later，the spray tip penetration increases and the spray angle decreases；the influence of nozzle hole diameter on the spray tip penetration is relatively complicated，the spray tip penetration is longer at smaller nozzle hole diameter at the early stage of injection，while the situation is just opposite at the late stage of injection.

Dimethyl ether，Flash boiling spray，High-speed digital imaging，Spray tip penetration，

TK407.9

A

2095-8234（2014）06-0026-08

2014-11-14）

張鵬（1980-），男，博士，工程師，研究方向為柴油機燃燒及排放技術。