二甲醚燃料噴射壓力對噴霧發展過程的影響

宋文鵬， 張光德， 孫敬， 趙慧勇， 馬駿

(1. 武漢科技大學汽車與交通工程學院， 湖北 武漢 430081；2. 湖北汽車工業學院汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室， 湖北 十堰 442002；3. 茨城大學理工學研究科， 日本 茨城 3160036)

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二甲醚燃料噴射壓力對噴霧發展過程的影響

宋文鵬1, 2， 張光德1, 2， 孫敬1, 3， 趙慧勇1, 2， 馬駿1

(1. 武漢科技大學汽車與交通工程學院， 湖北 武漢 430081；2. 湖北汽車工業學院汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室， 湖北 十堰 442002；3. 茨城大學理工學研究科， 日本 茨城 3160036)

利用定容容器模擬增壓發動機缸內高溫高壓條件，利用高速攝像機觀察二甲醚噴霧，探討了噴射壓力對噴霧貫穿距離、噴霧蒸發等噴霧發展過程的影響規律。結果表明：在噴射初期噴霧貫穿距離與噴射時間成正比關系，在噴射后期，環境氣體卷入噴霧中，噴霧貫穿距離與噴射時間平方根成正比關系；二甲醚燃料液態噴霧貫穿距離相對于氣態來說非常短，DME液態噴霧貫穿距離基本不隨時間的增加而增長。

二甲醚； 噴霧貫穿距； 燃油霧化； 噴射壓力

近幾年我國汽車保有量增長迅速，由此帶來的環境污染和能源危機等問題日益嚴峻，尋找清潔高效的石油替代燃料成為當務之急[1]。二甲醚(Dimethyl Ether，簡稱DME，分子結構CH3—O—CH3)具有燃燒高效、清潔、低噪聲等優點，作為傳統燃料柴油的替代燃料得到了越來越多的關注[2]。DME是含氧燃料，制取來源廣泛，十六烷值大于55，自燃性好。另外，DME在大氣壓下、-25 ℃時呈液態，物理特性與液態天然氣類似，便于儲存和運輸。由于二甲醚與柴油理化特性存在差異，所以需要對二甲醚燃料噴射過程和噴霧特性進行相關基礎研究。余敬周等[4]對DME噴霧的閃急沸騰效應進行了研究；金野等[5-6]模擬非增壓缸內環境對DME噴霧宏觀及微觀特性進行了研究。本研究在定容容器中模擬增壓發動機缸內高溫高壓條件(壓力為8.8 MPa，溫度為920 K)，利用高速攝像機，分別采用投影法和背景散射法的光學觀察手段，詳細探討了噴射壓力對噴霧貫穿距離、噴霧蒸發等噴霧發展過程的影響規律。

1 試驗裝置和試驗條件

表1示出DME和柴油的物理化學特性參數的比較[3]。圖1示出試驗觀察裝置簡圖。試驗要求的8.8 MPa-920 K高溫高壓條件是通過在定容容器中點燃N2，O2，H2和CO的混合氣體產生的。試驗過程中，為了保證DME呈液態，采用N2加壓的方法使DME保持液態。DME噴射壓力可以根據試驗條件利用手動泵進行調節。噴霧觀察方法是采用能同時拍攝液態、氣態噴霧的投影法(紋影法)和只能拍攝液態噴霧的背景散射法。投影法的基本原理是讓平行光穿過觀察領域，并且在通過觀察領域后采用凸透鏡聚光，然后再通過攝影機。光通路中的密度變化或者微粒存在都會使光的明暗程度發生變化，從而被攝影機捕捉到。背景散射法是在觀察領域后方安裝使光線散射的散光板而進行攝影的光學方法，這種攝影方法不受光通路中由于密度變化而引起折射率變化的影響，只能拍攝液態DME噴霧，而不能拍攝蒸發后的氣態DME噴霧。

表1 DME和柴油的物理化學特性參數

試驗采用的二甲醚噴油器噴孔直徑為0.35 mm，攝影速度設置為20 000 幀/s，噴射壓力利用手動泵分別設置為30，60，100，140 MPa。

2 試驗結果及分析

2.1 噴射壓力對噴霧貫穿距離的影響

噴射初期的噴霧與周圍氣體幾乎不進行動量交換，因此噴霧貫穿距離僅由噴射速度決定，與時間成比例。噴射中后期，由于環境氣體卷入，噴霧貫穿距離可用噴霧線性準穩態理論來表示，與時間的平方根成比例。噴射初期和噴射中后期在時間上存在一個拐點。

2.1.1 噴射壓力對與時間成比例區域的影響

噴射初期，噴霧貫穿距離僅由噴射速度決定。初期噴射速度為v0，由伯努利方程求得：

式中：pinj為噴射壓力；ρ為燃料密度。

圖5示出了二甲醚液體密度與壓力的關系曲線，由圖可知二甲醚液體密度隨壓力上升而增加。考慮液體密度增加的因素后，由圖6可以看出，壓力升高后理論值與試驗值也相對較接近。由以上結論可知，根據伯努利方程和液體密度推算結果，噴霧貫穿距離與噴射時間成正比關系。

2.1.2 噴射壓力對與時間的平方根成比例區域的影響

環境氣體卷入噴霧的過程中，噴霧貫穿距離L2用噴霧線性準穩態理論表示為

假設ρf，θ不隨噴射壓力變化而變化，則噴霧貫穿距離L2可以表示為

2.2 噴射壓力對噴霧蒸發的影響

圖8示出噴孔直徑為0.35mm，噴射壓力為60MPa時，分別采用投影法和背景散射法得到的噴霧貫穿距離比較。背景散射法求得的噴霧貫穿距離表示的是液態噴霧貫穿距離。投影法得到的噴霧貫穿距離隨噴射時間的延長增加，但背景散射法得到的噴霧貫穿距離只有15mm左右，可以說液態噴霧貫穿距離相對于氣態來說非常短，由此可知DME是一種蒸發迅速的燃料。

圖9示出噴孔直徑為0.35mm，噴射壓力分別為30MPa，60MPa，100MPa，140MPa時，由背景散射法得到的噴霧貫穿距離。從圖中可以看出，噴霧貫穿距離基本不隨時間的增加而增長。另外，噴射壓力增加使噴射初速增加，因此由于噴射量增加，噴霧貫穿距離應該增加，但是實際上雖然噴射壓力有所增加，噴霧卻基本上在15mm左右蒸發完畢。

圖10示出噴孔直徑為0.35mm，噴射壓力分別為30MPa，60MPa，100MPa，140MPa時采用背景散射法得到的噴霧發展過程圖。由圖10可以看出，在二甲醚噴射的過程中，雖然噴射壓力不同，但二甲醚液滴部分只在從噴孔開始的一定距離內發展，并沒有像圖3那樣幾乎占據整個容器，這可以說明二甲醚是一種蒸發迅速的燃料。另外，與圖3相比，二甲醚液滴部分較細較短，也就是說，二甲醚噴霧從噴孔噴出后的一定距離內向前發展并且迅速蒸發，之后的噴霧發展就類似于氣體噴射。

3 結論

a) 在二甲醚噴射初期，即噴射后0.2ms內，噴霧與周圍氣體幾乎不進行動量交換，噴霧貫穿距離與噴射時間成正比關系；在噴射后期，即噴射后0.2ms，環境氣體卷入噴霧中，根據噴霧線性準穩態理論，假設二甲醚液體密度和噴霧錐角不隨噴射壓力變化而變化，噴霧貫穿距離與噴射時間平方根成正比關系；

b) 在增壓發動機不同噴射壓力的條件下，DME液態噴霧貫穿距離基本不隨時間的增加而增長，噴霧基本上在15mm左右蒸發完畢，并且二甲醚燃料液態噴霧貫穿距離相對于氣態來說非常短，因此可以證明DME是一種蒸發迅速的燃料。

[1] 張光德，孫敬，游彩霞，等.二甲醚燃料供給系統研究現狀及發展趨勢[J].汽車科技, 2012(6):1-6.

[2]ConstantineArcoumanis,ChoongsikBae,RoyCrookes，etal.Thepotentialofdimethyletherasanalternativefuelforcompression-ignitionengines[J].Fuel,2008,87:1014-1030.

[3]JoonhoJeon,SangIlKwon,YongHeePark,etal.Visualizationsofcombustionandfuel/airmixtureformationprocessesinasinglecylinderenginefueledwithDME[J].AppliedEnergy, 2014,113:294-301.

[4] 余敬周，張煜盛，張輝亞，等.DME閃急沸騰噴霧特性的試驗與數值模擬研究[J].內燃機工程，2009，30(3)：13-17.

[5]MitsuruKonno,KazukiChiba,TakeshiOkamoto.ExperimentalandnumericalanalysisofhighpressureDMEspray[C].SAEPaper2010-01-0880.

[6] 千葉和貴.DME噴霧の數値解析の精度向上ならびに噴霧內部構造の解明[D].平成20年度修士學位論文，2009：9-41.

[編輯: 李建新]

Effect of Dimethyl Ether Injection Pressure on Fuel Spray Process

SONG Wenpeng1,2, ZHANG Guangde1,2, SUN Jing1,3, ZHAO Huiyong1,2, MA Jun1

(1. School of Automobile and Traffic Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;2. Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronics, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China;3. Graduate School of Science and Engineering, Ibaraki University, Ibaraki 3160036, Japan)

In-cylinder high temperature and high pressure condition of supercharged engine was simulated by using constant volume vessel, the dimethyl ether spray was observed by using a high speed camera and the effect of injection pressure on the spray process such as spray penetration and spray evaporation was discussed. The results show that the spray penetration is proportional to the injection time in the early injection period and proportional to the square root of injection time during the late injection period due to the mixing of spray with ambient air. Compared with the gaseous dimethyl ether, the liquid spray penetration of dimethyl ether is much shorter and does not increase with the increase of time.

dimethyl ether; spray penetration; spray evaporation; injection pressure

2014-07-10;

2014-09-21

汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室(湖北汽車工業學院)開放基金項目(ZDK201212);國家自然科學基金項目(50975212)；“汽車零部件技術湖北省協同創新中心”研究平臺

宋文鵬(1990—)，男，碩士，研究方向為汽車排放控制技術；1029406418@qq.com。

張光德(1964—)，男，教授，博士生導師，主要從事汽車節能減排技術研究；gd-zhang@wust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.011

TK411.71

B

1001-2222(2015)03-0051-04