超臨界二甲醚噴霧特性的試驗研究

周 昃，張光德，宋 巍，大越淑央，菊地真輔，金野滿

(1．武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢，430081；2.茨城大學理工學研究科，日本茨城 日立，3168511)

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超臨界二甲醚噴霧特性的試驗研究

周 昃1,2，張光德1，宋 巍1，大越淑央2，菊地真輔2，金野滿2

(1．武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢，430081；2.茨城大學理工學研究科，日本茨城 日立，3168511)

為研究超臨界二甲醚的噴霧特性，在定容容器內(nèi)模擬渦輪增壓發(fā)動機氣缸內(nèi)的實際環(huán)境，使用高速攝像機對超臨界二甲醚噴霧的外形輪廓及發(fā)展過程進行觀察，并將其與跨臨界二甲醚噴霧進行對比。結(jié)果表明，二甲醚噴霧在發(fā)展過程中發(fā)生了明顯的卷狀分裂，并且觀察不到二次分裂現(xiàn)象；超臨界二甲醚噴霧的外形輪廓及貫穿距離與跨臨界噴霧并未有明顯差別，但由于超臨界二甲醚在渦輪增壓環(huán)境中的擴散速率更快，因此其噴霧錐角更大，噴霧核心區(qū)的長度更短；兩種噴射狀態(tài)下的二甲醚在噴入定容容器后，其噴霧尖端的推進速率都會先急劇增大，然后在達到峰值后又急劇減小，最后在低速段保持相對穩(wěn)定。

二甲醚；超臨界；跨臨界；定容容器；噴霧特性

隨著世界人口的增加以及發(fā)展中國家經(jīng)濟的增長，世界能源的消費量呈現(xiàn)進一步增長的趨勢，化石燃料的供需矛盾進一步加劇。此外，世界各國對于發(fā)動機排放的要求也越來越嚴格。因此，為內(nèi)燃機找出一種清潔的可替代燃料變得迫在眉睫。

二甲醚(dimethyl ether, 簡稱DME)被認為是壓燃發(fā)動機的理想替代燃料[1]。二甲醚的生產(chǎn)原料來源廣泛，其可由煤、煤層氣、天然氣和生物質(zhì)等制得[2]。二甲醚的十六烷值高于柴油，并且具有低溫氧化性，因此它具有良好的壓燃性。由于二甲醚分子中具有氧原子且沒有“碳—碳”鍵的直接相連，因此二甲醚能進行無煙燃燒。二甲醚發(fā)動機的燃燒噪音以及尾氣的污染物含量均低于柴油機[1,3]。然而，二甲醚的密度和熱值均低于柴油。對于壓燃式發(fā)動機，在相同的輸出工況下，二甲醚的噴射量是柴油的1.8倍[4]。二甲醚的低潤滑性和高揮發(fā)性對噴射系統(tǒng)有不利影響，限制了二甲醚的噴射壓提高[5]；而通過增加噴射壓來增加噴射量的方法成本極高，因此，找出一種在不增加噴射壓的情況下增大噴射量的方法顯得尤為重要。

物質(zhì)的超臨界狀態(tài)指的是該物質(zhì)的溫度與壓力均超過其臨界點所對應(yīng)的溫度Tc與壓力Pc時的狀態(tài)。在超臨界狀態(tài)下的流體，其液相與氣相之間的界面已經(jīng)不復存在，流體的蒸發(fā)潛熱與表面張力都趨近于零，因此超臨界流體是一種介于氣體與液體之間的特殊狀態(tài)的流體，兼具氣體與液體的性質(zhì)[6]。由于超臨界流體的黏度接近于氣體，相較于一般液體要小兩個數(shù)量級，因此將燃料以超臨界狀態(tài)進行噴射時所受到噴孔內(nèi)壁面的阻力將減小，特別是在較大的噴射壓力下，有利于減少噴孔內(nèi)部的能量損失，增加燃料的噴射量。

目前對超臨界噴霧的研究主要集中在液體火箭發(fā)動機領(lǐng)域，而在內(nèi)燃機方向上的相關(guān)研究在國際上才剛剛起步。文獻[7]中在20.5 MPa的噴油壓力下，使用帶有加熱功能的特制噴油器，將汽油加熱到370 ℃并成功進行了超臨界狀態(tài)的汽油噴射。文獻[8]中對超臨界噴射狀態(tài)下的汽油噴霧進行了研究，得出超臨界噴射能增加汽油的噴射量并改善噴霧質(zhì)量。但是，目前關(guān)于超臨界二甲醚噴霧的研究還較少見。為此，本研究通過控制二甲醚的噴射壓力及溫度，實現(xiàn)二甲醚的超臨界噴射，在定容容器內(nèi)模擬渦輪增壓柴油機實機工況，利用高速攝像機觀察超臨界二甲醚的噴射特性，并與跨臨界二甲醚噴霧特性進行對比，以期為二甲醚發(fā)動機的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 試驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。在耐高溫、高壓的不銹鋼定容容器內(nèi)模擬渦輪增壓發(fā)動機氣缸內(nèi)的實際環(huán)境，容器兩側(cè)裝有直徑100 mm、厚50 mm的石英玻璃觀測窗。定容容器的4個角上各安裝1支電熱棒，可將容器內(nèi)的溫度加熱到400 K左右。通過點燃定容容器內(nèi)由H2、O2、CO、N2組成的可燃預混合氣，可將容器內(nèi)的溫度升至1000 K，壓強升至10 MPa。

圖1 試驗裝置示意圖

二甲醚儲存罐與氮氣罐相連，使用1.5 MPa的氮氣對二甲醚進行加壓，防止二甲醚在輸入共軌系統(tǒng)之前氣化。采用日本電裝公司的新型二甲醚共軌噴射系統(tǒng)將二甲醚從定容容器頂端中央噴入定容容器。共軌管與噴油器之間的高壓油管上用保溫紗布纏繞有4支電熱棒，通過調(diào)節(jié)電熱棒的溫度來控制二甲醚的噴射溫度，實現(xiàn)超臨界噴射與跨臨界噴射。

采用Photron公司的SA-5型高速攝像機，通過定容容器兩側(cè)的石英玻璃窗口觀測二甲醚的噴霧發(fā)展過程。采用背景散射法觀測噴霧核心區(qū)，采用平行光法觀測噴霧的外形輪廓和貫穿距離。

1.2 試驗方法

試驗時定容容器內(nèi)的環(huán)境條件、燃料的噴射試驗條件以及觀測條件如表1所示。試驗開始時，打開真空泵將定容容器內(nèi)的氣體抽出，使其處于真空狀態(tài)，然后充入由N2、O2、H2、CO組成的可燃混合氣，在定容容器內(nèi)模擬渦輪增壓氣缸內(nèi)的環(huán)境條件(6 MPa-920 K)，之后打開二甲醚共軌噴射系統(tǒng)，將二甲醚加壓到試驗所需壓力，同時將共軌管與噴油嘴之間高壓油管上的電熱棒通電，將二甲醚加熱到設(shè)定的噴射溫度。準備就緒后，按下時間信號發(fā)生裝置上的執(zhí)行按鈕開始試驗，觀察跨臨界和超臨界狀態(tài)下二甲醚噴霧的圖像。由于本試驗為非燃燒噴霧觀察試驗，噴入定容容器內(nèi)的二甲醚不能發(fā)生燃燒，因此根據(jù)化學計算，采用n(N2)∶n(O2)∶n(H2)∶n(CO)=75.5∶8.1∶4.8∶11.6的比例配制可燃混合氣，可保證可燃混合氣在反應(yīng)后產(chǎn)生的背景氣體中氧氣濃度為零，二甲醚噴霧不會發(fā)生燃燒。

表1 二甲醚噴霧觀測試驗條件

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 超臨界二甲醚噴霧邊緣的形態(tài)

圖2所示為超臨界噴射時噴霧從噴孔噴射出1.5 ms及2.5 ms時刻噴孔下方18.7～22.3 mm處的二甲醚噴霧圖像。從圖2可以看出，在噴霧從噴孔噴射出的1.5～2.5 ms間，二甲醚噴霧發(fā)生了明顯的卷狀分裂，表明在噴霧發(fā)展過程中有大量背景氣體被卷吸入噴霧中，二甲醚與背景氣體混合較為充分。此外，在圖2中沒有觀察到噴霧束周邊有高濃度的二甲醚小粒滴產(chǎn)生。這些現(xiàn)象表明，超臨界噴射狀態(tài)下的二甲醚在噴入定容容器后，迅速從噴霧核心區(qū)擴散至背景氣體中并發(fā)生混合，由于超臨界二甲醚擴散迅速，因此在噴霧發(fā)展過程中觀察不到二次分裂現(xiàn)象。

(a)1.5 ms

(b)2.5 ms

Fig.2 Images of supercritical DME spray at different times

2.2 超臨界與跨臨界二甲醚噴霧特性的對比

2.2.1 貫穿距離

圖3、圖4所示分別為超臨界和跨臨界噴射狀態(tài)下二甲醚噴霧發(fā)展過程的觀測結(jié)果。

對比兩圖中平行光法觀測的結(jié)果可以看出，兩種噴射狀態(tài)下的二甲醚噴霧，其外形輪廓大體相同。此外，由于定容容器內(nèi)背景氣體的溫度與壓強是由預先填充的可燃混合氣體燃燒產(chǎn)生，故噴霧圖像背景處出現(xiàn)了因背景氣體密度分布不均而導致的明暗相間的斑紋。

由背景散射法觀測的結(jié)果可以看出，兩種噴射狀態(tài)下噴霧的核心區(qū)寬度及形狀大體相同。由于渦輪增壓缸內(nèi)環(huán)境的溫度與壓強均高于二甲醚的臨界點，由此可以推斷跨臨界二甲醚在噴入超臨界環(huán)境后迅速變?yōu)槌R界狀態(tài)并發(fā)生擴散，其噴霧的核心區(qū)由液態(tài)二甲醚及高密度的超臨界二甲醚共同組成。

(a)平行光法

(b)背景散射法

(a)平行光法

(b)背景散射法

根據(jù)噴霧圖像得出兩種噴射狀態(tài)下二甲醚噴霧貫穿距離的對比如圖5所示。從圖5中可以看出，超臨界二甲醚噴霧的黏稠核心區(qū)長度為14 mm，而跨臨界噴霧的黏稠核心區(qū)長度則為17 mm，即超臨界二甲醚噴霧的核心區(qū)長度短于跨臨界噴霧的相應(yīng)值。從擴散性角度分析，這是由于超臨界噴霧在噴入渦輪增壓環(huán)境后，二甲醚不需要像跨臨界噴霧一樣經(jīng)歷一個由跨臨界狀態(tài)向超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，因此其擴散速率更高，這樣噴霧的核心區(qū)長度減小得也就更快。

由圖5中還可看出，兩種噴射狀態(tài)下噴霧貫穿距離的最大值都出現(xiàn)在約68 mm處。由于兩種噴射狀態(tài)的噴霧在噴入定容容器后都處于超臨界狀態(tài)，因此在相同的背景氣體環(huán)境下所受的阻力也相同，故噴霧貫穿距離主要受其從噴嘴噴出后的初速度影響。超臨界噴射狀態(tài)下的二甲醚黏度更小、流動性更好，其噴出后的初速度應(yīng)該更大，噴霧貫穿距離應(yīng)當更長，而試驗結(jié)果與此并不相符。從噴孔內(nèi)燃料流動的角度考慮，這是由于在相同的噴射壓力下，超臨界二甲醚的溫度高于跨臨界二甲醚的溫度，因此更容易在噴孔內(nèi)發(fā)生氣穴現(xiàn)象，當二甲醚在通過噴孔經(jīng)歷“降壓增速”的過程時，部分超臨界態(tài)的二甲醚壓力降至了臨界壓力以下而產(chǎn)生氣泡，阻礙了其噴射，降低了超臨界噴射的初速度，進而導致超臨界二甲醚的噴霧貫穿距離并未有明顯增長。

圖5 兩種噴射方式下二甲醚噴霧貫穿距離及核心區(qū)長度比較

Fig.5 Comparison of penetration and core area lengths between transcritical and supercritical DME sprays

2.2.2 噴霧錐角

噴霧錐角的測量元素如圖6所示。在得到噴霧圖像后，先測量出這些元素，再根據(jù)下式分別算出超臨界和跨臨界二甲醚噴霧的噴射角θ：

圖6 噴射角測量元素

(1)

經(jīng)過測量計算可得超臨界與跨臨界二甲醚噴霧的噴射角分別為15.5°和14.7°?？梢妰煞N噴射狀態(tài)下二甲醚噴霧噴射角相差不大，超臨界噴霧的噴射角略微偏大，這是由于超臨界噴霧的核心擴散能力更強，噴霧更容易發(fā)生橫向分散。

2.2.3 噴霧的平均推進速率

噴霧在容器內(nèi)的推進速率也是研究噴霧特性的一項重要指標，它反映了噴霧沿霧化軸發(fā)展的快慢程度。雖然噴霧貫穿距離的變化曲線也能反映出噴霧推進速率的變化情況，但只能展現(xiàn)出推進速率的大體趨勢，而不能清晰地反映每一觀測時刻所對應(yīng)的噴霧推進速率。為了研究噴霧推進速率隨噴射時間推移的變化情況，須算出每一觀測點所對應(yīng)的噴霧推進速率。由于本試驗所用高速攝影機的采樣間隔為0.025ms，這一時間間隔極短，因此噴霧在這一時間間隔內(nèi)任意時刻的瞬時推進速率與在這一時間間隔內(nèi)的平均推進速率十分接近，并且誤差在研究要求的精度范圍內(nèi)，結(jié)果反映出的噴霧沿霧化軸向變化趨勢也與實際的相吻合，所以在保證結(jié)果可靠性的前提下，為簡化試驗及分析過程，本研究采用噴霧的平均推進速率來研究噴霧的推進過程。

超臨界與跨臨界二甲醚噴霧的平均推進速率曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，兩種噴射狀態(tài)下噴霧推進速率都是先急劇增大，達到峰值后又急劇減小，之后在低速段保持小幅波動并趨于穩(wěn)定。超臨界二甲醚大約在噴射0.075ms后速率達到最大值269.8m/s，跨臨界二甲醚大約在噴射0.05ms后速率達到最大值274.3m/s。兩種噴霧幾乎都是在噴射0.2 ms時達到推進速率低速段的穩(wěn)定值，隨后便圍繞此速率小幅波動。二甲醚噴霧平均推進速率曲線表明，兩種噴射狀態(tài)下二甲醚噴霧的推進速率都在極短時間內(nèi)完成了“谷值-峰值-穩(wěn)定值”的變化過程，在推進過程中都經(jīng)歷了急加速、急減速過程，最終推進速率達到了具有小幅波動的穩(wěn)定過程。分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，當二甲醚剛從噴孔噴出時，由于噴孔內(nèi)外存在巨大的壓力差，剛噴出的二甲醚在巨大壓差產(chǎn)生的壓力作用下開始經(jīng)歷急劇加速過程；之后，隨著所噴出的二甲醚的蒸發(fā)與擴散，噴霧束體積也迅速增大，故噴霧受到背景氣體的阻力也急速增大，噴霧軸向推進受阻，進而開始經(jīng)歷急減速過程；最后，隨著噴射的持續(xù)，燃料不斷噴入定容容器并推動之前的噴霧束向前推進，噴霧束整體的動能也隨之不斷增加，而與此同時噴霧束“頭部”的蒸發(fā)、擴散與破裂也進一步加劇，所受阻力也隨之增大，最終噴霧束尖端受到的推力與阻力達到平衡，噴霧推進速率最終保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖7 跨臨界與超臨界二甲醚噴霧平均推進速率的比較

Fig.7 Comparison of average tip velocity of penetration between transcritical and supercritical DME spray

3 結(jié)論

(1)超臨界二甲醚噴霧在發(fā)展過程中發(fā)生了明顯的卷狀分裂，二甲醚與背景氣體混合較為充分，在噴霧發(fā)展過程中觀察不到二次分裂現(xiàn)象。

(2)在模擬渦輪增壓發(fā)動機缸內(nèi)環(huán)境下，超臨界噴霧核心區(qū)比跨臨界噴霧核心區(qū)短，且噴霧錐角比跨臨界噴霧錐角大，其擴散性更好。

(3)超臨界和跨臨界這兩種噴射狀態(tài)下的二甲醚在噴入定容容器后，噴霧尖端的推進速率都會先急劇增大，在達到峰值后又急劇減小，最后在低速段保持相對穩(wěn)定。

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[責任編輯 鄭淑芳]

An experimental study of supercritical DME spray characteristics

ZhouZe1,2,ZhangGuangde1,SongWei1,OkoshiYoshihiro2,KikuchiShinsuke2,KonnoMitsuru2

(1. College of Automobile and Traffic Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;2 .Graduate School of Science and Engineering, Ibaraki University, Hitachi 3168511, Japan)

To study the spray characteristics of supercritical dimethyl ether (DME), the cylinder temperature and pressure of turbocharged engines were simulated in a constant volume vessel and DME spray was observed with a high-speed camera. The shape and development process of supercritical DME spray were compared with those at temperatures below and above the critical point. It is found that DME spray shows a clear roll splitting in the development process and yet no secondary splitting. Outer shape and penetration length of supercritical DME spray are almost the same as those of transcritical DME spray; however, since supercritical DME spray diffuses faster than transcritical DME spray, the former has a slightly wider spray angle and shorter length of core spray area. When DME is injected into the constant volume vessel, the tip velocity of spray under the two injection conditions increases to the peak at first, then decreases sharply, and finally remains stable in the low velocity area.

DME; supercritical; transcritical; constant volume vessel; spray characteristics

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.02.012

2016-10-18

湖北省自然科學基金重點項目(2015CFA113); 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(yè)學院)開放基金項目(ZDK201212); “汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心”研究平臺資助項目；“汽車節(jié)能技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(培育)”研究平臺資助項目.

周 昃(1990-)，男，武漢科技大學碩士生.E-mail: zebestmail@qq.com

張光德(1964-)，男，武漢科技大學教授，博士生導師.E-mail: gd-zhang@wust.edu.cn

TK434

A

1674-3644(2017)02-0144-05