氬氫氛圍下氣態氧噴射的噴射特性研究*

鄭嘉鑫，龔寅春，鐘慧平，鄧 俊，李理光，

（1.同濟大學中德學院，上海 200092； 2.同濟大學汽車學院，上海 201804）

前言

面對日益嚴峻的氣候變化和能源供給安全問題，為交通運輸巨大的能源需求尋找一種新型的可再生的清潔燃料具有越來越重要的意義。氫氣作為一種既可以通過電解水獲得，也可以通過燒堿、焦炭工業中以副產物的形式獲得的來源廣泛［1］的零碳清潔能源，同時具有燃燒產物清潔和終端使用效率高的優點，擁有巨大的應用潛力。若能將氫氣作為燃料在內燃機上進行高效的運用，則將會極大地緩解交通運輸帶來的環境污染問題。

針對氫氣在內燃機上的應用，研究表明若使用氫氣和空氣直接混合燃燒做功，將會產生大量的NOx氣體［2-3］。針對這一問題，Robert W.Dibble教授［4］提出了一種全新的氬氣循環發動機概念：使用氬氣（Ar）作為工質，通過純氧（O2）代替空氣與氫氣（H2）混合燃燒。一方面通過排除氮氣參與燃燒反應杜絕了NOx氣體的生成，另一方面理論上可大幅提高發動機的熱效率。這是由于，氬氣的比熱比為1.67高于空氣的1.34，而根據發動機熱效率計算公式η＝1-ε1-κ，比熱比和壓縮比的提高均能使發動機的循環熱效率提升［5］。Kuroki等［6］在一臺四缸點燃式內燃機上增加了分離循環系統，進行了氬氣半循環/全循環的工作試驗，驗證了純氧和氫氣在氬氣氛圍中的燃燒做功可以使內燃機達到43%左右的熱效率。

目前對氬氣循環發動機這一概念的研究，主要集中于內燃機臺架試驗［4，6-9］，而對氣體射流基礎特性的相關研究較少，這限制了氬氣循環發動機噴射策略的優化。氧氣相較于氫氣擁有更高的分子質量，根據理論上的氣體噴射規律［10］，重質氣體向輕質氣體噴射時，可在相同時間內卷吸更多的環境氣體，這也意味著更好的混合效果。對比氫、氧的噴射效果，可為氬氣循環發動機選擇和優化改進噴射策略提供理論基礎，從而進一步發掘氬氣循環發動機的潛力。針對這一問題，鄧俊等［11］基于仿真的方法，對氫氣在不同氣體氛圍下的噴射過程進行了研究，討論了貫穿距和射流卷吸能力受環境條件的影響。鐘慧平等［12］和龔學海等［13］則是通過試驗研究了氫、氧分別在氬氣氛圍中噴射時的射流形態，總結出噴射壓力和背景壓力等邊界條件對氣體噴射特性的影響。

本文中基于上述研究，通過試驗的方法，進一步探究了在氬氣氛圍中摻混不同比例氫氣的條件下氧氣的射流特性。試驗中利用紋影法，對定容燃燒彈中不同條件下氧氣射流的形態進行了記錄，并且測量和計算了描述噴射特性的貫穿距、噴射錐角和射流卷吸率等重要指標，并以此對不同邊界條件下的影響參數進行了分析。

1 氬氫氛圍下氣態氧噴射試驗

1.1 試驗裝置與參數

由于氧氣噴射入氬氫氛圍后形成的混合氣具有可燃性，為了保證試驗安全，本研究在自主研發的能承受高溫高壓的定容燃燒彈上進行。射流形態通過紋影法測量，利用高速攝影儀記錄射流的過程。試驗系統示意圖如圖1所示。

圖1 高壓氣體噴射試驗系統示意圖

試驗中所使用的氣體噴射器是奧迪06E906036型GDI噴油器。其噴嘴為直徑為0.5 mm的單孔。為研究純氧噴射下環境氣體中氫氣濃度對射流形態的影響，試驗選用了氫氣濃度分別為30%，50%和80%的3種氬氫混合氣作為環境氣體。其他的試驗變量還包括噴射壓力和環境氣體壓力。試驗參數見表1，每組試驗重復4次。

表1 試驗參數

1.2 數據處理

試驗通過對高速攝影測得圖形的分析，得到射流的主要參數指標，即氧氣射流的貫穿距x’、噴射錐角θ、射流體積Vjet和卷吸率φ（如圖2所示）。

由于低密度的氫氣與氬氣混合后使環境氣體的密度與氧氣更加接近，紋影法得到的射流與環境的分辨率受到了一定的影響，如果單純使用程序進行計算，會存在較大的誤差。所以在處理試驗圖像時，先利用繪圖軟件對所選數據繪制大致輪廓，然后再使用MATLAB程序計算所需要的射流參數指標。

對于噴射氣體射流體積的計算，假設每段微小的長度內射流為一段微小的圓柱（如圖2所示）。使用程序計算時，將軸向距離劃分為長度為d x的微元。計算出每段微元處的射流直徑d后，通過圓柱體積公式d V＝π（d/2）2·d x計算每段微元圓柱的體積，最后求和得出總的射流體積。這樣極大可能避免了射流形狀改變的干擾，使試驗結果與實際射流體積相接近。

圖2 射流的主要參數示意圖

卷吸率指噴射主體射流中混合入的環境氣體的比例，是描述射流混合環境氣體程度的重要指標。在計算卷吸率時，假設射流為理想氣體，流體通過噴嘴為等熵過程。本試驗中氧氣的噴射過程已到達臨界狀態。所以根據噴射理論［14］，氧氣射流的質量流量只與壓力室氣體的密度、壓力和氣體的比熱比有關，而與環境條件無關。即氧氣射流在某一噴射壓力下的質量流量可根據以往試驗測定數據（表2）計算。卷吸率則可由式（1）計算。由于噴嘴針閥起升時流量并不穩定，本文中在繪制卷吸率圖像時以0.4 ms后的圖像為起點。

式中：V·0為與背景壓力無關的氧氣射流的體積流量；Vjet為試驗所得的射流體積，由表2獲得；t為噴射時間。

表 2 O 2射流的流量［13］

2 試驗結果與分析

試驗得到的紋影法測得的射流圖像如圖3所示。如前文所述，較低的圖像對比度和背景顏色的干擾會使程序直接處理出現較大誤差，所以先對圖像進行預處理，即人工通過繪圖軟件描繪出射流的形狀（深色部分），結果如圖4所示，所得圖形更利于計算機程序運算。

圖3 高速攝影機拍攝射流形狀圖（氫氣濃度30%，噴射壓力10 MPa，背景壓力0.8 MPa）

圖4 圖像預處理后描繪出的射流形狀

2.1 環境氣體壓力和噴射壓力對氧氣射流的影響

圖5 為經預處理得到的不同噴射壓力下的氧氣射流形狀圖。噴射壓力的提升意味著氣體噴射動量的提升，理論上高動量的射流將具有更高的鋒面速度，達到更大的射流體積，這在試驗中得到了驗證。圖6中10 MPa噴射壓力下，射流在2 ms時體積達到7 cm3左右，比3 MPa噴射壓力的射流高4 cm3。圖7和圖8分別為環境氫氣濃度為30%和50%時，在背景壓力為0.8 MPa的環境中，射流體積和卷吸率隨噴射壓力的變化。可以看出，隨著噴射壓力的增加，射流體積變大，卷吸率升高。在兩種濃度下，10 MPa噴射壓力向混合氣中噴射達到的卷吸率都比6 MPa噴射壓力下最高增長1倍左右。這與氧氣向純氬氣環境中噴射［13］的情況類似。可見，環境氣體中氫氣的濃度并不影響提升噴射壓力對氣體射流與環境氣體混合的積極效果。

圖5 不同噴射壓力下的射流形狀（氫氣濃度30%，背景壓力0.8 MPa，噴射后2 ms）

圖6 氣體射流體積隨噴射壓力變化（背景壓力0.8 MPa，環境氫氣濃度30%）

圖7 卷吸率隨噴射壓力變化（背景壓力0.8 MPa，環境氫氣濃度30%）

圖8 卷吸率隨噴射壓力變化（背景壓力0.8 MPa，環境氫氣濃度50%）

圖9 為經預處理得到的不同背景壓力下的氧氣射流形狀圖。圖10和圖11分別為背景壓力對射流特性的影響。隨著背景壓力的下降，射流相同時間內達到更大的射流體積，但是背景壓力的變化同時影響著射流中氧氣的體積流量。由于相同噴射壓力下氧氣經過噴嘴的質量流量相同，但在不同背景壓力下會有不同的密度，所以氧氣的體積流量會隨壓強降低而變大，這也意味著卷吸率并不與射流體積直接成正比。由圖11可見，背景壓力的降低反而使氣體射流對環境氣體的卷吸率下降，在2 ms時0.4 MPa背景壓力下的射流卷吸率僅為1.0 MPa下的48.2%，這就是受到氧氣密度變化的影響。在其他氫氣濃度時也表現出了同樣的特性。另外，在背景壓力為1.2 MPa時，卷吸率相比背景壓力1.0 MPa有所下降，這與純氬氣氛圍下的噴射規律也類似。分析認為，此時射流體積比低背景壓力條件時下降較大，環境氣體與氧氣的混合在射流內部進行的程度較低，導致卷吸率略有下降。

圖9 不同背景壓力下的射流形狀（氫氣濃度30%，噴射壓力10 MPa，噴射后1.5 ms）

圖10 背景壓力對氣體射流體積的影響（噴射壓力10 MPa，環境氫氣濃度30%）

圖11 背景壓力對卷吸率的影響（噴射壓力10 MPa，環境氫氣濃度30%）

2.2 環境氣體中氫氣濃度對氧氣射流的影響

當Ar+H2環境氣體中氫氣濃度改變時，試驗得到的射流形狀也會發生變化（圖12）。圖13和圖14中展示了試驗得到的Ar+H2環境氣體中氫氣濃度對氧氣射流體積和卷吸率的影響。可以看出，在背景壓力為0.8 MPa，氧氣噴射壓力為10 MPa的條件下，隨著環境氣體中氫氣比例的升高，射流體積明顯增大，卷吸率明顯增加。當氫氣濃度為30%時，氧氣射流的卷吸率在1.5 ms時僅達到5.1，而同一時間80%氫氣濃度條件下卷吸率可以達到12.6，是前者的2.47倍。根據鄧俊等［13］的研究，氧氣在純氬氣中以同等壓力噴射時，1.5 ms的卷吸率約為8左右。也就是說氫氣濃度為50%和80%的環境條件下，射流卷吸率要比純氬氣氛圍下的數值有所提高，但氫氣濃度為30%時射流卷吸率比純氬氣氛圍有所降低。根據理論分析，環境氣體的密度和黏度對射流與環境氣體的混合程度有正向影響［15］。而氫氣的相對分子質量為2，遠小于氬氣的40，即在同等條件下，氫氣的密度小于氬氣。另外，常溫下氫氣的動力黏度僅為氬氣的40%左右。所以當環境氣體中氫氣比例上升時，環境氣體整體的密度和黏度下降，這會使射流的噴射錐角大幅變小。圖15為不同環境氫氣濃度下氣體射流的噴射錐角，其中“0%”代表向純氬氣中噴射［13］。可以看出，相比于純氬氣環境，30%氫氣濃度時噴射錐角減小了6°左右，這意味著射流的徑向面積下降，對周圍氣體的卷吸程度降低。

圖12 不同環境氫氣濃度下的射流形狀（噴射壓力10 MPa，背景壓力 0.8 MPa，噴射后 1.5 ms）

圖13 環境氫氣濃度對氣體射流體積的影響（噴射壓力10 MPa，背景壓力0.8 MPa）

圖14 環境氫氣濃度對卷吸率的影響（噴射壓力10 MPa，背景壓力0.8 MPa）

圖15 環境氫氣濃度對噴射錐角的影響（噴射壓力10 MPa，背景壓力0.8 MPa）

繼續升高氫氣濃度時，噴射錐角減小幅度減緩，氫氣濃度從30%增長到80%后錐角僅減小了3°左右。同時由圖16可以看出，射流的貫穿距大幅增加，噴射到達壁面的時間僅為1.6 ms左右，比同條件下氧氣向純氬氣中噴射的時間縮短了60%。此時射流的軸向發展成為促進其與環境氣體混合的主要方式，射流卷吸能力增強。

圖16 環境氫氣濃度對貫穿距的影響（噴射壓力10 MPa，背景壓力0.8 MPa）

值得注意的是，這里所描述的卷吸率是指卷吸Ar+H2混合氣體的卷吸率。如果單一對比氧氣射流中卷吸的氫氣比例，則高濃度氫氣環境中的氫氣卷吸率會與低濃度氫氣環境有更大的差距。這是因為，一方面根據試驗結果，高濃度氫氣環境下卷吸的混合氣體總量更多；另一方面高濃度氫氣環境意味著所卷吸氣體中氫氣占有更高的體積濃度。即在80%氫氣濃度條件下，1.5 ms時氧氣射流所卷吸的氫氣要比30%濃度條件下高5.8倍左右。

2.3 結果與討論

鄧俊等的研究［11，13］中，闡述了試驗得到的純氬氣氛圍下氫氣和氧氣的噴射特性。相同噴射壓力和背景壓力下，噴射氧氣的卷吸率達到了噴射氫氣卷吸率的2.43～2.98倍。而本文中則探究了氧氣噴射條件下，不同的環境氣體組分對射流發展過程的影響。80%氫氣濃度時射流的卷吸率可以達到純氬氣氛圍下的1.5倍左右。這都說明了噴射氣體和環境氣體的特性會對射流特性有明顯的影響：密度更高的噴射氣體因其具有更高的噴射動量，能更好地與環境氣體混合；而當環境氣體的密度和黏度下降時，射流的貫穿距離增加，卷吸效果增強。

對于氬氣循環發動機，相比于缸內直噴氧氣的噴射策略，采用缸內直噴氧氣的方法不僅會增大噴射氣體的動量，也會降低環境氣體的密度和黏度，這都有利于加速氫、氧的混合過程。隨著功率的升高，進氣中增大的氫氣比例則會進一步對氣體混合產生正向影響。

3 結論

本文中對氧氣向氬氫氛圍中噴射的射流特性進行了試驗研究，得到如下結論。

（1）噴射壓力越大，射流體積和貫穿距增長越快。不同氫氣濃度的氬氫氣體氛圍中，噴射壓力的增大會促進射流卷吸率的提升。背景壓力為0.8 MPa時，噴射壓力從6提升到10 MPa卷吸率增長1倍左右。

（2）氧氣噴射的卷吸率對背景壓力有較高的敏感性。降低背景壓力會使環境氣體對噴射射流的阻力降低，這有助于射流體積的增大。2 ms時0.4 MPa環境壓力下的射流體積比1.0 MPa增加1.1倍。對于射流中環境氣體的卷吸率，還應考慮氧氣射流在不同背景壓力下的密度變化，氧氣射流質量流量不變時，更低的背景壓力導致氧氣的體積流量增加，對環境氣體的卷吸能力下降，2 ms時0.4 MPa環境壓力下的射流卷吸率僅為1.0 MPa下的48.2%。

（3）由于相同狀態下氫氣的密度和黏度遠小于氬氣，氬氫氛圍中氫氣的濃度對射流的錐角、卷吸率等有明顯的影響。氫氣濃度增加，相同時間內射流達到更大的貫穿距，錐角減小，卷吸率增加。背景壓力0.8 MPa，噴射壓力10 MPa下，氫氣濃度從30%增長到80%后，射流到達最大貫穿距的時間縮短了36.2%，平均錐角減小了約3°，1.5 ms時的卷吸率提升1.47倍。