乙醇汽油沉積物生成與噴霧特性試驗研究

沈義濤，吳岳羲，劉景元，葛斌斌，崔函禹，沈照杰

哈爾濱工業(yè)大學(威海)汽車工程學院，山東威海 264200

0 引言

隨著汽車保有量逐年增長，機動車排放標準日趨嚴格。同時，我國對石油依存度高、需求量大但儲備相對不足，因此，清潔可再生燃料乙醇汽油被大力推廣。乙醇來源廣泛，辛烷值比汽油高，且能與汽油較好互溶。在汽油中摻入乙醇，不僅能夠減少石油用量，而且有效提高燃料的辛烷值和含氧量，改善燃燒，顯著降低內(nèi)燃機的排放。

國內(nèi)外研究表明，汽油直噴(gasoline direct injection，GDI)發(fā)動機不需要進行改動即可燃用乙醇含量較低的乙醇汽油。GDI發(fā)動機工作穩(wěn)定，負荷性能較好，能夠明顯改善發(fā)動機的低溫啟動性，大幅提高燃油經(jīng)濟性[1-3]。因此，推廣GDI發(fā)動機燃用乙醇汽油，符合我國的能源戰(zhàn)略及長期國策。

GDI汽油機的噴嘴暴露在燃燒室的惡劣環(huán)境中，容易形成噴油器積碳，影響燃油的霧化，導致燃燒過程穩(wěn)定性降低，增加油耗，同時還會造成NOx、CO、CH及顆粒污染物的排放增加，嚴重影響發(fā)動機的性能[4]。為了保證發(fā)動機的動力經(jīng)濟性能，研究乙醇汽油對噴油嘴積碳的影響以及對噴霧貫穿距、噴霧錐角等噴霧特性的影響十分重要。

閃急沸騰(flash boiling，簡稱閃沸)是指當液體壓力降低至飽和壓力以下時發(fā)生的氣化過程。閃沸策略可以改善噴霧性質(zhì)，使燃料分布更加均勻，能夠進一步提高發(fā)動機燃油霧化和混合氣質(zhì)量。但目前國內(nèi)外對閃沸的研究不夠充分。早期的研究主要集中在閃沸現(xiàn)象對噴霧質(zhì)量的改善作用，近年來，部分團隊已經(jīng)開始研究閃沸對噴霧形態(tài)的影響[5]。

本文中對5孔噴油器在定容彈內(nèi)進行噴霧試驗，利用高速攝像機得到噴霧圖像，對噴霧圖像進行分析，研究乙醇汽油積碳生成速度及其對噴霧形態(tài)的影響和閃沸噴霧形貌的變化規(guī)律。

1 噴霧試驗臺架

為研究噴油器積碳對噴霧的影響，搭建一套噴霧試驗臺架，噴霧裝置示意圖如圖1所示。該裝置有噴射燃油、控制噴油參數(shù)、圖像采集等功能。

噴霧試驗在定容彈中進行，用于試驗的定容彈為正方體，噴油器安裝在定容彈頂部，側(cè)面布置2個對置的玻璃窗。噴油器周圍裝有加熱棒，可對噴油器頭部進行加熱。此外，彈體上安裝進氣和排氣閥門，通過進氣和排氣閥門可調(diào)節(jié)定容彈內(nèi)的背景壓力。其中進氣由壓氣機實現(xiàn)，抽氣由真空泵實現(xiàn)，可實現(xiàn)15～700 kPa的背景壓力。高壓燃油供給系統(tǒng)可以提供0～12 MPa壓力的燃油，通過連接高壓氮氣瓶的儲油罐進行加壓，并通過儲油罐來保證油壓穩(wěn)定。油路安裝2組電阻式加熱棒，分別對供油管和噴油器頭部進行加熱，試驗中采用PT100型溫度傳感器監(jiān)控燃油的實時溫度，防止溫度過高或過低。

試驗中使用德爾福公司生產(chǎn)的Delphi 9810335380型中置5孔球閥式噴油器，5個噴孔非對稱布置。單個噴孔結(jié)構(gòu)包括內(nèi)孔和沉孔，內(nèi)孔長0.16 mm，直徑為0.17 mm；沉孔長0.42 mm，直徑為0.46 mm。使用NAC GX-3高速攝像機，采用逆光法對噴霧圖像進行拍攝，拍攝頻率選取8000幀/s，圖像分辨率為512×384。分析拍攝圖像，研究噴油器噴霧的形貌以及噴霧錐角、貫穿距等參數(shù)。噴霧錐角與貫穿距的定義如圖2 所示。貫穿距為噴霧可到達的最遠距離，噴霧錐角為1/2貫穿距處噴霧的角度。

噴油器由電子控制單元(electronic control unit, ECU)處理器控制，試驗時通過2個信號發(fā)生器分別向ECU傳遞轉(zhuǎn)速、凸輪軸信號和噴油信號，從而控制噴油器噴射頻率和脈寬。

2 乙醇汽油積碳試驗

為驗證乙醇汽油積碳的生成及其影響，設(shè)置一組對比試驗，在相同工況下，分別采用汽油與乙醇汽油(乙醇的體積分數(shù)為10%、汽油的體積分數(shù)為90%，簡稱E10乙醇汽油)作為燃料，進行試驗。試驗時，使用加熱棒對噴油器頭部進行持續(xù)加熱，保證噴油器頭部溫度為(180±5) ℃。180 ℃(約458 K)為汽油的90%餾出溫度，當噴嘴溫度低于此溫度時，噴嘴殘存燃料為液態(tài)，噴霧可以帶走積碳先驅(qū)物，從而抑制積碳生成；高于此溫度時，燃料蒸發(fā)速度快，不易附著在噴嘴表面[6]。考慮到噴孔內(nèi)燃油流動對積碳的沖刷影響，不宜采用較大的噴油壓力，所以設(shè)定噴油壓力為1 MPa，噴油頻率為1 Hz，噴油脈寬為3.8 ms；考慮成本以及沖刷作用，設(shè)定每隔10 min，噴油器工作1 min。噴油器在上述工況下工作60 h后，進行后續(xù)試驗。

積碳工作完成后，首先通過試驗進行噴油量的對比。研究表明,GDI噴油器的積碳會降低燃料的流量[7]。除測量經(jīng)乙醇汽油與汽油積碳后噴嘴的噴油量之外，還設(shè)置了一組未經(jīng)歷積碳工況的新噴嘴作為對比。3個不同噴嘴在相同工況下(噴射壓力3 MPa、噴射脈寬3.8 ms、噴油頻率3 Hz)工作1 min，收集后通過高精度天平測量噴油量。經(jīng)過3次測量，算術(shù)平均后得到結(jié)果如表1所示。

表1 循環(huán)噴油量對比

由表1可知，采用E10乙醇汽油為燃料的噴嘴稱為E10噴嘴，采用92#汽油為燃料進行積碳的噴嘴稱為92#噴嘴；在積碳工況運行60 h后，E10噴嘴的噴油量相較未積碳噴嘴降低了9.46%；而92#噴嘴的噴油量降低了5.01%。試驗結(jié)果表明，乙醇汽油積碳造成的噴油器流量損失大于汽油。噴油壓力8 MPa時，積碳前后噴油器噴霧圖像的發(fā)展狀況如圖3、4所示。

噴油壓力8 MPa時，未積碳噴油器與積碳噴油器在噴油開始后2.0 ms內(nèi)的噴霧錐角變化如圖5所示；噴油壓力8 MPa時，未積碳噴油器與積碳噴油器在噴油開始后2.0 ms內(nèi)的噴霧貫穿距變化如圖6所示。

由圖3～6可知，積碳前后噴油器的噴霧形態(tài)的發(fā)展大致相同，而噴霧錐角隨著霧化過程的進行而減小，噴霧貫穿距均隨霧化過程的進行而增大。噴油過程中，前面噴出的燃料會帶動附近區(qū)域的空氣高速流動，產(chǎn)生較大的湍流作用，后續(xù)噴出燃料受到的阻力減小，噴油的法向速度增大，切向速度減小，使得噴霧錐角減小。

由圖5可知，噴油開始階段即0.5 ms之前，積碳后噴嘴的噴霧錐角大于未積碳噴嘴，這是由于積碳后的噴油器噴孔截面縮小，出口處水平流速略有提升，所以錐角變大；積碳后，噴嘴的質(zhì)量流量相對減小，而且積碳噴油器各個油束之間的相互干涉更為嚴重[8]，所以在噴霧充分發(fā)展(1 ms之后，此時噴霧行程已走過一半)后，積碳噴油器的噴霧錐角小于未積碳噴油嘴。

由圖6可知，積碳不會對貫穿距的發(fā)展趨勢產(chǎn)生影響，貫穿距均隨時間逐漸增大。噴油壓力相同時，霧化過程中的同一時刻，未積碳噴嘴的噴霧貫穿距均大于積碳噴嘴。噴油器積碳引起噴霧貫穿距減小。

3 乙醇汽油閃沸噴霧特性

目前閃沸主要有燃油過熱閃沸和燃油溶氣閃沸兩種實現(xiàn)方式。本文中研究過熱閃沸方式，研究汽油和乙醇汽油在不同試驗工況下的宏觀噴霧形貌的變化。根據(jù)過熱閃沸的定義，單一組分的閃沸噴霧可以通過過熱度定義是否能夠發(fā)生閃沸，過熱度為噴射背景壓力與液體飽和蒸汽壓之比，通常認為，過熱度大于1時，液體在噴射時可以出現(xiàn)閃沸現(xiàn)象，過熱度越大，液體噴射越容易發(fā)生閃沸[9]。表2為乙醇在不同溫度和背景壓力下的過熱度。

表2 乙醇過熱度

由表2可知，溫度和壓力都會對過熱度產(chǎn)生影響，壓力梯度對過熱度的影響比溫度梯度更大。因此可以假設(shè)，在試驗中，壓力對噴霧形態(tài)的影響會大于溫度。

在燃料溫度為400、420、435、450 K下分別進行乙醇汽油與汽油的閃沸噴霧試驗，燃料噴射壓力為10 MPa。在每個燃料溫度下，分別改變背壓為25、50、100、200和300 kPa，頻率為3 Hz進行噴射，用高速攝像機拍下噴霧的形貌。為了更加直觀的研究噴霧圖像，通過MATLAB對圖像進行濾波以及二值化處理，得到二值化圖像，采用中值濾波方法濾波。

圖7、8分別為汽油和乙醇汽油在不同試驗工況(不同燃料溫度以及定容彈內(nèi)背景壓力組合)下，噴霧基本完全發(fā)展后的宏觀噴霧形貌。由圖7、8可知，乙醇汽油和汽油發(fā)生閃沸時，背壓和溫度的變化均會使燃料噴霧形態(tài)發(fā)生顯著的變化，且變化趨勢一致。

由圖7可知，當溫度為400 K，背壓為300 kPa時，汽油表現(xiàn)出良好的冷態(tài)噴霧的特性，噴霧整體呈錐形，各油束的末端相對獨立，有明顯的邊界；但噴霧末端發(fā)生卷曲，這是燃油霧化的表現(xiàn)[10]。隨著溫度的升高或背壓的減小，噴霧霧化程度逐漸加深：噴霧末端的彎曲程度逐漸加深，表現(xiàn)在噴霧圖像上即為油束末端的相互混雜，但整體形態(tài)依舊保持為錐形，如圖7中420 K、300 kPa下的噴霧；當溫度或背景壓力達到一定程度時，燃料閃沸程度高，氣化速度快，因此噴霧會出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，各處噴霧向軸線收縮，噴霧錐角減小。

由圖7、8可知，背壓不變時，由于試驗設(shè)計的溫度梯度較小，所對應的過熱度比較接近，僅改變溫度對噴霧形態(tài)的影響較小；但背壓的變化對噴霧形態(tài)的影響非常大，與試驗之前的假設(shè)類似，即在所選取工況下，壓力對噴霧形態(tài)的影響大于溫度的影響。

乙醇汽油和汽油噴霧形態(tài)的變化趨勢大致相同，證明溫度與背壓對閃沸規(guī)律的影響具有普適性。但乙醇汽油的噴霧形態(tài)出現(xiàn)強烈噴霧塌陷時，溫度低于汽油。與汽油噴霧相比，在相同工況下，乙醇汽油的噴霧塌陷程度更大，錐角更小，貫穿距更大。所以，相對于汽油，乙醇汽油更易發(fā)生閃沸。在高沸點燃料中加入低沸點燃料會促進均勻成核效應的發(fā)生，從而降低混合物的起泡壓力，使其在更高的壓力下也可以發(fā)生閃沸現(xiàn)象[11]。在背壓為200 kPa、溫度為450 K后，汽油噴霧發(fā)生明顯的塌陷；但乙醇汽油在200 kPa背壓下，噴霧塌陷的溫度為420 K。在相同背壓下，乙醇汽油的閃沸開始溫度低于汽油，這是由于乙醇汽油中乙醇的沸點較低，在相同背壓下發(fā)生閃沸所需溫度更低。

4 結(jié)論

1) 同一噴油器，不同噴油壓力下，噴霧油束的噴霧錐角隨著霧化過程的進行而減小，噴霧貫穿距隨著霧化過程的進行而增大。

2) 同一噴射時刻，噴油壓力越大，噴霧錐角和噴霧貫穿距均增大。

3) 噴油壓力相同時，由于積碳改變了噴孔的尺寸和形狀，噴霧空化現(xiàn)象減弱，在同一時刻，未積碳噴油器噴霧錐角大于積碳噴油器。

4) 噴油壓力相同時，在同一時刻，未積碳噴嘴噴霧的噴霧貫穿距大于積碳噴嘴。

5) 燃料溫度和背壓達到一定程度后，背壓的降低與燃料溫度的升高都會導致閃沸程度的加深。