不同環境背壓和環境溫度下的液氨噴霧微觀特性

摘 要：為以液氨為內燃機燃料來實現低碳化和零碳化，實驗研究了液氨噴霧的微觀霧化特性。采用激光粒徑微觀成像（PDIA）方法，使用單孔噴油器，在低噴射壓力（1 MPa）、環境背壓100、200、400、600 kPa、環境溫度293、313、333 K下，進行噴霧實驗。獲得了液滴概率密度分布函數（PDF）、累計體積分布函數（CDF）、Sault平均直徑（SMD）和液滴數量密度等微觀參數。結果表明：液氨噴霧在低環境背壓下霧化效果好，噴霧中小液滴數量多，SMD較小，增大環境背壓，噴霧概率密度分布和累計體積分布曲線向大粒徑方向移動，大液滴數量增加，液滴數量密度減小；液氨液滴概率密度分布、累計體積分布和SMD幾乎不會隨環境溫度的變化而變化，但增加環境溫度可以增強液氨噴霧的蒸發，環境溫度高的時候液氨噴霧蒸發增強。

關鍵詞： 內 燃機；低碳化零碳化；液氨噴霧；微觀特性；液滴尺寸分布；液滴數量密度

中圖分類號： TK 46+4 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.04.008

Microscopic characteristics of liquid ammonia spray at different"ambient pressures and ambient temperatures

LIU Xiao， YAO Xiaoxin， WANG Ze， TANG Chenglong*

（School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract： Microscopic characteristics were studied for liquid ammonia spray experimentally to realize low-carbon and zero-carbon goals with liquid ammonia as fuel of internal combustion engine. The liquid ammonia spray at different ambient pressures （100， 200， 400， 600 kPa） and ambient temperatures （293， 313， 333 K） were experimentally investigated by using the Particle/Droplet Image Analysis （PDIA） method and using a single hole injector with the injection pressure of 1 MPa. Some microscopic parameters were obtained， such as the particle density function， cumulative distribution function， the Sault Mean Diameter （SMD）， and the droplet number density. The results show that the liquid ammonia spray has a good atomization effect and have large amount of small particles under low ambient pressure; The particle density function and cumulative distribution function move to a larger droplet sizes， the number of larger droplets increase and the droplet density decrease; The particle density function， cumulative distribution function and SMD hardly changed with the ambient temperature， but the liquid ammonia spray evaporation is enhanced at high ambient temperature.

Key words： i nternal combustion engines; zero-carbon and low-carbon emissions; liquid ammonia spray;"microscopic characteristics; droplet size distribution; droplet number density

隨著中國“碳達峰、碳中和”發展戰略對的提出，能源結構逐步由高碳向低碳甚至無碳轉變迫在眉睫[1]，氨燃料作為零碳燃料，受到了廣泛的關注[2-6]，作為化石能源的替代燃料在內燃機上應用具有非常大的潛力。

結合預混或雙燃料的方法，眾多學者不斷探索氨燃料在壓燃式發動機、點燃式發動機或雙燃料發動機中的應用[7-12]。同時也進行了廣泛的實驗，對氨的燃燒特性進行了基礎的研究，包括可燃性、點火延遲時間、層流火焰速度和火焰傳播形態等[13-15]。

R. Pelé [16]等使用七孔汽油噴油器研究了噴射壓力為12 MPa時液氨噴霧的宏觀噴射特性，并與乙醇和汽油噴霧的宏觀結果進行對比，結果表明液氨噴霧宏觀形狀與其他燃料不同，其噴霧貫穿距離和錐角對環境密度和溫度敏感性更高，并且更容易發生閃沸現象。M. Akram和CHENG Qiang [17-18]等使用六孔汽油噴油器對液氨噴霧的宏觀特性進行了一些列研究，同時對比了液氨與汽油、甲醇和酒精噴霧的不同。他們在不同噴射壓力、不同環境背壓、不同壓比下進行實驗，結果表明液氨噴霧宏觀形態受噴射壓力和環境背壓共同影響，環境背壓增大，噴霧貫穿距離和投影面積減小，同時燃料溫度提高的時候，閃沸現象會變得明顯。由于氨的沸點低，所以環境溫度對氨的影響比其他燃料更明顯，氨的噴霧貫穿距離和投影面積大于甲醇和乙醇，蒸發更快。

馬驍等[19]使用單孔柴油噴油器研究了高噴射壓力下液氨噴霧的宏觀特性，研究結果表明在低環境背壓下，氨噴霧很容易閃沸，在噴霧發展的初始階段，閃沸區的貫穿距離明顯小于非閃蒸區，同時使用Hiroyasu模型和Siebers驗證了實驗結果，發現非閃沸條件下，Hiroyasu模型比Siebers模型精度高。李鐵[20-21]等使用單孔柴油噴油器對過熱液氨的閃沸現象進行了研究，并與甲醇和正己烷進行了對比，結果表明液氨噴霧的貫穿距離隨著環境背壓的增大表現出明顯的減小，同時在高環境背壓下，極易發生閃沸現象。田江平[22]等在定容可視化平臺上進行了液氨和柴油噴霧的宏觀實驗，結果表明，與柴油相比，液氨噴霧形態短粗，環境背壓增大會阻礙噴霧的發展，環境溫度提高可促進液滴蒸發與破碎。

液氨噴霧與典型的液體燃料有很大不同，由于其獨特的物理特性，液氨噴霧對噴射和環境條件及其敏感。關于液氨噴霧的研究主要集中在宏觀方面，大多使用多孔噴油器進行實驗，但M. Akram [17]在對液氨噴霧進行宏觀特性研究時表明單孔噴霧的研究很有價值，因為液氨噴霧在使用多孔噴油器時發生閃沸后容易坍塌，從而無法對噴霧進行更詳細的分析，無法了解氨這一新型零碳燃料的特性。

鮮有液氨噴霧微觀特性的報道，但噴霧液滴的粒徑、粒子的空間分布、液滴尺寸概率密度和Sault平均直徑（Sault mean diameter，SMD）等微觀參數直接影響噴霧霧化質量，對于評估噴霧性能和驗證噴霧模型至關重要。

因此，本文采用陰影法激光粒徑微觀成像分析法（particle/droplet image analysis，PDIA）結合長焦顯微放大的測試技術針對液氨噴霧的微觀特性開展研究，使用單孔噴油器，重點關注液氨噴霧在低噴射壓力下概率密度分布、累計體積分布和Sault平均直徑SMD等微觀參數及其隨環境背壓和環境溫度的變化規律，為液氨噴霧模型的開發和校準提供依據。

1 實驗裝置和研究方法

1.1 實驗裝置

采用陰影法激光粒徑微觀成像分析法（PDIA）結合長焦顯微放大的手段，獲得液氨噴霧液滴的圖像形態。實驗裝置如圖1所示。定容容彈左側由單脈沖Nd：YAG激光器和擴束器組成照明端，其中激光波長為532 nm，擴束器直徑為120 mm。容彈右側由長焦顯微鏡（Queststar QM1）和CCD （charge coupled device，電荷耦合器件） （ImagerProSX 5M）相機組成拍攝端，用于拍攝液氨噴霧液滴的微觀圖像。同時通過脈沖發生器（DG645）同步控制激光脈沖、噴射觸發器以及CCD相機的觸發信號。通過LaVision A的商業軟件DaVis 8.0.0進行圖像處理，識別每個液滴的尺寸，獲得液滴的位置和大小。

1.2 實驗工況

采用進氣口燃油噴射（port fuel injection，PFI）的噴油器，選用IPM（001）單孔噴油器，噴孔直徑0.7 mm。在噴射壓力為1 MPa的條件下，研究了不同環境背壓（100、200、400、600 kPa）以及環境溫度（293、313、333 K）對液氨噴霧微觀特性的影響。選取了噴霧發展方向的4個位置作為拍攝窗口，拍攝窗口3 mm×3 mm，分別位于噴嘴尖端下方30、60 mm處，距離噴霧中心徑向0、3 mm處。對拍攝得到的圖像進行處理，得到的典型液氨液滴尺寸分布的結果如圖2所示。

圖3給出了液氨在噴射壓力1 MPa，環境背壓100 kPa，環境溫度為293 K時，液滴Sault平均直徑（SMD）隨采集液滴數量（N）的關系。從圖3可知：p當液滴數量在5 000以內時，SMD的波動非常劇烈，隨著液滴數量的增加，SMD波動性減小。而當液滴數量大于5 000時，SMD趨于穩定，此時SMD與液氨液滴數量的相關性很弱。因此，每個工況下進行多次拍攝，保證所有工況下統計的液滴總數量保持在5 000以上。

2 實驗結果與討論

2.1 環境背壓的影響

在環境溫度293 K，環境背壓100、200、400、600 kPa下，液氨噴霧液滴的數量比例概率密度分布函數（partical density function，PDF）和累計體積比例分布函數（cumulative distribution function，CDF）分布曲線如圖4和圖5所示。

從圖4可知：當環境背壓為100 kPa時，PDF曲線的峰值在小粒徑液滴的方向，峰值處的最高概率為7.7%和6.7%，對應的液氨液滴直徑分別為13 μm和15 μm，這說明液氨噴霧的液滴集中在粒徑較小的范圍，并且噴霧中有大量的小液滴。隨著環境背壓增大到400 kPa和600 kPa時，在圖4中，PDF曲線中峰值對應的百分比為4.1%和3.6%，對應的粒徑為18 μm和20 μm，液氨液滴粒徑分布在更大的直徑范圍內，變得更均勻。環境背壓低時，液氨容易發生閃沸現象，閃沸是指處于給定溫度的液體燃料突然暴露于低于其飽和蒸汽壓的環境時，燃料處于過熱狀態經歷劇烈沸騰。

燃料的快速沸騰過程可以提高霧化質量，使燃料蒸發更快，液滴尺寸更小，環境壓力和飽和蒸汽壓的比值γp = pamb / psat用于表示閃沸的強度，根據γp值將閃沸分為3個階段：火炬閃沸階段（?are ?ash boiling），0＜γp＜0.3、過渡閃沸階段（transition ?ash boiling），0.3＜γp＜1和非閃沸階段（Non-?ash boiling），γp＞1 [23-25]。

本文所選的4個環境背壓對應的γp值分別為0.12、0.24、0.47、0.71。當環境背壓為100、200 kPa時，液氨噴霧處于火炬閃沸狀態，火炬閃沸可以促進液氨噴霧產生更多更小的液滴，但隨著環境背壓的增大到400 kPa和600 kPa時，γp值逐漸增大，液氨噴霧處于過渡閃沸區，閃沸現象不明顯，PDF曲線變得更寬更平，向大液滴方向移動，導致大液滴數量增多。

圖5的CDF曲線中顯示出低背壓條件下液滴尺寸整體偏小。同一累計體積分布Dv50，隨著環境背壓由100 kPa提升至600 kPa，逐漸由21.2 μm增大到48.9 μm，這說明低背壓條件下液氨噴霧液滴在達到相同的體積占比時，小粒徑液滴的數量占比更大，高背壓條件下大粒徑的液滴數量更多。

圖6給出了液氨噴霧在不同位置和不同背壓p下的Sault平均粒徑（SMD）統計結果。

從圖6可知：當環境溫度為293 K時，隨著環境背壓從100 kPa升至600 kPa，SMD由19.8 μm增大至42.5 μm，環境溫度為313 K和333 K時，同樣可以看出SMD統計結果隨著環境背壓的增大而增大。圖7是不同環境背壓下拍攝到的微觀圖像中液滴數量的平均值，從圖7可知：當環境背壓較小時，液氨噴霧霧化良好，液滴數量密度大，隨著環境背壓的增加，噴霧霧化程度降低，導致小液滴和液滴數量密度都降低。

2.2 環境溫度的影響

圖8和圖9給出了環境背壓100 kPa時環境溫度293、313、333 K下液氨噴霧的PDF和CDF曲線。由圖8可以看出，隨著環境溫度的升高，3個溫度下PDF曲線的形狀和位置沒有發生明顯變化，曲線的峰值集中在15 μm和16 μm附近。圖9中CDF曲線也有同樣的結果，環境溫度的改變并沒有影響曲線形狀，3個溫度下的CDF曲線幾乎重合，特征直徑Dv50對應的粒徑分別在21 μm和25 μm左右，這說明環境溫度對液氨噴霧液滴尺寸分布的影響較小。從圖6中也可以看到，SMD受溫度的影響也較小。圖6中SMD雖然隨環境背壓的增大而增大，但在同一環境背壓下不同環境溫度時的SMD幾乎沒有發生改變。從圖7中可以看到，液滴數量密度隨著環境背壓的增大有明顯的減小趨勢。

總的來說，環境溫度對液氨噴霧微觀參數的影響沒有環境背壓明顯，液滴的概率分布、累計體積分布和SMD隨環境溫度的增大沒有發生明顯改變，增大環境溫度有利于液氨噴霧的蒸發。

3 結 論

本文基于容彈噴射平臺，通過激光粒徑微觀成像分析法，使用單孔噴油器，在低噴射壓力（1 MPa）下研究了不同環境背壓（100～600 kPa）和環境溫度（293～333 K）下液氨噴霧的微觀特性，獲得了液滴尺寸分布、Sault平均直徑和液滴數量密度等微觀參數，獲得的主要結論如下。

1） 低噴射壓力下液氨噴霧微觀特性受環境背壓影響明顯，環境背壓小時，噴霧處于閃沸狀態，噴霧中小液滴多，增大環境背壓，概率密度分布函數和累積體積分布函數曲線向大粒徑方向移動，大液滴數量增多；

2） 環境背壓較小時，液氨噴霧霧化良好，隨著環境背壓的增加，噴霧霧化程度降低，同時液滴數量密度也降低；

3） 在環境溫度較低的情況下，環境溫度變化對液氨噴霧的微觀分布影響較小，液滴概率分布、累計體積分布和Sault平均直徑不隨環境溫度的變化而變化，但環境溫度高的時候液氨噴霧蒸發較強。

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