程似騏, 許敏, 高弈, 吳勝奇, 董雪

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)

雙組分燃油蒸餾及噴霧閃沸特性研究

程似騏, 許敏, 高弈, 吳勝奇, 董雪

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)

在較高燃油溫度及較低環(huán)境背壓下，直噴噴霧易發(fā)生閃沸。閃沸噴霧具有貫穿距小、易于霧化等優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放、提高燃油經(jīng)濟(jì)性，在直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中具有較好應(yīng)用前景。然而隨著渦輪增壓的使用，進(jìn)氣壓力的提高導(dǎo)致噴霧較難達(dá)到閃沸狀態(tài)。針對(duì)這種現(xiàn)象，在研究混合燃油蒸餾特性后提出了通過(guò)向高沸點(diǎn)燃油中添加低沸點(diǎn)燃油的方式來(lái)促進(jìn)噴霧的閃沸。試驗(yàn)燃料為一系列不同比例低沸點(diǎn)燃油(異戊烷)與高沸點(diǎn)燃油(正十一烷)組成的混合燃油，通過(guò)蒸餾測(cè)試探究了不同組分燃料的蒸餾特性；通過(guò)在定容彈內(nèi)拍攝不同燃油溫度、環(huán)境背壓下的燃油噴霧的米氏散射圖，研究了混合燃油形態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明，不同于單一油品僅在沸點(diǎn)時(shí)沸騰產(chǎn)生餾出物，混合燃油是在一定的溫度范圍內(nèi)均會(huì)沸騰產(chǎn)生蒸餾物，表現(xiàn)為3段式蒸餾曲線；混合燃油蒸餾前期大部分餾出物為低沸點(diǎn)燃油，表明混合燃油受熱時(shí)，低沸點(diǎn)燃油會(huì)優(yōu)先蒸發(fā)；對(duì)噴霧宏觀形態(tài)的測(cè)量結(jié)果表明，向高沸點(diǎn)燃料中添加低沸點(diǎn)燃油能夠使噴霧在高背壓下達(dá)到閃沸狀態(tài)，且40%體積分?jǐn)?shù)是最佳的添加量；另外，油溫越高添加低沸點(diǎn)燃油對(duì)噴霧閃沸的促進(jìn)效果越好。

汽油機(jī)； 閃沸噴霧； 混合燃料； 蒸餾

近年來(lái)，隨著汽車保有量和使用量的增長(zhǎng)，全球各個(gè)國(guó)家都面臨著嚴(yán)峻的能源和環(huán)境形勢(shì)。汽車節(jié)能減排技術(shù)越來(lái)越受到重視。其中，閃沸噴霧因具有貫穿距短、噴霧角大、噴霧顆粒小、蒸發(fā)劇烈等優(yōu)勢(shì)，在降低缸內(nèi)濕壁效應(yīng)、增強(qiáng)油氣混合、降低排放物污染方面起顯著改善作用。因此無(wú)論是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界，長(zhǎng)期以來(lái)都保持著對(duì)閃沸噴霧的研究。例如，Oza研究了閃沸噴霧對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的作用，發(fā)現(xiàn)閃沸噴霧能夠使油氣更均勻地混合，這一結(jié)果表明了采用閃沸噴霧具有進(jìn)一步提高直噴汽油機(jī)節(jié)能減排效果的可能[1]。Aquino[2]在汽油機(jī)進(jìn)氣道噴射的噴霧研究發(fā)現(xiàn)，閃沸噴霧更大的噴霧錐角和更加細(xì)小的噴霧液滴對(duì)汽油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性以及HC排放都能產(chǎn)生有利影響。佘金平[3]等以柴油為研究對(duì)象，通過(guò)加熱提高柴油過(guò)熱度獲得柴油閃沸噴霧，發(fā)現(xiàn)柴油閃沸能提高HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性。上海交通大學(xué)許敏團(tuán)隊(duì)通過(guò)LIF，Mie，LIEF，Schlieren等手段對(duì)不同燃油的閃沸噴霧機(jī)理進(jìn)行探究，系統(tǒng)論證了燃油壓力、環(huán)境壓力、燃油溫度對(duì)噴霧閃沸的促進(jìn)作用[4-6]；研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于某種燃油，降低環(huán)境壓力至該種燃油飽和蒸氣壓下或升高燃油溫度均可以促使噴霧閃沸，當(dāng)過(guò)熱度較高時(shí)，燃油會(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，由多束油束完全聚攏為一束，達(dá)到完全閃沸狀態(tài)。在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低速小負(fù)荷等工況時(shí)，進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力為負(fù)壓，此時(shí)有可能出現(xiàn)閃沸噴霧。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)小型化，汽油機(jī)增壓已經(jīng)成為潮流[7]，燃油噴射時(shí)進(jìn)氣歧管增壓后壓力可達(dá)150 kPa以上，因此低壓環(huán)境下噴霧閃沸的實(shí)現(xiàn)方式面臨挑戰(zhàn)，迫切需要尋找一種較高背壓下依然能夠?qū)崿F(xiàn)噴霧閃沸的方式。

本研究在前期研究的基礎(chǔ)上，利用不同比例低沸點(diǎn)燃油異戊烷和高沸點(diǎn)燃油正十一烷配制了不同蒸發(fā)特性的混合燃油，研究了不同比例低沸點(diǎn)燃油添加效果對(duì)混合燃油的蒸發(fā)特性以及對(duì)閃沸噴霧特性的影響，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作了定量分析。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 混合燃料蒸餾特性測(cè)試方法及試驗(yàn)設(shè)備

對(duì)于石油及其衍生物產(chǎn)品，單一化合物燃料與幾種化合物的混合燃料在受熱時(shí)表現(xiàn)迥異。單一化合物燃料受熱表現(xiàn)為在沸點(diǎn)時(shí)發(fā)生沸騰現(xiàn)象，而混合燃料則是多重?zé)N類及衍生物組成的復(fù)雜混合物，因此不存在沸點(diǎn)，而是在一段溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出沸騰現(xiàn)象。

根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的ASTM—D86[8]標(biāo)準(zhǔn)以及我國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T 6536—2010[9]，對(duì)于石油產(chǎn)品可以采用恩氏蒸餾的方法來(lái)獲得油品的蒸餾曲線。恩氏蒸餾是一種簡(jiǎn)單蒸餾，本質(zhì)上屬于漸次氣化，測(cè)定過(guò)程是將100 mL油品放入標(biāo)準(zhǔn)的蒸餾瓶中按規(guī)定的速度進(jìn)行加熱，滴出第一滴冷凝液時(shí)的氣相溫度稱為初餾點(diǎn)。之后隨著溫度逐漸升高而不斷地產(chǎn)生餾出物，依次記下餾出液達(dá)10 mL，20 mL直至90 mL時(shí)的氣相溫度，10%，20%……90%蒸發(fā)百分比時(shí)的溫度被稱為餾出溫度。當(dāng)氣相溫度升高到一定值后，不再升高反而回落，這個(gè)最高的溫度稱為終餾點(diǎn)，初餾點(diǎn)到終餾點(diǎn)之間的溫度范圍即為餾程，各個(gè)蒸發(fā)百分比和對(duì)應(yīng)餾出溫度組成的曲線即為蒸餾曲線。不同組成的混合燃油有不同的蒸餾曲線。

實(shí)際應(yīng)用中，蒸餾曲線由于簡(jiǎn)單易獲得而常被車企用于判斷燃油性能的優(yōu)劣。總體而言，10%餾出溫度越低，發(fā)動(dòng)機(jī)越易啟動(dòng)，50%餾出溫度表示燃料平均揮發(fā)性和加速性能的大小，90%餾出溫度意味著燃料是否易充分蒸發(fā)燃燒[10]。

本研究中所有蒸餾試驗(yàn)均按照GB/T 6536—2010進(jìn)行(見圖1)。

圖1 燃?xì)饧訜嵝驼麴s儀器裝置圖[9]

1.2 噴霧測(cè)試方法及試驗(yàn)設(shè)備

本研究使用MIE散射方法對(duì)混合燃油噴霧進(jìn)行拍攝。MIE散射又稱為粗粒散射，利用了顆粒對(duì)光散射的不均勻原理來(lái)采集噴霧的液相形態(tài)。通常散射光在顆粒的各個(gè)方向并不均勻，當(dāng)入射光源與相機(jī)呈90°或135°時(shí)，捕捉到的散射光光強(qiáng)較強(qiáng)，因此常用MIE散射布置為90°或135°夾角。此次試驗(yàn)中，采用135°入射光布置。

試驗(yàn)系統(tǒng)包括三部分，即燃油噴射系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)及環(huán)境壓力控制系統(tǒng)(見圖2)。燃油噴射系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、蓄壓器、噴油器組成，燃油在活塞式蓄壓器中被加壓。當(dāng)電腦控制信號(hào)發(fā)生器給出信號(hào)時(shí)，燃油從開啟的噴油器中噴出，最高油壓可達(dá)20 MPa。高速攝影系統(tǒng)由高速相機(jī)與頻閃LED組成，當(dāng)電腦給出噴油信號(hào)的同時(shí)發(fā)送信號(hào)給相機(jī)與LED燈，完成噴油、照亮和拍攝的同步。高速相機(jī)為Phantom V1210，拍攝頻率20 000 Hz，相機(jī)曝光時(shí)間為49 μs；LED為高頻閃模式，頻閃頻率與相機(jī)同步，為20 000 Hz，持續(xù)時(shí)間為5 μs，通過(guò)LED燈時(shí)長(zhǎng)來(lái)控制曝光時(shí)間，因此相機(jī)實(shí)際曝光時(shí)間為5 μs。相機(jī)軸線與LED燈軸線以噴油器tip軸線為中心呈135°夾角。環(huán)境壓力控制系統(tǒng)主要是通過(guò)調(diào)節(jié)真空泵和高壓氮?dú)獾牧髁縼?lái)調(diào)整定容彈內(nèi)的環(huán)境壓力在20～200 kPa之間。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意

1.3 噴霧試驗(yàn)工況

試驗(yàn)采用均布6孔噴油器(見圖3)，噴孔與中心軸線夾角為30°，由于6孔均勻分布且噴霧角度相同，因此噴霧束有6束，但由于拍攝角度的限制，5，6孔噴霧束被2，3孔噴霧束遮擋，拍攝圖像中僅可見4束噴霧。L/D=1.5，噴孔直徑為0.2mm。

圖3 6孔噴油器示意

燃油依靠與噴油器組裝在一起的水套進(jìn)行水浴加熱，試驗(yàn)前已對(duì)水浴溫度與燃油溫度的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)調(diào)節(jié)水套中水浴的溫度即可改變?nèi)加蜏囟?。為了獲得較好普適性試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)采用的最低燃油溫度為0 ℃，通常是冷啟動(dòng)初始時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)水溫較低時(shí)的燃油溫度，最高燃油溫度為90 ℃，通常是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下燃油能夠達(dá)到的較高溫度，此外在0～90 ℃間選取了6個(gè)溫度(見表1)作為燃油溫度工況點(diǎn)，保證噴霧形態(tài)隨溫度變化的連續(xù)性。最低環(huán)境壓力選取為20kPa，作為自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣沖程下的較低壓力，最高環(huán)境壓力為200kPa，接近當(dāng)前量產(chǎn)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值增壓壓力，在20～200kPa間選取了5個(gè)壓力(見表1)作為其他環(huán)境背壓工況點(diǎn)，保證了噴霧形態(tài)隨背壓變化的連續(xù)性。噴油持續(xù)時(shí)間為1ms，燃油噴射壓力為15MPa。

表1 試驗(yàn)工況點(diǎn)

表2 異戊烷與十一烷分子式與沸點(diǎn)

表3 試驗(yàn)混合燃油組成比例

由于本文重點(diǎn)探究高背壓下燃油閃沸情況，因此重點(diǎn)分析高沸點(diǎn)燃油中添加低沸點(diǎn)燃油后噴霧的改變情況。在不同背壓、不同油溫下，選取α=0，0.2，0.4，0.6對(duì)噴霧特性進(jìn)行對(duì)比分析。采用的圖像處理軟件為Matlab，以噴孔剛剛出油作為ASOF(afterstartoffuel)為0時(shí)刻。采集的噴霧圖像首先去背景(減去ASOF為0時(shí)刻圖像)獲得噴霧束，然后通過(guò)設(shè)定閾值找出噴霧邊界，計(jì)算出噴霧貫穿距與噴霧角，每次的計(jì)算結(jié)果均為20次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值(見圖4)。試驗(yàn)中所用噴霧特性參數(shù)更為詳細(xì)的定義參見文獻(xiàn)[11]。

圖4 圖像處理過(guò)程

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同比例混合組分燃油蒸餾特性分析

本次蒸餾試驗(yàn)共對(duì)6種不同組分燃油進(jìn)行了蒸餾測(cè)試，結(jié)果見圖5。

圖5 不同比例組分混合燃油蒸餾曲線

混合燃油與單一燃油有著不同的蒸餾表現(xiàn)，單一燃油在沸點(diǎn)發(fā)生沸騰，而混合燃油在一定溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出沸騰蒸發(fā)的特性。對(duì)于α=0與α=1，開始加熱時(shí)蒸發(fā)溫度幾乎無(wú)變化，燃油在蒸餾燒瓶中表現(xiàn)為僅有少量氣泡產(chǎn)生，并無(wú)沸騰現(xiàn)象，收集量筒中無(wú)餾出物；隨著液體進(jìn)一步受熱達(dá)到沸點(diǎn)，開始出現(xiàn)大量氣泡，燃油劇烈翻滾表現(xiàn)為沸騰狀態(tài)，并伴隨著餾出物產(chǎn)生，隨后溫度保持不變，直至燃油全部餾出。而對(duì)于α=0.2，0.4，0.6，0.8，加熱開始時(shí)燃油出現(xiàn)少量氣泡，蒸發(fā)溫度開始緩慢上升，當(dāng)升高到一定溫度時(shí)，燃油出現(xiàn)大量氣泡，劇烈翻滾，出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，隨后收集量筒中出現(xiàn)餾出物，且蒸發(fā)溫度持續(xù)上升，直至全部餾出。

從蒸餾曲線上來(lái)看各種燃料表現(xiàn)迥異。α=0和α=1的單一化合物蒸餾曲線為一條直線(理論沸點(diǎn)為28 ℃和197 ℃)。而α=0.2，0.4，0.6，0.8對(duì)應(yīng)的蒸餾曲線是一條蒸發(fā)百分?jǐn)?shù)隨蒸發(fā)溫度不斷變化的曲線，可以分為3段：第1段出現(xiàn)在蒸餾初期，表現(xiàn)為近似一條斜率為正的直線，蒸發(fā)量與蒸發(fā)溫度等比例增加；第2段出現(xiàn)在蒸餾中期，表現(xiàn)為斜率近似為0的水平直線，蒸發(fā)量增量較小而蒸發(fā)溫度迅速上升；第3段出現(xiàn)在蒸餾末期，表現(xiàn)為近似垂直的一條直線，蒸發(fā)溫度近乎維持不變的同時(shí)，蒸發(fā)量迅猛增長(zhǎng)。

混合燃油受熱時(shí)低沸點(diǎn)燃油將先于高沸點(diǎn)燃油蒸發(fā)。α=0.2，0.4，0.6，0.8蒸餾曲線第2段與第3段拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)百分比恰好近似為20%，40%，60%，80%，這表明了蒸餾前期餾出物中主要包含的是低沸點(diǎn)燃油，說(shuō)明混合燃油受熱時(shí)低沸點(diǎn)燃油更易蒸發(fā)出來(lái)。

增加低沸點(diǎn)燃油有助于提高整體燃油的蒸發(fā)性。隨著α的增加，初餾點(diǎn)與10%餾出溫度不斷降低，表現(xiàn)為α=0.2，0.4，0.6，0.8時(shí)曲線3，4，5，6與橫坐標(biāo)交點(diǎn)依次向原點(diǎn)接近，10%餾出溫度分別為57 ℃，42 ℃，30 ℃，27 ℃，噴霧蒸發(fā)特性不斷改善。

因此向高沸點(diǎn)燃油中添加低沸點(diǎn)燃油，低沸點(diǎn)燃油易于蒸發(fā)的特性具有促進(jìn)燃油噴霧霧化、蒸發(fā)的潛力，甚至導(dǎo)致閃沸噴霧發(fā)生，這也是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

2.2 不同油溫下低沸點(diǎn)燃油比例對(duì)噴霧形態(tài)的影響

為了更好地比較低沸點(diǎn)燃油對(duì)噴霧的影響，在較高背壓(100kPa)下，選取純油品(α=0)以及混合燃料(α=0.2，0.4，0.6)，對(duì)ASOF為0.8ms時(shí)刻不同油溫下的噴霧形態(tài)進(jìn)行比較，油溫分別為0 ℃(低溫)，50 ℃(中溫)，90 ℃(高溫),結(jié)果見圖6。在0 ℃時(shí)， 對(duì)于α=0.2，0.4，0.6的燃油均清晰可見6束噴霧，且形態(tài)接近(2，3束噴霧因?yàn)橐暯顷P(guān)系分別為兩束噴霧的圖像重疊)，表明在低溫下添加低沸點(diǎn)燃油對(duì)混合燃油的蒸發(fā)促進(jìn)作用效果較小。在50 ℃時(shí)，α=0，0.2，0.4，0.6時(shí)噴霧形態(tài)接近，但隨著α增加，噴霧油束間界限變得模糊(α=0.6最為明顯，界限已基本消失，出現(xiàn)過(guò)渡閃沸的噴霧形態(tài))，油束噴霧尖端開始消散，原噴霧尖端處出現(xiàn)大尺寸旋渦，噴霧貫穿距縮短。這是因?yàn)殡S著低沸點(diǎn)燃油比例的增加，噴霧整體蒸發(fā)表現(xiàn)更為劇烈，燃油更易發(fā)生劇烈相變而使燃油破碎成為一系列極細(xì)小的液滴。這些液滴由于自身質(zhì)量小，很容易隨著氣流運(yùn)動(dòng)，造成油束間界限模糊，并且在油束尖端隨氣流卷吸出現(xiàn)旋渦。因此在中等油溫情況下，加入低沸點(diǎn)燃油對(duì)噴霧有一定促進(jìn)作用，但效果并不強(qiáng)烈。在90 ℃時(shí)，噴霧形態(tài)已產(chǎn)生較大差異，α=0和α=0.2噴霧形態(tài)接近，可見邊界模糊的6束噴霧，α=0.4和α=0.6噴霧束已經(jīng)出現(xiàn)塌陷收縮現(xiàn)象，油束尖端全部消失，噴霧邊緣出現(xiàn)明顯的卷流，表明已處于閃沸狀態(tài)。

圖6 100 kPa背壓，0 ℃，50 ℃，90 ℃油溫下，噴霧形態(tài)隨α變化情況(ASOF為0.8 ms)

圖7定量比較不同油溫下的貫穿距、噴霧角變化。在較高背壓環(huán)境(100kPa，200kPa)下，噴霧在0 ℃，50 ℃，90 ℃油溫下處于冷態(tài)或過(guò)渡態(tài)，隨著α增加貫穿距縮短；在較低背壓環(huán)境(20kPa)下，此時(shí)過(guò)熱度較高，50 ℃和90 ℃油溫下，隨α增大，噴霧先進(jìn)入過(guò)渡閃沸狀態(tài)，油束前段消散，貫穿距減小，進(jìn)一步增大α，噴霧進(jìn)入完全閃沸狀態(tài)，油束坍陷，形成棒狀噴霧，貫穿距增加，因此出現(xiàn)貫穿距先減小后增大的現(xiàn)象。

圖7 不同背壓不同油溫下噴霧貫穿距和噴霧角隨低沸點(diǎn)燃油比例的變化

各環(huán)境背壓下，不同油溫時(shí)噴霧角均表現(xiàn)為隨α增大先增大后減小。α=0.2時(shí)，低沸點(diǎn)燃油比例較少，隨α增大蒸發(fā)加劇，噴霧束變寬，而隨著α進(jìn)一步增大，低沸點(diǎn)閃沸促進(jìn)噴霧達(dá)到過(guò)渡或完全閃沸狀態(tài)，噴霧向中軸線收縮發(fā)生坍塌聚攏，導(dǎo)致噴霧角縮小。

2.3 不同背壓下低沸點(diǎn)燃油比例對(duì)噴霧形態(tài)的影響

圖8示出不同背壓下燃油噴出后0.8ms不同燃油的噴霧形態(tài)，油壓為15MPa，油溫為90 ℃，背壓范圍為20～150kPa。

相同背壓下，增加低沸點(diǎn)燃油都能夠有效促進(jìn)噴霧的閃沸。在低背壓(20kPa，40kPa)情況下，隨著α增加，噴霧從分開獨(dú)立束狀逐漸聚攏坍塌，最終形成棒狀噴霧，經(jīng)歷過(guò)渡閃沸到完全閃沸的狀態(tài)；在中等背壓情況下(80kPa)，隨著α增加，噴霧束逐漸聚攏，油束間邊界消失，噴霧處于過(guò)渡閃沸狀態(tài)；而當(dāng)處于高壓(150kPa)情況下，隨著α增加，噴霧油束尖端消散，噴霧束邊緣可見破碎顆粒數(shù)量增加，形成較寬噴霧束。

圖8 不同背壓下噴霧形態(tài)隨α變化情況

增加低沸點(diǎn)燃油有助于噴霧在更高背壓下實(shí)現(xiàn)閃沸，且40%添加量將有效改善噴霧形態(tài)。圖8中實(shí)線區(qū)域①部分噴霧均已坍塌收縮形成棒狀，表明已完全閃沸。α=0.2時(shí)，噴霧在20kPa背壓下才能達(dá)到完全閃沸狀態(tài)。增加低沸點(diǎn)燃油比例后，α=0.4和α=0.6時(shí)，噴霧可以在40kPa背壓下達(dá)到相同完全閃沸狀態(tài)；圖8中虛線區(qū)域②部分噴霧邊界消失，噴霧為分叉狀，表明處于過(guò)渡閃沸階段。當(dāng)α=0.2時(shí)，噴霧在40kPa才能處于過(guò)渡閃沸狀態(tài)，而當(dāng)α=0.4和α=0.6時(shí)，噴霧在100kPa下也可以達(dá)到閃沸狀態(tài)。因此增加α可以提高混合燃油噴霧達(dá)到閃沸狀態(tài)的壓力上限，是實(shí)現(xiàn)較高壓下閃沸的一種有效方式。

此外，添加40%異戊烷即可有效改善噴霧形態(tài)。不同背壓下，α=0.4促進(jìn)噴霧閃沸的程度比α=0.2更明顯(例如40kPa下，α=0.2為過(guò)渡閃沸狀態(tài)，而α=0.4為完全閃沸狀態(tài))，α=0.6與α=0.4促進(jìn)噴霧的程度相似，表明當(dāng)α大于0.4時(shí)，繼續(xù)提高低沸點(diǎn)燃油比例效果有限。

圖9示出0 ℃，50 ℃，90 ℃油溫，不同背壓下貫穿距和噴霧角的變化情況。在低油溫情況下，不同背壓下α增加對(duì)于貫穿距影響均不大，基本保持不變；在中高油溫下，低背壓下，隨低沸點(diǎn)燃油增加噴霧蒸發(fā)加劇，油束處于過(guò)渡閃沸到完全閃沸狀態(tài)，油束塌陷收縮，貫穿距先降低后增大，而中高背壓下，噴霧均處于過(guò)渡閃沸狀態(tài)，噴霧貫穿距呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

低油溫下，不同背壓下噴霧角均表現(xiàn)為隨α增加略微增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)檫^(guò)熱度低，噴霧均處于冷態(tài)，α增加僅僅表現(xiàn)為蒸發(fā)加劇，油束膨脹。中高油溫下，隨α增加噴霧先膨脹，噴霧角增大，隨后噴霧液滴破碎加劇，油束坍塌，噴霧角減小。

圖9 不同油溫不同背壓下噴霧貫穿距和噴霧角隨低沸點(diǎn)燃油比例的變化

綜上，向高沸點(diǎn)燃油中添加低沸點(diǎn)燃料能夠顯著改變混合燃料的噴霧形態(tài)，低沸點(diǎn)燃油能夠有效帶動(dòng)噴霧在更高背壓下達(dá)到閃沸工況，并且在高沸點(diǎn)燃料中加入40%低沸點(diǎn)燃料即可有效促使噴霧達(dá)到閃沸狀態(tài)。

3 結(jié)論

a) 不同于單一油品僅在沸點(diǎn)時(shí)沸騰產(chǎn)生餾出物，混合燃油不存在確定沸點(diǎn),而是表現(xiàn)為3段式蒸餾曲線，在一定的溫度范圍內(nèi)均沸騰餾出,并且受熱后低沸點(diǎn)燃油將優(yōu)先蒸發(fā);

b) 不同油溫下，低沸點(diǎn)燃油對(duì)噴霧閃沸均有促進(jìn)作用，油溫越高，低沸點(diǎn)燃油對(duì)噴霧的閃沸促進(jìn)效果越強(qiáng);

c) 添加低沸點(diǎn)燃油能夠有效地促使噴霧在原有不能閃沸的高背壓工況下達(dá)到閃沸，有效拓寬高壓下閃沸噴霧的應(yīng)用條件；

d) 在噴霧中添加40%異戊烷對(duì)噴霧閃沸的促進(jìn)作用比20%添加量更為明顯，但進(jìn)一步提高低沸點(diǎn)燃油比例對(duì)噴霧閃沸的促進(jìn)作用有限，因此40%是本試驗(yàn)選用燃油的最佳添加比例。

致謝：

本研究得到了上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程試驗(yàn)室的支持。

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[編輯: 李建新]

Distillation and Flash Boiling Characteristics of Two Component Blended Fuel

CHENG Siqi， XU Min, GAO Yi， WU Shengqi， DONG Xue

(National Engineering Laboratory for Automotive Electronic Control Technology, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Flash boiling was easy to happen at high fuel temperature and low ambient back pressure when direct injection was used. Flash boiling spray had an application prospect because it had short penetration and easy spray and could reduce exhaust emission and improve fuel economy. However, the application of turbocharger led to difficult flash boiling due to the increase of intake pressure. In view of this phenomenon, it was proposed to promote the flash boiling spray by adding the low boiling fuel to the high boiling fuel after studying the mixed fuel distillation characteristics. Test fuels were a series of blended fuel which was composed of the low boiling point fuel like isopentane and the high boiling fuel like n-undecane and their distillation characteristics were studied through the distillation test. Finally, the morphology changes of mixed fuel were studied by taking the Mie scattering diagram of fuel spray at different fuel temperatures and environmental back pressures inside constant volume bomb. The results show that the mixed fuel cannot be boiled to produce distillate at one boiling point like single fuel but in a certain temperature range. It is a three-stage distillation curve. The low boiling point fuel first produces during the distillation because of its evaporation. The macroscopic measurement results show that the method can realize the flash boiling state at high back pressure and 40% volume fraction is the best adding proportion. Besides, adding low boiling fuel to higher temperature fuel is beneficial to flash boiling.

gasoline engine; flash boiling spray; blended fuel; distillation

2016-12-06;

2017-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376119/E060502)

程似騏(1990—)，男，碩士，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的研究；robertchlykk@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.001

TK411.12

B

1001-2222(2017)02-0001-06