高東志，郭 勇，王鳳濱，付鐵強(qiáng)

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

前言

SI發(fā)動機(jī)小型化和燃料的多樣化是近年來的研究熱點(diǎn)。小型化發(fā)動機(jī)可得到較高的熱效率和較低的CO2排放。直噴技術(shù)具有燃油計量精確、允許發(fā)動機(jī)使用高的壓縮比和燃油經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小型化SI發(fā)動機(jī)[1-2]。同時產(chǎn)生了不同的噴油策略，例如壁面引導(dǎo)、氣流引導(dǎo)和噴霧引導(dǎo)。噴霧引導(dǎo)模式能夠使火花塞附近產(chǎn)生富油區(qū)，形成良好的分層稀薄燃燒；也可形成均質(zhì)混合氣，達(dá)到較好的燃燒效率[3-5]。因此，這對噴霧形態(tài)要求非常嚴(yán)格并且空氣-燃油混合氣的形成在不同的發(fā)動機(jī)工況。例如，在低負(fù)荷時早噴，以形成均質(zhì)混合氣，缸內(nèi)環(huán)境壓力為20kPa左右；晚噴形成分層混合氣時，缸內(nèi)壓力在50kPa左右；在高進(jìn)氣增壓的條件下，缸內(nèi)壓力可以達(dá)到1MPa左右[6]。另外，燃油溫度范圍可以是冷起動時的293K，直到高負(fù)荷連續(xù)工況下的393K。這使得噴霧條件復(fù)雜，若發(fā)生噴霧碰壁，則會導(dǎo)致碳煙和未燃碳?xì)渑欧诺脑黾?。另一方面，在DISI發(fā)動機(jī)低負(fù)荷-早噴策略下，會形成閃急沸騰現(xiàn)象，由于相變使燃油的霧化機(jī)理和噴霧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大變化。油束沿軸線方向塌縮，劇烈閃沸時，使得噴霧貫穿距增長，導(dǎo)致濕壁現(xiàn)象，并且偏離沿噴孔的初始設(shè)計方向。因此，為了達(dá)到高效和清潔燃燒過程，不同條件下的直噴噴霧特性需要進(jìn)一步的研究。

另一方面，生物質(zhì)替代燃料由于具有可持續(xù)性和降低CO2排放的優(yōu)點(diǎn)，在SI發(fā)動機(jī)研究中也變得非常重要。醇類生物質(zhì)燃料具有生產(chǎn)程序簡單、高辛烷值、高蒸發(fā)潛熱和低摻比下不需要改變原有的燃油供給系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用(E5應(yīng)用于英國，E10應(yīng)用于德國，E25應(yīng)用于巴西)。但是在高摻比(E85，E100)和冷起動時，由于其較低的能量密度和較高的蒸發(fā)潛熱，存在不足。因此，這就需要尋找更加高效的替代燃料。呋喃類燃料由于其生產(chǎn)工藝的突破得到了廣泛的關(guān)注[7-8]，其低熱值及密度更加接近汽油；蒸發(fā)潛熱低于乙醇，有利于發(fā)動機(jī)的冷起動。另一方面，MF沸點(diǎn)較低，有利于燃油的霧化，燃料特性參見表1。在發(fā)動機(jī)性能方面已經(jīng)吸引了很多學(xué)者的研究。衛(wèi)海橋等[9]在單缸四沖程SI發(fā)動機(jī)中對M10燃燒和排放性能進(jìn)行了研究，得出M10的輸出轉(zhuǎn)矩和有效功率較E10略有增加，HC和CO排放較汽油更低。MATTHIAS T等[10]在直噴單缸機(jī)上對MF進(jìn)行噴霧及發(fā)動機(jī)性能試驗研究，結(jié)果表明MF較乙醇蒸發(fā)更快；與傳統(tǒng)燃料相比，HC排放降低約61%；相較于RON95汽油，具有更好的抗爆震性能。以上表明MF相較于乙醇是更具有潛力的生物質(zhì)替代燃料。但是其與汽油摻混燃料的噴霧特性研究不足。

因此，本文中采用多孔直噴噴油器對MF-汽油摻混燃料和汽油噴霧特性進(jìn)行研究。通過改變?nèi)加蜏囟群铜h(huán)境背壓，在定容燃燒彈中結(jié)合高速紋影技術(shù)得到不同工況的噴霧特性，包括噴霧形態(tài)、噴霧貫穿距、噴霧錐角和噴霧面積。本研究為MF-汽油摻混燃料的噴霧基礎(chǔ)研究，可為其在DISI發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用提供借鑒。

表1 燃料特性[11]

1 試驗裝置與研究方法

1.1 試驗設(shè)備和條件

本試驗在定容燃燒彈試驗臺架上進(jìn)行，如圖1所示。臺架包括6部分：定容燃燒彈本體、噴油系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、紋影成像系統(tǒng)和高速攝像機(jī)。定容燃燒彈本體安裝有兩個相對的觀察窗，可供紋影測量光路通過，窗口為圓形，直徑為8cm，容彈體積為 2.32L。彈體承受最高壓力為10MPa。噴油系統(tǒng)由自行開發(fā)的電控單元控制，可靈活調(diào)節(jié)軌壓和噴油量，精確控制當(dāng)量比。燃油溫度由加熱帶提供，并由電磁繼電器控制。高速攝像機(jī)(Photron FASTCAM SA5)由5V電壓觸發(fā)，與噴油信號同步，拍攝速率為20 000幀/s(512×512像素)。進(jìn)排氣系統(tǒng)分別安裝在燃燒室的兩端，距離較遠(yuǎn)，便于掃清燃燒室內(nèi)的廢氣。反射式紋影系統(tǒng)采用典型的Z型布置，結(jié)合高速攝像機(jī)，實現(xiàn)燃燒室內(nèi)噴霧圖像的采集。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗條件如表2所示，采用3種不同的燃油溫度(293，323 和 353K)，7 種不同的環(huán)境背壓(30，80，200，350，600，850 和 1 100kPa)，噴油壓力穩(wěn)定在10MPa，噴油持續(xù)期為3ms。所用燃料為標(biāo)準(zhǔn)的商用95號辛烷值汽油和摻混燃料M20(20%的2-甲基呋喃摻混80%的汽油，按照體積比)，M40。

表2 試驗條件

1.2 噴霧圖像處理

噴霧輪廓、噴霧貫穿距、噴霧錐角和噴霧橫截面積是用來表征噴霧結(jié)構(gòu)的宏觀參數(shù)。本研究中這些參數(shù)由自編的MATLAB程序獲得。通過設(shè)定閾值定義噴霧的邊界。依次通過膨脹、填充和腐蝕獲得噴霧形狀。然后，定義原點(diǎn)在噴嘴的頂端以及窗口直徑的大小，將噴霧照片的像素值轉(zhuǎn)化為長度值。根據(jù)SAE—J2715標(biāo)準(zhǔn)[12]，定義距離噴嘴5和15mm兩條直線與油束外輪廓交點(diǎn)連成的線段AC和BD之間的夾角為噴霧錐角；定義噴嘴在豎直方向上與油束最遠(yuǎn)端的距離為噴霧貫穿距。最后，定義強(qiáng)度大于400的像素點(diǎn)的面積為噴霧面積。圖2給出了圖像處理和參數(shù)定義的示意圖。

圖2 圖像處理和參數(shù)定義

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 噴霧形態(tài)

圖3為汽油和M40在1ms ASOI(after start of injection)的噴霧圖片。燃油溫度為293，323和353K，環(huán)境壓力范圍30～1 100kPa?？傮w上，對于同一種燃料，噴霧貫穿距隨著燃油溫度的增加而減小。隨著噴霧的發(fā)展，由于油束與空氣的相互作用，液態(tài)油束不斷地破碎并且減速。隨著燃油溫度的升高，增加了液滴與空氣分子之間的能量交換，并加速液態(tài)油霧的破碎和蒸發(fā)，導(dǎo)致噴霧貫穿距減小。在30和80kPa時，不同程度的閃急沸騰現(xiàn)象發(fā)生，而在環(huán)境壓力為200～1 100kPa范圍內(nèi)，沒有發(fā)生閃沸現(xiàn)象。比較汽油和M40的噴霧形態(tài)，可以看出兩者較為接近。在低壓下，閃沸發(fā)生，M40油束向噴孔軸線方向收縮更加劇烈，使噴霧前端較汽油減小。這導(dǎo)致M40噴霧貫穿距較汽油略有增加。尤其是在環(huán)境背壓30kPa，燃油溫度323和353K時，M40的噴霧體較汽油形成更細(xì)的柱狀噴霧。這表明，低沸點(diǎn)燃料MF的摻入，在較高燃油溫度下閃急沸騰現(xiàn)象加強(qiáng)，這使得噴霧收縮加劇且貫穿距增加。比較環(huán)境壓力200kPa以后的圖像，在相同的條件下，M40的噴霧貫穿距略小于汽油。這可以歸結(jié)為低沸點(diǎn)燃料的摻入導(dǎo)致蒸發(fā)作用加劇。

2.2 噴霧貫穿距

圖3 汽油和M40在不同環(huán)境背壓和燃油溫度下的噴霧圖片(1ms ASOI)

圖4為噴霧貫穿距隨著噴油時間的量化關(guān)系。在噴霧發(fā)展0.5ms以內(nèi)，噴霧貫穿距隨時間幾乎呈線性，貫穿速度可達(dá)57m/s左右，隨著時間的增加(噴霧的發(fā)展)，噴霧貫穿速度逐漸下降；當(dāng)發(fā)生閃沸以及較低環(huán)境背壓下，噴霧貫穿速度隨時間減小的趨勢減弱。由圖4可見，在未發(fā)生閃沸現(xiàn)象時(200，350，600，850 和 1 100kPa)噴霧貫穿距隨環(huán)境背壓的增加而減小。且相同的條件下，M40的噴霧貫穿距較汽油略小。這是因為隨著MF的摻入，油束前端液體的蒸發(fā)現(xiàn)象加強(qiáng)。當(dāng)發(fā)生閃急沸騰現(xiàn)象時，噴霧的發(fā)展趨勢與未發(fā)生閃沸時有所不同。當(dāng)環(huán)境背壓為30，80kPa時，各噴霧均發(fā)生了不同程度的閃沸，噴霧貫穿距隨著壓力的降低先減小后增大。并且在相同的條件下，M40的噴霧貫穿距較汽油略大?？梢越忉尀椋?dāng)開始發(fā)生閃沸現(xiàn)象時(80kPa)，燃油內(nèi)部發(fā)生微爆現(xiàn)象，使液滴粒徑減小，噴霧各油束膨脹并發(fā)生重疊，噴霧前端與空氣的相互作用加劇，動量減小，使噴霧貫穿距以及貫穿速度減小(這是由于此時噴霧前端兩側(cè)出現(xiàn)大尺度的渦旋結(jié)構(gòu)，將前端的油滴向上卷吸，從而減弱了向前的貫穿動量)。當(dāng)環(huán)境背壓進(jìn)一步降低為30kPa時，噴霧貫穿距又呈現(xiàn)出增加的趨勢，表明當(dāng)發(fā)生劇烈閃沸時，噴霧前端急劇收縮，減小了與空氣的作用面積，受到空氣阻力減小，噴霧貫穿距及貫穿速度增加。當(dāng)燃料中摻入MF時，這種現(xiàn)象更加明顯。這是由于MF的加入，導(dǎo)致燃料中低沸點(diǎn)成分增加，在相同的條件下，與汽油相比發(fā)生閃沸程度劇烈，噴霧收縮使前端更窄，阻力減小，使貫穿距略有增加。燃料相同，溫度由293升高到353K時，不論是否發(fā)生閃沸，噴霧貫穿距均有所下降，這與圖3顯示的結(jié)果類似。但是發(fā)生閃沸時，噴霧貫穿距下降的趨勢更加明顯，這是由于閃沸發(fā)生導(dǎo)致液滴粒徑更小，溫度升高時，油束前端的小液滴更容易蒸發(fā)，使噴霧貫穿距減小程度增加。

2.3 噴霧錐角和噴霧面積

圖4 不同環(huán)境背壓和燃油溫度下汽油和M40的噴霧貫穿距隨時間的變化

圖5 汽油、M20和M40在不同環(huán)境背壓(30，80，350，600和850kPa)下的噴霧錐角(1ms ASOI)

圖5為 3種燃料(汽油，M20，M40)噴油發(fā)展1ms的噴霧錐角，在 5種環(huán)境背壓下(30，80，350，600和850kPa)隨燃油溫度的變化關(guān)系。發(fā)生閃沸時(30，80kPa)，噴霧錐角較未閃沸時偏大。并且隨著閃沸程度的增加(隨著環(huán)境背壓的減小)，噴霧錐角略有增大；在較低壓力350kPa時，噴霧錐角受燃油溫度和燃料種類的影響不顯著；在環(huán)境壓力為600和850kPa時，同種燃料噴霧錐角隨溫度的增加而增加，并且隨著MF摻比的增加，這種趨勢更加明顯；在相同溫度下，隨著摻比的增加，噴霧錐角增加。這表明隨著環(huán)境背壓的增加，噴霧油束所受到的空氣阻力越大，噴霧沿軸線方向的貫穿速度越小，后面噴出的燃油還在不斷地補(bǔ)充到前面噴出的燃油中，導(dǎo)致油束堆積，并向周圍擴(kuò)散，使噴霧錐角變大。而燃油溫度的升高和MF摻比的增加，有利于燃料的霧化，使得噴霧錐角增加。在過渡閃沸階段80kPa時，相同溫度下，M40的噴霧錐角略小于M20，且隨溫度的增加而略有減小。這可以解釋為，低沸點(diǎn)燃料的摻入，使油束外圍的蒸發(fā)作用加劇，從而減小了噴霧錐角。

圖6為 3種燃料(汽油，M20，M40)噴油發(fā)展1ms的噴霧面積，在 5種環(huán)境背壓下(30，80，350，600和850kPa)隨燃油溫度的變化關(guān)系。從總體上比較5幅圖可知，隨著環(huán)境背壓的增加，噴霧面積是減小的。低壓下(30，80kPa)，燃料發(fā)生閃急沸騰，摻比增加，相同條件下的噴霧面積增加；噴霧面積隨溫度幾乎成線性下降的關(guān)系。當(dāng)環(huán)境壓力為350kPa時，圖中曲線相近，燃料成分對噴霧面積的影響不大。當(dāng)壓力升高到600和850kPa時，在相同條件下，噴霧面積隨摻比的增加而略有增加；噴霧面積隨著燃油溫度的增加先增加后減小。這是由于低沸點(diǎn)燃料的摻入，使霧化作用加強(qiáng)，噴霧面積增加。另一方面，由于環(huán)境溫度升高，使燃料黏性降低，使噴霧面積增加，當(dāng)溫度進(jìn)一步增加到353K時，表面蒸發(fā)作用表現(xiàn)的更加明顯，又使得噴霧面積減小。

圖6 汽油、M20和M40在不同環(huán)境背壓(30，80，350，600和850kPa)下的噴霧面積(1ms ASOI)

3 結(jié)論

本研究表明存在閃急沸騰和非閃急沸騰兩種噴霧形態(tài)。

(1)當(dāng)閃沸發(fā)生時，隨著MF摻比的增加，閃沸現(xiàn)象加劇并使得噴霧前端塌縮嚴(yán)重，噴霧貫穿距增加。隨著環(huán)境背壓的降低，貫穿距先減小后增加。噴霧錐角較未閃沸時增加，噴霧面積隨著MF摻比的增加而增加并且與燃油溫度呈負(fù)相關(guān)。

(2)當(dāng)沒有發(fā)生閃沸時，隨著MF摻比的增加，噴霧貫穿距減??；當(dāng)環(huán)境背壓為600和850kPa時，同種燃料噴霧錐角隨著燃油溫度的增加而增加。另一方面，相同燃油溫度下，隨著MF摻比的增加噴霧面積略有增加。