醇类-汽油固体喷油的喷雾特性

醇类-汽油固体喷油的喷雾特性

与传统的燃油喷射式汽油相比，液体管道廖的技术在提高汽油车的燃料效率、及时响应、精确控制和减少污染方面具有很大优势。石油是不可再生资源.其供应和价格高低受到许多不确定因素的影响.因此,从能源安全考虑,寻求可再生的替代燃料,以降低发动机对石油燃料的依赖,减少石油燃料消耗,并利用生物燃料降低发动机的有害排放物.增压、可变气门控制机构和小型强化等技术在降低GDI发动机CO目前,汽油机上使用的生物燃料主要是生物乙醇.生物丁醇(正丁醇)是一种可以生物降解的发动机可再生燃料,可由农作物转化的糖、淀粉、木质纤维素等经发酵制备出来,而且与汽油互溶,体积能量密度高于乙醇.因此,生物丁醇成为第2代生物燃料.由于生物乙醇和生物丁醇的物理特性不同于汽油,直喷汽油机使用生物乙醇-汽油和生物丁醇-汽油混合燃料时,其喷雾特性将发生变化.为此,在定容燃烧弹中模拟缸内直喷汽油机喷油时的环境压力,利用纹影测量方法,研究多孔喷油器使用不同醇类-汽油混合燃料时的喷雾特性,指导GDI发动机燃烧系统的开发和喷油策略的制定.1喷雾图像的拍摄方法GDI发动机多孔喷油器喷雾特性测试系统如图1所示.测试系统主要包括控制用计算机、定容燃烧弹、燃料供给系统、喷油与拍摄同步触发控制电路、纹影测试光路、PhotronFastcamSA5型高速摄像机、背压调节系统和真空抽气系统等.供油系统由低压油路和直喷汽油机专用高压油路组成.高压汽油泵由电机拖动,并将低压燃油加压后送入高压油轨中.试验所需的喷油压力大小由安装在高压共轨上的限压阀调节.为了减小高压油管中压力波动对喷雾特性的影响,直接把高压油轨连接到喷油器进油端.为了兼顾拍摄频率和图像的分辨率,试验时高速摄像机的拍摄频率为10,000帧/s,这样每幅图像的像素点为896×848,相邻两幅图像之间的时间间隔为0.1,ms.为了减小喷油过程中喷雾图像的随机误差,每一个试验点拍摄了15次,然后利用自编的Matlab图像处理程序,对喷油过程中同一时刻的15个喷雾图片进行平均,再用平均后的喷雾图片计算喷雾锥角和贯穿距离,供分析.试验所用6孔喷油器油束的空间角分布如图2所示.为了尽可能地获得喷油器各个油束的喷雾特性,在喷雾图像拍摄时,选择了正面拍摄喷雾图像方案.油束1和6处于同一个竖直面内,而且在拍摄面内重叠.由于油束1处于垂直位置,因此,在喷雾图像当中只能看见5个油束.为了建立喷雾与喷油率之间的对应关系,根据Zeuch方法,测试了不同燃料的瞬时喷油率式中:m为瞬时喷油率;ρ为燃油密度;p为密闭容器内的瞬时压力;V为密闭容器容积;K为燃料体积弹性系数.对式(1)积分就可以计算得到V/K值.喷油器瞬时喷油规律测试装置主要包括控制用计算机、燃料供给系统、密闭容器、密闭容器内压力采集、喷油总量计量和喷油器喷油控制系统等.试验用基础燃料为93号汽油(G100),其他混合燃料为体积分数为10%乙醇和90%汽油的混合燃料(E10)、体积分数为30%乙醇和70%汽油的混合燃料(E30)、体积分数为10%正丁醇和90%汽油的混合燃料(B10)和体积分数为30%正丁醇和70%汽油的混合燃料(B30).试验用混合燃料均为现场配置.试验用乙醇、正丁醇和汽油的特性试验时,定容燃烧弹内的温度为18,℃.用高压氮气瓶向定容燃烧弹内加压的方法调整喷雾背压.2试验结果与分析2.1醇类-汽油混合燃料的特性图3给出了喷油脉宽为2,ms,使用不同燃料时,喷油压力p可以看出,随着喷油压力的提高,喷油器开启初期的喷油速率上升速率逐渐增大,而且高的喷油压力对应大的瞬时喷油率,这是因为在高的喷油压力下,流过喷油器的瞬时速度大,在单位时间内喷出的燃油量增加.在喷油器完全开启后,瞬时喷油率也有不同的特点.在喷油压力为5,MPa时,醇类-汽油混合燃料的喷油率波动较小且比较接近.这说明在较低的喷油压力时,燃料物理特性差异对瞬时喷油率变化的影响较小.但随着喷油压力提高,喷油压力大小对不同燃料瞬时喷油率的影响逐步加大,而且瞬时喷油率波动性变大.在喷油过程中,喷油器入口处的油压波动也会影响瞬时喷油率.当然,高压油轨中的压力膨胀波与反射波受到不同燃料弹性模量的影响.从图3还可以看出,使用不同燃料时,喷油器进油端的压力稍有波动,但油压波动的频率低于瞬时喷油率,这说明喷油器出口处的流动特性差异是各种燃料瞬时喷油率变化的主要原因.图4给出了不同燃料单次喷油量随着喷油压力的变化趋势.在喷油压力为5,MPa时,各种燃料的单次喷油量非常接近,但随着喷油压力的提高,醇类-汽油混合燃料的质量和体积均大于汽油.对比图3可以看出,在高的喷油压力下,汽油的瞬时喷油率变化大于其他混合燃料,使得其单次喷油量较少.此外,随着醇类燃料混合比例的增加,单次喷油质量和体积均大于汽油,这是因为提高醇类燃料的混合比例,混合燃料的密度会逐渐增大.虽然测得同比例的乙醇-汽油混合燃料密度稍大于正丁醇-汽油混合燃料,但是前者的喷油体积和质量均大于后者,这说明除了燃料密度不同的影响外,单次喷油量还受到喷油压力变化、燃料黏度等的影响.2.2醇类-汽油混合燃料特性在定容燃烧弹内研究了喷油背压对醇类-汽油混合燃料的喷雾特性影响.为了使试验结果与真实发动机喷油时缸内压力大小有可比性,分别选取了喷油背压为0.1,MPa、0.5,MPa和0.8,MPa,以模拟实际GDI发动机在进气过程中喷油和在小负荷工况下压缩过程后期喷油以形成分层混合气,此时喷油脉宽为1,ms,喷油压力为15,MPa.同时,还研究了不同喷油压力下,喷油脉宽为2,ms时醇类-汽油混合燃料的喷雾特性,以模拟实际GDI发动机中等负荷时形成均质混合气时的喷油背压状态.2.2.1喷雾锥角定义为了便于分析喷雾特性,引入了喷雾锥角和喷雾贯穿距离,如图5所示.为了兼顾喷油初期与后期喷雾特性评价,同时避开喷雾前端外侧廓线向内弯曲区域,定义喷雾锥角为喷雾图片中喷孔下方5.5,mm处的水平线与整个喷雾图像最外侧油束外廓线两个交点与喷孔端点连线之间的夹角.由于所用的喷油器是多孔的,除了图2中喷孔1与图像拍摄平面垂直外,其余喷孔均与图像拍摄平面呈一定的空间夹角,所以这些喷孔形成的油束的贯穿度均小于喷孔1的贯穿距离.因此,定义贯穿距离为在喷雾图片中,从喷油器上喷孔1出口点到油束1前端的最大距离.2.2.2醇类-汽油混合燃料喷雾的特性为了建立喷雾与喷油率测量时间的对应关系,高速摄像机以喷油信号发出的上升沿为触发点,此时作为喷雾图像的0时刻,此后的喷雾图像用喷油后时刻表示.利用自编的Matlab图像处理程序,先把15个同一试验条件下同一时刻获得的喷雾图像进行平均,供计算喷雾锥角和贯穿度用,同时去掉可视化窗口外不可视黑色区域和背景颜色.喷雾图像处理流程如图6所示.图7给出了喷油压力为15,MPa,定容燃烧弹内背压不同时,醇类-汽油混合燃料的喷雾发展对比图.图中每一幅图像是同一试验条件下喷油后同一时刻15个单次喷雾图像的平均值图.可以看出,电控系统发出喷油信号0.4,ms后,均拍摄到了各种醇类-汽油混合燃料的第1幅喷雾图像,这与喷油率测试时喷油器延迟时间相吻合.而且在同样的喷油背压条件下,醇类-汽油混合燃料和汽油的喷雾发展形式非常相似.随着定容燃烧弹内的背压增加,喷雾更加集中在喷油器附近.定容燃烧弹内的背压提高时,周围介质密度增大,燃油破碎时油滴与周围介质的动量交换增大背压为0.1,MPa,喷油后0.4,ms时,B30燃料的喷雾形状要小于其他4种燃料,背压为0.8,MPa时此现象更为明显.B30的黏度高于其他4种燃料,燃料的破碎能力减小会使燃料喷雾更加集中在喷油器喷孔中心线附近.而且B30燃油稍晚喷出也会影响喷雾发展.Serras-Pereira等图8给出了喷油压力为15,MPa,背压p图9给出了喷油压力为15,MPa,不同喷油背压下醇类-汽油混合燃料喷雾的贯穿距离的变化趋势.可以看出,在高、低背压下,乙醇-汽油混合燃料和B10的贯穿距离与汽油非常接近,而B30在背压为0.1,MPa时,贯穿距离小于G100,背压为0.8,MPa时,这种现象更为明显.这与图7中喷油后0.4,ms时,B30的喷雾形状小于其他4种燃料的现象吻合.这说明提高背压时,黏度高的燃料在喷孔内的流动阻力增加,初始喷射速度减小,喷出的燃油在相同时间内的运行距离下降,贯穿距离也随之下降.还可以看出,在喷油初期,即喷油后0.4~0.6,ms,喷油背压对喷雾贯穿度影响不大.随着喷油过程的进行,喷油背压大时贯穿距离明显减小.喷油背压大,意味着喷孔前后的压力差变小,对于同一种燃料,其喷出的燃油流动速度减小.由于喷油后期,即喷油0.6,ms后,低背压条件下的喷雾贯穿距离增长速度明显高于高背压条件下的值,这说明喷雾与周围介质的动量交换在高背压条件下对减少贯穿距离有较大的作用.在喷油0.6,ms后,背压从0.1,MPa提高到0.5,MPa时喷雾贯穿距离的变化量大于从0.5,MPa提高到0.8,MPa时,这说明高背压条件下,周围介质与燃油的动量交换大,燃料向前运动的速度减慢了.2.2.3醇类-汽油混合燃料单次喷射图的形态前面讨论了同一试验条件下多次喷油后同一时刻平均喷雾图像获得的喷雾锥角和贯穿距离.实际上,喷油过程是一个随机过程,它受高压油轨中燃油压力波动,喷油器开启一致性的影响.这就导致不同喷油过程中同一时刻喷雾图像形状的差异.图10给出了背压为0.1,MPa,喷油脉宽为2,ms,同一时刻,不同喷油压力下醇类-汽油混合燃料15组单次喷油平均喷雾图和随机抽取的3个单次喷雾对比图.从图10可知看出,在不同的喷油压力下,醇类-汽油混合燃料的喷雾一致性受到喷油压力的影响较大,燃料不同也会改变单个油束的形态.当喷油压力为5,MPa时,醇类-汽油混合燃料单次喷雾图之间,以及单次喷射图与平均后的喷雾图非常相近.喷油压力提高到10,MPa和15,MPa时,不同单次喷雾图之间、单次喷雾图与平均后喷雾图在油束对称性、单个油束之间的相互作用、油束前端和油束外侧雾化上的差别有所增大.当喷油压力提高时,喷孔内的空化作用和湍流流动增强,使单个油束受其扰动增大.另外,高压下喷出的油束流动速度大,油束表面受气体的剪切作用力增强.在这两个因素作用下,各个油束的形态出现差异,并在左右两侧单个油束的前端形成向上翻卷的油雾区.随着喷油压力增大,这种现象更加明显.当油束的某个位置出现大的波动时,脱离单个油束中心的那部分燃油就破碎成更小的油滴.当然,由于单次喷油过程的随机性,平均后的喷雾图像与单次喷雾图像之间存在一定的差异.对于喷油压力为10,MPa和15,MPa的平均喷雾图来说,最外侧油束保持了很好的连续性,然而单次喷雾图的最外侧油束的前端在某情况下出现了断裂(图10中用虚线圆圈表示)现象.喷油压力为10,MPa时,B30的平均图像最外侧油束保持较好的直线性,而E30和G100的最外侧油束末尾均有所弯曲,这是燃料不同的物理特性所决定的.还可以看到,使用不同燃料时,单个油束的形态也有一定的差异.主要表现在:B30的燃油主要集中在单个油束的中心线附近,E30的燃油分布面积比B30大,而G100的燃油分布面积最大,而且这种燃油分布差异随着喷油压力的提高而加大.这说明汽油的破碎能力高于E30,B30破碎能力最差.因此,使用B30燃料时,需要采取措施以提高它的雾化及其与空气的混合能力.3喷雾特性分析(1)随着喷油压力的提高,醇类-汽油混合燃料的单次喷油质量和单次喷油体积均增加,而且其对应值均大于汽油.乙醇-汽油混合燃料的单次喷油质量和单次喷油体积均大于正丁醇-汽油混合燃料.此外,随着喷油压力的提高,醇类-汽油混合燃料的喷油率波动性增大.(2)喷雾特性依赖于燃料种类与喷油条件.随着喷油压力的提高,喷雾贯穿距离提高;随着喷油背压的增加,喷雾贯穿距离减小.在喷油后0.6,ms之前,不同燃料对喷雾贯穿距离影响较小,但对喷雾锥角影响较大,而且背压也会改变喷雾锥角的