乙醇圓柱射流霧化破碎過程的PIV試驗研究

姚春德 侯亞幫 賈麗冬，2 劉軍恒 魏立江

1.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津，300072 2.洛陽理工學院，洛陽，471023

0 引言

當前，石油能源安全已經構成經濟發展的重要瓶頸［1］，清潔替代燃料的研究已成為發動機研究的一個主要方面。燃料乙醇在柴油機上的應用由來已久，大量研究表明［2－7］，在柴油機進氣管中噴射乙醇在不降低原機動力性和經濟性的基礎上，能夠大幅度降低發動機的NOx和微粒（PM）的排放，加裝氧化催化轉化器后，HC和CO得到了大幅度降低，微粒（PM）也進一步減少。

在增壓中冷柴油機進氣管噴射乙醇的試驗中發現，進氣管的壓力對進氣管乙醇的噴射產生了較大影響，尤其在大負荷工況下進氣管壓力對乙醇噴射影響更大，此時控制單元即使下達乙醇噴射指令，乙醇噴射量也難以提升。增壓柴油機在100%負荷時進氣管進氣平均壓力范圍一般為0.236～0.322MPa，在25%負荷時進氣平均壓力范圍為0.123～0.185MPa［8］。之前大部分研究都集中在進氣管預混乙醇的柴油／乙醇組合燃燒對柴油機動力性、經濟性和排放特性影響方面，而對乙醇在進氣管環境中的噴射特性研究甚少，因此有必要深入研究乙醇在進氣管內的圓柱射流特性，以便完善進氣管預混乙醇的柴油機柴油／乙醇雙燃料燃燒理論，更好地為乙醇在柴油機上的廣泛應用提供理論基礎。本文采用定容彈模擬增壓中冷柴油機的進氣管環境，利用PIV（particle image velocimetry）測試系統開展了乙醇圓柱射流霧化特性的研究，研究包括不同容彈背壓、溫度下的乙醇圓柱射流發展過程以及圓柱射流特性，得到不同背壓、溫度下乙醇圓柱射流貫穿距離、射流錐角的變化規律。

1 試驗裝置和試驗方法

試驗裝置如圖1所示，包括噴霧容彈系統、電控乙醇噴射系統和PIV激光測試系統三部分。

噴霧容彈公稱直徑為150mm，可視部分直徑為150mm。噴霧容彈的結構如圖2所示。噴霧容彈筒體呈T字形，有3個石英玻璃窗口，其中兩個窗口在一條軸線上，第3個窗口布置在前面兩個窗口軸線的垂直平分線上，形成窗口在同一軸線和窗口相互垂直的兩條光路，試驗時可以根據需要選用合適的光路。噴霧容彈的工作壓力1.0MPa，使用直徑3mm的金屬管從高壓氮氣瓶中取氣，經過進氣閥調節氮氣流量，通過容彈上的壓力表進行觀測并決定進氣閥是否關閉。噴霧容彈的最高工作溫度為100℃，容彈周邊的加熱帶對其進行加熱，并使用溫度控制儀表進行恒溫控制。

圖1 乙醇圓柱射流試驗裝置示意圖

圖2 噴霧容彈結構圖

電控乙醇噴射系統使用自制的單片機進行控制，下達指令給噴嘴驅動器來決定噴油器是否開始工作。乙醇噴射器固定在噴霧容彈上部，噴射壓力由限壓閥控制，限壓閥能夠保證醇軌內部壓力與容彈內壓力始終有0.35MPa的壓差。電控乙醇噴射系統使用的是博世單孔噴油器。

PIV系統采用DANTEC公司的TR－PIV，由激光器、CCD相機和PIV主機及處理軟件組成。PIV系統的主要參數見表1。測量系統觸發激光器產生激光，通過光學組鏡產生出平面激光照亮噴霧，同時由CCD相機記錄下照片，保存在計算機中。噴嘴、激光和相機的觸發時間由可控定時單元（PTU）控制，從而實現同步。

表1 PIV系統參數表

2 試驗內容

乙醇圓柱噴射射流特性試驗模擬增壓中冷柴油機進氣道噴射乙醇的情況。具體測試點見表2。

表2 乙醇圓柱射流試驗的測試點

3 試驗結果及分析

3.1 容彈背壓、容彈溫度和噴射脈寬對乙醇圓柱射流發展過程的影響

試驗獲得了各個測試點的乙醇圓柱噴射射流圖像，對射流的發展過程和幾何形態進行了對比分析。圖3所示為容彈背壓對乙醇圓柱射流過程的影響，其容彈溫度為20℃，噴射脈寬為4ms，容彈背壓依次為0、0.1MPa和0.3MPa。由圖3可知，容彈背壓為0時乙醇圓柱射流前鋒以較大的速度向前發展，圓柱射流核心區在0.5～1.0ms之間的某個時刻發生斷裂，射流前鋒和邊緣發生破碎形成液滴。隨著背壓的升高，乙醇圓柱射流前鋒運動速度變慢，射流核心區發生斷裂的時刻推遲，射流邊緣與周圍氣體之間的相互作用增強，動量交換增大，卷吸作用加強，整體來看隨著背壓的升高，乙醇圓柱射流的霧化破碎過程變得劇烈。

圖4所示為容彈溫度對乙醇圓柱射流過程的影響，其中容彈背壓為0.3MPa，噴射脈寬為4ms，容彈溫度分別為20℃和60℃。由圖4可知，容彈溫度由20℃變成60℃時，由于介質氣體密度減小，對乙醇圓柱射流前鋒運動的阻力減小，此時射流前鋒運動比20℃略有增加，60℃下的乙醇射流邊緣蒸發加劇，蒸發使液滴直徑變小，有利于乙醇霧化。圖5所示為噴射脈寬對乙醇圓柱射流過程的影響，其中容彈背壓為0.1MPa，容彈溫度為60℃，噴射脈寬依次為4ms、8ms和12ms。由圖5可知，不同噴射脈寬下乙醇圓柱射流形狀差別不大，然而，隨著脈寬的增大，可以看出乙醇圓柱射流出口處較大速度的射流“追趕”碰撞破碎霧化的射流前鋒，從而形成大直徑的液滴，使乙醇霧化破碎變得困難。因此在進氣管噴射乙醇，噴醇量一定時，可以通過較小脈寬多次噴射來加快乙醇的霧化。

圖3 容彈背壓對乙醇圓柱射流過程的影響（容彈溫度20℃，噴射脈寬4ms）

圖4 溫度對乙醇圓柱射流過程的影響（容彈背壓0.3MPa，噴射脈寬4ms）

3.2 容彈背壓、容彈溫度和噴射脈寬對乙醇圓柱射流貫穿距離的影響

圖6、圖7所示分別為容彈背壓、N2密度對乙醇圓柱射流貫穿距離的影響。其工況為：容彈溫度為60℃，噴射脈寬為8ms，容彈背壓分別為0、0.05MPa、0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa。由圖6可知，在噴射開始后的0.5～2.5ms內，圓柱射流貫穿距離隨著時間的增加而增大，增長速度逐漸變小，而非線性增長。隨著容彈背壓升高，同時刻的貫穿距離變小。這是因為容彈背壓升高，容彈內氣體密度增大，對圓柱射流的阻力增大，導致射流速度降低。文獻［9－10］總結的貫穿距離經驗公式表明，噴射貫穿距離S與噴射壓力和容彈內部壓力之差Δp正相關，與介質密度ρa反相關。容彈背壓升高，Δp減小，介質密度ρa增大，故噴射貫穿距離S減小。S的表達式如下：

圖5 噴射脈寬對乙醇圓柱射流過程的影響（容彈背壓0.1MPa，容彈溫度60℃）

式中，c為速度系數；ρl為液體燃料密度；t為噴射時間；tb為分裂時間；α為系數，與噴孔長度及噴孔入口倒圓半徑有關；D為噴孔直徑。

圖6 背壓對乙醇圓柱射流貫穿距離的影響（容彈溫度60℃，噴射脈寬8ms）

圖8所示為容彈溫度對乙醇圓噴射射流的影響。其工況為：容彈背壓為0和0.3MPa，噴射脈寬為4ms，容彈溫度分別為20℃和60℃。由圖8可知，當容彈溫度由20℃變為60℃時，容彈背壓為0和0.3MPa的乙醇圓柱射流貫穿距離都增大。在乙醇噴射后的相同時刻，可以看出貫穿距離從高到低的工況依次為容彈背壓0、容彈溫度60℃，容彈背壓0、容彈溫度20℃，容彈背壓0.3MPa、容彈溫度60℃，容彈背壓0、容彈溫度60℃。這可能是因為容彈背壓、容彈溫度的變化引起乙醇和介質N2運動黏度發生變化造成的。圖9所示為容彈背壓、容彈溫度對N2、乙醇運動黏度的影響。其中N2、乙醇的運動黏度分別用μ1、μ2表示，乙醇與N2的運動黏度比用β表示。由圖9可知，μ1隨著容彈背壓的升高逐漸變小，μ2隨著容彈背壓的升高沒有明顯變化。當容彈溫度由20℃變為60℃時，相同容彈背壓下的μ1顯著變大，μ2顯著變小，也就是說N2與乙醇的運動黏度隨著容彈溫度升高而產生相反方向的變化。同容彈溫度下乙醇與N2的運動黏度比β隨著容彈背壓的升高逐漸增大，與貫穿距離隨著容彈背壓升高逐漸減小正好相反。通過比較20℃和60℃兩個容彈溫度下的β曲線，可以發現β從低到高的工況依次為容彈背壓0、容彈溫度60℃，容彈背壓0、容彈溫度20℃，容彈背壓0.3MPa、容彈溫度60℃，容彈背壓0、容彈溫度60℃；與這些工況下的貫穿距離變化趨勢相反。作出如下猜測：貫穿距離的變化與燃料和介質氣體的運動黏度比β的變化有著密切聯系，基本呈現相反的發展趨勢。

圖7 N2密度對乙醇圓柱射流貫穿距離的影響（容彈溫度60℃，噴射脈寬8ms）

圖8 容彈溫度對乙醇圓噴射射流貫穿距離的影響（噴射脈寬4ms）

圖9 容彈背壓、容彈溫度對N2、乙醇運動黏度的影響

圖10所示為噴射脈寬對乙醇圓柱射流貫穿距離的影響。其工況為：容彈背壓0.05MPa，容彈溫度60℃，噴射脈寬分別為4ms、8ms、12ms、16ms。由圖10可知，隨著噴射脈寬的增大，相同容彈背壓、相同容彈溫度下的乙醇圓噴射射流貫穿距離略有增大，貫穿距離最大差距僅約為7.0mm，其發生在乙醇圓柱射流后2.0ms時刻。這可能是因為相同容彈背壓相同溫度下N2和乙醇的運動黏度都沒有發生變化，乙醇與N2的運動黏度比β也沒有發生變化，所以乙醇射流貫穿距離變化不大。同時由于大脈寬下乙醇圓柱射流出口速度一直較大，較大速度的射流“追趕”碰撞射流前鋒，所以大脈寬下射流貫穿距離略有增大。

圖10 噴射脈寬對乙醇圓柱射流貫穿距離的影響（容彈背壓0.05MPa，容彈溫度60℃）

3.3 容彈背壓、容彈溫度和噴射脈寬對乙醇射流錐角的影響

噴霧錐角采用Seung給出的定義，即噴嘴與噴霧兩端邊界最寬處所形成的角度為噴霧錐角，如圖11所示。圖12所示為容彈背壓、容彈溫度和噴射脈寬對乙醇噴射后1.0ms時刻射流錐角的影響。其工況為：容彈溫度20℃和60℃，噴射脈寬4ms和8ms，容彈背壓依次為0、0.05MPa、 0.1MPa、0.2MPa 和 0.3MPa。由圖12可知，乙醇射流錐角隨著容彈背壓的升高而增大。同容彈溫度、同容彈背壓下噴射脈寬由4ms變為8ms時，乙醇射流錐角基本略有增大。容彈溫度由20℃變為60℃時，乙醇射流錐角在0～0.05MPa時明顯變大，在0.2～0.3MPa時略微增大，這是由于乙醇噴射進60℃的介質N2中吸收N2的熱量，乙醇蒸發明顯。隨著容彈背壓升高，兩種容彈溫度對射流錐角的影響差別變小。

圖11 噴霧錐角的定義

圖12 容彈背壓、容彈溫度和噴射脈寬對乙醇噴霧錐角的影響（乙醇噴射后1.0ms）

4 結論

（1）容彈背壓對乙醇射流特性影響明顯。容彈背壓從0逐漸升高到0.3MPa，介質N2密度逐漸增大，乙醇圓柱射流的阻力增大，射流貫穿距離逐漸減小，減小速度逐漸變慢，射流錐角逐漸增大，增大速度也逐漸變慢。

（2）環境溫度升高有利于乙醇蒸發破碎。容彈溫度由20℃變為60℃時，乙醇運動黏度μ2變小，μ2與介質N2運動黏度μ1的比值β減小，乙醇圓柱射流發展阻力減小，射流貫穿距離增大；溫度升高，乙醇圓柱射流過程中，蒸發加快，射流錐角增大。

（3）噴射脈寬的改變對乙醇圓柱射流貫穿距離和射流錐角的影響不明顯，然而相同噴射速率下，脈寬越大，霧化越困難。故在柴油機進氣道噴射乙醇，較小脈寬的噴射更有利于乙醇霧化。

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