乙醇圆柱射流雾化破碎过程的PIV试验研究

姚春德 侯亚帮 贾丽冬，2 刘军恒 魏立江

1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津，300072 2.洛阳理工学院，洛阳，471023

0 引言

当前，石油能源安全已经构成经济发展的重要瓶颈［1］，清洁替代燃料的研究已成为发动机研究的一个主要方面。燃料乙醇在柴油机上的应用由来已久，大量研究表明［2－7］，在柴油机进气管中喷射乙醇在不降低原机动力性和经济性的基础上，能够大幅度降低发动机的NOx和微粒（PM）的排放，加装氧化催化转化器后，HC和CO得到了大幅度降低，微粒（PM）也进一步减少。

在增压中冷柴油机进气管喷射乙醇的试验中发现，进气管的压力对进气管乙醇的喷射产生了较大影响，尤其在大负荷工况下进气管压力对乙醇喷射影响更大，此时控制单元即使下达乙醇喷射指令，乙醇喷射量也难以提升。增压柴油机在100%负荷时进气管进气平均压力范围一般为0.236～0.322MPa，在25%负荷时进气平均压力范围为0.123～0.185MPa［8］。之前大部分研究都集中在进气管预混乙醇的柴油／乙醇组合燃烧对柴油机动力性、经济性和排放特性影响方面，而对乙醇在进气管环境中的喷射特性研究甚少，因此有必要深入研究乙醇在进气管内的圆柱射流特性，以便完善进气管预混乙醇的柴油机柴油／乙醇双燃料燃烧理论，更好地为乙醇在柴油机上的广泛应用提供理论基础。本文采用定容弹模拟增压中冷柴油机的进气管环境，利用PIV（particle image velocimetry）测试系统开展了乙醇圆柱射流雾化特性的研究，研究包括不同容弹背压、温度下的乙醇圆柱射流发展过程以及圆柱射流特性，得到不同背压、温度下乙醇圆柱射流贯穿距离、射流锥角的变化规律。

1 试验装置和试验方法

试验装置如图1所示，包括喷雾容弹系统、电控乙醇喷射系统和PIV激光测试系统三部分。

喷雾容弹公称直径为150mm，可视部分直径为150mm。喷雾容弹的结构如图2所示。喷雾容弹筒体呈T字形，有3个石英玻璃窗口，其中两个窗口在一条轴线上，第3个窗口布置在前面两个窗口轴线的垂直平分线上，形成窗口在同一轴线和窗口相互垂直的两条光路，试验时可以根据需要选用合适的光路。喷雾容弹的工作压力1.0MPa，使用直径3mm的金属管从高压氮气瓶中取气，经过进气阀调节氮气流量，通过容弹上的压力表进行观测并决定进气阀是否关闭。喷雾容弹的最高工作温度为100℃，容弹周边的加热带对其进行加热，并使用温度控制仪表进行恒温控制。

图1 乙醇圆柱射流试验装置示意图

图2 喷雾容弹结构图

电控乙醇喷射系统使用自制的单片机进行控制，下达指令给喷嘴驱动器来决定喷油器是否开始工作。乙醇喷射器固定在喷雾容弹上部，喷射压力由限压阀控制，限压阀能够保证醇轨内部压力与容弹内压力始终有0.35MPa的压差。电控乙醇喷射系统使用的是博世单孔喷油器。

PIV系统采用DANTEC公司的TR－PIV，由激光器、CCD相机和PIV主机及处理软件组成。PIV系统的主要参数见表1。测量系统触发激光器产生激光，通过光学组镜产生出平面激光照亮喷雾，同时由CCD相机记录下照片，保存在计算机中。喷嘴、激光和相机的触发时间由可控定时单元（PTU）控制，从而实现同步。

表1 PIV系统参数表

2 试验内容

乙醇圆柱喷射射流特性试验模拟增压中冷柴油机进气道喷射乙醇的情况。具体测试点见表2。

表2 乙醇圆柱射流试验的测试点

3 试验结果及分析

3.1 容弹背压、容弹温度和喷射脉宽对乙醇圆柱射流发展过程的影响

试验获得了各个测试点的乙醇圆柱喷射射流图像，对射流的发展过程和几何形态进行了对比分析。图3所示为容弹背压对乙醇圆柱射流过程的影响，其容弹温度为20℃，喷射脉宽为4ms，容弹背压依次为0、0.1MPa和0.3MPa。由图3可知，容弹背压为0时乙醇圆柱射流前锋以较大的速度向前发展，圆柱射流核心区在0.5～1.0ms之间的某个时刻发生断裂，射流前锋和边缘发生破碎形成液滴。随着背压的升高，乙醇圆柱射流前锋运动速度变慢，射流核心区发生断裂的时刻推迟，射流边缘与周围气体之间的相互作用增强，动量交换增大，卷吸作用加强，整体来看随着背压的升高，乙醇圆柱射流的雾化破碎过程变得剧烈。

图4所示为容弹温度对乙醇圆柱射流过程的影响，其中容弹背压为0.3MPa，喷射脉宽为4ms，容弹温度分别为20℃和60℃。由图4可知，容弹温度由20℃变成60℃时，由于介质气体密度减小，对乙醇圆柱射流前锋运动的阻力减小，此时射流前锋运动比20℃略有增加，60℃下的乙醇射流边缘蒸发加剧，蒸发使液滴直径变小，有利于乙醇雾化。图5所示为喷射脉宽对乙醇圆柱射流过程的影响，其中容弹背压为0.1MPa，容弹温度为60℃，喷射脉宽依次为4ms、8ms和12ms。由图5可知，不同喷射脉宽下乙醇圆柱射流形状差别不大，然而，随着脉宽的增大，可以看出乙醇圆柱射流出口处较大速度的射流“追赶”碰撞破碎雾化的射流前锋，从而形成大直径的液滴，使乙醇雾化破碎变得困难。因此在进气管喷射乙醇，喷醇量一定时，可以通过较小脉宽多次喷射来加快乙醇的雾化。

图3 容弹背压对乙醇圆柱射流过程的影响（容弹温度20℃，喷射脉宽4ms）

图4 温度对乙醇圆柱射流过程的影响（容弹背压0.3MPa，喷射脉宽4ms）

3.2 容弹背压、容弹温度和喷射脉宽对乙醇圆柱射流贯穿距离的影响

图6、图7所示分别为容弹背压、N2密度对乙醇圆柱射流贯穿距离的影响。其工况为：容弹温度为60℃，喷射脉宽为8ms，容弹背压分别为0、0.05MPa、0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa。由图6可知，在喷射开始后的0.5～2.5ms内，圆柱射流贯穿距离随着时间的增加而增大，增长速度逐渐变小，而非线性增长。随着容弹背压升高，同时刻的贯穿距离变小。这是因为容弹背压升高，容弹内气体密度增大，对圆柱射流的阻力增大，导致射流速度降低。文献［9－10］总结的贯穿距离经验公式表明，喷射贯穿距离S与喷射压力和容弹内部压力之差Δp正相关，与介质密度ρa反相关。容弹背压升高，Δp减小，介质密度ρa增大，故喷射贯穿距离S减小。S的表达式如下：

图5 喷射脉宽对乙醇圆柱射流过程的影响（容弹背压0.1MPa，容弹温度60℃）

式中，c为速度系数；ρl为液体燃料密度；t为喷射时间；tb为分裂时间；α为系数，与喷孔长度及喷孔入口倒圆半径有关；D为喷孔直径。

图6 背压对乙醇圆柱射流贯穿距离的影响（容弹温度60℃，喷射脉宽8ms）

图8所示为容弹温度对乙醇圆喷射射流的影响。其工况为：容弹背压为0和0.3MPa，喷射脉宽为4ms，容弹温度分别为20℃和60℃。由图8可知，当容弹温度由20℃变为60℃时，容弹背压为0和0.3MPa的乙醇圆柱射流贯穿距离都增大。在乙醇喷射后的相同时刻，可以看出贯穿距离从高到低的工况依次为容弹背压0、容弹温度60℃，容弹背压0、容弹温度20℃，容弹背压0.3MPa、容弹温度60℃，容弹背压0、容弹温度60℃。这可能是因为容弹背压、容弹温度的变化引起乙醇和介质N2运动黏度发生变化造成的。图9所示为容弹背压、容弹温度对N2、乙醇运动黏度的影响。其中N2、乙醇的运动黏度分别用μ1、μ2表示，乙醇与N2的运动黏度比用β表示。由图9可知，μ1随着容弹背压的升高逐渐变小，μ2随着容弹背压的升高没有明显变化。当容弹温度由20℃变为60℃时，相同容弹背压下的μ1显著变大，μ2显著变小，也就是说N2与乙醇的运动黏度随着容弹温度升高而产生相反方向的变化。同容弹温度下乙醇与N2的运动黏度比β随着容弹背压的升高逐渐增大，与贯穿距离随着容弹背压升高逐渐减小正好相反。通过比较20℃和60℃两个容弹温度下的β曲线，可以发现β从低到高的工况依次为容弹背压0、容弹温度60℃，容弹背压0、容弹温度20℃，容弹背压0.3MPa、容弹温度60℃，容弹背压0、容弹温度60℃；与这些工况下的贯穿距离变化趋势相反。作出如下猜测：贯穿距离的变化与燃料和介质气体的运动黏度比β的变化有着密切联系，基本呈现相反的发展趋势。

图7 N2密度对乙醇圆柱射流贯穿距离的影响（容弹温度60℃，喷射脉宽8ms）

图8 容弹温度对乙醇圆喷射射流贯穿距离的影响（喷射脉宽4ms）

图9 容弹背压、容弹温度对N2、乙醇运动黏度的影响

图10所示为喷射脉宽对乙醇圆柱射流贯穿距离的影响。其工况为：容弹背压0.05MPa，容弹温度60℃，喷射脉宽分别为4ms、8ms、12ms、16ms。由图10可知，随着喷射脉宽的增大，相同容弹背压、相同容弹温度下的乙醇圆喷射射流贯穿距离略有增大，贯穿距离最大差距仅约为7.0mm，其发生在乙醇圆柱射流后2.0ms时刻。这可能是因为相同容弹背压相同温度下N2和乙醇的运动黏度都没有发生变化，乙醇与N2的运动黏度比β也没有发生变化，所以乙醇射流贯穿距离变化不大。同时由于大脉宽下乙醇圆柱射流出口速度一直较大，较大速度的射流“追赶”碰撞射流前锋，所以大脉宽下射流贯穿距离略有增大。

图10 喷射脉宽对乙醇圆柱射流贯穿距离的影响（容弹背压0.05MPa，容弹温度60℃）

3.3 容弹背压、容弹温度和喷射脉宽对乙醇射流锥角的影响

喷雾锥角采用Seung给出的定义，即喷嘴与喷雾两端边界最宽处所形成的角度为喷雾锥角，如图11所示。图12所示为容弹背压、容弹温度和喷射脉宽对乙醇喷射后1.0ms时刻射流锥角的影响。其工况为：容弹温度20℃和60℃，喷射脉宽4ms和8ms，容弹背压依次为0、0.05MPa、 0.1MPa、0.2MPa 和 0.3MPa。由图12可知，乙醇射流锥角随着容弹背压的升高而增大。同容弹温度、同容弹背压下喷射脉宽由4ms变为8ms时，乙醇射流锥角基本略有增大。容弹温度由20℃变为60℃时，乙醇射流锥角在0～0.05MPa时明显变大，在0.2～0.3MPa时略微增大，这是由于乙醇喷射进60℃的介质N2中吸收N2的热量，乙醇蒸发明显。随着容弹背压升高，两种容弹温度对射流锥角的影响差别变小。

图11 喷雾锥角的定义

图12 容弹背压、容弹温度和喷射脉宽对乙醇喷雾锥角的影响（乙醇喷射后1.0ms）

4 结论

（1）容弹背压对乙醇射流特性影响明显。容弹背压从0逐渐升高到0.3MPa，介质N2密度逐渐增大，乙醇圆柱射流的阻力增大，射流贯穿距离逐渐减小，减小速度逐渐变慢，射流锥角逐渐增大，增大速度也逐渐变慢。

（2）环境温度升高有利于乙醇蒸发破碎。容弹温度由20℃变为60℃时，乙醇运动黏度μ2变小，μ2与介质N2运动黏度μ1的比值β减小，乙醇圆柱射流发展阻力减小，射流贯穿距离增大；温度升高，乙醇圆柱射流过程中，蒸发加快，射流锥角增大。

（3）喷射脉宽的改变对乙醇圆柱射流贯穿距离和射流锥角的影响不明显，然而相同喷射速率下，脉宽越大，雾化越困难。故在柴油机进气道喷射乙醇，较小脉宽的喷射更有利于乙醇雾化。

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