超临界二甲醚喷雾特性的试验研究

周 昃，张光德，宋 巍，大越淑央，菊地真辅，金野满

(1．武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081；2.茨城大学理工学研究科，日本茨城 日立，3168511)



超临界二甲醚喷雾特性的试验研究

周 昃1,2，张光德1，宋 巍1，大越淑央2，菊地真辅2，金野满2

(1．武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081；2.茨城大学理工学研究科，日本茨城 日立，3168511)

为研究超临界二甲醚的喷雾特性，在定容容器内模拟涡轮增压发动机气缸内的实际环境，使用高速摄像机对超临界二甲醚喷雾的外形轮廓及发展过程进行观察，并将其与跨临界二甲醚喷雾进行对比。结果表明，二甲醚喷雾在发展过程中发生了明显的卷状分裂，并且观察不到二次分裂现象；超临界二甲醚喷雾的外形轮廓及贯穿距离与跨临界喷雾并未有明显差别，但由于超临界二甲醚在涡轮增压环境中的扩散速率更快，因此其喷雾锥角更大，喷雾核心区的长度更短；两种喷射状态下的二甲醚在喷入定容容器后，其喷雾尖端的推进速率都会先急剧增大，然后在达到峰值后又急剧减小，最后在低速段保持相对稳定。

二甲醚；超临界；跨临界；定容容器；喷雾特性

随着世界人口的增加以及发展中国家经济的增长，世界能源的消费量呈现进一步增长的趋势，化石燃料的供需矛盾进一步加剧。此外，世界各国对于发动机排放的要求也越来越严格。因此，为内燃机找出一种清洁的可替代燃料变得迫在眉睫。

二甲醚(dimethyl ether, 简称DME)被认为是压燃发动机的理想替代燃料[1]。二甲醚的生产原料来源广泛，其可由煤、煤层气、天然气和生物质等制得[2]。二甲醚的十六烷值高于柴油，并且具有低温氧化性，因此它具有良好的压燃性。由于二甲醚分子中具有氧原子且没有“碳—碳”键的直接相连，因此二甲醚能进行无烟燃烧。二甲醚发动机的燃烧噪音以及尾气的污染物含量均低于柴油机[1,3]。然而，二甲醚的密度和热值均低于柴油。对于压燃式发动机，在相同的输出工况下，二甲醚的喷射量是柴油的1.8倍[4]。二甲醚的低润滑性和高挥发性对喷射系统有不利影响，限制了二甲醚的喷射压提高[5]；而通过增加喷射压来增加喷射量的方法成本极高，因此，找出一种在不增加喷射压的情况下增大喷射量的方法显得尤为重要。

物质的超临界状态指的是该物质的温度与压力均超过其临界点所对应的温度Tc与压力Pc时的状态。在超临界状态下的流体，其液相与气相之间的界面已经不复存在，流体的蒸发潜热与表面张力都趋近于零，因此超临界流体是一种介于气体与液体之间的特殊状态的流体，兼具气体与液体的性质[6]。由于超临界流体的黏度接近于气体，相较于一般液体要小两个数量级，因此将燃料以超临界状态进行喷射时所受到喷孔内壁面的阻力将减小，特别是在较大的喷射压力下，有利于减少喷孔内部的能量损失，增加燃料的喷射量。

目前对超临界喷雾的研究主要集中在液体火箭发动机领域，而在内燃机方向上的相关研究在国际上才刚刚起步。文献[7]中在20.5 MPa的喷油压力下，使用带有加热功能的特制喷油器，将汽油加热到370 ℃并成功进行了超临界状态的汽油喷射。文献[8]中对超临界喷射状态下的汽油喷雾进行了研究，得出超临界喷射能增加汽油的喷射量并改善喷雾质量。但是，目前关于超临界二甲醚喷雾的研究还较少见。为此，本研究通过控制二甲醚的喷射压力及温度，实现二甲醚的超临界喷射，在定容容器内模拟涡轮增压柴油机实机工况，利用高速摄像机观察超临界二甲醚的喷射特性，并与跨临界二甲醚喷雾特性进行对比，以期为二甲醚发动机的优化设计提供技术支撑。

1 试验

1.1 试验装置

试验装置结构简图如图1所示。在耐高温、高压的不锈钢定容容器内模拟涡轮增压发动机气缸内的实际环境，容器两侧装有直径100 mm、厚50 mm的石英玻璃观测窗。定容容器的4个角上各安装1支电热棒，可将容器内的温度加热到400 K左右。通过点燃定容容器内由H2、O2、CO、N2组成的可燃预混合气，可将容器内的温度升至1000 K，压强升至10 MPa。

图1 试验装置示意图

二甲醚储存罐与氮气罐相连，使用1.5 MPa的氮气对二甲醚进行加压，防止二甲醚在输入共轨系统之前气化。采用日本电装公司的新型二甲醚共轨喷射系统将二甲醚从定容容器顶端中央喷入定容容器。共轨管与喷油器之间的高压油管上用保温纱布缠绕有4支电热棒，通过调节电热棒的温度来控制二甲醚的喷射温度，实现超临界喷射与跨临界喷射。

采用Photron公司的SA-5型高速摄像机，通过定容容器两侧的石英玻璃窗口观测二甲醚的喷雾发展过程。采用背景散射法观测喷雾核心区，采用平行光法观测喷雾的外形轮廓和贯穿距离。

1.2 试验方法

试验时定容容器内的环境条件、燃料的喷射试验条件以及观测条件如表1所示。试验开始时，打开真空泵将定容容器内的气体抽出，使其处于真空状态，然后充入由N2、O2、H2、CO组成的可燃混合气，在定容容器内模拟涡轮增压气缸内的环境条件(6 MPa-920 K)，之后打开二甲醚共轨喷射系统，将二甲醚加压到试验所需压力，同时将共轨管与喷油嘴之间高压油管上的电热棒通电，将二甲醚加热到设定的喷射温度。准备就绪后，按下时间信号发生装置上的执行按钮开始试验，观察跨临界和超临界状态下二甲醚喷雾的图像。由于本试验为非燃烧喷雾观察试验，喷入定容容器内的二甲醚不能发生燃烧，因此根据化学计算，采用n(N2)∶n(O2)∶n(H2)∶n(CO)=75.5∶8.1∶4.8∶11.6的比例配制可燃混合气，可保证可燃混合气在反应后产生的背景气体中氧气浓度为零，二甲醚喷雾不会发生燃烧。

表1 二甲醚喷雾观测试验条件

2 试验结果与分析

2.1 超临界二甲醚喷雾边缘的形态

图2所示为超临界喷射时喷雾从喷孔喷射出1.5 ms及2.5 ms时刻喷孔下方18.7～22.3 mm处的二甲醚喷雾图像。从图2可以看出，在喷雾从喷孔喷射出的1.5～2.5 ms间，二甲醚喷雾发生了明显的卷状分裂，表明在喷雾发展过程中有大量背景气体被卷吸入喷雾中，二甲醚与背景气体混合较为充分。此外，在图2中没有观察到喷雾束周边有高浓度的二甲醚小粒滴产生。这些现象表明，超临界喷射状态下的二甲醚在喷入定容容器后，迅速从喷雾核心区扩散至背景气体中并发生混合，由于超临界二甲醚扩散迅速，因此在喷雾发展过程中观察不到二次分裂现象。

(a)1.5 ms

(b)2.5 ms

Fig.2 Images of supercritical DME spray at different times

2.2 超临界与跨临界二甲醚喷雾特性的对比

2.2.1 贯穿距离

图3、图4所示分别为超临界和跨临界喷射状态下二甲醚喷雾发展过程的观测结果。

对比两图中平行光法观测的结果可以看出，两种喷射状态下的二甲醚喷雾，其外形轮廓大体相同。此外，由于定容容器内背景气体的温度与压强是由预先填充的可燃混合气体燃烧产生，故喷雾图像背景处出现了因背景气体密度分布不均而导致的明暗相间的斑纹。

由背景散射法观测的结果可以看出，两种喷射状态下喷雾的核心区宽度及形状大体相同。由于涡轮增压缸内环境的温度与压强均高于二甲醚的临界点，由此可以推断跨临界二甲醚在喷入超临界环境后迅速变为超临界状态并发生扩散，其喷雾的核心区由液态二甲醚及高密度的超临界二甲醚共同组成。

(a)平行光法

(b)背景散射法

(a)平行光法

(b)背景散射法

根据喷雾图像得出两种喷射状态下二甲醚喷雾贯穿距离的对比如图5所示。从图5中可以看出，超临界二甲醚喷雾的黏稠核心区长度为14 mm，而跨临界喷雾的黏稠核心区长度则为17 mm，即超临界二甲醚喷雾的核心区长度短于跨临界喷雾的相应值。从扩散性角度分析，这是由于超临界喷雾在喷入涡轮增压环境后，二甲醚不需要像跨临界喷雾一样经历一个由跨临界状态向超临界状态转化的过程，因此其扩散速率更高，这样喷雾的核心区长度减小得也就更快。

由图5中还可看出，两种喷射状态下喷雾贯穿距离的最大值都出现在约68 mm处。由于两种喷射状态的喷雾在喷入定容容器后都处于超临界状态，因此在相同的背景气体环境下所受的阻力也相同，故喷雾贯穿距离主要受其从喷嘴喷出后的初速度影响。超临界喷射状态下的二甲醚黏度更小、流动性更好，其喷出后的初速度应该更大，喷雾贯穿距离应当更长，而试验结果与此并不相符。从喷孔内燃料流动的角度考虑，这是由于在相同的喷射压力下，超临界二甲醚的温度高于跨临界二甲醚的温度，因此更容易在喷孔内发生气穴现象，当二甲醚在通过喷孔经历“降压增速”的过程时，部分超临界态的二甲醚压力降至了临界压力以下而产生气泡，阻碍了其喷射，降低了超临界喷射的初速度，进而导致超临界二甲醚的喷雾贯穿距离并未有明显增长。

图5 两种喷射方式下二甲醚喷雾贯穿距离及核心区长度比较

Fig.5 Comparison of penetration and core area lengths between transcritical and supercritical DME sprays

2.2.2 喷雾锥角

喷雾锥角的测量元素如图6所示。在得到喷雾图像后，先测量出这些元素，再根据下式分别算出超临界和跨临界二甲醚喷雾的喷射角θ：

图6 喷射角测量元素

(1)

经过测量计算可得超临界与跨临界二甲醚喷雾的喷射角分别为15.5°和14.7°。可见两种喷射状态下二甲醚喷雾喷射角相差不大，超临界喷雾的喷射角略微偏大，这是由于超临界喷雾的核心扩散能力更强，喷雾更容易发生横向分散。

2.2.3 喷雾的平均推进速率

喷雾在容器内的推进速率也是研究喷雾特性的一项重要指标，它反映了喷雾沿雾化轴发展的快慢程度。虽然喷雾贯穿距离的变化曲线也能反映出喷雾推进速率的变化情况，但只能展现出推进速率的大体趋势，而不能清晰地反映每一观测时刻所对应的喷雾推进速率。为了研究喷雾推进速率随喷射时间推移的变化情况，须算出每一观测点所对应的喷雾推进速率。由于本试验所用高速摄影机的采样间隔为0.025ms，这一时间间隔极短，因此喷雾在这一时间间隔内任意时刻的瞬时推进速率与在这一时间间隔内的平均推进速率十分接近，并且误差在研究要求的精度范围内，结果反映出的喷雾沿雾化轴向变化趋势也与实际的相吻合，所以在保证结果可靠性的前提下，为简化试验及分析过程，本研究采用喷雾的平均推进速率来研究喷雾的推进过程。

超临界与跨临界二甲醚喷雾的平均推进速率曲线如图7所示。从图7中可以看出，两种喷射状态下喷雾推进速率都是先急剧增大，达到峰值后又急剧减小，之后在低速段保持小幅波动并趋于稳定。超临界二甲醚大约在喷射0.075ms后速率达到最大值269.8m/s，跨临界二甲醚大约在喷射0.05ms后速率达到最大值274.3m/s。两种喷雾几乎都是在喷射0.2 ms时达到推进速率低速段的稳定值，随后便围绕此速率小幅波动。二甲醚喷雾平均推进速率曲线表明，两种喷射状态下二甲醚喷雾的推进速率都在极短时间内完成了“谷值-峰值-稳定值”的变化过程，在推进过程中都经历了急加速、急减速过程，最终推进速率达到了具有小幅波动的稳定过程。分析产生这一现象的原因，当二甲醚刚从喷孔喷出时，由于喷孔内外存在巨大的压力差，刚喷出的二甲醚在巨大压差产生的压力作用下开始经历急剧加速过程；之后，随着所喷出的二甲醚的蒸发与扩散，喷雾束体积也迅速增大，故喷雾受到背景气体的阻力也急速增大，喷雾轴向推进受阻，进而开始经历急减速过程；最后，随着喷射的持续，燃料不断喷入定容容器并推动之前的喷雾束向前推进，喷雾束整体的动能也随之不断增加，而与此同时喷雾束“头部”的蒸发、扩散与破裂也进一步加剧，所受阻力也随之增大，最终喷雾束尖端受到的推力与阻力达到平衡，喷雾推进速率最终保持在相对稳定的状态。

图7 跨临界与超临界二甲醚喷雾平均推进速率的比较

Fig.7 Comparison of average tip velocity of penetration between transcritical and supercritical DME spray

3 结论

(1)超临界二甲醚喷雾在发展过程中发生了明显的卷状分裂，二甲醚与背景气体混合较为充分，在喷雾发展过程中观察不到二次分裂现象。

(2)在模拟涡轮增压发动机缸内环境下，超临界喷雾核心区比跨临界喷雾核心区短，且喷雾锥角比跨临界喷雾锥角大，其扩散性更好。

(3)超临界和跨临界这两种喷射状态下的二甲醚在喷入定容容器后，喷雾尖端的推进速率都会先急剧增大，在达到峰值后又急剧减小，最后在低速段保持相对稳定。

[1] Kajitani S, Chen Z L, Konno M, et al. Engine performance and exhaust characteristics of direct-injection diesel engine operated with DME[C]∥SAE Technical Paper, 1997: 972973.DOI: 10.4271/972973.

[2] 黄震，乔信起，张武高，等. 二甲醚发动机与汽车研究[J]. 内燃机学报，2008，26(S)：115-125.

[3] Yao M F, Zheng Z Q, Xu S D, et al. Experimental study on the combustion process of dimethyl ether (DME)[C]∥SAE Technical Paper, 2003-01-3194. DOI: 10.4271/2003-01-3194.

[4] Suh H K, Lee C S. Experimental and analytical study on the spray characteristics of dimethyl ether(DME) and diesel fuels within a common-rail injection system in a diesel engine[J].Fuel,2008,87(6): 925-932．

[5] Tadanori Yanai, Mitsuru Konno, Yoshio Sato, et al. Optimization of injection pressure for fuel consumption and exhaust emissions in a dimethyl ether (DME) engine with a common rail type injection system[J]. Journal of KONES Powertrain and Transport, 2010，17(2)：519-532.

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[责任编辑 郑淑芳]

An experimental study of supercritical DME spray characteristics

ZhouZe1,2,ZhangGuangde1,SongWei1,OkoshiYoshihiro2,KikuchiShinsuke2,KonnoMitsuru2

(1. College of Automobile and Traffic Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;2 .Graduate School of Science and Engineering, Ibaraki University, Hitachi 3168511, Japan)

To study the spray characteristics of supercritical dimethyl ether (DME), the cylinder temperature and pressure of turbocharged engines were simulated in a constant volume vessel and DME spray was observed with a high-speed camera. The shape and development process of supercritical DME spray were compared with those at temperatures below and above the critical point. It is found that DME spray shows a clear roll splitting in the development process and yet no secondary splitting. Outer shape and penetration length of supercritical DME spray are almost the same as those of transcritical DME spray; however, since supercritical DME spray diffuses faster than transcritical DME spray, the former has a slightly wider spray angle and shorter length of core spray area. When DME is injected into the constant volume vessel, the tip velocity of spray under the two injection conditions increases to the peak at first, then decreases sharply, and finally remains stable in the low velocity area.

DME; supercritical; transcritical; constant volume vessel; spray characteristics

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.02.012

2016-10-18

湖北省自然科学基金重点项目(2015CFA113); 汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室(湖北汽车工业学院)开放基金项目(ZDK201212); “汽车零部件技术湖北省协同创新中心”研究平台资助项目；“汽车节能技术湖北省协同创新中心(培育)”研究平台资助项目.

周 昃(1990-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail: zebestmail@qq.com

张光德(1964-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail: gd-zhang@wust.edu.cn

TK434

A

1674-3644(2017)02-0144-05