不同比例柴油/PODE3-4混合燃料喷雾特性的对比研究

张新赟，贾超杰，李俊启，何云信

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁530004）

内燃机作为日常生活主要的动力来源之一，提高其经济性和降低排放是目前面临的主要问题，尤其是在全球环境污染的情况下，除了改进发动机自身结构外，寻找一种经济性好和排放污染少的新燃料去替代传统燃油也是解决上述问题的有效途径之一[1]。

聚甲氧基二甲醚（PODEn）具有较高的十六烷值（63以上），能与柴油以任意比例互溶，并且具有较好的可燃性和较高的挥发性。国内外学者[2]主要集中在PODEn对柴油机燃烧和排放性能影响方面的研究，而对于柴油/PODEn混合燃料喷雾特性的研究十分少见，蒸发状态下气液两相的研究更是从未有过报道，由于燃料的喷雾特性与混合气形成息息相关，进而直接影响发动机的燃烧和排放性能，所以在PODEn作为柴油机替代燃料的课题中，对其蒸发状态下气液两相喷雾特性的研究是不可缺少的。通过高速相机和纹影仪拍摄不同掺混比的柴油/PODE3-4混合燃料在定容弹内的喷雾气液两相发展过程图片，分析了不同比例柴油/PODE3-4混合燃料在蒸发状态下气液两相的喷雾特性。

1　实验装置和方案

试验所用基础燃料为0#普通柴油，记为P0.在P0的基础上掺混20%、50%的PODE3-4，分别记为P20、P50.表1为试验燃料的部分理化特性参数。其中混合燃料（P20、P50）的物性参数采用Kay混合法则进行估算，计算公式[3]为

式中：φ为混合燃料的物性参数，n为燃料组分数目，xi为第i种燃料的质量分数，φi为第i种燃料的物性参数。

表1　试验燃料的物化性质

图1为试验系统示意图，由定容弹、燃油喷射系统、进排气系统，图像采集系统组成。用石英玻璃做成三个可视窗安装在定容弹的前端和左右两侧；进气孔和排气孔设置在定容弹的后端面，实现进排气和扫气，通过进气孔向定容弹内腔充入氮气直至达到试验所需环境背压；定容弹顶部装有加热棒、压力传感器和温度传感器。加热棒下端延伸到定容弹内腔中用于升高试验环境温度，定容弹内部的压力用压力传感器来检测，定容弹内部的温度用温度传感器来检测。高速相机在定容弹的一侧视窗拍摄喷雾发展过程的图片，另外两侧视窗形成纹影法光学通路。试验采用博世第3代高压共轨燃油喷射试验台控制喷油信号，喷油器使用P型单孔喷油嘴。高速相机和共轨喷油器的触发和同步通过ECU驱动信号来实现。试验参数见表2.

图1　试验系统示意图

表2　喷雾试验条件

本试验用纹影法和直拍法分别拍摄了试验燃料的喷雾整体与喷雾液相发展过程，使用Matlab编程将喷雾图片转化为所需的数字信息。本文喷雾特性参数定义如图2所示，气相参数主要有气相长度和气相面积百分比，整体喷雾贯穿距离减去喷雾液相贯穿距离即可得到喷雾气相长度，气相长度可以直接反映出喷雾雾柱在轴向发展的蒸发程度；整体喷雾面积减去喷雾液相面积即可得到喷雾气相面积，气相面积与整体喷雾面积的比值即为气相面积比例，气相面积比例可以直接反映出整个喷雾雾柱的蒸发程度。

图2　喷雾参数定义

2　实验结果与分析

图3为喷油压力160 MPa、环境温度350℃、环境背压5 MPa、喷孔直径10 mm工况下，三种燃料的喷雾整体与喷雾液相随喷油时刻的发展图像。从图3（a）可以看出，三种燃料的喷雾雾柱都随时间逐渐增长，P50的喷雾前端相对于P20和P0的比较粗大。从图3（b）可以看出，P0的喷雾液相随时间逐渐增长，而P50的喷雾液相在初期随时间逐渐增长，中后期便趋于稳定。三种燃料的喷雾液相在初期清晰光滑，随后液相前端产生较多薄雾，该薄雾是由破碎雾化的小液滴组成，P20相对于P0喷雾液柱明显变小并且液相前端薄雾变少，而P50的喷雾液柱更小，前端薄雾更少。由此可以说明，混合燃料的喷雾相对于纯柴油的喷雾有更多的液滴蒸发变成气态，而掺混越多的PODE3-4，蒸发的液滴也会越多。原因是PODE3-4掺混越多，混合燃料的黏度就会越低，因此破碎雾化效果越好，液滴蒸发越快。

图3　不同燃料的喷雾发展图像

图4为上述相同工况下三种试验燃料的喷雾气相长度随喷油时刻变化曲线，可以看出在此试验工况下，P0与P20喷雾前端在末期才出现小幅度的气液两相分离，而P50的喷雾前端在1 ms左右便出现较为明显的气液两相分离，并且气相长度逐渐增长。说明在此试验工况下，掺混一定比例PODE3-4的混合燃料相对于纯柴油，喷雾前端有更多的液相燃料蒸发变为气相燃料，这有利于减轻油束碰壁产生的湿壁现象，并可以减小着火后火焰区域的液相燃料比例。

图4　不同燃料的气相长度

图5为上述相同工况下三种试验燃料的气相面积比例随喷油时刻变化曲线，从图中可以看出，三种燃料初期气液两相并未分离，随后PODE3-4含量越高的燃料，气液两相分离的时刻越提前，气相面积比例也越高。原因是掺混PODE3-4的混合燃料相对于纯柴油，喷雾液柱的破碎雾化程度提高，有更多的液滴蒸发成为气相燃料，而且随着PODE3-4掺混比例的增加，燃料的破碎雾化效果更好，液滴蒸发速度更快。

图5　不同燃料的气相面积比例

3　结论

在喷油压力160 MPa、环境温度350℃、环境背压5 MPa、喷孔直径10 mm工况下，在纯柴油中掺混PODE3-4，可以有效改善燃油的破碎雾化效果，使喷雾前端、喷雾整体都有更多的液相燃料蒸发成为气相燃料，气相长度和气相面积比例均增加，并且随着PODE3-4掺混比例的提高，混合燃料的破碎雾化以及蒸发效果更好，这有利于减轻油束碰壁产生的湿壁现象和减小着火后火焰区域的液相燃料比例，从而减少碳烟的生成。