乙醇汽油沉积物生成与喷雾特性试验研究

2020-03-24沈义涛吴岳羲刘景元葛斌斌崔函禹沈照杰

内燃机与动力装置 2020年1期

沈义涛，吴岳羲，刘景元，葛斌斌，崔函禹，沈照杰

哈尔滨工业大学(威海)汽车工程学院，山东威海 264200

0 引言

随着汽车保有量逐年增长，机动车排放标准日趋严格。同时，我国对石油依存度高、需求量大但储备相对不足，因此，清洁可再生燃料乙醇汽油被大力推广。乙醇来源广泛，辛烷值比汽油高，且能与汽油较好互溶。在汽油中掺入乙醇，不仅能够减少石油用量，而且有效提高燃料的辛烷值和含氧量，改善燃烧，显著降低内燃机的排放。

国内外研究表明，汽油直喷(gasoline direct injection，GDI)发动机不需要进行改动即可燃用乙醇含量较低的乙醇汽油。GDI发动机工作稳定，负荷性能较好，能够明显改善发动机的低温启动性，大幅提高燃油经济性[1-3]。因此，推广GDI发动机燃用乙醇汽油，符合我国的能源战略及长期国策。

GDI汽油机的喷嘴暴露在燃烧室的恶劣环境中，容易形成喷油器积碳，影响燃油的雾化，导致燃烧过程稳定性降低，增加油耗，同时还会造成NOx、CO、CH及颗粒污染物的排放增加，严重影响发动机的性能[4]。为了保证发动机的动力经济性能，研究乙醇汽油对喷油嘴积碳的影响以及对喷雾贯穿距、喷雾锥角等喷雾特性的影响十分重要。

闪急沸腾(flash boiling，简称闪沸)是指当液体压力降低至饱和压力以下时发生的气化过程。闪沸策略可以改善喷雾性质，使燃料分布更加均匀，能够进一步提高发动机燃油雾化和混合气质量。但目前国内外对闪沸的研究不够充分。早期的研究主要集中在闪沸现象对喷雾质量的改善作用，近年来，部分团队已经开始研究闪沸对喷雾形态的影响[5]。

本文中对5孔喷油器在定容弹内进行喷雾试验，利用高速摄像机得到喷雾图像，对喷雾图像进行分析，研究乙醇汽油积碳生成速度及其对喷雾形态的影响和闪沸喷雾形貌的变化规律。

1 喷雾试验台架

为研究喷油器积碳对喷雾的影响，搭建一套喷雾试验台架，喷雾装置示意图如图1所示。该装置有喷射燃油、控制喷油参数、图像采集等功能。

喷雾试验在定容弹中进行，用于试验的定容弹为正方体，喷油器安装在定容弹顶部，侧面布置2个对置的玻璃窗。喷油器周围装有加热棒，可对喷油器头部进行加热。此外，弹体上安装进气和排气阀门，通过进气和排气阀门可调节定容弹内的背景压力。其中进气由压气机实现，抽气由真空泵实现，可实现15～700 kPa的背景压力。高压燃油供给系统可以提供0～12 MPa压力的燃油，通过连接高压氮气瓶的储油罐进行加压，并通过储油罐来保证油压稳定。油路安装2组电阻式加热棒，分别对供油管和喷油器头部进行加热，试验中采用PT100型温度传感器监控燃油的实时温度，防止温度过高或过低。

试验中使用德尔福公司生产的Delphi 9810335380型中置5孔球阀式喷油器，5个喷孔非对称布置。单个喷孔结构包括内孔和沉孔，内孔长0.16 mm，直径为0.17 mm；沉孔长0.42 mm，直径为0.46 mm。使用NAC GX-3高速摄像机，采用逆光法对喷雾图像进行拍摄，拍摄频率选取8000帧/s，图像分辨率为512×384。分析拍摄图像，研究喷油器喷雾的形貌以及喷雾锥角、贯穿距等参数。喷雾锥角与贯穿距的定义如图2 所示。贯穿距为喷雾可到达的最远距离，喷雾锥角为1/2贯穿距处喷雾的角度。

喷油器由电子控制单元(electronic control unit, ECU)处理器控制，试验时通过2个信号发生器分别向ECU传递转速、凸轮轴信号和喷油信号，从而控制喷油器喷射频率和脉宽。

2 乙醇汽油积碳试验

为验证乙醇汽油积碳的生成及其影响，设置一组对比试验，在相同工况下，分别采用汽油与乙醇汽油(乙醇的体积分数为10%、汽油的体积分数为90%，简称E10乙醇汽油)作为燃料，进行试验。试验时，使用加热棒对喷油器头部进行持续加热，保证喷油器头部温度为(180±5) ℃。180 ℃(约458 K)为汽油的90%馏出温度，当喷嘴温度低于此温度时，喷嘴残存燃料为液态，喷雾可以带走积碳先驱物，从而抑制积碳生成；高于此温度时，燃料蒸发速度快，不易附着在喷嘴表面[6]。考虑到喷孔内燃油流动对积碳的冲刷影响，不宜采用较大的喷油压力，所以设定喷油压力为1 MPa，喷油频率为1 Hz，喷油脉宽为3.8 ms；考虑成本以及冲刷作用，设定每隔10 min，喷油器工作1 min。喷油器在上述工况下工作60 h后，进行后续试验。

积碳工作完成后，首先通过试验进行喷油量的对比。研究表明,GDI喷油器的积碳会降低燃料的流量[7]。除测量经乙醇汽油与汽油积碳后喷嘴的喷油量之外，还设置了一组未经历积碳工况的新喷嘴作为对比。3个不同喷嘴在相同工况下(喷射压力3 MPa、喷射脉宽3.8 ms、喷油频率3 Hz)工作1 min，收集后通过高精度天平测量喷油量。经过3次测量，算术平均后得到结果如表1所示。

表1 循环喷油量对比

由表1可知，采用E10乙醇汽油为燃料的喷嘴称为E10喷嘴，采用92#汽油为燃料进行积碳的喷嘴称为92#喷嘴；在积碳工况运行60 h后，E10喷嘴的喷油量相较未积碳喷嘴降低了9.46%；而92#喷嘴的喷油量降低了5.01%。试验结果表明，乙醇汽油积碳造成的喷油器流量损失大于汽油。喷油压力8 MPa时，积碳前后喷油器喷雾图像的发展状况如图3、4所示。

喷油压力8 MPa时，未积碳喷油器与积碳喷油器在喷油开始后2.0 ms内的喷雾锥角变化如图5所示；喷油压力8 MPa时，未积碳喷油器与积碳喷油器在喷油开始后2.0 ms内的喷雾贯穿距变化如图6所示。

由图3～6可知，积碳前后喷油器的喷雾形态的发展大致相同，而喷雾锥角随着雾化过程的进行而减小，喷雾贯穿距均随雾化过程的进行而增大。喷油过程中，前面喷出的燃料会带动附近区域的空气高速流动，产生较大的湍流作用，后续喷出燃料受到的阻力减小，喷油的法向速度增大，切向速度减小，使得喷雾锥角减小。

由图5可知，喷油开始阶段即0.5 ms之前，积碳后喷嘴的喷雾锥角大于未积碳喷嘴，这是由于积碳后的喷油器喷孔截面缩小，出口处水平流速略有提升，所以锥角变大；积碳后，喷嘴的质量流量相对减小，而且积碳喷油器各个油束之间的相互干涉更为严重[8]，所以在喷雾充分发展(1 ms之后，此时喷雾行程已走过一半)后，积碳喷油器的喷雾锥角小于未积碳喷油嘴。

由图6可知，积碳不会对贯穿距的发展趋势产生影响，贯穿距均随时间逐渐增大。喷油压力相同时，雾化过程中的同一时刻，未积碳喷嘴的喷雾贯穿距均大于积碳喷嘴。喷油器积碳引起喷雾贯穿距减小。

3 乙醇汽油闪沸喷雾特性

目前闪沸主要有燃油过热闪沸和燃油溶气闪沸两种实现方式。本文中研究过热闪沸方式，研究汽油和乙醇汽油在不同试验工况下的宏观喷雾形貌的变化。根据过热闪沸的定义，单一组分的闪沸喷雾可以通过过热度定义是否能够发生闪沸，过热度为喷射背景压力与液体饱和蒸汽压之比，通常认为，过热度大于1时，液体在喷射时可以出现闪沸现象，过热度越大，液体喷射越容易发生闪沸[9]。表2为乙醇在不同温度和背景压力下的过热度。

表2 乙醇过热度

由表2可知，温度和压力都会对过热度产生影响，压力梯度对过热度的影响比温度梯度更大。因此可以假设，在试验中，压力对喷雾形态的影响会大于温度。

在燃料温度为400、420、435、450 K下分别进行乙醇汽油与汽油的闪沸喷雾试验，燃料喷射压力为10 MPa。在每个燃料温度下，分别改变背压为25、50、100、200和300 kPa，频率为3 Hz进行喷射，用高速摄像机拍下喷雾的形貌。为了更加直观的研究喷雾图像，通过MATLAB对图像进行滤波以及二值化处理，得到二值化图像，采用中值滤波方法滤波。

图7、8分别为汽油和乙醇汽油在不同试验工况(不同燃料温度以及定容弹内背景压力组合)下，喷雾基本完全发展后的宏观喷雾形貌。由图7、8可知，乙醇汽油和汽油发生闪沸时，背压和温度的变化均会使燃料喷雾形态发生显著的变化，且变化趋势一致。

由图7可知，当温度为400 K，背压为300 kPa时，汽油表现出良好的冷态喷雾的特性，喷雾整体呈锥形，各油束的末端相对独立，有明显的边界；但喷雾末端发生卷曲，这是燃油雾化的表现[10]。随着温度的升高或背压的减小，喷雾雾化程度逐渐加深：喷雾末端的弯曲程度逐渐加深，表现在喷雾图像上即为油束末端的相互混杂，但整体形态依旧保持为锥形，如图7中420 K、300 kPa下的喷雾；当温度或背景压力达到一定程度时，燃料闪沸程度高，气化速度快，因此喷雾会出现塌陷现象，各处喷雾向轴线收缩，喷雾锥角减小。

由图7、8可知，背压不变时，由于试验设计的温度梯度较小，所对应的过热度比较接近，仅改变温度对喷雾形态的影响较小；但背压的变化对喷雾形态的影响非常大，与试验之前的假设类似，即在所选取工况下，压力对喷雾形态的影响大于温度的影响。

乙醇汽油和汽油喷雾形态的变化趋势大致相同，证明温度与背压对闪沸规律的影响具有普适性。但乙醇汽油的喷雾形态出现强烈喷雾塌陷时，温度低于汽油。与汽油喷雾相比，在相同工况下，乙醇汽油的喷雾塌陷程度更大，锥角更小，贯穿距更大。所以，相对于汽油，乙醇汽油更易发生闪沸。在高沸点燃料中加入低沸点燃料会促进均匀成核效应的发生，从而降低混合物的起泡压力，使其在更高的压力下也可以发生闪沸现象[11]。在背压为200 kPa、温度为450 K后，汽油喷雾发生明显的塌陷；但乙醇汽油在200 kPa背压下，喷雾塌陷的温度为420 K。在相同背压下，乙醇汽油的闪沸开始温度低于汽油，这是由于乙醇汽油中乙醇的沸点较低，在相同背压下发生闪沸所需温度更低。