乙醚在亚/超临界环境下喷雾燃烧及其产物

吕恩雨，马志豪，刘 成，李亚楠，胡二江

(1.河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003；2.西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

0 引言

内燃机由于具有较高的热效率和较强的可靠性，得到了广泛的应用。随着一系列先进技术的出现和日益严格的排放法规要求，缸内实际工作环境可能已经超过燃料的临界值[1-2]。与此同时，近年来世界各地机动车的保有量不断增多，内燃机排放所引发的一系列问题受到了人们的日益关注。因此，区别于传统喷射燃烧过程，超临界喷射燃烧及其产物的研究具有重要意义。

关于亚/超临界环境下燃料燃烧的相关研究，国内开展了液滴低压和常压下的蒸发燃烧试验[3-5],以及超临界条件下液滴蒸发燃烧的数值模拟[6-7]。文献[8]采用重型活塞试验系统，对煤油和有机凝胶偏二甲肼(unsym-dimethylhydrazine,UDMH)进行超临界条件下单滴燃料的蒸发与燃烧试验，发现液滴呈现多点着火现象。国外的相关研究较少，文献[9]进行了正十八醇燃料液滴在超临界微重力高压气体环境中的燃烧试验，发现液滴温度可以上升到临界温度，此时液滴与环境气体之间部分界面变得模糊不清。文献[10]研究表明：在较低压力下，燃烧速率系数取决于环境气体中氧含量；在超临界条件下，燃烧速率系数与环境气体混合物没有关系。文献[11]研究了正庚烷和正癸烷液滴的汽化耦合效应，发现超过临界温度后，液滴的蒸发速率随环境压力的升高而迅速加快。文献[12]研究了环境气体压力和温度对射流破碎的影响，在亚临界条件下，观察到燃料剥离形成液带和液滴，在超临界条件下未观察到液带的出现。文献[13]研究表明：当燃烧室内压力接近燃料临界压力时，喷射过程对温度、压力、局部浓度和初始条件的变化极其敏感。文献[14]研究表明：超临界条件下，一种新的类似气体喷射的过程将取代传统的喷射破碎过程。文献[15-16]率先提出了定量“伪沸腾”分析法，在超临界环境中，燃料将从“类液体”状态转变成“类气体”状态，定压比热容和密度剧烈变化。

本课题组长期致力于研究亚/超临界环境下碳氢燃料的蒸发与燃烧特性[17-19]。乙醚作为一种具有发展前景的生物燃料，燃点、临界压力和温度较低，有较高的十六烷值和能量密度，在柴油机冷启动的助燃剂及柴油机的燃料方面有广泛应用。然而，目前关于乙醚的燃烧试验研究较少，故本文以乙醚作为燃料，开展乙醚在亚/超临界环境下的喷雾燃烧特性试验，可进一步为发动机缸内高温高压燃烧过程和排放控制提供一定的试验依据和理论支持。

1 试验方案

1.1 试验系统

图1 试验装置结构简图

图1为试验装置结构简图，采用高温高压定容燃烧弹系统，主要包含定容燃烧弹、单次喷射仪、高压共轨试验台、高速摄像机和阴影仪等。其中，变压器和定容燃烧弹内部的电加热丝能够进行温度调节。与进气口连接的高压气瓶和压力调节阀能够进行压力控制。定容燃烧弹两侧安装有直径130 mm、厚度75 mm的JGS2光学石英观察窗，光学石英玻璃可承受7 MPa的内外压力差和1 375 K的温度，满足试验需要的压力和温度环境。定容燃烧弹内布置热电偶，实时监测内部环境温度。喷油器安装在定容燃烧弹上部，使用循环水对其单独进行冷却，喷孔直径为0.12 mm，壁厚为1 mm，倒锥形结构。高压共轨试验台连接喷油器和单次喷射仪，共轨轨压为100 MPa，系统内燃料的冷却由试验台内部的恒温装置提供。法国EFS公司生产的8426模块和8427模块单次喷射仪控制喷油器的喷油规律和喷射脉宽，设置喷油脉宽为1.3 ms，实现喷油过程的精准控制。使用NAC Memrecam GX-8型高速摄像机，搭配Micro Nikkor变焦镜头记录燃料喷雾燃烧的完整过程，设置高速摄像机拍摄速率为20 000 帧/s。

本试验所用燃料乙醚(C4H10O)的临界温度Tc=466.7 K，临界压力Pc=3.63 MPa。定义环境压力Pa与燃料临界压力Pc之比为对比压力Pr，同理，对比温度为Tr。使用体积分数为99.99%的高压氧气作为环境气体进行试验，保证在试验温度环境下喷射油束能够顺利发生自燃。试验过程中，通过高压共轨系统将燃料加压至100 MPa，设置单次喷射仪的喷油脉宽，当定容燃烧弹内部温度和压力达到试验条件时，同时触发高速摄像机和单次喷射仪，完整记录燃油喷射燃烧的过程。

当燃料由亚临界状态转变为超临界状态时，物性参数会发生剧烈变化。超临界状态的燃料在固定的压力下，随着流体温度的增大，在某一温度时，流体的密度迅速下降，而定压比热容达到峰值。文献[20]把这种超临界流体出现的类似于亚临界流体沸腾的现象称作“伪沸腾(pseudo-boiling)”，将定压比热容出现峰值时所对应的温度和压力点在压力-温度(P-T)图上连接起来，构成“伪沸腾”线，“伪沸腾”线上侧为“类气体”区，下侧为“类液体”区，分别具有类似气体和类似液体的物性特征。当燃料进入超临界状态后，其表面张力和汽化潜热迅速降为零，随之进入超临界状态的单相混合扩散过程[16]。

1.2 图像处理方法

本试验利用阴影法进行图像拍摄，由于相邻两帧图像的时间间隔为0.05 ms，同时油束的喷射速度相比于环境气体的波动速度较大，在如此短的时间间隔和相对较小的速度下，环境气体的扰动对拍摄图像背景的影响可以忽略。通过对卤素光源亮度的调节，整个定容燃烧弹内部环境的背光亮度相比于油束燃烧时的火焰亮度要低很多，火焰区域可以通过图像处理将其完整地从背景中分离出来。本文利用Photoshop图像处理软件中的魔棒工具，根据喷雾燃烧火焰的亮度与背景亮度之间的差异，选择合适的容差值,扣除火焰干扰背景，同时完整保留火焰核心区域，从而将喷雾火焰从拍摄画面中分离出来。图像处理见图2。图2a为Ta=571 K、Pa=3.63 MPa时高速摄像机拍摄到的背景图像，图2b为t=0.4 ms的油束火焰原始图像，经过处理后的图像见图2c。

(a) 背景图像

(b) 原始图像

(c) 处理后图像

图2 图像处理

2 试验结果与分析

2.1 环境压力对喷雾燃烧特性的影响

2.1.1 喷雾燃烧火焰形态

在喷入定容燃烧弹之前，乙醚经高压共轨系统加压后均为可压缩流体。图3是环境温度为571 K(Tr=1.22)、环境压力分别在亚临界压力(Pa=2.0 MPa,Pr=0.56,可压缩流体→气相)、临界压力(Pa=3.6 MPa,Pr=1.00,可压缩流体→临界相)和超临界压力(Pa=4.0 MPa,Pr=1.11,可压缩流体→超临界流体)条件下，喷射脉宽为1.3 ms时，乙醚的喷雾燃烧火焰随时间的变化图像。以画面中出现明显火核为燃烧始点(即0 ms)，到1.0 ms结束，此时喷油过程也即将结束。同时，定义火焰区域面积与定容燃烧弹观察窗面积之比为当量面积比，从而消除试验过程中由于拍摄区域面积的波动性所导致的误差，方便进行对比。图4为不同环境压力下乙醚的喷雾燃烧火焰当量面积比随时间的变化曲线。

(a) 2.0 MPa

(b) 3.6 MPa

(c) 4．0 MPa图3 不同环境压力下乙醚的喷雾燃烧火焰随时间的变化图像

图4 不同环境压力下乙醚的喷雾燃烧火焰当量面积比随时间的变化曲线

由图3～图4可知：乙醚喷雾燃烧火焰呈现规则的球状头部，其亮度较强，明亮的火焰前锋对部分火焰形态的观察造成一定的影响。亚临界压力下的火焰整体面积较大，波动明显；当压力达到临界点后，球形火焰的发展较为规则和稳定，整体面积最小；当压力超过燃料临界压力点，且对比压力不大时，火焰整体面积大于临界压力点的面积，但相差不大。亚临界压力下，热扩散系数相对较小，油束内部升温较慢，向外扩散阻力小，由刘易斯数(热扩散系数与质量扩散系数比)[21]可知:此时质量扩散占主导作用，故喷雾燃烧火焰向外发展较快，火焰面积较大。此外，亚临界压力下的火焰面积波动明显的原因是：在喷油燃烧前期(t<0.6 ms)，环境压力相对较小，油束喷雾向四周扩散的能力较大，从而造成了在初期类似于球状的火焰，火焰面积较大，而随着喷油和燃烧的进行，油束喷雾转变为相对细长的火焰，面积减小。压力达到临界点压力时，热扩散系数的略微增加和质量扩散系数的减小导致刘易斯数增大，油束内部温升快，但向外扩散能力减弱，故此压力下的火焰面积较小。当环境压力超过临界压力后，刘易斯数继续增大，油束喷雾向外扩散阻力增大，但此时汽化潜热和表面张力变为零，燃料所吸收的热量都用于燃料自身温度的升高，汽化过程将从短暂的气液两相过渡到超临界单相混合过程。此时，燃料温度的升高将会导致体积的明显变化，即当温度超过该压力下“伪沸腾”线所对应的温度后，燃料从“类液体”转变为“类气体”，体积膨胀，致使该条件下的火焰面积稍大于临界点状态下的火焰面积。

文献[19]发现正己烷的燃烧火焰形态为传统的长油束状，而乙醚的火焰前锋则呈现规则球状。主要是由于乙醚极易挥发，且乙醚自身携带氧元素，混合气适合着火的浓度得到拓宽，在喷射进入定容燃烧弹内后，油束外围的乙醚更易与氧气混合形成可燃混合气，此时乙醚的定压比热容较小，油束内部的燃料不断吸热，向外运动蒸发，随着火焰的传播，导致整个燃烧面积向外扩散形成球状。

图5 不同环境压力下乙醚的喷雾燃烧贯穿距随时间的变化曲线

2.1.2 喷雾燃烧贯穿距

利用Photoshop图像处理软件对喷雾燃烧贯穿距原图进行直接测量。图5为不同环境压力下乙醚的喷雾燃烧贯穿距随时间的变化曲线。由图5可知：在不同环境压力下，喷雾燃烧贯穿距随时间的变化关系可分为两个阶段，大约在0.4 ms之前变化迅速，0.4 ms之后变化速率减缓。在亚临界压力下，喷雾燃烧贯穿距略长于其他两个压力点；当压力达到临界点后，喷雾燃烧贯穿距最短；当压力超过燃料临界压力点，且对比压力不大时，喷雾燃烧贯穿距变化速率稍大，火焰整体贯穿距大于临界压力点的贯穿距。

由图5可知：在喷雾燃烧贯穿距发展的第1阶段，贯穿距与时间近似呈线性关系，第2阶段呈幂函数关系。喷油初期，油束喷雾刚喷射入定容燃烧弹内部，油束初速度较高，贯穿能力较强，随着与环境气体的相互作用，一部分动量被损耗，油束速度降低，导致喷雾燃烧贯穿距的发展速率减缓。

与其他两个压力点相比，亚临界压力下油束喷雾的出口流速最大，且此时传热速率较慢，导致其汽化过程较慢，故亚临界条件下的喷雾燃烧贯穿距较长，火焰长度较长。随着压力升高到达临界点，燃料的定压比热容突然增大，燃烧释放的热量大都用来进行乙醚的汽化，油气混合速率较慢，且此压力下油束向外扩散所受阻力增加，导致其喷雾燃烧贯穿距减小。当环境压力达到超临界压力时，燃料的物性参数发生剧烈变化，黏度等同于气体的黏度，表面张力和蒸发焓为零，质量扩散系数处于液体和气体的扩散系数之间，且油束喷雾与环境气体为单相混合过程，油束喷雾向外扩散较快，这些因素都有可能导致喷雾燃烧贯穿距略微增大。

2.2 环境温度对喷雾燃烧特性的影响

选择环境温度分别为513 K(Tr=1.10)和571 K(Tr=1.22)，对乙醚进行燃烧特性对比，此时燃料均由可压缩流体跨入气相。图6为1.3 ms的喷油脉宽和2.0 MPa(Pr=0.56)的环境压力时，不同环境温度下乙醚的喷雾燃烧火焰图像对比，时间从0 ms开始至1.0 ms结束，图7为其对应的当量面积比随时间的变化曲线。图8为不同环境温度下乙醚的喷雾燃烧贯穿距随时间的变化曲线。

(a) 513 K

(b) 571 K图6 亚临界压力不同环境温度下乙醚的喷雾燃烧火焰的图像对比

图7 不同环境温度下乙醚的喷雾燃烧火焰当量面积比随时间的变化曲线

图8 不同环境温度下乙醚的喷雾燃烧贯穿距随时间的变化曲线

由图6～图8可知：在亚临界环境压力、超临界环境温度下，乙醚的火焰前锋都呈规则球状。环境温度越高，喷雾燃烧贯穿距越长，火焰面积越大。韦伯数(惯性力与表面张力之比)及喷雾出口流速公式[22]为：

其中：σ为表面张力,N·m-1；Cd为流量系数；d为特征长度，即喷孔直径,m；△p为喷油压力与环境压力的压差,MPa。

通过上式可以看出：相同环境压力下油束喷雾惯性力相同，而随着环境温度的升高其表面张力减小，对比温度Tr为1.22时,韦伯数较大，油束惯性力克服表面张力能力较强，其获得的动量更多，且环境温度越高，环境气体的密度越小，燃料的质量扩散系数越大，导致喷雾燃烧贯穿距更长，火焰面积更大。根据化学动力学中分子碰撞理论[23]，环境温度越高，单位体积内反应物分子数越多，使分子运动有效碰撞频率增加，油束喷雾和环境气体的溶解加快，适宜着火的混合气区域将增大。乙醚的定压比热容随对比温度的变化如图9所示。由图9可知：临界点附近及超临界温度下温度稍有波动，定压比热容发生较大变化，这也将引起喷雾燃烧的变化。

2.3 喷雾燃烧的产物分析

利用烟气分析仪对喷雾燃烧后的产物进行测量。以最低环境压力1.0 MPa为例，计算得到燃料喷射量为17.0 mg，理论上这部分燃料完全燃烧需消耗44.1 mg氧气，而实际定容燃烧弹内氧气质量为15 058.7 mg。由于所使用的烟气分析仪所能测量的氧气体积分数小于25%，远远低于定容燃烧弹内氧气体积分数，因此无法测量氧气；且燃烧过程发生在纯氧环境中，意味着没有氮氧化物的生成，所以试验只进行了CO和HC生成量的测量。喷油脉宽为1.3 ms时，乙醚燃烧生成的CO和HC随对比压力的变化如图10所示。

图9 乙醚的定压比热容随对比温度的变化

图10 乙醚燃烧产物随对比压力的变化

由图10可以发现：在亚临界条件下，HC生成量(体积分数)随着压力的升高连续减小；当环境压力升高至临界压力时，HC生成量突然增大，并取得试验范围的最大值；当环境压力超过临界压力时，HC生成量又有所减小。CO的生成量则随着环境压力的升高单调递减，当环境压力高于临界压力时，CO的递减速率变小。

本试验发现在亚临界条件下，HC和CO的生成曲线呈下降趋势。一方面，随着环境压力的升高，虽然质量扩散系数降低，对汽化过程产生不利影响，但燃料的导热系数增加和汽化潜热减小都促使燃料快速蒸发，形成更均匀的可燃混合气，且环境压力的升高使得试验环境内氧气含量得到提升，而氧气含量直接决定CO的生成量，随着氧气含量的增大，CO的生成量将减小。在试验过程中，油束与周围气体形成的可燃混合气是在极短的时间内形成的，这就会导致严重的混合不均，油束中心的混合气相对过浓，容易形成较多的HC，随着环境压力的升高，氧气密度增加，使其定压比热容增大，燃料蒸发燃烧后环境温度变化较小，此时当氧气含量增大时，会促使油束中心区域较浓的混合气逐渐向外扩散稀释，进入正常燃烧，使得HC生成量降低，促进了生成HC的进一步氧化。另一方面，由于环境压力的逐渐升高，定容燃烧弹内部气体质量逐渐增多，一定程度上稀释了生成物的含量，从而导致其生成量曲线下降。当环境压力升高到临界压力和超临界压力时，主要由于氧气含量的增多且环境温度足以使CO继续氧化，CO的生成量持续减小，但是氧气含量升高对CO的生成影响减弱，导致CO生成量的下降速率减缓。HC生成量在临界点处的突然变化也主要是由于燃料的超临界特性。一方面，当燃料跨越临界点时，定压比热容迅速增大，燃料维持蒸发燃烧过程要吸收大量热量，使燃烧区域整体温度降低，低温淬熄会导致HC的生成增多，甚至在较低温度下油束外围的混合气很有可能来不及着火，部分燃料不能燃烧。另一方面，由于此时环境压力较高，油束内部燃料向外扩散较慢，局部可燃混合气仍过浓，燃料与环境气体混合较差，环境温度较低，燃烧不完全，导致HC的生成量在临界点附近上升并达到峰值。当环境压力超过临界压力后，定压比热容逐渐减小，环境温度变化影响减小，氧气含量的变化起主导作用，HC的生成量随着环境压力的升高而下降。

3 结论

(1)乙醚的喷雾燃烧火焰呈现较明亮且规则的球状，火焰形态大约在发展0.4 ms后趋于稳定，在临界压力点时，喷雾燃烧贯穿距最短，面积最小；亚临界环境压力下，环境温度越高，喷雾燃烧贯穿距越长，火焰面积越大，但总体差别不大。

(2)乙醚喷雾燃烧后，CO的生成量随着环境压力的升高而连续下降；HC的生成量在亚临界环境下随环境压力的升高而减小，在临界压力处突然上升并达到峰值。

(3)燃料在近临界点附近喷雾燃烧时，由于其物性参数的剧烈变化导致喷射形态的变化，从而使燃烧形态和生成物规律的不确定性增加。