麻疯树油甲酯喷雾特性试验

2023-08-28姜熠豪姜根柱张衍

车用发动机 2023年4期

姜熠豪,姜根柱,张衍

(江苏科技大学机械工程学院,江苏镇江 212003)

化石燃料日益枯竭[1-5]使得各国开始关注传统能源的替代燃料。生物柴油作为一种可再生生物能源,受到了各国政府和科研人员的广泛关注。考虑到潜在燃料技术的成熟,生物柴油作为一种可再生燃料,可以从多种资源中提取,如食用或非食用的植物油和动物脂肪,现在作为商业燃料广泛应用于许多领域。相比于化石燃料,生物柴油[6-8]具有十六烷值高、润滑性能好、燃点高等优点。因此近年来,人们对生物柴油进行了一些研究,麻疯树油甲酯(JME)作为生物柴油的一种,其优点即是十六烷值高,作为替代燃料使用非常合适,但是JME的运动黏度相对石化柴油较高,不利于燃油雾化。而燃油喷雾雾化效果由其喷雾特性所决定,目前学者们针对JME在高压条件下喷雾特性[9-10]的研究还不够深入,因此展开对JME的喷雾特性研究是十分必要的,对JME燃料在以后的工程应用具有一定的指导价值。

在柴油机实际工作中,除了燃油属性对柴油机缸内燃烧过程有影响外,背景压力、喷射压力、喷雾的持续时间等因素对柴油的喷雾特性也有较大的影响。Meshack Hawi等[11]研究了不同的喷射压力和环境密度对柴油、十四烷(柴油替代品)和油酸甲酯(生物柴油替代品)燃料蒸发喷雾的影响。结果表明,喷射压力和环境密度对喷雾特性有显著影响,高喷射压力对生物柴油喷雾锥角的影响最小。Li等[12]研究了生物柴油-戊醇共混物的喷雾特性,并与柴油进行了比较。结果表明,与柴油相比,生物柴油具有更强的喷雾尖端穿透力、更快的峰值尖端速度和更小的喷雾锥角。Fu等[13]研究了生物柴油与二正丁基醚(DBE)共混后的喷雾特性,结果发现,添加了DBE的生物柴油的喷雾尖端穿透率降低,喷雾锥角增大,喷雾宽度增大。虽然JME燃料的雾化特性研究国内鲜见,但在国际上已有不少。Boggavarapu等[14]在 50,100,150 MPa的喷射压力下,将燃料通过200 μm直径和70 μm入口半径的单孔喷嘴喷射到喷雾室(带光学通道)中进行试验,结果表明：内喷嘴空化引起的喷雾雾化的改善能够补偿JME的劣质雾化,尽管在放电系数方面有相关的损失。G. Lakshmi Narayana Rao等[15]研究了以JME、柴油及其混合物为燃料的直喷式柴油机的燃烧、性能和排放特性。结果表明,与柴油相比, JME及其混合物的点火延迟、最大热释放速率和燃烧持续时间较低。尽管燃用JME及其混合物的制动热效率较低,但与柴油相比,其尾气排放量较低,氮氧化物除外。

基于以上分析,发现不同的试验工况对生物柴油的喷雾特性都有显著的影响。本研究中的JME燃料目前尚未在高压定容弹中进行过喷雾特性研究,为了更好地理解JME燃料的喷雾特性,形成可靠的研究体系,因此在高压喷射条件为100 MPa,喷射时间为4 ms前提下,通过改变环境温度、氧气浓度和环境压力,对JME进行喷雾试验。研究结果对于JME在实际燃烧装置中的应用以及优化柴油机的设计具有重要意义。

1 试验装置与数据处理

1.1 试验装置

如图1所示,试验装置由定容燃烧室、高压喷射系统和纹影光路系统组成。喷射过程在特殊设计的定容燃烧室中进行,外部氮气缸提供高压氮气,可承受高达15 MPa的压力,底部装有排泄阀。采用电控高压共轨燃油喷射系统控制喷射参数[16],可提供50～160 MPa的稳定喷射压力。电控喷油器安装在定容燃烧室顶部中央,采用孔径0.3 mm的单孔直喷喷嘴。腔室两侧安装直径80 mm的石英玻璃窗,用于纹影光的通过。

图1 试验装置

利用高压共轨装置进行JME燃料的喷射试验,在不同的试验工况下,对气相喷雾贯穿距和喷雾锥角进行测试和分析,试验中使用的JME为实验室通过榨油机制取的产品,其基本理化特性参数见表1。表中密度是用高精度电子天平和体积测量具所测量的数据计算得到,黏度是通过运动黏度测量仪所测得。如表2所示,在非燃烧条件(氧质量分数为0%)下,定容燃烧弹内使用的是氮气,取100 MPa的喷射压力,773 K,823 K的环境温度,环境压力变化对应的环境密度分别取13 kg/m3,17 kg/m3和 21 kg/m3。在燃烧条件下,即氧质量分数为15%,18%和21%,使用的是空气以及空气和氮气混合气体,与非燃烧条件下采用相同的温度和喷射压力。为减小随机误差,在所有试验条件下进行了5次重复试验,并计算了5次试验结果的标准差,以验证试验数据的可靠性和重复性。

表1 JME特性

表2 初始试验条件

1.2 数据采集与处理

试验采用 SP-5000M-PMCL黑白CCD相机结合Pentax7528微焦镜头采集喷雾图像,拍摄速率为60 000 张/s,分辨率为320×256。

图2显示了液相和气体喷雾场的边界获取原理。纹影法的工作原理[17]是基于不同流场密度区域处光的折射率的差异。在进行燃油喷雾试验时,喷雾体与气体流场背景之间密度不同,由于气相喷雾的喷雾密度低于液相喷雾场,因此纹影法可有效地测量整个喷雾体的边界,还可测量液相与气体喷雾场的边界。

图2 纹影法原理图

试验的数据处理主要是对喷雾图像进行处理,主要分为三个步骤：步骤一为预处理,即对试验中拍摄的图片进行预处理,提升对比度,降低噪点;步骤二为二值化处理[18],对之前预处理的图像再进行二值化处理,采用合适的二值化方法(局部阈值方法)提取前景喷雾目标物;步骤三为形态学处理,采用形态学方法,对二值化处理过的区域进行再次处理,获得所需的区域,最后对该区域进行计算,得到喷雾场的喷雾锥角和喷雾贯穿距等宏观特性。数据处理的具体实现步骤如图3所示。

图3 试验数据处理步骤

2 试验结果与分析

2.1 气相喷雾发展过程

对JME喷雾形态进行研究,图4示出在环境密度为13 kg/m3,温度为823 K,喷射压力为100 MPa工况下,JME在喷射过程中形态发展进程。

图4 喷雾发展图

从图4中可知,随着时间的进展,喷雾持续沿轴方向移动,直至稳定到一定长度。此时,气相喷雾已趋向饱和,并维持在此状态不再改变。其原因为在喷射压力一定的条件下,气相喷雾沿着轴向方向发展,随着气相贯穿速度逐渐降低,气相喷雾也达到了末端,喷雾沿轴向发展也逐渐趋于稳定。

2.2 气相喷雾特性影响因素

2.2.1 氧质量分数对喷雾贯穿距的影响

图5显示了在不同氧质量分数下,JME燃料的气相喷雾贯穿距随喷射时间的变化规律,分析了环境温度分别为773 K和823 K、环境密度为21 kg/m3和不同氧质量分数的工况。随着喷射时间的增加,不同氧质量分数下JME燃料的气相喷雾贯穿距先增大后趋于稳定。从图中可以看出,在气相喷雾的发展阶段,不同氧气浓度下气相喷雾贯穿距的发展基本相同。如图5a所示,达到稳定水平后,在环境温度为773 K的工况下,氧气质量分数为15%的气相喷雾贯穿距小于其他两个氧质量分数下的值,而18%和21%氧质量分数下的JME燃料气相喷雾贯穿距发展趋势基本一致,说明氧质量分数大于18%后其对于JME燃料的影响很小,氧质量分数继续增加,最终稳定的气相喷雾贯穿距不会有太大的改变。

图5 不同氧质量分数下气相喷雾贯穿距随喷射时间的变化规律

如图5b所示,环境温度为823 K与环境温度为773 K工况下气相喷雾贯穿距发展趋势基本相同,燃料喷射后1～2 ms,气相喷雾贯穿距呈快速增加的趋势,然后进入稳定状态。不同氧气浓度下的气相喷雾贯穿距发展趋势基本相同,说明在环境温度为823 K时,氧质量分数对JME燃料喷雾贯穿距的影响几乎可以忽略不计。故可知在高的环境温度条件下,氧质量分数对气相喷雾贯穿距的影响可忽略不计,环境温度对气相喷雾贯穿距的影响大于氧质量分数的影响。

2.2.2 环境密度对喷雾贯穿距的影响

图6示出在不同环境密度下,JME燃料的气相喷雾贯穿距随喷射时间的变化规律。在不同环境密度下,随着喷射时间的增加,气相喷雾贯穿距先增加后趋于平缓。如图6a所示,在环境温度为773 K工况下,喷射时间1～2 ms的发展阶段中,环境密度为21 kg/m3时气相喷雾贯穿距最小,其主要原因为,环境中的气体对喷雾的发展起到了阻碍的作用,环境密度越大,其阻碍作用越大,喷雾的轴向贯穿距离和喷雾体积就越小,环境密度对气相喷雾贯穿距影响相对较大。如图6b所示,随着环境温度增加到823 K,相对于773 K,气相喷雾贯穿距波动更大。其主要原因是随着环境温度的升高,喷雾动量也随之增大,进而导致了燃油喷射速度加快。虽然在发展阶段气相喷雾贯穿距曲线出现了部分交叉,但总体来说,气相喷雾贯穿距还是在环境密度为21 kg/m3时达到最小。

图6 不同环境密度下气相喷雾贯穿距随喷射时间的变化

在平稳阶段,环境温度为773 K时,环境密度为13 kg/m3和17 kg/m3条件下,气相喷雾贯穿距相似,而环境密度为21 kg/m3时气相喷雾贯穿距最大,不同环境密度下的气相喷雾贯穿距的差距较小。在环境温度为823 K时,不同环境密度下气相喷雾贯穿距的差距更小,近似趋于一致。随着环境温度的提升,燃油的喷雾蒸发速率加快,加快了气体的混合,促进了混合气的形成,导致了气相喷雾贯穿距的增大。然而,随着环境温度的提高,环境密度为21 kg/m3时气相喷雾贯穿距最大,表明了环境温度在喷射过程中对气相喷雾贯穿距的影响小于环境密度。

2.2.3 氧质量分数对喷雾锥角的影响

图7示出环境温度为773 K和823 K,不同氧质量分数下喷雾锥角随时间变化的规律。由图可见,在不同氧质量分数下,随着喷射时间的推移,喷雾锥角经历了几次波动后,逐渐趋于稳定。如图7a所示,在环境温度为773 K的工况下,刚开始前几百微秒,不同氧质量分数下JME燃料的喷雾锥角各不相同,氧质量分数为21%时,初始喷雾锥角最小,而氧质量分数为15%时,初始喷雾锥角最大,氧质量分数越大,初始喷雾锥角越小。从图中还能看出,在相同的环境温度,不同氧质量分数下JME燃料的稳定喷雾锥角相差不大,氧质量分数为21%时,稳定喷雾锥角最小,而氧质量分数为18%时,稳定喷雾锥角最大。可以看出,氧质量分数介于18%与21%之间时出现喷雾锥角最大值。另外,环境温度为773 K时,燃料开始喷射后,喷雾锥角在2～4 ms之间达到了稳定状态,为了搞清楚不同喷射条件对喷雾锥角的影响,计算得出稳定的气相喷雾锥角出现在3～4 ms之间。如图7b所示,改变环境温度,其他喷射条件不变,在不同氧质量分数下,随着喷雾时间的增加,环境温度为823 K时气相喷雾锥角与环境温度为773 K时发展趋势基本一致,先下降后增加,然后逐渐趋于平缓。与环境温度为773 K工况相比,刚开始前几百微秒,气相喷雾锥角是最大的,最后趋于稳定值。

图7 不同氧质量分数下喷雾锥角随喷射时间的变化规律

通过对比图7a和图7b可知,在平稳阶段,环境温度越高,对喷雾锥角抑制越大。其原因是在定容燃烧弹内,随着温度提升,分子运动更加激烈,油气喷雾边缘的混合也更加激烈,环境阻力增大,进而影响了喷雾锥角。

2.2.4 环境密度对喷雾锥角的影响

图8示出在氧质量分数为15%,环境温度为773 K和823 K的条件下,不同环境密度工况下喷雾锥角随时间的变化规律。如图8a所示,在环境温度为773 K工况下,氧质量分数为15%时达到燃烧条件,随着喷射时间的增加,喷雾锥角经历了几次波动后,逐渐趋于稳定。此时,环境密度为21 kg/m3时喷雾锥角最大,环境密度为13 kg/m3时气相喷雾锥角最小。其主要原因是,环境密度越大,定容燃烧弹中环境空气阻力越大,当燃料喷射时,在轴向上的环境阻力越大,使得喷雾被反向压缩,喷雾锥角越大。此外,随着环境密度的增加,气体的混合与扩散得到了加强,进而气相喷雾锥角变大。

图8 不同环境密度下喷雾锥角随喷射时间的变化规律

如图8b所示,环境温度增加到823 K,其他条件保持不变,氧质量分数为15%时达到燃烧条件,氧质量分数为0%时未达到燃烧条件。随着喷射时间的增加,喷雾锥角出现了一些波动,然后趋于稳定状态。然而燃烧与未燃烧条件下的气相喷雾锥角曲线波动有些不同之处,未燃烧条件下的波动较小,燃烧条件下的波动较大,并且燃烧条件下的最终喷雾锥角比未燃烧条件下要大得多。在氧质量分数为0%的非燃烧条件下,不同环境密度下JME燃料喷雾锥角发展趋势基本一致。环境密度为21%时喷雾锥角最大,环境密度为13%时喷雾锥角最小,因此环境密度越大喷雾锥角越大。

由图8可知,在不同环境密度下,与氧质量分数为0%时的喷射环境相比,燃烧条件下进入稳定状态时,JME的喷雾锥角更大,是因为JME喷雾中的细小液滴吸收燃烧释放的热量,并且吸收的热量越多,越有利于燃油的蒸发气化,从而喷雾锥角增大。