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曹菁菁1，許敏1,2，曾緯1，張玉銀1
1.上海交通大學(xué)汽車工程研究院,上海市200240
摘要:本文利用米氏（MIE）散射和激光誘導(dǎo)熒光（LIF）激光測試技術(shù)測得了甲醇、乙醇與汽油的噴霧特性。基于對該實(shí)驗(yàn)測得的大量噴霧圖像的分析比較，獲得了甲醇、乙醇、汽油在噴射初始階段、噴霧發(fā)展階段以及完全霧化階段的不同噴霧特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)醇類燃料的噴霧特性不同于汽油，且乙醇與汽油的差距要大于甲醇與汽油的差距。在噴射初期，由于受燃料粘性的影響，粘性最大的乙醇的噴油延遲期最長。在噴霧發(fā)展早期階段，汽油噴霧的貫穿距最長。在完全霧化階段，三者液滴分布的差距并不明顯。三者的噴射錐角無明顯的差異。
1.引言
隨著汽車保有量的增加，空氣的污染情況和能源的危機(jī)問題都日益嚴(yán)重，尋求一種清潔有效的替代燃料顯得尤為重要。甲、乙醇與汽油相比具有更高的辛烷值，更寬泛的著火范圍，更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约案叩钠瘽摕嶂怠＿@些特性保證了發(fā)動機(jī)可以在更高的壓縮比和更清潔的工作范圍下運(yùn)行。目前，已經(jīng)有多個國家采用醇類作為汽油的替代燃料進(jìn)行使用。在這一不斷發(fā)展的過程中，醇類燃料的一些優(yōu)點(diǎn)得到體現(xiàn)，但同時一些問題也暴露出來，例如甲醇對發(fā)動機(jī)的腐蝕，冷啟動困難等，因此為了更好的開發(fā)和使用醇類作為替代燃料，更深入和系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究顯得格外重要。
本課題研究了甲醇和乙醇在不同噴射壓力和環(huán)境背景下的噴霧特性。基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，獲得了噴霧初始噴射階段的形態(tài)以及完全霧化階段的噴霧特性，并對不同燃料的噴霧破碎機(jī)理進(jìn)行分析。
為甲醇、乙醇、汽油火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)噴霧燃燒系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法
2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備
如圖1、圖2所示噴霧實(shí)驗(yàn)室的主要部分有：Nitron激光器，定容高壓容器，靈活燃料供給系統(tǒng)以及由CCD相機(jī)、增強(qiáng)器intensifier以及相關(guān)的光學(xué)設(shè)備組成的激光成像系統(tǒng)。
LaVision激光和成像系統(tǒng)主要用來提供一定能量的激光束和拍攝實(shí)驗(yàn)所需的圖像；8孔直噴噴嘴固定安裝在定容高壓容器頂部，并且利用密閉環(huán)境為噴霧提供需要的環(huán)境背壓；靈活燃料供給系統(tǒng)中，三個相互獨(dú)立的液力蓄壓器向噴嘴供給具有穩(wěn)定壓力的燃料，2個獨(dú)立的氮?dú)夤庀到y(tǒng)分別控制實(shí)驗(yàn)中的噴射壓力和環(huán)境壓力。實(shí)驗(yàn)過程中由Nd：YAG激光儀產(chǎn)生一束細(xì)的平面激光照射沿噴霧對稱軸線的兩束噴霧，圖像被LaVision成像系統(tǒng)拍攝下來，并通過PTU同步記錄入電腦中。
實(shí)驗(yàn)中采用八孔直噴噴油器，孔徑為0.3mm，長徑比L/D=2，這八個噴孔所在的圓錐的錐角為70°。激光器產(chǎn)生的一束直徑約5mm激光束，經(jīng)過一系列柱面透鏡，形成0.5mm厚的平面激光。該平面激光束沿噴霧的對稱軸線同時照射兩束噴霧，如圖3、4所示。
2.2實(shí)驗(yàn)方法
2.2.1實(shí)驗(yàn)條件和燃料
研究燃料噴霧形狀和霧化過程的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。控制參數(shù)為噴射壓力和背壓。這兩個壓力由高壓氮?dú)馄砍隹谔幍恼{(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制。實(shí)驗(yàn)中取噴射壓力為1MPa,5MPa和10MPa.。實(shí)驗(yàn)背壓分別取環(huán)境壓力、0.45MPa和1MPa。對于每種噴射壓力和背壓的組合，我們利用激光器以及光學(xué)成像系統(tǒng)分別在噴射始點(diǎn),噴射后30μs，500μs,噴射后1000μs,噴射后1500μs,噴射后2000μs拍攝噴霧圖片。實(shí)驗(yàn)所用燃料為97#汽油，無水乙醇和無水甲醇。三種燃料的物理特性見表2。
2.2.2激光測試技術(shù)
實(shí)驗(yàn)中，我們采用了米氏散射（MIE）和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（LIF）兩種激光測試技術(shù)來獲得不同的噴霧圖樣。其中，MIE的主要原理是通過觀測噴霧的反射光來捕捉噴霧的形態(tài)，當(dāng)光束照在液滴上時，和原光具有相同的波長的散射光極被攝相機(jī)攝取。由于米氏散射信號與噴霧中液滴的表面形態(tài)具有直接關(guān)系，我們便可獲取液滴分布以及噴霧的幾何信息，比如噴霧錐角，貫穿距。目前，我們采用光密度高的532nm波長的激光來照亮噴霧，獲取了試驗(yàn)用噴嘴的噴霧特性。但MIE存在的問題的是，在實(shí)驗(yàn)的過程中，來自噴嘴以及其他油束的反光可能會影響到實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。與MIE相比，LIF的主要原理是用激光束激發(fā)一個原子或者分子，使其發(fā)光。一般來說，由激光誘導(dǎo)熒光測量物質(zhì)的特性比由一般光源誘導(dǎo)熒光所測的靈敏度提高2-10倍。因此，通過LIF技術(shù)，有效的避免了MIE技術(shù)中背景噪音的影響，同時可以較為清晰的觀察到噴霧蒸發(fā)的過程。
實(shí)驗(yàn)中，我們通過更換不同的濾鏡來實(shí)現(xiàn)不同測試技術(shù)的使用。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理及分析
甲醇、乙醇作為一種替代燃料，表現(xiàn)出與汽油不同的噴霧特性，要闡明三種燃料之間噴霧特性的區(qū)別，必須對噴射后噴霧各發(fā)展階段的性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)描述，主要包括燃油噴射初始階段，噴霧的二次霧化。
因此，在獲得甲醇、乙醇、汽油的噴射圖樣以后，進(jìn)一步對三者噴霧的發(fā)展趨勢、幾何特性以及液滴分布等進(jìn)行分析，研究燃料物理特性、環(huán)境壓力、噴射壓力等參數(shù)對噴霧特性的影響。
3.1不同燃料對初始時刻的影響
噴射初始時刻SOI（startofinjection）是指燃油即將要離開噴孔的時刻，能夠一定程度上反映出燃料在噴嘴內(nèi)部流動的情況，同時，其初始狀態(tài)對于開始噴射以后噴霧的發(fā)展過程也起到重要的作用。以大氣壓力下噴射壓力為5MPa為例，在實(shí)驗(yàn)的過程中，拍攝不同時刻的照片，發(fā)現(xiàn)不同燃料的噴射初始時刻是不同的，汽油最早離開噴嘴，約在脈沖開始以后的730μs時刻，甲醇略晚于汽油，約為740μs時刻，乙醇離開噴嘴的時間最晚，為脈沖開始之后的750μs時刻。以噴射壓力5MPa，環(huán)境背壓0.1MPa為例，圖5為三種燃料在噴射開始后750μs時刻的噴射圖樣。
為了從理論上對這一現(xiàn)象進(jìn)行分析，我們建立了在噴射開始前關(guān)于燃料在噴孔內(nèi)流動時的動力學(xué)方程。圖5是噴孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖由圖上可以看出：噴孔內(nèi)部有一個電磁線圈、一個鎖定彈簧、一個電樞和球形針閥，當(dāng)球形針閥打開后，液體從里面流出。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號后，電樞通電，使得電器線圈感應(yīng)產(chǎn)生電磁力，以用來克服鎖定彈簧力、燃料噴射壓力的阻力以及燃料粘性力的阻力，打開噴嘴的球型針閥，使得燃料噴出。
3.2噴霧早期的特性研究
噴射開始以后，液體射流的分裂長度與噴射速度、液體粘度、噴嘴尺寸和結(jié)構(gòu)等因素有密切關(guān)系。液體從噴嘴被射入另一種流體介質(zhì)（例如空氣）后，由于氣動力、慣性力、粘性力和表面張力等各種力的相互作用導(dǎo)致其破碎[1]。在某些特定情況下，射流表面的擾動會變的更加強(qiáng)烈，射流會破裂成一系列大的液滴，這個過程對于之后形成小的油滴并且最終完全蒸發(fā)是非常重要的[2]。因此，本文對三種燃料噴霧初期分裂階段的噴霧特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。
以噴射壓力為5MPa，環(huán)境壓力下噴射初期汽油、甲醇、乙醇的LIF噴射發(fā)展圖樣為例。
由圖7可以看出，噴射剛開始的時候，三者的液核區(qū)域基本相同，均隨著噴射的繼續(xù)而變大，相互之間并沒有發(fā)現(xiàn)明顯區(qū)別。在0.18ms時刻出現(xiàn)了射流破裂的現(xiàn)象，噴霧末端分離成大小不等的液滴，到了0.3ms時刻，這種破裂現(xiàn)象更為明顯，可以較為清晰的觀察到噴霧的液核和破裂區(qū)域。另外，由圖上測量的結(jié)果可以看出汽油的貫穿距最長，其次是甲醇，乙醇的貫穿距最短，這可能與三者不同的密度以及粘度相關(guān)。
為了更好的研究這一現(xiàn)象，我們引用Levich’s的破碎理論和Hiroyasu的方程[3]進(jìn)行數(shù)值分析。相關(guān)方程式如下：
3.3完全霧化階段噴霧特性分析
上面的數(shù)據(jù)主要分析了第一次噴霧破裂的過程，在這個過程中，初始的大液滴從液核中分離出來。第二次破裂過程描述了從液核分離出的液滴由大到小的分裂過程。下面我們對甲醇、乙醇、汽油三種燃料的二次破裂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。分析的主要區(qū)域是位于噴嘴以下約50mm位置區(qū)域已經(jīng)充分發(fā)展的噴霧末端的液滴。
下面，我們列出了三種燃料在相同時刻的LIF圖樣來對比不同的液滴分布，如圖8所示噴射壓力為5MPa，環(huán)境壓力為大氣壓力。
圖像上可以看出，三者的噴霧末端液滴分布并沒有呈現(xiàn)明顯的不同。這一過程通常由Ohnesorge(Oh)數(shù)和Weber(We)數(shù)來表征[4]。Oh無量綱數(shù)表征的是液體粘性力與液體表面張力的比值，We數(shù)表征的是空氣動力與表面張力的比值。除了少數(shù)粘度極大的液體外，大多數(shù)液體都滿足Oh<0.3[1]，所以對于甲醇、乙醇、汽油這三種粘性均不大的液體來說，它們的oh數(shù)都是低于0.3的，由圖上可以看出，此時三者二次
破裂的形態(tài)僅與We數(shù)相關(guān)。同時，汽油、甲醇、乙醇三者的表面張力差別不大，繼而We數(shù)幾乎相等，所以，三者在二次破裂階段表現(xiàn)出相似的性質(zhì)。
3.4噴霧的貫穿距和噴霧錐角
噴霧的貫穿距和噴霧錐角是噴霧的重要結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，研究噴霧的貫穿距和噴霧錐角對工程實(shí)踐具有較大的意義。下面分析不同控制參數(shù)對三種燃料的噴霧特性影響，并比較三者之間的不同。
3.4.1噴射壓力對三種燃料噴霧特性的影響
圖9是背壓為0.1MPa，不同噴射壓力的噴霧貫穿距曲線，從圖中可以看出，在環(huán)境背壓相同的情況下，隨著壓力的增大，噴霧的貫穿距逐漸增大，且在相同的噴射條件下，乙醇的貫穿距最短，其次是甲醇，汽油的貫穿距最長。
3.4.2環(huán)境背壓對三種燃料噴霧特性的影響
圖10選取了噴射壓力為5MPa，0.5ms時刻，環(huán)境背壓分別為0.1MPa、0.45MPa、1MPa甲醇、乙醇、汽油的噴霧貫穿距進(jìn)行比較。由圖可以看出，隨著環(huán)境壓力的增加，噴霧的貫穿距明顯減小。為了更好的研究環(huán)境背壓對三種燃料噴霧特性的影響，我們繪制出圖10進(jìn)行分析。
由圖10可以看出，隨著背壓的上升，三種燃料的貫穿距顯著下降。在同樣的噴射條件下，汽油的貫穿距最長，其次是甲醇，乙醇的貫穿距最短。另外，從圖上還可以觀察到，當(dāng)環(huán)境背壓增大的時候，乙醇與汽油之間貫穿距的差距愈發(fā)明顯。例如，當(dāng)環(huán)境背壓較小的時候（0.1MPa），汽油、乙醇的噴霧貫穿距差距約在5mm左右，但當(dāng)環(huán)境背壓升高至1MPa時，這種差距減小到2mm左右。可見，隨著環(huán)境背壓的增加，兩者的貫穿距差距減小。
下面分析甲醇、乙醇、汽油三種燃料的噴霧錐角隨噴射條件變化的情況，圖11描述了汽油、甲醇、乙醇在噴射開始以后0.5ms時刻，不同噴射壓力、不同環(huán)境壓力對噴霧錐角特性曲線。
由圖11可以看出，隨著環(huán)境背壓的增加，噴霧的噴射錐角逐漸增大，在同樣的噴射壓力下，當(dāng)環(huán)境背壓從0.1MPa上升到0.45MPa的過程中，噴霧錐角增大了2.5°到3°，當(dāng)環(huán)境背壓一定的時候，當(dāng)噴射壓力從5MPa上升到10MPa時，噴霧錐角上升了3°左右。
當(dāng)噴射壓力為5MPa時，甲醇的噴霧錐角明顯小于汽油和乙醇的噴霧錐角，但當(dāng)噴射壓力為10MPa時，這種差異并不顯著，因而從圖中未能總結(jié)出三種燃料對噴霧錐角特性的顯著影響規(guī)律。
4.全文總結(jié)
通過分析激光測試的噴霧圖像，掌握了DISI發(fā)動機(jī)中甲醇、乙醇、汽油三種燃料在不同階段的噴霧特性，所得結(jié)論如下：
1）在實(shí)驗(yàn)中，觀測到三種燃料的噴射開始時刻不一樣，存在時間不等的延時。汽油噴射開始時刻早于甲醇的時刻，而乙醇最晚。這種現(xiàn)象與燃料在噴嘴內(nèi)部流動的形態(tài)有關(guān)，對于粘度越大的燃料，閥門開啟需要的時間越長。
2）在噴霧初始階段，乙醇的貫穿距最短，其次是甲醇，汽油的貫穿距最長。利用Hiroyasu方程式，計算出甲醇與汽油之間貫穿距差距為6.4%，乙醇與汽油貫穿距的差距為12.3%，而由圖像實(shí)際測得的甲醇貫穿距差距為6.7%，乙醇的差距為10.5%，實(shí)際與理論計算出的結(jié)果基本一致，這種不同燃料之間噴霧貫穿距的差異是由噴射燃料的初始速度以及燃料密度決定的。
3）在完全霧化階段，由于種燃料具有相似的表面張力，三者表現(xiàn)出相似的霧化特性，末端液滴的分布沒有觀測到明顯區(qū)別；
4）測量和分析了不同噴射壓力、不同環(huán)境背壓下三種燃料噴霧貫穿距和角度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著噴射壓力的增大和環(huán)境背壓的減小，噴霧的貫穿距增大。
在相同的噴射條件下，汽油噴霧的貫穿距長于甲醇的貫穿距，乙醇的貫穿距最小。對于乙醇而言，當(dāng)環(huán)境背壓增大的時候，貫穿距的差異減少，以噴射開始以后2ms時刻為例，當(dāng)背壓為0.1MPa時，乙醇的貫穿距比汽油的貫穿距少5mm，當(dāng)背壓上升到0.45MPa的時候，這種差距變?yōu)?mm。
5）隨著噴射壓力的增大和環(huán)境背壓的增大，噴霧的噴射角增大，當(dāng)噴射壓力從5MPa上升到10MPa，或者環(huán)境背壓從0.1MPa上升到0.45MPa時，單束噴霧錐角上升了2.5°-3°，但不同燃料之間的差距并未呈現(xiàn)明顯規(guī)律。
5.致謝
感謝通用汽車公司高級工程師DavidCleary博士的技術(shù)支持。感謝實(shí)驗(yàn)室張高明碩士、張銘碩士、陳豪碩士在實(shí)驗(yàn)以及全文撰寫過程中的大力支持。
參考文獻(xiàn)
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