二甲醚闪急沸腾喷雾的实验研究

张鹏

（中国舰船研究设计中心湖北武汉430064）

二甲醚闪急沸腾喷雾的实验研究

张鹏

（中国舰船研究设计中心湖北武汉430064）

采用高速摄像技术在常温常压状态下对二甲醚闪急沸腾喷雾过程进行了观察，研究了启喷压力和喷孔直径对喷雾形态发展过程、喷雾贯穿距和喷雾锥角的影响。实验结果表明，喷嘴启喷压力越大，涡环形成时间越晚，喷雾锥角越小，喷雾贯穿距越大；喷孔直径越小，涡环形成时间越晚，喷雾锥角越小。喷孔直径对喷雾贯穿距的影响则比较复杂，在喷雾前期，喷孔直径越小，喷雾贯穿距越大，但在喷雾后期，情况正好相反。

二甲醚闪急沸腾喷雾高速摄像喷雾贯穿距喷雾锥角

Spray angle

引言

燃油的射流雾化和蒸发混合发展过程是决定燃油在发动机缸内时空分布的关键因素，进而决定着发动机燃烧品质的优劣，并最终影响发动机的性能与排放[1，2]。与柴油相比，二甲醚低沸点、高饱和蒸汽压的理化属性使得二甲醚在燃油喷射过程中容易发生闪急沸腾现象[3，4]。由于二甲醚闪急沸腾喷雾的雾化机理与普通喷雾存在较大差异，其喷雾特性也表现出独有的特点，因此，如果将普通喷雾研究获得的认识和结论应用于闪急沸腾喷雾，必将产生较大的误差或者根本不能使用。

鉴于此，为了更深入、更全面地了解和掌握二甲醚闪急沸腾喷雾特性，本文采用高速摄像技术对二甲醚闪急沸腾喷雾过程进行了观察，在常温常压（285K，0.1 MPa）下研究了启喷压力和喷孔直径对喷雾形态发展过程、喷雾贯穿距和喷雾锥角的影响。

1 喷雾实验装置

图1为自由喷雾实验的装置示意图。

图1 二甲醚闪急沸腾喷雾实验装置示意图

它由定容压力室、燃油喷射控制系统、高速摄像机和光路系统组成。定容室外部设计成立方体形状，两侧安装光学平面玻璃。考虑到DME的饱和蒸汽压较高，为了防止气阻现象的发生，实验中采用高压氮气直接对DME燃料罐进行加压，使燃油管路中的输油压力始终保持在1.8 MPa的水平。高速摄像机为日本Photron公司生产的Fastcam_SA1.1高速摄像机，其最高拍摄速度可高达675000帧/s，本文的实验所采用的拍摄速度为30000帧/s。在一次拍摄过程中，高速摄像机大约能捕捉到五个喷雾过程。对于第一个喷射过程，由于高压油管中的燃油压力尚未完全建立，故此过程内的喷雾发展不能代表燃油喷射系统正常工作时的情况，同时，为了尽量消除之前喷雾过程对所需实验结果的影响，实验中一般取第二个喷雾过程作为研究对象。实验条件如表1所示。

表1 二甲醚闪急沸腾喷雾实验条件

2 实验结果与分析

喷雾特性一般用喷雾贯穿距和喷雾锥角来描述，由于DME闪急沸腾喷雾呈抛物线型，这主要是气泡的生长和破碎作用所造成的。因此，本文将闪急沸腾喷雾的喷雾锥角θ定义为与喷雾势核区相切的两条切线所形成的夹角，而将喷嘴出口到喷雾顶端的距离定义为闪急沸腾喷雾的贯穿距L，如图2所示。

图2DME闪急沸腾喷雾形态

图3 、图4和图5分别示出了不同启喷压力下的二甲醚闪急沸腾喷雾扩展动态过程。限于篇幅，本文取照片间隔为1/15000 s。从图4中可以清楚地看到喷雾涡环结构的形成和演变过程。在喷射开始后约0.2109 ms，由于环境空气的阻力作用，在喷雾前端两侧开始形成涡环结构，此时喷雾前端呈倒蘑菇状[5]。随着时间的推移，喷雾前端两侧由于涡环结构在喷雾两侧产生的空气卷吸作用而发生径向收缩，并不断变窄，此时的喷雾势核区和喷雾主体区逐渐呈抛物线型[6，7]。随着时间的进一步推移，涡环结构因受到空气的阻力作用而逐渐变大变长，喷雾前端两侧的径向收缩更加明显，此时的喷雾前端由倒蘑菇状变为铁锚状，且由于蒸发作用而不断消失。与图4相比，图3中的涡环形成时间较晚，原因在于燃油喷射速度较快，气泡的生长和破碎作用对射流的径向扩展作用不明显，但其随后的涡环结构的演变过程相对较快，这是燃油喷射速度较快，喷雾前端受到的空气阻力较大所造成的。

图3 实验1的喷雾形态照片图（第一张照片对应的时刻为0.0564 ms，启喷压力为17 MPa，喷孔直径为0.5 mm）

从图5中可以看到，涡环的形成时间比图4所示要早，这主要是由于较低的喷嘴启喷压力导致燃油喷射速度较低，气泡的生长和破碎对射流在径向上的扩展作用比较明显，喷雾迎风面积和迎风阻力相应增加所造成的。从图中还可以看到，涡环结构的发展和演变过程要比图4所示缓慢，且不如图4所示明显，这主要是在喷雾的中后期，较低的喷射速度导致喷雾前端受到的空气阻力较小所造成的。此外，在喷雾的中后期，喷雾主体区出现了条纹状的撕裂现象，这主要是燃油喷射速度较低，喷雾单位体积内的油滴数目较少以及油滴的蒸发作用所造成的。

对实验1、2、3的拍摄结果进行手工测量后，得到了喷雾贯穿距和瞬态喷雾锥角随时间的变化关系，分别如图6和图7所示。

由于燃油喷射压力在传统的泵——管——嘴燃油喷射系统中变化较大，因此在图6中可以看到，受喷油压力波动的影响，实测贯穿距在喷雾过程中存在加速现象，这与Suh[8]的实验结果相似。此外，实验结果表明，喷嘴启喷压力越大，喷雾贯穿距也越大。喷雾锥角测量值随时间的变化曲线基本上呈“U”形，这说明喷雾早期和晚期的锥角要比喷雾中期的锥角大，这主要是燃油喷射速度在喷雾早期和晚期较低，气泡的生长和破碎对射流的径向扩展作用比较明显所造成的。同时，实验结果表明，喷嘴启喷压力越大，喷雾锥角越小。

图4 实验2的喷雾形态照片图（第一张照片对应的时刻为0.0444 ms，启喷压力为12 MPa，喷孔直径为0.5 mm）

图8 和图9分别示出了不同喷孔直径下拍摄到的喷雾动态发展过程。从图8中可以看到，与图4相比，涡环结构的形成时间相对较晚，且尺寸相对较小，其原因在于减小喷孔直径将减小喷雾的迎风面积和迎风阻力。与此同时，射流单位体积内的气泡数目也相应减少，结果导致气泡的生长和破碎作用对射流的径向扩展作用不明显。从图中还可以看到，随着时间的推移，涡环结构的演变过程不明显，且消失过程要比图4所示快。另外，与图5所示相似，喷雾主体区在喷雾中后期出现了明显的条纹状撕裂现象，这都是喷孔直径较小所造成的，因为喷孔直径越小，喷油速率越低，喷雾单位体积内的油滴数目就越少，并且喷孔直径越小，油滴直径越小，蒸发速率也就越快。从图9中可以看到，由于喷孔直径过小，照片中的喷雾体很纤细，几乎看不到涡环结构的形成和发展演变过程。另外，由于油滴直径过小，蒸发作用很强，结果导致喷雾前端的油滴在空气中运动时失速很快，并随空气一起运动，喷雾前端因此呈飘丝状。

图5 实验3的喷雾形态照片图（第一张照片对应的时刻为0.05 ms，启喷压力为7 MPa，喷孔直径为0.5 mm）

图6 喷雾贯穿距随时间的变化

图7 喷雾锥角随时间的变化

图8 实验4的喷雾形态照片（第一张照片对应的时刻为0.0667 ms，启喷压力为12 MPa，喷孔直径为0.32 mm）

图9 实验5的喷雾形态照片（第一张照片对应的时刻为0.0639 ms，启喷压力为12 MPa，喷孔直径为0.18 mm）

图10 喷雾贯穿距随时间的变化

图11 喷雾锥角随时间的变化

图10 和图11分别示出了喷雾贯穿距和喷雾锥角测量值随时间的变化关系。

从图10中可以看到，在喷雾前期，喷孔直径越小，喷雾贯穿距的测量值越大；但在喷雾后期，情况正好相反。其原因在于，当喷孔直径较小时，喷雾迎风面积和迎风阻力较小，燃油喷射速度较快，这都是喷雾贯穿距增大的有利因素；但是喷孔直径较小也将导致油滴直径较小，结果油滴在空气中运动时失速较快，这是喷雾贯穿距增大的不利因素。图10所体现出来的实际喷雾贯穿距在不同的喷孔直径下随时间的变化特点正是有利因素和不利因素相互竞争的结果。实验4的实测贯穿距同样存在加速现象，但不如实验2明显，实测贯穿距随时间的推移基本呈线性变化，这同样是由喷油压力的变化所造成的。实验5的喷孔直径最小，油滴直径也最小，因此油滴在空气中运动时失速最快，此时喷油压力的变化对贯穿距的影响不明显，实测贯穿距基本不存在加速现象。从图11中可以看到喷雾锥角测量值的变化曲线同样呈“U”形，并且喷孔直径越小，喷雾锥角越小。

3 结论

本文采用高速摄像技术，对二甲醚闪急沸腾喷雾进行了5次比较实验，研究了喷嘴启喷压力和喷孔直径对喷雾宏观特性的影响。实验结果表明，喷嘴启喷压力越大，涡环结构形成得越晚，其发展和演变过程越快。涡环形成时间的早晚及其演变过程的快慢实际上是气泡的生长和破碎作用与喷雾前端受到的空气阻力相互竞争的结果。另外，喷嘴启喷压力越大，喷雾贯穿距越大，喷雾锥角越小。喷孔直径越小，涡环形成的时间越晚，其破碎和消失过程越快。喷孔直径对喷雾贯穿距的影响比较复杂，在喷雾前期，喷孔直径越小，喷雾贯穿距越大，但在喷雾后期，情况正好相反。另外，喷孔直径越小，喷雾锥角越小。

1Kim Y K，Iwai N，Suto H，et al.Improvement of alcohol engine performance by flash boiling injection[J].JSAE Review，1980（2）：81~86

2Duan S L，Feng L，Song Y C，et al.The investigation on droplet distribution and combustion characteristics of flash boiling spray in diesel engines(in Chinese)[J].Transactions of CSICE，1999，17（1）：54~58

3Wakai K，Yoshizaki T，Nishida K，et al.Numerical and experimental analyses of the injection characteristics of dimethyl ether with a D.I.diesel injection system[J].SAE Paper 1999-01-1122

4Yu J，Lee J W，Choongsik B.Dimethyl ether（DME）spray characteristics compared to diesel in a common-rail fuel injection system[J].SAE Paper，2002-01-2898

5Zeng Y B and Lee C F.An atomization model for flash boiling sprays[J].Combus Sci Tech.，2001，169（1）：45~67

6Oguma M，Hyun G，Goto S，et al.Atomization characteristics for various ambient pressure of dimethyl ether（DME）[J].SAE Paper，2002-01-1711

7Lee S W，Jin K，Yasuhiro D.Spray characteristics of alternative fuels in constant volume chamber（comparison of the spray characteristics of LPG，DME and n-Dodecane）[J]. JSAE Review，2001，22（3）：271~276

8Suh H K，Park S W，Lee C S.Atomization characteristics of dimethyl ether fuel as an alternative fuel injected through a common-rail Injection system[J].Energy and Fuels，2006，20（4）：1471~1481

Experimental Research on Flash Boiling Spray of Dimethyl Ether

Zhang Peng
China Ship Development and Design Center（Wuhan，Hubei，430064，China）

In this study，the high-speed digital imaging technique is applied to observe the developing process of flash boiling spray of dimethyl ether at low ambient pressure,and the effects of nozzle opening pressure and nozzle hole diameter on the spray shape，spray tip penetration and spray angle during the injection are investigated.The experimental results show that with the enhancement of nozzle opening pressure,the time when the vortex ring structure of flash boiling spray forms becomes later，the spray tip penetration increases and the spray angle decreases；the influence of nozzle hole diameter on the spray tip penetration is relatively complicated，the spray tip penetration is longer at smaller nozzle hole diameter at the early stage of injection，while the situation is just opposite at the late stage of injection.

Dimethyl ether，Flash boiling spray，High-speed digital imaging，Spray tip penetration，

TK407.9

A

2095-8234（2014）06-0026-08

2014-11-14）

张鹏（1980-），男，博士，工程师，研究方向为柴油机燃烧及排放技术。