发动机缸内环境下二甲醚喷雾特性的试验

孙 敬，张光德，三村昂，金野满，若林大辉

(1.武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北武汉430081;2.茨城大学理工学研究科，日本茨城日立3160036)

开发新型替代燃料是解决日益严峻的石油危机和环境问题的方法之一.二甲醚(DME)具有能从天然气、煤、生物资源等多种原料中大量制取、化学分子结构中含有氧元素、可以实现无烟燃烧、十六烷值高、燃烧噪音小等很多优点［1-3］，作为柴油的替代燃料已经引起了许多科学家的关注.二甲醚的燃烧热值和液态密度比柴油小，产生相同热量需要大约1.8倍的燃料喷射量.另外，二甲醚表面张力和黏度低，饱和蒸汽压高，蒸发迅速，因此二甲醚喷雾与柴油喷雾相比，在喷雾特性方面可能有较大差异［4-8］.中国也有关于DME喷雾特性研究方面的试验数据，尧命发等［5］对二甲醚喷雾混合特性进行了试验研究.但受试验条件和技术水平等限制，模拟发动机缸内实际高温、高压环境，研究DME喷雾特性的资料较少.为了详细了解喷射压力、喷孔直径和周围环境温度、压力因素对高温高压条件下二甲醚喷雾宏观特性的影响，本研究利用超高速摄像机在模拟发动机实际压力和温度的条件下观察二甲醚的喷雾特性.

1 试验装置及试验方法

1.1 试验观察装置

试验观察装置的简图如图1所示.

图1 试验装置简图

在耐热、耐压的定容容器中模拟发动机实际情况中的气体成分、密度、温度和压力等条件，从喷嘴喷出的DME透过定容容器侧面的石英玻璃被超高速摄像机捕捉下来.定容容器四周分别安装有4支加热棒，可以使容器内部气体温度达到500 K左右.通过在容器内点燃可燃气体产生更高的试验温度和压力.调节定容容器内初期温度和压力，将CO，H2和O2气体充入其中，并用火花塞点火使其燃烧，产生高温高压的缸内环境，通过电脑采样得到缸内温度压力随时间的变化曲线，然后根据试验条件选择相应的时刻将DME喷入定容容器中进行试验.由于DME饱和蒸气压高，常压下为气态，因此，试验过程中，采用氮气加压，以保证DME为液态.DME喷射压力可以根据试验条件利用手动泵(长野高压设备公司生产，型号为37-5.75-60.TFE)调节.

采用喷雾观察光学方法，只能拍摄液态物质的背景散射法.这种可视化方法的优点在于图像清晰，便于观察，同时也存在不能反映气态DME喷雾特性的缺点.对于喷雾形成过程等要求连续观察的情况下，使用NAC ULTRA Cam高速摄像机，摄影速度为106帧·s-1.以观察喷雾宏观特性为目的时，摄影速度选为2×104帧·s-1.

1.2 试验方法

试验条件中的压力与温度关系曲线如图2所示.

图2 试验条件的压力与温度关系曲线

高温高压试验条件包括2大类:①气体温度为800 K，压力为 4.50 MPa，密度为 19.4 kg·m-3模拟自然吸气式发动机内部气体环境;② 气体温度为920 K，压力为 8.80 MPa，密度为 32.8 kg·m-3模拟增压式发动机内部环境.自然吸气发动机环境压力不超过临界压力，而温度超过临界温度，也称为亚临界环境;增压发动机环境则温度压力均超过DME临界条件，也称为临界环境.为了更全面地了解喷射初期喷雾形成过程，在进行DME临界和超临界高温高压环境下喷雾试验的同时也进行了DME喷雾常温常压试验.试验条件如表1所示.

表1 试验条件

2 试验结果及分析

2.1 喷嘴附近喷射初期的喷雾形成过程

DME的压力与比容关系曲线如图3所示.

图3 DME的压力与比容关系曲线

从图3可以看出:在温度为444 K，压力为4.32 MPa条件下DME从喷孔喷出后温度压力迅速下降，然后穿过气液平衡线，经历了从液态到气态的不连续变化过程，也称为“蒸发”过程.喷雾中会有大量气泡随之产生并不断长大，随后气泡就会使喷雾呈爆炸性地变成气态，即发生闪急沸腾现象.

在定容容器内，温度为444 K，压力为4.32 MPa，喷孔直径为0.35 mm，摄影速度为106帧·s-1，曝光时间为90 ns，从喷射开始到喷射后0.07 ms内的喷嘴附近DME喷雾超高速观察情况如图4所示，DME喷射开始后，首先由于受到周围气体的阻力而首先横向膨胀，之后维持喷雾前端椭圆形的状态发展，在0.05 ms喷雾分裂图片中液柱周围没有看到明显的液滴，整个喷射过程中喷柱边缘呈卷吸状垂直发展.

图4 初期喷射阶段DME喷雾

2.2 喷射压力对喷雾特性的影响

在定容容器内温度为920 K，压力为8.80 MPa，喷孔直径为0.35 mm，当喷射压力分别为30，60，100，140 MPa时，DME喷雾贯穿距离随喷射时间的变化关系如图5所示，喷雾贯穿距离随着喷射压力的增加而增大，在喷射压力分别为30，140 MPa时，最大喷雾贯穿距离分别为17，23 mm.在不考虑DME密度随喷射压力的变化情况下，这主要是由于喷射速度不同引起.喷射压力增大，燃料喷射速度增加，所以喷雾贯穿距离也随之增大.这与M.Konno等［9］在试验条件在温度为800 K，压力为4.50 MPa，喷孔直径为0.25 mm下得到的DME喷雾贯穿距离受喷射压力影响的结论一致.

图5 喷射压力对喷雾贯穿距离的影响

2.3 喷孔直径对喷雾特性的影响

在容器内温度为920 K，压力为8.80 MPa，喷射压力为60 MPa，摄影方法为背景散乱光时，喷孔直径对液态喷雾贯穿距离的影响如图6所示，喷孔直径为0.30 mm时，喷雾贯穿距离最大在15 mm处;当喷孔直径为0.35 mm时，喷雾贯穿距离最大可以达到17 mm，即随喷孔直径减小，喷雾贯穿距离也减小.从液体动量角度考虑，这是因为喷孔面积减小后，相同喷射压力条件下，燃料喷射量减小，这样喷射出的DME动量减小，所以液态喷雾贯穿距离就随喷孔直径的减小而减小.另外，喷孔直径减小使DME雾化效果提升，喷雾更细，蒸发更快，因此液态喷雾贯穿距离减小.

图6 喷孔直径对喷雾贯穿距离的影响

2.4 环境温度压力对喷雾特性的影响

定容容器内环境温度压力条件对喷雾贯穿距离的影响如图7所示.

图7 环境条件对喷雾贯穿距离的影响

从图7可以看出:随着环境压力和温度的增加，喷雾贯穿距离明显减小.这是因为在温度为920 K，压力为8.80 MPa条件下，高温高压使得容器内气体密度比温度为800 K，压力为4.50 MPa条件下大，因此喷雾发展过程中受到的气体阻力增加，喷雾贯穿距离减小.另外，温度增加，促进DME蒸发，也是喷雾贯穿距离减小的重要原因.在温度为800 K，压力为4.50 MPa条件下，如图3所示，此时DME也穿过了气液平衡线，经历了蒸发过程.在温度为920 K，压力为8.80 MPa条件下，如图3所示，DME并没有穿过气液平衡线，而是迅速地经历了连续的从液态到气态的变化过程.由此，在温度为920 K，压力为8.80 MPa时，由于DME并没有蒸发过程，所以喷雾形态应该比温度为800 K，压力为4.50 MPa条件下的更趋于直线状.迅速的连续变化过程也使此时的喷雾贯穿距离较短.

在定容容器中模拟自然吸气式发动机内部环境，进行了二甲醚喷雾特性试验，结果如图8所示.柴油喷雾研究结果如图9所示［10］，柴油喷雾喷射过程中特别在喷射后0.07 ms时喷雾油束周围有大量柴油液滴出现.二者对比结果表明:DME由于饱和蒸汽压高，蒸发迅速，在高温、高压环境下，DME喷雾迅速蒸发，喷射后任何时刻，周围都没有出现液滴.

图8 DME喷雾图

图9 柴油喷雾图

在定容容器内温度为293 K，压力为0.10 MPa的常温常压下，摄影速度为103帧·s-1，曝光时间为18 ns，喷嘴附近处的DME喷雾如图10所示.

图10 常温下DME喷雾

从图10可以看出:喷射初期，大量混乱分布的液滴呈雾状，仅在DME喷雾周围出现;在喷射后5.00 ms时，雾状液滴进一步颗粒化，几乎分布在整个观察区域内.在常温常压下观察到了在前述条件温度为444 K，压力为4.32 MPa情况下图4中没有出现的DME喷雾液滴.

3 结论

1)由于受到喷射速度的影响，喷雾贯穿距离随着喷射压力的增加而增大.

2)相同喷射压力条件下，液态DME喷雾贯穿距离随喷孔直径的减小而减小，增压发动机实机条件下，由于缸内气体密度增加，喷雾贯穿距离较自然吸气发动机条件下减小.

3)柴油喷雾周围有大量液滴，液滴重复微粒化，喷雾逐渐蒸发，而DME喷雾在常温常压下出现液滴，且液滴细小，在发动机缸内环境下拍摄不到液滴，喷雾直接从外缘部分开始急剧蒸发.

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