二甲醚燃料喷射压力对喷雾发展过程的影响

宋文鹏， 张光德， 孙敬， 赵慧勇， 马骏

(1. 武汉科技大学汽车与交通工程学院， 湖北 武汉 430081；2. 湖北汽车工业学院汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室， 湖北 十堰 442002；3. 茨城大学理工学研究科， 日本 茨城 3160036)



二甲醚燃料喷射压力对喷雾发展过程的影响

宋文鹏1, 2， 张光德1, 2， 孙敬1, 3， 赵慧勇1, 2， 马骏1

(1. 武汉科技大学汽车与交通工程学院， 湖北 武汉 430081；2. 湖北汽车工业学院汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室， 湖北 十堰 442002；3. 茨城大学理工学研究科， 日本 茨城 3160036)

利用定容容器模拟增压发动机缸内高温高压条件，利用高速摄像机观察二甲醚喷雾，探讨了喷射压力对喷雾贯穿距离、喷雾蒸发等喷雾发展过程的影响规律。结果表明：在喷射初期喷雾贯穿距离与喷射时间成正比关系，在喷射后期，环境气体卷入喷雾中，喷雾贯穿距离与喷射时间平方根成正比关系；二甲醚燃料液态喷雾贯穿距离相对于气态来说非常短，DME液态喷雾贯穿距离基本不随时间的增加而增长。

二甲醚； 喷雾贯穿距； 燃油雾化； 喷射压力

近几年我国汽车保有量增长迅速，由此带来的环境污染和能源危机等问题日益严峻，寻找清洁高效的石油替代燃料成为当务之急[1]。二甲醚(Dimethyl Ether，简称DME，分子结构CH3—O—CH3)具有燃烧高效、清洁、低噪声等优点，作为传统燃料柴油的替代燃料得到了越来越多的关注[2]。DME是含氧燃料，制取来源广泛，十六烷值大于55，自燃性好。另外，DME在大气压下、-25 ℃时呈液态，物理特性与液态天然气类似，便于储存和运输。由于二甲醚与柴油理化特性存在差异，所以需要对二甲醚燃料喷射过程和喷雾特性进行相关基础研究。余敬周等[4]对DME喷雾的闪急沸腾效应进行了研究；金野等[5-6]模拟非增压缸内环境对DME喷雾宏观及微观特性进行了研究。本研究在定容容器中模拟增压发动机缸内高温高压条件(压力为8.8 MPa，温度为920 K)，利用高速摄像机，分别采用投影法和背景散射法的光学观察手段，详细探讨了喷射压力对喷雾贯穿距离、喷雾蒸发等喷雾发展过程的影响规律。

1 试验装置和试验条件

表1示出DME和柴油的物理化学特性参数的比较[3]。图1示出试验观察装置简图。试验要求的8.8 MPa-920 K高温高压条件是通过在定容容器中点燃N2，O2，H2和CO的混合气体产生的。试验过程中，为了保证DME呈液态，采用N2加压的方法使DME保持液态。DME喷射压力可以根据试验条件利用手动泵进行调节。喷雾观察方法是采用能同时拍摄液态、气态喷雾的投影法(纹影法)和只能拍摄液态喷雾的背景散射法。投影法的基本原理是让平行光穿过观察领域，并且在通过观察领域后采用凸透镜聚光，然后再通过摄影机。光通路中的密度变化或者微粒存在都会使光的明暗程度发生变化，从而被摄影机捕捉到。背景散射法是在观察领域后方安装使光线散射的散光板而进行摄影的光学方法，这种摄影方法不受光通路中由于密度变化而引起折射率变化的影响，只能拍摄液态DME喷雾，而不能拍摄蒸发后的气态DME喷雾。

表1 DME和柴油的物理化学特性参数

试验采用的二甲醚喷油器喷孔直径为0.35 mm，摄影速度设置为20 000 帧/s，喷射压力利用手动泵分别设置为30，60，100，140 MPa。

2 试验结果及分析

2.1 喷射压力对喷雾贯穿距离的影响

喷射初期的喷雾与周围气体几乎不进行动量交换，因此喷雾贯穿距离仅由喷射速度决定，与时间成比例。喷射中后期，由于环境气体卷入，喷雾贯穿距离可用喷雾线性准稳态理论来表示，与时间的平方根成比例。喷射初期和喷射中后期在时间上存在一个拐点。

2.1.1 喷射压力对与时间成比例区域的影响

喷射初期，喷雾贯穿距离仅由喷射速度决定。初期喷射速度为v0，由伯努利方程求得：

式中：pinj为喷射压力；ρ为燃料密度。

图5示出了二甲醚液体密度与压力的关系曲线，由图可知二甲醚液体密度随压力上升而增加。考虑液体密度增加的因素后，由图6可以看出，压力升高后理论值与试验值也相对较接近。由以上结论可知，根据伯努利方程和液体密度推算结果，喷雾贯穿距离与喷射时间成正比关系。

2.1.2 喷射压力对与时间的平方根成比例区域的影响

环境气体卷入喷雾的过程中，喷雾贯穿距离L2用喷雾线性准稳态理论表示为

假设ρf，θ不随喷射压力变化而变化，则喷雾贯穿距离L2可以表示为

2.2 喷射压力对喷雾蒸发的影响

图8示出喷孔直径为0.35mm，喷射压力为60MPa时，分别采用投影法和背景散射法得到的喷雾贯穿距离比较。背景散射法求得的喷雾贯穿距离表示的是液态喷雾贯穿距离。投影法得到的喷雾贯穿距离随喷射时间的延长增加，但背景散射法得到的喷雾贯穿距离只有15mm左右，可以说液态喷雾贯穿距离相对于气态来说非常短，由此可知DME是一种蒸发迅速的燃料。

图9示出喷孔直径为0.35mm，喷射压力分别为30MPa，60MPa，100MPa，140MPa时，由背景散射法得到的喷雾贯穿距离。从图中可以看出，喷雾贯穿距离基本不随时间的增加而增长。另外，喷射压力增加使喷射初速增加，因此由于喷射量增加，喷雾贯穿距离应该增加，但是实际上虽然喷射压力有所增加，喷雾却基本上在15mm左右蒸发完毕。

图10示出喷孔直径为0.35mm，喷射压力分别为30MPa，60MPa，100MPa，140MPa时采用背景散射法得到的喷雾发展过程图。由图10可以看出，在二甲醚喷射的过程中，虽然喷射压力不同，但二甲醚液滴部分只在从喷孔开始的一定距离内发展，并没有像图3那样几乎占据整个容器，这可以说明二甲醚是一种蒸发迅速的燃料。另外，与图3相比，二甲醚液滴部分较细较短，也就是说，二甲醚喷雾从喷孔喷出后的一定距离内向前发展并且迅速蒸发，之后的喷雾发展就类似于气体喷射。

3 结论

a) 在二甲醚喷射初期，即喷射后0.2ms内，喷雾与周围气体几乎不进行动量交换，喷雾贯穿距离与喷射时间成正比关系；在喷射后期，即喷射后0.2ms，环境气体卷入喷雾中，根据喷雾线性准稳态理论，假设二甲醚液体密度和喷雾锥角不随喷射压力变化而变化，喷雾贯穿距离与喷射时间平方根成正比关系；

b) 在增压发动机不同喷射压力的条件下，DME液态喷雾贯穿距离基本不随时间的增加而增长，喷雾基本上在15mm左右蒸发完毕，并且二甲醚燃料液态喷雾贯穿距离相对于气态来说非常短，因此可以证明DME是一种蒸发迅速的燃料。

[1] 张光德，孙敬，游彩霞，等.二甲醚燃料供给系统研究现状及发展趋势[J].汽车科技, 2012(6):1-6.

[2]ConstantineArcoumanis,ChoongsikBae,RoyCrookes，etal.Thepotentialofdimethyletherasanalternativefuelforcompression-ignitionengines[J].Fuel,2008,87:1014-1030.

[3]JoonhoJeon,SangIlKwon,YongHeePark,etal.Visualizationsofcombustionandfuel/airmixtureformationprocessesinasinglecylinderenginefueledwithDME[J].AppliedEnergy, 2014,113:294-301.

[4] 余敬周，张煜盛，张辉亚，等.DME闪急沸腾喷雾特性的试验与数值模拟研究[J].内燃机工程，2009，30(3)：13-17.

[5]MitsuruKonno,KazukiChiba,TakeshiOkamoto.ExperimentalandnumericalanalysisofhighpressureDMEspray[C].SAEPaper2010-01-0880.

[6] 千葉和貴.DME噴霧の数値解析の精度向上ならびに噴霧内部構造の解明[D].平成20年度修士学位論文，2009：9-41.

[编辑: 李建新]

Effect of Dimethyl Ether Injection Pressure on Fuel Spray Process

SONG Wenpeng1,2, ZHANG Guangde1,2, SUN Jing1,3, ZHAO Huiyong1,2, MA Jun1

(1. School of Automobile and Traffic Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;2. Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronics, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China;3. Graduate School of Science and Engineering, Ibaraki University, Ibaraki 3160036, Japan)

In-cylinder high temperature and high pressure condition of supercharged engine was simulated by using constant volume vessel, the dimethyl ether spray was observed by using a high speed camera and the effect of injection pressure on the spray process such as spray penetration and spray evaporation was discussed. The results show that the spray penetration is proportional to the injection time in the early injection period and proportional to the square root of injection time during the late injection period due to the mixing of spray with ambient air. Compared with the gaseous dimethyl ether, the liquid spray penetration of dimethyl ether is much shorter and does not increase with the increase of time.

dimethyl ether; spray penetration; spray evaporation; injection pressure

2014-07-10;

2014-09-21

汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室(湖北汽车工业学院)开放基金项目(ZDK201212);国家自然科学基金项目(50975212)；“汽车零部件技术湖北省协同创新中心”研究平台

宋文鹏(1990—)，男，硕士，研究方向为汽车排放控制技术；1029406418@qq.com。

张光德(1964—)，男，教授，博士生导师，主要从事汽车节能减排技术研究；gd-zhang@wust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.011

TK411.71

B

1001-2222(2015)03-0051-04