氩氢氛围下气态氧喷射的喷射特性研究*

郑嘉鑫，龚寅春，钟慧平，邓 俊，李理光，

（1.同济大学中德学院，上海 200092； 2.同济大学汽车学院，上海 201804）

前言

面对日益严峻的气候变化和能源供给安全问题，为交通运输巨大的能源需求寻找一种新型的可再生的清洁燃料具有越来越重要的意义。氢气作为一种既可以通过电解水获得，也可以通过烧碱、焦炭工业中以副产物的形式获得的来源广泛［1］的零碳清洁能源，同时具有燃烧产物清洁和终端使用效率高的优点，拥有巨大的应用潜力。若能将氢气作为燃料在内燃机上进行高效的运用，则将会极大地缓解交通运输带来的环境污染问题。

针对氢气在内燃机上的应用，研究表明若使用氢气和空气直接混合燃烧做功，将会产生大量的NOx气体［2-3］。针对这一问题，Robert W.Dibble教授［4］提出了一种全新的氩气循环发动机概念：使用氩气（Ar）作为工质，通过纯氧（O2）代替空气与氢气（H2）混合燃烧。一方面通过排除氮气参与燃烧反应杜绝了NOx气体的生成，另一方面理论上可大幅提高发动机的热效率。这是由于，氩气的比热比为1.67高于空气的1.34，而根据发动机热效率计算公式η＝1-ε1-κ，比热比和压缩比的提高均能使发动机的循环热效率提升［5］。Kuroki等［6］在一台四缸点燃式内燃机上增加了分离循环系统，进行了氩气半循环/全循环的工作试验，验证了纯氧和氢气在氩气氛围中的燃烧做功可以使内燃机达到43%左右的热效率。

目前对氩气循环发动机这一概念的研究，主要集中于内燃机台架试验［4，6-9］，而对气体射流基础特性的相关研究较少，这限制了氩气循环发动机喷射策略的优化。氧气相较于氢气拥有更高的分子质量，根据理论上的气体喷射规律［10］，重质气体向轻质气体喷射时，可在相同时间内卷吸更多的环境气体，这也意味着更好的混合效果。对比氢、氧的喷射效果，可为氩气循环发动机选择和优化改进喷射策略提供理论基础，从而进一步发掘氩气循环发动机的潜力。针对这一问题，邓俊等［11］基于仿真的方法，对氢气在不同气体氛围下的喷射过程进行了研究，讨论了贯穿距和射流卷吸能力受环境条件的影响。钟慧平等［12］和龚学海等［13］则是通过试验研究了氢、氧分别在氩气氛围中喷射时的射流形态，总结出喷射压力和背景压力等边界条件对气体喷射特性的影响。

本文中基于上述研究，通过试验的方法，进一步探究了在氩气氛围中掺混不同比例氢气的条件下氧气的射流特性。试验中利用纹影法，对定容燃烧弹中不同条件下氧气射流的形态进行了记录，并且测量和计算了描述喷射特性的贯穿距、喷射锥角和射流卷吸率等重要指标，并以此对不同边界条件下的影响参数进行了分析。

1 氩氢氛围下气态氧喷射试验

1.1 试验装置与参数

由于氧气喷射入氩氢氛围后形成的混合气具有可燃性，为了保证试验安全，本研究在自主研发的能承受高温高压的定容燃烧弹上进行。射流形态通过纹影法测量，利用高速摄影仪记录射流的过程。试验系统示意图如图1所示。

图1 高压气体喷射试验系统示意图

试验中所使用的气体喷射器是奥迪06E906036型GDI喷油器。其喷嘴为直径为0.5 mm的单孔。为研究纯氧喷射下环境气体中氢气浓度对射流形态的影响，试验选用了氢气浓度分别为30%，50%和80%的3种氩氢混合气作为环境气体。其他的试验变量还包括喷射压力和环境气体压力。试验参数见表1，每组试验重复4次。

表1 试验参数

1.2 数据处理

试验通过对高速摄影测得图形的分析，得到射流的主要参数指标，即氧气射流的贯穿距x’、喷射锥角θ、射流体积Vjet和卷吸率φ（如图2所示）。

由于低密度的氢气与氩气混合后使环境气体的密度与氧气更加接近，纹影法得到的射流与环境的分辨率受到了一定的影响，如果单纯使用程序进行计算，会存在较大的误差。所以在处理试验图像时，先利用绘图软件对所选数据绘制大致轮廓，然后再使用MATLAB程序计算所需要的射流参数指标。

对于喷射气体射流体积的计算，假设每段微小的长度内射流为一段微小的圆柱（如图2所示）。使用程序计算时，将轴向距离划分为长度为d x的微元。计算出每段微元处的射流直径d后，通过圆柱体积公式d V＝π（d/2）2·d x计算每段微元圆柱的体积，最后求和得出总的射流体积。这样极大可能避免了射流形状改变的干扰，使试验结果与实际射流体积相接近。

图2 射流的主要参数示意图

卷吸率指喷射主体射流中混合入的环境气体的比例，是描述射流混合环境气体程度的重要指标。在计算卷吸率时，假设射流为理想气体，流体通过喷嘴为等熵过程。本试验中氧气的喷射过程已到达临界状态。所以根据喷射理论［14］，氧气射流的质量流量只与压力室气体的密度、压力和气体的比热比有关，而与环境条件无关。即氧气射流在某一喷射压力下的质量流量可根据以往试验测定数据（表2）计算。卷吸率则可由式（1）计算。由于喷嘴针阀起升时流量并不稳定，本文中在绘制卷吸率图像时以0.4 ms后的图像为起点。

式中：V·0为与背景压力无关的氧气射流的体积流量；Vjet为试验所得的射流体积，由表2获得；t为喷射时间。

表 2 O 2射流的流量［13］

2 试验结果与分析

试验得到的纹影法测得的射流图像如图3所示。如前文所述，较低的图像对比度和背景颜色的干扰会使程序直接处理出现较大误差，所以先对图像进行预处理，即人工通过绘图软件描绘出射流的形状（深色部分），结果如图4所示，所得图形更利于计算机程序运算。

图3 高速摄影机拍摄射流形状图（氢气浓度30%，喷射压力10 MPa，背景压力0.8 MPa）

图4 图像预处理后描绘出的射流形状

2.1 环境气体压力和喷射压力对氧气射流的影响

图5 为经预处理得到的不同喷射压力下的氧气射流形状图。喷射压力的提升意味着气体喷射动量的提升，理论上高动量的射流将具有更高的锋面速度，达到更大的射流体积，这在试验中得到了验证。图6中10 MPa喷射压力下，射流在2 ms时体积达到7 cm3左右，比3 MPa喷射压力的射流高4 cm3。图7和图8分别为环境氢气浓度为30%和50%时，在背景压力为0.8 MPa的环境中，射流体积和卷吸率随喷射压力的变化。可以看出，随着喷射压力的增加，射流体积变大，卷吸率升高。在两种浓度下，10 MPa喷射压力向混合气中喷射达到的卷吸率都比6 MPa喷射压力下最高增长1倍左右。这与氧气向纯氩气环境中喷射［13］的情况类似。可见，环境气体中氢气的浓度并不影响提升喷射压力对气体射流与环境气体混合的积极效果。

图5 不同喷射压力下的射流形状（氢气浓度30%，背景压力0.8 MPa，喷射后2 ms）

图6 气体射流体积随喷射压力变化（背景压力0.8 MPa，环境氢气浓度30%）

图7 卷吸率随喷射压力变化（背景压力0.8 MPa，环境氢气浓度30%）

图8 卷吸率随喷射压力变化（背景压力0.8 MPa，环境氢气浓度50%）

图9 为经预处理得到的不同背景压力下的氧气射流形状图。图10和图11分别为背景压力对射流特性的影响。随着背景压力的下降，射流相同时间内达到更大的射流体积，但是背景压力的变化同时影响着射流中氧气的体积流量。由于相同喷射压力下氧气经过喷嘴的质量流量相同，但在不同背景压力下会有不同的密度，所以氧气的体积流量会随压强降低而变大，这也意味着卷吸率并不与射流体积直接成正比。由图11可见，背景压力的降低反而使气体射流对环境气体的卷吸率下降，在2 ms时0.4 MPa背景压力下的射流卷吸率仅为1.0 MPa下的48.2%，这就是受到氧气密度变化的影响。在其他氢气浓度时也表现出了同样的特性。另外，在背景压力为1.2 MPa时，卷吸率相比背景压力1.0 MPa有所下降，这与纯氩气氛围下的喷射规律也类似。分析认为，此时射流体积比低背景压力条件时下降较大，环境气体与氧气的混合在射流内部进行的程度较低，导致卷吸率略有下降。

图9 不同背景压力下的射流形状（氢气浓度30%，喷射压力10 MPa，喷射后1.5 ms）

图10 背景压力对气体射流体积的影响（喷射压力10 MPa，环境氢气浓度30%）

图11 背景压力对卷吸率的影响（喷射压力10 MPa，环境氢气浓度30%）

2.2 环境气体中氢气浓度对氧气射流的影响

当Ar+H2环境气体中氢气浓度改变时，试验得到的射流形状也会发生变化（图12）。图13和图14中展示了试验得到的Ar+H2环境气体中氢气浓度对氧气射流体积和卷吸率的影响。可以看出，在背景压力为0.8 MPa，氧气喷射压力为10 MPa的条件下，随着环境气体中氢气比例的升高，射流体积明显增大，卷吸率明显增加。当氢气浓度为30%时，氧气射流的卷吸率在1.5 ms时仅达到5.1，而同一时间80%氢气浓度条件下卷吸率可以达到12.6，是前者的2.47倍。根据邓俊等［13］的研究，氧气在纯氩气中以同等压力喷射时，1.5 ms的卷吸率约为8左右。也就是说氢气浓度为50%和80%的环境条件下，射流卷吸率要比纯氩气氛围下的数值有所提高，但氢气浓度为30%时射流卷吸率比纯氩气氛围有所降低。根据理论分析，环境气体的密度和黏度对射流与环境气体的混合程度有正向影响［15］。而氢气的相对分子质量为2，远小于氩气的40，即在同等条件下，氢气的密度小于氩气。另外，常温下氢气的动力黏度仅为氩气的40%左右。所以当环境气体中氢气比例上升时，环境气体整体的密度和黏度下降，这会使射流的喷射锥角大幅变小。图15为不同环境氢气浓度下气体射流的喷射锥角，其中“0%”代表向纯氩气中喷射［13］。可以看出，相比于纯氩气环境，30%氢气浓度时喷射锥角减小了6°左右，这意味着射流的径向面积下降，对周围气体的卷吸程度降低。

图12 不同环境氢气浓度下的射流形状（喷射压力10 MPa，背景压力 0.8 MPa，喷射后 1.5 ms）

图13 环境氢气浓度对气体射流体积的影响（喷射压力10 MPa，背景压力0.8 MPa）

图14 环境氢气浓度对卷吸率的影响（喷射压力10 MPa，背景压力0.8 MPa）

图15 环境氢气浓度对喷射锥角的影响（喷射压力10 MPa，背景压力0.8 MPa）

继续升高氢气浓度时，喷射锥角减小幅度减缓，氢气浓度从30%增长到80%后锥角仅减小了3°左右。同时由图16可以看出，射流的贯穿距大幅增加，喷射到达壁面的时间仅为1.6 ms左右，比同条件下氧气向纯氩气中喷射的时间缩短了60%。此时射流的轴向发展成为促进其与环境气体混合的主要方式，射流卷吸能力增强。

图16 环境氢气浓度对贯穿距的影响（喷射压力10 MPa，背景压力0.8 MPa）

值得注意的是，这里所描述的卷吸率是指卷吸Ar+H2混合气体的卷吸率。如果单一对比氧气射流中卷吸的氢气比例，则高浓度氢气环境中的氢气卷吸率会与低浓度氢气环境有更大的差距。这是因为，一方面根据试验结果，高浓度氢气环境下卷吸的混合气体总量更多；另一方面高浓度氢气环境意味着所卷吸气体中氢气占有更高的体积浓度。即在80%氢气浓度条件下，1.5 ms时氧气射流所卷吸的氢气要比30%浓度条件下高5.8倍左右。

2.3 结果与讨论

邓俊等的研究［11，13］中，阐述了试验得到的纯氩气氛围下氢气和氧气的喷射特性。相同喷射压力和背景压力下，喷射氧气的卷吸率达到了喷射氢气卷吸率的2.43～2.98倍。而本文中则探究了氧气喷射条件下，不同的环境气体组分对射流发展过程的影响。80%氢气浓度时射流的卷吸率可以达到纯氩气氛围下的1.5倍左右。这都说明了喷射气体和环境气体的特性会对射流特性有明显的影响：密度更高的喷射气体因其具有更高的喷射动量，能更好地与环境气体混合；而当环境气体的密度和黏度下降时，射流的贯穿距离增加，卷吸效果增强。

对于氩气循环发动机，相比于缸内直喷氧气的喷射策略，采用缸内直喷氧气的方法不仅会增大喷射气体的动量，也会降低环境气体的密度和黏度，这都有利于加速氢、氧的混合过程。随着功率的升高，进气中增大的氢气比例则会进一步对气体混合产生正向影响。

3 结论

本文中对氧气向氩氢氛围中喷射的射流特性进行了试验研究，得到如下结论。

（1）喷射压力越大，射流体积和贯穿距增长越快。不同氢气浓度的氩氢气体氛围中，喷射压力的增大会促进射流卷吸率的提升。背景压力为0.8 MPa时，喷射压力从6提升到10 MPa卷吸率增长1倍左右。

（2）氧气喷射的卷吸率对背景压力有较高的敏感性。降低背景压力会使环境气体对喷射射流的阻力降低，这有助于射流体积的增大。2 ms时0.4 MPa环境压力下的射流体积比1.0 MPa增加1.1倍。对于射流中环境气体的卷吸率，还应考虑氧气射流在不同背景压力下的密度变化，氧气射流质量流量不变时，更低的背景压力导致氧气的体积流量增加，对环境气体的卷吸能力下降，2 ms时0.4 MPa环境压力下的射流卷吸率仅为1.0 MPa下的48.2%。

（3）由于相同状态下氢气的密度和黏度远小于氩气，氩氢氛围中氢气的浓度对射流的锥角、卷吸率等有明显的影响。氢气浓度增加，相同时间内射流达到更大的贯穿距，锥角减小，卷吸率增加。背景压力0.8 MPa，喷射压力10 MPa下，氢气浓度从30%增长到80%后，射流到达最大贯穿距的时间缩短了36.2%，平均锥角减小了约3°，1.5 ms时的卷吸率提升1.47倍。