MF-汽油掺混燃料直喷喷雾试验研究

高东志，郭 勇，王凤滨，付铁强

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

前言

SI发动机小型化和燃料的多样化是近年来的研究热点。小型化发动机可得到较高的热效率和较低的CO2排放。直喷技术具有燃油计量精确、允许发动机使用高的压缩比和燃油经济性好等优点，广泛应用于小型化SI发动机[1-2]。同时产生了不同的喷油策略，例如壁面引导、气流引导和喷雾引导。喷雾引导模式能够使火花塞附近产生富油区，形成良好的分层稀薄燃烧；也可形成均质混合气，达到较好的燃烧效率[3-5]。因此，这对喷雾形态要求非常严格并且空气-燃油混合气的形成在不同的发动机工况。例如，在低负荷时早喷，以形成均质混合气，缸内环境压力为20kPa左右；晚喷形成分层混合气时，缸内压力在50kPa左右；在高进气增压的条件下，缸内压力可以达到1MPa左右[6]。另外，燃油温度范围可以是冷起动时的293K，直到高负荷连续工况下的393K。这使得喷雾条件复杂，若发生喷雾碰壁，则会导致碳烟和未燃碳氢排放的增加。另一方面，在DISI发动机低负荷-早喷策略下，会形成闪急沸腾现象，由于相变使燃油的雾化机理和喷雾结构产生很大变化。油束沿轴线方向塌缩，剧烈闪沸时，使得喷雾贯穿距增长，导致湿壁现象，并且偏离沿喷孔的初始设计方向。因此，为了达到高效和清洁燃烧过程，不同条件下的直喷喷雾特性需要进一步的研究。

另一方面，生物质替代燃料由于具有可持续性和降低CO2排放的优点，在SI发动机研究中也变得非常重要。醇类生物质燃料具有生产程序简单、高辛烷值、高蒸发潜热和低掺比下不需要改变原有的燃油供给系统等优点，得到广泛的应用(E5应用于英国，E10应用于德国，E25应用于巴西)。但是在高掺比(E85，E100)和冷起动时，由于其较低的能量密度和较高的蒸发潜热，存在不足。因此，这就需要寻找更加高效的替代燃料。呋喃类燃料由于其生产工艺的突破得到了广泛的关注[7-8]，其低热值及密度更加接近汽油；蒸发潜热低于乙醇，有利于发动机的冷起动。另一方面，MF沸点较低，有利于燃油的雾化，燃料特性参见表1。在发动机性能方面已经吸引了很多学者的研究。卫海桥等[9]在单缸四冲程SI发动机中对M10燃烧和排放性能进行了研究，得出M10的输出转矩和有效功率较E10略有增加，HC和CO排放较汽油更低。MATTHIAS T等[10]在直喷单缸机上对MF进行喷雾及发动机性能试验研究，结果表明MF较乙醇蒸发更快；与传统燃料相比，HC排放降低约61%；相较于RON95汽油，具有更好的抗爆震性能。以上表明MF相较于乙醇是更具有潜力的生物质替代燃料。但是其与汽油掺混燃料的喷雾特性研究不足。

因此，本文中采用多孔直喷喷油器对MF-汽油掺混燃料和汽油喷雾特性进行研究。通过改变燃油温度和环境背压，在定容燃烧弹中结合高速纹影技术得到不同工况的喷雾特性，包括喷雾形态、喷雾贯穿距、喷雾锥角和喷雾面积。本研究为MF-汽油掺混燃料的喷雾基础研究，可为其在DISI发动机中的应用提供借鉴。

表1 燃料特性[11]

1 试验装置与研究方法

1.1 试验设备和条件

本试验在定容燃烧弹试验台架上进行，如图1所示。台架包括6部分：定容燃烧弹本体、喷油系统、温度控制系统、进排气系统、纹影成像系统和高速摄像机。定容燃烧弹本体安装有两个相对的观察窗，可供纹影测量光路通过，窗口为圆形，直径为8cm，容弹体积为 2.32L。弹体承受最高压力为10MPa。喷油系统由自行开发的电控单元控制，可灵活调节轨压和喷油量，精确控制当量比。燃油温度由加热带提供，并由电磁继电器控制。高速摄像机(Photron FASTCAM SA5)由5V电压触发，与喷油信号同步，拍摄速率为20 000帧/s(512×512像素)。进排气系统分别安装在燃烧室的两端，距离较远，便于扫清燃烧室内的废气。反射式纹影系统采用典型的Z型布置，结合高速摄像机，实现燃烧室内喷雾图像的采集。试验装置示意图如图1所示。

图1 试验装置示意图

试验条件如表2所示，采用3种不同的燃油温度(293，323 和 353K)，7 种不同的环境背压(30，80，200，350，600，850 和 1 100kPa)，喷油压力稳定在10MPa，喷油持续期为3ms。所用燃料为标准的商用95号辛烷值汽油和掺混燃料M20(20%的2-甲基呋喃掺混80%的汽油，按照体积比)，M40。

表2 试验条件

1.2 喷雾图像处理

喷雾轮廓、喷雾贯穿距、喷雾锥角和喷雾横截面积是用来表征喷雾结构的宏观参数。本研究中这些参数由自编的MATLAB程序获得。通过设定阈值定义喷雾的边界。依次通过膨胀、填充和腐蚀获得喷雾形状。然后，定义原点在喷嘴的顶端以及窗口直径的大小，将喷雾照片的像素值转化为长度值。根据SAE—J2715标准[12]，定义距离喷嘴5和15mm两条直线与油束外轮廓交点连成的线段AC和BD之间的夹角为喷雾锥角；定义喷嘴在竖直方向上与油束最远端的距离为喷雾贯穿距。最后，定义强度大于400的像素点的面积为喷雾面积。图2给出了图像处理和参数定义的示意图。

图2 图像处理和参数定义

2 试验结果和分析

2.1 喷雾形态

图3为汽油和M40在1ms ASOI(after start of injection)的喷雾图片。燃油温度为293，323和353K，环境压力范围30～1 100kPa。总体上，对于同一种燃料，喷雾贯穿距随着燃油温度的增加而减小。随着喷雾的发展，由于油束与空气的相互作用，液态油束不断地破碎并且减速。随着燃油温度的升高，增加了液滴与空气分子之间的能量交换，并加速液态油雾的破碎和蒸发，导致喷雾贯穿距减小。在30和80kPa时，不同程度的闪急沸腾现象发生，而在环境压力为200～1 100kPa范围内，没有发生闪沸现象。比较汽油和M40的喷雾形态，可以看出两者较为接近。在低压下，闪沸发生，M40油束向喷孔轴线方向收缩更加剧烈，使喷雾前端较汽油减小。这导致M40喷雾贯穿距较汽油略有增加。尤其是在环境背压30kPa，燃油温度323和353K时，M40的喷雾体较汽油形成更细的柱状喷雾。这表明，低沸点燃料MF的掺入，在较高燃油温度下闪急沸腾现象加强，这使得喷雾收缩加剧且贯穿距增加。比较环境压力200kPa以后的图像，在相同的条件下，M40的喷雾贯穿距略小于汽油。这可以归结为低沸点燃料的掺入导致蒸发作用加剧。

2.2 喷雾贯穿距

图3 汽油和M40在不同环境背压和燃油温度下的喷雾图片(1ms ASOI)

图4为喷雾贯穿距随着喷油时间的量化关系。在喷雾发展0.5ms以内，喷雾贯穿距随时间几乎呈线性，贯穿速度可达57m/s左右，随着时间的增加(喷雾的发展)，喷雾贯穿速度逐渐下降；当发生闪沸以及较低环境背压下，喷雾贯穿速度随时间减小的趋势减弱。由图4可见，在未发生闪沸现象时(200，350，600，850 和 1 100kPa)喷雾贯穿距随环境背压的增加而减小。且相同的条件下，M40的喷雾贯穿距较汽油略小。这是因为随着MF的掺入，油束前端液体的蒸发现象加强。当发生闪急沸腾现象时，喷雾的发展趋势与未发生闪沸时有所不同。当环境背压为30，80kPa时，各喷雾均发生了不同程度的闪沸，喷雾贯穿距随着压力的降低先减小后增大。并且在相同的条件下，M40的喷雾贯穿距较汽油略大。可以解释为，当开始发生闪沸现象时(80kPa)，燃油内部发生微爆现象，使液滴粒径减小，喷雾各油束膨胀并发生重叠，喷雾前端与空气的相互作用加剧，动量减小，使喷雾贯穿距以及贯穿速度减小(这是由于此时喷雾前端两侧出现大尺度的涡旋结构，将前端的油滴向上卷吸，从而减弱了向前的贯穿动量)。当环境背压进一步降低为30kPa时，喷雾贯穿距又呈现出增加的趋势，表明当发生剧烈闪沸时，喷雾前端急剧收缩，减小了与空气的作用面积，受到空气阻力减小，喷雾贯穿距及贯穿速度增加。当燃料中掺入MF时，这种现象更加明显。这是由于MF的加入，导致燃料中低沸点成分增加，在相同的条件下，与汽油相比发生闪沸程度剧烈，喷雾收缩使前端更窄，阻力减小，使贯穿距略有增加。燃料相同，温度由293升高到353K时，不论是否发生闪沸，喷雾贯穿距均有所下降，这与图3显示的结果类似。但是发生闪沸时，喷雾贯穿距下降的趋势更加明显，这是由于闪沸发生导致液滴粒径更小，温度升高时，油束前端的小液滴更容易蒸发，使喷雾贯穿距减小程度增加。

2.3 喷雾锥角和喷雾面积

图4 不同环境背压和燃油温度下汽油和M40的喷雾贯穿距随时间的变化

图5 汽油、M20和M40在不同环境背压(30，80，350，600和850kPa)下的喷雾锥角(1ms ASOI)

图5为 3种燃料(汽油，M20，M40)喷油发展1ms的喷雾锥角，在 5种环境背压下(30，80，350，600和850kPa)随燃油温度的变化关系。发生闪沸时(30，80kPa)，喷雾锥角较未闪沸时偏大。并且随着闪沸程度的增加(随着环境背压的减小)，喷雾锥角略有增大；在较低压力350kPa时，喷雾锥角受燃油温度和燃料种类的影响不显著；在环境压力为600和850kPa时，同种燃料喷雾锥角随温度的增加而增加，并且随着MF掺比的增加，这种趋势更加明显；在相同温度下，随着掺比的增加，喷雾锥角增加。这表明随着环境背压的增加，喷雾油束所受到的空气阻力越大，喷雾沿轴线方向的贯穿速度越小，后面喷出的燃油还在不断地补充到前面喷出的燃油中，导致油束堆积，并向周围扩散，使喷雾锥角变大。而燃油温度的升高和MF掺比的增加，有利于燃料的雾化，使得喷雾锥角增加。在过渡闪沸阶段80kPa时，相同温度下，M40的喷雾锥角略小于M20，且随温度的增加而略有减小。这可以解释为，低沸点燃料的掺入，使油束外围的蒸发作用加剧，从而减小了喷雾锥角。

图6为 3种燃料(汽油，M20，M40)喷油发展1ms的喷雾面积，在 5种环境背压下(30，80，350，600和850kPa)随燃油温度的变化关系。从总体上比较5幅图可知，随着环境背压的增加，喷雾面积是减小的。低压下(30，80kPa)，燃料发生闪急沸腾，掺比增加，相同条件下的喷雾面积增加；喷雾面积随温度几乎成线性下降的关系。当环境压力为350kPa时，图中曲线相近，燃料成分对喷雾面积的影响不大。当压力升高到600和850kPa时，在相同条件下，喷雾面积随掺比的增加而略有增加；喷雾面积随着燃油温度的增加先增加后减小。这是由于低沸点燃料的掺入，使雾化作用加强，喷雾面积增加。另一方面，由于环境温度升高，使燃料黏性降低，使喷雾面积增加，当温度进一步增加到353K时，表面蒸发作用表现的更加明显，又使得喷雾面积减小。

图6 汽油、M20和M40在不同环境背压(30，80，350，600和850kPa)下的喷雾面积(1ms ASOI)

3 结论

本研究表明存在闪急沸腾和非闪急沸腾两种喷雾形态。

(1)当闪沸发生时，随着MF掺比的增加，闪沸现象加剧并使得喷雾前端塌缩严重，喷雾贯穿距增加。随着环境背压的降低，贯穿距先减小后增加。喷雾锥角较未闪沸时增加，喷雾面积随着MF掺比的增加而增加并且与燃油温度呈负相关。

(2)当没有发生闪沸时，随着MF掺比的增加，喷雾贯穿距减小；当环境背压为600和850kPa时，同种燃料喷雾锥角随着燃油温度的增加而增加。另一方面，相同燃油温度下，随着MF掺比的增加喷雾面积略有增加。