乙醇汽油噴霧特性研究及低壓直噴噴嘴優(yōu)化_圖文

1、收稿日期:2010 10 24;修回日期:2011 01 13作者簡介:朱 斌(1985 ,男,碩士,研究方向為油醇混合燃料物性以及噴霧特性;aonika 。乙醇汽油噴霧特性研究及低壓直噴噴嘴優(yōu)化朱 斌,許 敏,張玉銀,張高明(上海交通大學汽車電子控制技術(shù)國家工程實驗室,上海 200240摘要:通過閃光燈噴霧測試試驗和乙醇汽油物性的測量、計算,對乙醇汽油噴霧特性進行了研究,最后使用AV L Fire 軟件完成低壓噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)修改,并對不同噴嘴的霧化效果進行了對比。試驗結(jié)果表明:混合燃料中乙醇比例增大導致乙醇汽油密度、黏度增大,乙醇比例與表面張力關(guān)系不大;噴霧貫穿距隨著乙醇汽油密度和黏度的升高而

2、降低,而噴霧角與表面張力的變化方向相反。仿真結(jié)果顯示,對于低壓直噴噴嘴,減小噴孔錐角或者增大噴孔入口處液腔厚度有助于提高噴霧霧化效果。關(guān)鍵詞:乙醇汽油;噴霧特性;噴嘴;優(yōu)化;低壓直噴中圖分類號:T K413.8 文獻標志碼:B 文章編號:1001 2222(201101 0079 06隨著國際原油價格的攀升以及國內(nèi)外節(jié)能減排呼聲的日益高漲,代用燃料的推廣和普及對緩解我國石油資源不足具有重要意義。醇類燃料作為最有前途的汽車發(fā)動機代用燃料已經(jīng)越來越引起國內(nèi)外科研機構(gòu)和政府部門的重視。醇類燃料與汽油相比具有更高的辛烷值、更寬泛的著火范圍、更高的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约案叩钠瘽摕嶂?。將醇類燃料或者油醇混

3、合燃料應用在發(fā)動機(進氣道噴射和缸內(nèi)直噴上,對減少CO 2以及其他燃燒排放物有一定的作用1。影響噴霧霧化效果的因素主要有三方面:外界控制條件、燃油物性以及噴油器結(jié)構(gòu)。目前,對于醇類代用燃料發(fā)動機,研究的重點主要集中在解決冷起動、燃料腐蝕性等問題,而并沒有重點考慮燃料物理化學屬性的變化對噴霧及燃燒過程的影響。大部分的代用燃料發(fā)動機都只是采用原來的、適用于汽油燃料的噴霧燃燒系統(tǒng),這樣勢必影響代用燃料發(fā)動機的性能。而部分針對代用燃料發(fā)動機噴霧與燃燒系統(tǒng)的研究也只限于通過優(yōu)化燃燒室的結(jié)構(gòu)使其適應噴霧以提高燃燒的質(zhì)量,這是被動的,沒有考慮從控制燃燒過程的源頭(噴霧霧化來解決問題。相對于高壓直噴系統(tǒng),低壓

4、直噴系統(tǒng)擁有低成本、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢,而當油醇混合燃料用于低壓直噴系統(tǒng)時噴霧霧化效果會降低,這時就需要優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)以削弱低噴射壓力對霧化效果的負面作用。本研究通過對乙醇汽油物性的測量、計算及在高壓定容容器中乙醇汽油的噴霧特性閃光燈測試試驗,研究乙醇汽油物性與噴霧特性的關(guān)系,并利用計算機仿真來探索噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)對霧化效果的影響,為乙醇汽油在直噴發(fā)動機尤其是低壓直噴發(fā)動機上的應用提供基礎研究。1 試驗裝置和試驗方法物性測試選用的基礎燃料為乙醇(分析純、97號汽油。物性測試試驗主要儀器設備有密度儀(M DY 1,精度為0.001g/cm 3、表面張力測量儀(QBZY 3,精度為0.001m N/m

5、、恒溫水箱(-2099 。乙醇汽油中乙醇體積分數(shù)分別為0%,15%,30%,50%,65%,85%,100%。油醇混合物黏度的計算采用精度較高的Lobe 法2。噴霧測試試驗設備見圖1,低壓直噴噴嘴垂直圖1 噴霧測試設備布置第1期(總第192期2011年2月車 用 發(fā) 動 機V EH ICL E EN GI NE No.1(Ser ial N o.192Feb.2011安裝在高壓定容容器頂部,容器內(nèi)部壓力可以通過N 2瓶和真空泵在20kPa2M Pa 之間調(diào)節(jié)。裝載待測燃油的活塞式蓄壓器頂部與另一個N 2瓶相連,油壓可以調(diào)節(jié)到指定值,通過調(diào)節(jié)噴嘴安裝基座水套的循環(huán)水溫度來控制燃油溫度。使用可編程

6、時間控制單元(PTU 實現(xiàn)噴油器、快速閃光燈和CCD 相機(1376 1040分辨率,15fps 拍攝速度的同步,CCD 相機采集閃光燈照射下的若干時刻的噴霧照片,全部為單次拍攝。噴嘴為許敏等人3開發(fā)的9孔低壓直噴噴嘴,該噴嘴特點是在較低噴射壓力下利用噴嘴內(nèi)部強烈的湍流產(chǎn)生霧化效果較好的噴霧。2 試驗內(nèi)容物性數(shù)據(jù)測量采取的是對同一個物性點進行3次測量并取平均值的方法。燃料溫度測試點設定在-1060 之間,以10 為增量進行測量。從低溫下的分層靜置試驗看出,各種比例的油醇混合物在一周內(nèi)未發(fā)生分層現(xiàn)象,所以試驗中未加入助溶劑。噴霧測試試驗模擬低壓缸內(nèi)直噴(2M Pa 噴射壓力的情況,由噴油器的流量

7、曲線和實際噴油量計算噴油器的噴油脈寬,具體的測試點見表1。噴霧測試試驗中配制了5種燃料:E0(汽油,E15,E50,E85,E100,針對每種乙醇汽油均完成了8個測試點的噴霧測試。表1 噴霧測試的測試點基礎燃料汽油(97號,乙醇(分析純待測燃料E0,E15,E50,E85,E 100環(huán)境溫度/ 20環(huán)境壓力/kPa 20,40,85,190燃油溫度/ - 10,0,25,50,60, 80, 90噴射壓力/M Pa23 試驗結(jié)果及分析3.1 物性結(jié)果由物性測量和計算數(shù)據(jù)(圖2至圖4可知,溫度升高導致燃料密度、黏度和表面張力降低,密度和黏度隨乙醇體積分數(shù)的升高而升高,表面張力與乙醇體積分數(shù)無明顯

8、關(guān)系,溫度較高時,表面張力波動幅度變大。由于密度 (標準偏差小于0.002和表面張力(標準偏差小于0.002的標準偏差很小,圖2和圖4的誤差棒很短。圖2 乙醇汽油密度圖3 乙醇汽油黏度圖4 乙醇汽油表面張力3.2 貫穿距按照美國汽車工程師協(xié)會(SAE的標準,多孔噴嘴的噴霧外輪廓邊緣距離噴嘴5m m 和15mm 的4個點所確定的線段AB 和CD 的夾角 即為噴霧角,某個時刻噴嘴到噴霧外輪廓最遠點的垂直方向距離即為貫穿距L (見圖5。圖5 噴霧角及貫穿距定義圖6和圖7示出了兩種工況下的噴霧照片。圖6工況:燃油溫度25 ,環(huán)境壓力190kPa,噴射壓80 車 用 發(fā) 動 機 2011年第1期力2M

9、Pa,噴射開始后1.2ms;圖7工況:燃油溫度90 ,環(huán)境壓力20kPa,噴射壓力2MPa,噴射開始后1.2ms 。由圖可見,噴霧沒有明顯的單個噴霧油束。燃油溫度較低(25 ,見圖6時噴霧呈圓錐形3,混合比例對噴霧角的影響較小,噴霧邊緣附近可觀察到較大油滴存在。由于閃沸的作用4,燃油溫度較高(90 ,見圖7時噴霧變?yōu)榧忓N形,貫穿距變長,可觀察到的大油滴明顯減少,可見此時噴霧霧 化效果更好。圖6 低油溫時不同油醇混合比下的噴霧圖7 高油溫時不同油醇混合比下的噴霧燃料的噴霧特性受到外界因素(如噴射壓力、燃油溫度的影響,同時內(nèi)部因素對噴霧特性也有直接的作用,這個內(nèi)部因素就是燃油本身的成分以及燃油的物

10、化屬性,選擇合適的燃油將對提高噴霧質(zhì)量有很大的幫助。圖8示出燃油噴射1ms 后貫穿距隨乙醇體積分數(shù)的變化,圖中圖標格式為燃油溫度_環(huán)境壓力_噴射壓力_噴油脈寬。從圖8看出:燃油溫度在中低溫時,貫穿距隨乙醇比例的升高而降低;在高溫時,貫穿距先增大再減小。這是由于高溫時噴霧發(fā)生了閃沸4,閃沸現(xiàn)象是由于液體內(nèi)部的壓力瞬間降至飽和蒸氣壓以下而發(fā)生的。噴嘴針閥開啟后高壓 圖8 不同混合比下乙醇汽油噴霧的貫穿距燃油噴出,當液體壓力降至飽和蒸氣壓以下時,液體內(nèi)部產(chǎn)生許多迅速膨脹的氣泡,這些氣泡促使液泡快速破碎成小液滴。根據(jù)曾東建等人的研究5,乙醇汽油在低比例范圍內(nèi)有較高的飽和蒸氣壓,于是比例較低的乙醇汽油(

11、如E15更容易發(fā)生閃沸,而閃沸的強弱對噴霧破碎長度和貫穿距有影響6。非閃沸條件下密度、黏度對乙醇汽油噴霧貫穿距的影響見圖9(工況:油溫0 ,環(huán)境壓力20kPa,噴射壓力2M Pa,噴射開始后1m s。由圖可知,密度、黏度升高,貫穿距減小。黏度增大導致噴嘴內(nèi)部對燃油的阻力增大,會減小貫穿距7。由伯努利方程(見式(1可知,當p L ,h 0,C 0不變時,密度增大則速度減小,貫穿距變短,同時,H iro yasu 8總結(jié)的貫穿距經(jīng)驗公式(見式(2至式(3也能解釋密度增大導致貫穿距減小的原因。p L + L g h 0+12L v 2=C 0。(1式中:p L , L ,v 分別為流體的壓強、密度和

12、速度;h 0為鉛垂高度;g 為重力加速度;C 0為常量。S =C2 p 1t 0 t t b1.19C(p a0.25D t t t b。(2t b =1.41C1 Da p 。(3式中:C 為速度系數(shù); 為噴嘴系數(shù);S 為噴霧貫穿距; p 為噴射壓力和環(huán)境壓力之差; 1為液體燃料密度; a 為空氣密度;t 為噴油時間;t b 為分裂時間;D 為噴孔直徑。圖9 密度、黏度對乙醇汽油噴霧貫穿距的影響3.3 噴霧角從試驗數(shù)據(jù)看出,隨乙醇比例的提高,噴霧角為非單調(diào)變化。經(jīng)過對比,發(fā)現(xiàn)噴霧角和燃料表面張力存在聯(lián)系,圖10示出乙醇汽油典型的表面張力 噴霧角曲線(工況:油溫60 ,環(huán)境壓力150kPa,噴

13、射壓力2M Pa,噴射開始后1.2ms。從圖上看出81 2011年2月 朱 斌,等:乙醇汽油噴霧特性研究及低壓直噴噴嘴優(yōu)化表面張力和噴霧角的曲線變化趨勢是相反的。表面張力越小,液滴越容易破碎成更小的顆粒,受到噴霧邊界紊流層影響,卷吸作用增強,噴霧角 越大。圖10 乙醇汽油表面張力對噴霧角的影響4 數(shù)值模擬計算及結(jié)果在Pro/E 軟件中建立噴嘴內(nèi)部液腔模型,然后利用三維CFD 仿真軟件AVL Fire 完成噴嘴內(nèi)部流場仿真,將內(nèi)部流場計算得到的接口文件(包含速度、湍流動能等信息作為外部噴霧仿真的邊界條件進行耦合計算。圖11示出1/4低壓噴嘴內(nèi)部液腔模型(噴嘴0,圖12示出外部噴霧的圓柱體計算區(qū)域

14、。仿真計算條件見表2 。圖11噴嘴內(nèi)部液腔模型圖12噴霧圓柱體計算區(qū)域表2 仿真計算條件內(nèi)部液腔單元數(shù)/個67402(1/4噴嘴圓柱體區(qū)域單元數(shù)/個240000燃油種類E0燃油溫度/ 25,50環(huán)境溫度/ 20噴射壓力/M Pa 2環(huán)境壓力/kPa 190, 85蒸發(fā)模型M ulti com pon ent 初次破碎模型Blob injection model二次破碎模型Tab model仿真的噴霧圖像與試驗照片有類似的實心圓錐體的噴霧外形(見圖13,工況:燃油溫度25 ,環(huán)境壓力190kPa,噴射壓力2MPa。圖14示出了貫穿距仿真值與試驗值與時間的關(guān)系,圖中圖標格式為燃油溫度_環(huán)境壓力_噴

15、射壓力。由圖14可知,貫穿距的計算值比試驗值略微偏高,這可能與使用M at lab 計算噴霧照片上的貫穿距試驗值時選用偏高的閾值有關(guān)。圖13 E0的試驗照片和仿真圖像圖14 E0噴霧貫穿距的試驗值與仿真值對比對低壓直噴噴嘴 圖15噴嘴尺寸示意的原始尺寸進行修改,得到5個結(jié)構(gòu)相似的新噴嘴數(shù)模,編號15,原始噴嘴編號為0。圖15示出原始噴嘴尺寸示意(1/2豎直截面,表3列出修改前后的尺寸。表3 噴嘴尺寸噴嘴編號尺寸/( /( /( /( L 1/mm L 2/mm L 3/mm 02036.890100.60.410.45110-2-0.80.510.553-25-4-105-5-0-注: - 表

16、示與噴嘴0尺寸相同。82 車 用 發(fā) 動 機 2011年第1期使用相同的工況對6個噴嘴進行仿真計算,噴嘴內(nèi)部流場和外部噴霧計算采用25 燃油溫度、190kPa 環(huán)境壓力及2M Pa 噴射壓力的工況點,燃料為E0。由圖16可知,噴嘴1的噴孔內(nèi)部平均壓力最大,即噴嘴1的壓降最小(與2M Pa 初始油壓相比,噴霧液滴噴出后能量更大, 霧化效果更好。圖16 噴孔內(nèi)部平均壓力圖17示出了噴嘴內(nèi)部平均湍流動能隨時間的變化趨勢,噴嘴4和噴嘴5有較大的平均湍流動能,如果湍流分散到噴嘴內(nèi)部的死角,湍流就不會對噴霧霧化有較大影響,但只要湍流隨著主要流體流出噴孔,一般情況下湍流能促進液滴快速破碎,增強霧化效果。圖1

17、8示出噴嘴4和噴嘴5在針閥開啟后的內(nèi)部湍流分布,噴嘴4的湍流動能集中在噴孔處,湍流對液滴的快速破碎有很大幫助,而噴嘴5的湍流動能主要分布在尺寸變化較大的轉(zhuǎn)角和噴孔處, 部分湍流動能在噴嘴內(nèi)部耗散掉了。圖17 噴嘴內(nèi)部平均湍流動 能 圖18 噴嘴4和噴嘴5內(nèi)部湍流分布取距噴孔20m m 的平面為索特平均直徑D sm 計算平面,計算各噴嘴的D sm ,并求得噴射開始后1.11.3m s 的D sm 平均值(見圖19。噴嘴1和噴嘴4的D sm 較小,有較好的霧化效果,這與前面得出的結(jié)論相吻合。圖19 各噴嘴的噴霧D sm 平均值圖20示出了各噴嘴的噴霧蒸發(fā)量。噴嘴4蒸發(fā)量最大,其次為噴嘴1,進一步看

18、出噴嘴1和噴嘴4有較好的霧化效果。總的來說,減小 角或增大 角能增強噴嘴的噴霧霧化效果,而其他尺寸參數(shù)對噴霧霧化影響較小。圖20 噴嘴噴霧蒸發(fā)量5 結(jié)論本研究通過對乙醇汽油的物性測量、計算及噴霧特性測試試驗和CFD 仿真,研究了乙醇汽油物性與噴霧特性的關(guān)系以及低壓直噴噴嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。a油醇混合物的密度、黏度和表面張力隨溫度的升高而降低;密度、黏度隨著醇類比例的升高而升高,表面張力與醇類比例無明顯關(guān)系;b油醇混合物的噴霧貫穿距隨著密度、黏度的升高而降低;油醇混合物的噴霧角與表面張力呈現(xiàn)出相反的變化趨勢;c減小低壓直噴噴嘴的 角或增大 角能提高噴霧霧化效果,噴嘴的其他尺寸( , ,L 1,L 2,

19、L 3對噴霧霧化影響較小。致謝:本研究在上海科學技術(shù)委員會的資助下完成。感謝上海交通大學的教授David L.S.H ung 、博士83 2011年2月 朱 斌,等:乙醇汽油噴霧特性研究及低壓直噴噴嘴優(yōu)化84 車 用 發(fā) 動 機 of Internal Co mbustio n Eng ines. n. , 2010. 2011 年第 1 期 Chongqing: s. 生張銘、 碩士生曹菁菁對本研究的幫助和支持。 參考文獻: 1 M aclean L H , L ave B L . Eva luating A uto mobile F uel/ P ro pulsio n System T

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24、 ZH AN G Yu yin, ZH ANG Gao ming ( N ational Eng ineer ing L abor ator y for A uto motive Electro nic Co nt rol T echno log y, Shang hai Jiaoto ng U niver sity , Shang hai 200240, China Abstract: T ho ug h the flashlight spr ay ex per iment and ethano l g asoline physical pro per ty analy sis, the s

25、pray character istics o f et hanol gaso line w ere researched. With A VL F ir e softw are, the str uctur al par ameters o f low pr essure injector w ere modified and the spra y effects of different injector s w ere co mpa red. T he r esults show that the incr ease of ethano l pro po rtion leads to t

26、he incr ease o f mix tur e density and v isco sity. Ho wev er, the mix ture sur face tension has little r elation w it h the ethanol pr opor tio n. With the increase of mix ture densit y and v iscosity , the spr ay penetr atio n dro ps. T he spr ay angle changes in negative dir ection of surface ten

27、sio n. Based o n simulatio n r esults, the optimized injector can impro ve the spr ay effect. Key words: ethano l g asoline; spr ay character istic; injecto r; optimization; low pr essure dir ect inject ion 編輯: 李建新 ( 上接第 78 頁 3 魏春源, 張衛(wèi) 正, 葛蘊珊. 高 等內(nèi) 燃機 學 M . 北 京: 北 京理工大學出版社, 2001. 4 CD adapco Japan Co. Ltd. . GT Co ol U serps M anual M . Japan: CD adapco, 2007. Dual Inter cooling Schemes for Turbocharged Diesel Engine GAO Si yuan, ZH AO Chang lu, LI Yun lo