乙醇汽油喷雾特性研究及低压直喷喷嘴优化

pL+ L
g
h0 +
1 2L
v 2 = C0 。
( 1)
式中: p L , L , v 分别为流体的压强、密度和速度; h0
为铅垂高度; g 为重力加速度; C0 为常量。
C 2 pt
S=
1
0 t tb
。( 2)
1. 19
C( p )0. 25 D t t tb a
tb = 1. 41C
1D。 ap
图 13 E0 的试验照片和仿真图像
图 11 喷嘴内部液腔模型 图 12 喷雾圆柱体计算区域 表 2 仿真计算条件
内部液腔单元数/ 个 圆柱体区域单元数/ 个
燃油种类 燃油温度/ 环境温度/ 喷射压力/ MPa 环境压力/ kPa
蒸发模型 初次破碎模型 二次破碎模型
67 402 ( 1/ 4 喷嘴) 240 000 E0 25, 50 20 2 190, 85
摘要: 通过 闪光灯 喷雾测 试试验和 乙醇汽 油物性 的测量、计算 , 对 乙醇汽 油喷雾 特性进 行了研究, 最 后使 用 AV L Fire 软件完成低压喷嘴结构参 数修改, 并对不同喷嘴的雾化效果 进行了对 比。试验结果 表明: 混合燃料中 乙 醇比 例增大导致乙醇汽油密度、黏度增大, 乙醇比例与表面张力关系不大; 喷雾贯穿距随着 乙醇汽油 密度和黏度 的 升高而降低, 而喷雾角与表面张力的变化方向相 反。仿真 结果显示, 对于低压直喷 喷嘴, 减 小喷孔锥 角或者增大 喷 孔入口处液腔厚度有助于提高喷雾雾化效果。
关键词: 乙醇汽油; 喷雾特性; 喷嘴; 优化; 低压直喷 中图分类号: T K413. 8 文献标志码: B 文章编号: 1001 2222( 2011) 01 0079 06
随着国际原油价格的攀升以及国内外节能减排 呼声的日益高涨, 代用燃料的推广和普及对缓解我 国石油资源不足具有重要意义。醇类燃料作为最有 前途的汽车发动机代用燃料已经越来越引起国内外 科研机构和政府部门的重视。醇类燃料与汽油相比 具有更高的辛烷值、更宽泛的着火范围、更高的火焰 传播速度以及更高的汽化潜热值[ 1] 。将醇类燃料或 者油醇混合燃料应用在发动机( 进气道喷射和缸内 直喷) 上, 对减少 CO 2 以及其他燃烧排放物有一定 的作用[ 1] 。
非单调变化。经过对比, 发现喷雾角和燃料表面张 力存在联系, 图 10 示出乙醇汽油典型的表面张力 喷雾角曲线( 工况: 油温 60 , 环境压力150 kPa, 喷 射压力 2 M Pa, 喷射开始后 1. 2 ms) 。从图上看出
82
车用发动机
2011 年第 1 期
表面张力和喷雾角的曲线变化趋势是相反的。表面 张力越小, 液滴越容易破碎成更小的颗粒, 受到喷雾边 界紊流层影响, 卷吸作用增强, 喷雾角越大。
的喷雾 。
2 试验内容
物性数据测量采取的是对同一个物性 点进行 3 次测量并取平均值的方法。燃料温度测试点设定 在- 10~ 60 之间, 以 10 为增量进行测量。从 低温下的分层静置试验看出, 各种比例的油醇混合 物在一周内未发生分层现象, 所以试验中未加 入助溶 剂。
喷雾测试试验模拟低压缸内直喷( 2 M Pa 喷射 压力) 的情况, 由喷油器的流量曲线和实际喷油量计 算喷油器的喷油脉宽, 具体的测试点见表 1。喷雾 测试试验中配制了 5 种燃料: E0( 汽油) , E15, E50, E85, E100, 针对每种乙醇汽油均完成了 8 个测试点 的喷雾测试。
第 1 期( 总第 192 期) 2011 年 2 月
车用发 动机 V EH ICL E EN GI NE
No . 1( Ser ial N o. 192) Feb. 2011
乙醇汽油喷雾特性研究及低压直喷喷嘴优化
朱 斌, 许 敏, 张玉银, 张高明
( 上海交通大学汽车电子控制技术 国家工程实验室, 上海 200240)
表 1 喷雾测试的测试点
基础燃料 待测燃料 环境温度/ 环境压力/ kPa 燃油温度/ 喷射压力/ MPa
汽油( 97 号) , 乙醇( 分析纯) E0, E15, E50, E85, E 100
20 20, 40, 85, 190 - 10, 0, 25, 50, 60, 80, 90
2
图 2 乙醇汽油密度
安装在高压定容容器顶部, 容器内部压力可以通过 N 2 瓶和真空泵在 20 kPa~ 2 M Pa 之间调节。装载 待测燃油的 活塞式蓄 压器顶 部与 另一个 N 2 瓶 相 连, 油压可以调节到指定值, 通过调节喷嘴安装基座 水套的循环水温度来控制燃油温度。使用可编程时
间控制单元( P T U ) 实现喷油器、快速闪光灯和 CCD 相机( 1 376 1 040 分辨率, 15 f ps 拍摄速度) 的同 步, CCD 相机采集闪光灯照射下的若干时刻的喷雾 照片, 全部为单次拍摄。喷嘴为许敏等人[ 3] 开发的 9 孔低压直喷喷嘴, 该喷嘴特点是在 较低 喷 射压 力 下利用 喷嘴内 部强 烈的 湍 流性的测量、计算及在
高压定容容器中乙醇汽油的喷雾特性闪光灯测试试 验, 研究乙醇汽油物性与喷雾特性的关系, 并利用计 算机仿真来探索喷嘴内部结构对雾化效果的影响, 为乙醇汽油在直喷发动机尤其是低压直喷发动机上 的应用提供基础研究。
1 试验装置和试验方法
物性测试选用的基础燃料为乙醇( 分析纯) 、 97 号汽油。物性测试试验主要仪器设备有密度仪 ( M DY 1, 精度为 0. 001 g/ cm3 ) 、表面张力测量仪 ( QBZ Y 3, 精 度 为 0. 001 m N/ m ) 、恒 温 水 箱 ( - 20~ 99 ) 。乙醇汽油中乙醇体积分数分别为 0% , 15% , 30% , 50% , 65% , 85% , 100% 。油醇混合 物黏度的计算采用精度较高的 L obe 法[ 2] 。
( 3)
式中: C 为速度系数; 为喷嘴系数; S 为喷雾贯穿
距; p 为喷射压力和环境压力之差; 1 为液体燃料
密度; a 为空气密度; t 为喷油时间; tb 为分裂时 间; D 为喷孔直径。
图 8 不同混合比下乙醇汽油喷雾的贯穿距
图 9 密度、黏度对乙醇汽油喷雾贯穿 距的影响
3. 3 喷雾角 从试验数据看出, 随乙醇比例的提高, 喷雾角为
燃油喷出, 当液体压力降至饱和蒸气压以下时, 液体 内部产生许多迅速膨胀的气泡, 这些气泡促使液泡 快速破碎成小液滴。根据曾东建等人的研究[ 5] , 乙 醇汽油在低比例范围内有较高的饱和蒸气压, 于是 比例较低的乙醇汽油( 如 E15) 更容易发生闪沸, 而 闪沸的强弱对喷雾破碎长度和贯穿距有影响[ 6] 。
M ul ti com pon ent Bl ob inj ect ion model
Tab model
仿真的喷雾图像与试验照片有类似的实心圆锥 体的喷雾外形( 见图 13, 工况: 燃油温度 25 , 环境 压力 190 kP a, 喷射压力 2 MP a) 。图 14 示出了贯穿
图 6 低油温时不同油醇混合比下的喷雾
图 7 高油温时不同油醇混合比下的喷雾
燃料的喷雾特性受到外界因素( 如喷射压力、燃 油温度) 的影响, 同时内部因素对喷雾特性也有直接 的作用, 这个内部因素就是燃油本身的成分以及燃 油的物化属性, 选择合适的燃油将对提高喷雾质量 有很大的帮助。
图 8 示出燃油喷射 1 ms 后贯穿距随乙醇体积 分数的变化, 图中图标格式为燃油温度_环境压力_ 喷射压力_喷油脉宽。从图 8 看出: 燃油温度在中低 温时, 贯穿距随乙醇比例的升高而降低; 在高温时, 贯穿距先增大再减小。这是由于高温时喷雾发生了 闪沸[ 4] , 闪沸现象是由于液体内部的压力瞬间降至 饱和 蒸气压 以下而 发生的 。喷嘴 针阀开 启后高 压
距仿真值与试验值与时间的关系, 图中图标格式为 燃油温度_环境压力_喷射压力。由图 14 可知, 贯穿 距的计算值比试验值略微偏高, 这可能与使用 M at lab 计算喷雾 照片上 的贯穿 距试验 值时 选用 偏高 的阈 值有 关。
图 10 乙醇汽油表面张力对喷雾角的影响
4 数值模拟计算及结果
在 Pro/ E 软件中建立喷嘴内部液腔模型, 然后 利用三维 CF D 仿真软件 AVL F ire 完成喷 嘴内部 流场仿真, 将内部流场计算得到的接口文件( 包含速 度、湍流动能等信息) 作为外部喷雾仿真的边界条件 进行耦合计算。图 11 示出 1/ 4 低压喷嘴内部液腔 模型( 喷嘴 0) , 图 12 示出外部喷雾的圆柱体计算区 域。仿真计算条件见表 2。
影响喷雾雾化效果的因素主要有三方面: 外界 控制条件、燃油物性以及喷油器结构。目前, 对于醇 类代用燃料发动机, 研究的重点主要集中在解决冷 起动、燃料腐蚀性等问题, 而并没有重点考虑燃料物 理化学属性的变化对喷雾及燃烧过程的影响。大部 分的代用燃料发动机都只是采用原来的、适用于汽 油燃料的喷雾燃烧系统, 这样势必影响代用燃料发 动机的性能。而部分针对代用燃料发动机喷雾与燃 烧系统的研究也只限于通过优化燃烧室的结构使其 适应喷雾以提高燃烧的质量, 这是被动的, 没有考虑 从控制燃烧过程的源头( 喷雾雾化) 来解决问题。相 对于高压直喷系统, 低压直喷系统拥有低成本、系统 结构简单等优势, 而当油醇混合燃料用于低压直喷 系统时喷雾雾化效果会降低, 这时就需要优化喷嘴 结构以削弱低喷射压力对雾化效果的负面作用。
图 3 乙醇汽油黏度
图 4 乙醇汽油表面张力
3. 2 贯穿距 按照美国汽车工程师协会( SAE) 的标准, 多孔
喷嘴的喷雾外轮廓边缘距离喷嘴 5 m m 和 15 mm 的 4 个点所确定的线段 A B 和 CD 的夹角 即为喷 雾角, 某个时刻喷嘴到喷雾外轮廓最远点的垂直方 向距离即为贯穿距 L ( 见图 5) 。
喷雾测试试验设备见图1, 低压直喷喷嘴垂直
图 1 喷雾测试设备布置