柴油摻混二甲醚噴霧粒子尺寸分布特性試驗(yàn)研究

李跟寶， 李洪波， 高博

(長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院， 陜西 西安 710064)

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柴油摻混二甲醚噴霧粒子尺寸分布特性試驗(yàn)研究

李跟寶， 李洪波， 高博

(長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院， 陜西 西安 710064)

為確定二甲醚摻入柴油后對(duì)燃料霧化性能的改善效果，利用陰影成像與數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)不同摻混比、噴射壓力以及噴孔直徑等條件下的二甲醚-柴油混合燃料噴霧粒子尺寸分布特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于柴油中二甲醚的閃急沸騰作用，隨著二甲醚摻混比的增加，混合燃料粒子尺寸分布曲線整體向小顆粒方向偏移，較大粒子數(shù)目較柴油明顯減少，有助于降低發(fā)動(dòng)機(jī)炭煙排放；噴孔直徑、噴射壓力等噴射參數(shù)對(duì)混合燃料霧化粒子分布有較大影響，減小噴孔直徑使燃油粒子更加細(xì)化，降低噴射壓力則使混合燃料霧化效果有變差的趨勢(shì)。

柴油機(jī)； 二甲醚； 混合燃料； 燃油噴霧； 尺寸分布

二甲醚(DME)被認(rèn)為是近年來(lái)最具吸引力的柴油機(jī)清潔代用燃料之一。眾多研究表明：柴油機(jī)燃用二甲醚能夠?qū)崿F(xiàn)高效、超低排放和柔和壓縮燃燒，因而極具應(yīng)用潛力[1-3]。二甲醚可由煤中大規(guī)模、低成本制取，發(fā)展煤基二甲醚作為車(chē)用替代能源，對(duì)于改善我國(guó)原油對(duì)外依存度過(guò)高的現(xiàn)狀、促進(jìn)國(guó)內(nèi)煤化工行業(yè)的發(fā)展、降低交通行業(yè)的能耗與排放水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二甲醚常溫常壓下呈氣態(tài)，需加壓液化后供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃用。其對(duì)常規(guī)橡膠密封件也有腐蝕性，實(shí)際應(yīng)用中需換用耐二甲醚腐蝕的密封材料。二甲醚液態(tài)黏度約為柴油的1/20，發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)中存在潤(rùn)滑及泄漏等問(wèn)題。美國(guó)賓州州立大學(xué)Bhide等人[4]將二甲醚與柴油混合后在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用，證實(shí)在二甲醚摻混比例不超過(guò)25%(質(zhì)量比)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定、低排放工作。同時(shí)，二甲醚低熱值僅為柴油的67%，將其按較低比例與柴油摻混應(yīng)用可盡可能減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)的改動(dòng)。作者[5-6]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用D20混合燃料(20%二甲醚+80%柴油)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性超過(guò)原機(jī)水平，最低當(dāng)量燃油消耗率耗下降4.5%，煙度下降70%以上，NOx降低30%～50%，表明二甲醚-柴油混合燃料是一種能實(shí)現(xiàn)高比功率、低排放的石油替代燃料。

二甲醚的沸點(diǎn)低，飽和蒸氣壓高，有利于改善燃料霧化效果。二甲醚燃料的噴霧過(guò)程一直都是相關(guān)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，但前期研究較多地側(cè)重于油束貫穿距、霧化錐角等宏觀參數(shù)的分析評(píng)價(jià)，對(duì)液滴尺寸分布等噴霧微觀特性則涉及較少[7-8]。為此，本研究采用陰影成像試驗(yàn)技術(shù)，分析二甲醚摻混比、噴射壓力以及噴孔直徑等參數(shù)對(duì)混合燃料噴霧粒子分布特性的影響規(guī)律，探索優(yōu)化燃料噴霧過(guò)程的有效途徑。

1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

為避免柴油中摻入過(guò)多二甲醚而導(dǎo)致燃料黏度過(guò)低，本研究分別選取D10(10%二甲醚+90%柴油)和D20(20%二甲醚+80%柴油)為研究對(duì)象，并結(jié)合純柴油進(jìn)行噴霧對(duì)比分析。

試驗(yàn)在單次噴射霧化粒子特性試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。作者前期研究證實(shí)二甲醚與柴油互溶性好，長(zhǎng)久靜置不會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象[9]。本研究中混合燃料按質(zhì)量比在耐壓容器中配制并儲(chǔ)存，經(jīng)氮?dú)饧訅褐?.7 MPa(高于常溫下燃料飽和蒸氣壓)后輸送至高壓?jiǎn)未螄娚溲b置入口，采用觸發(fā)器控制燃油噴射進(jìn)入大氣環(huán)境，并同步控制800萬(wàn)像素高清晰CCD數(shù)碼相機(jī)對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行拍攝。試驗(yàn)過(guò)程中采用外部頻閃光源輔助成像，試驗(yàn)微距鏡頭的景深控制在0.1 mm之內(nèi)。

試驗(yàn)獲取的噴霧圖像采用本研究組開(kāi)發(fā)的噴霧圖像處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，主要處理過(guò)程包括圖像切割、圖像處理、粒子特征提取與分析。圖像切割使霧場(chǎng)局部得到放大，更加清晰地顯現(xiàn)出細(xì)節(jié)。圖像處理是對(duì)噴霧圖像依次進(jìn)行灰度圖轉(zhuǎn)化、光照不均處理、直方圖均衡化、濾波增強(qiáng)、對(duì)比度擴(kuò)展以及閾值處理。圖2a為某一試驗(yàn)條件下噴霧粒子圖像局部示意，圖2b為經(jīng)圖像處理后的結(jié)果。由圖2可以看出，圖像處理技術(shù)可將燃油粒子與背景清晰區(qū)分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子大小與數(shù)目的統(tǒng)計(jì)。粒子直徑需采用一定直徑的標(biāo)準(zhǔn)絲圖像進(jìn)行像素定標(biāo)，本試驗(yàn)得出最小粒子的判定精度為6 μm。本試驗(yàn)方法與當(dāng)前國(guó)際二維PIV系統(tǒng)原理一致，分別采用SprayMaster與自主開(kāi)發(fā)的軟件對(duì)同一幅霧場(chǎng)圖片進(jìn)行處理，本軟件測(cè)得粒子索特平均直徑D32為27.96 μm，SprayMaster軟件所得D32為27.12 μm，二者處理結(jié)果精度相當(dāng)，但本軟件從圖片上讀取的粒子樣本容量(2 058個(gè)粒子)大大超過(guò)SprayMaster處理結(jié)果(974個(gè))，因此霧場(chǎng)粒子信息反映得更為豐富。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 二甲醚摻混比的影響

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可直接得出噴霧粒子尺寸分布特征，即某一粒徑尺寸帶中的粒子數(shù)目所占全部粒子數(shù)目的百分?jǐn)?shù)?；诹Ｗ映叽绶植紨?shù)據(jù)，可進(jìn)一步計(jì)算出表征粒子分布微觀特征的平均直徑、特征直徑以及發(fā)散度等參數(shù)。本研究選取索特平均直徑D32及粒子相對(duì)尺寸范圍Δs來(lái)進(jìn)行噴霧質(zhì)量評(píng)價(jià)，其中D32的定義為

(1)

相對(duì)尺寸范圍Δs表示液滴直徑相對(duì)于質(zhì)量中值直徑D0.5的變化范圍，分別定義特征直徑D0.1，D0.5，D0.9為小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的10%，50%，90%，則Δs可表示為

(2)

圖3示出燃用柴油、D10和D20 3種燃料在噴孔直徑0.315 mm，噴射壓力20 MPa的條件下，粒子尺寸數(shù)目分布的比較。由圖3可以看出，與燃用柴油相比，燃用二甲醚-柴油混合燃料粒子尺寸分布左移，即向小粒子方向整體偏移。這主要因?yàn)槿剂蠂娚涑鰢娮炜缀?，混合燃料中的二甲醚急速汽化產(chǎn)生閃急沸騰效應(yīng)，有助于一次霧化燃料液滴的進(jìn)一步破碎，使得總體噴霧粒子中小尺寸油滴數(shù)目顯著增加。由圖3還可看出，與燃用D10比較，燃用D20時(shí)粒子尺寸分布偏移得非常明顯，同時(shí)曲線峰值也有較大幅度增加，這說(shuō)明增大二甲醚摻混比例有助于獲得更多細(xì)小燃油粒子，霧化效果因而更為優(yōu)異。

表1列出D32和Δs隨二甲醚摻混比例的變化。由表1可以看出，增加二甲醚的摻混比使得液滴索特平均直徑不斷降低，這有助于增加燃料與環(huán)境氣體的接觸面積，提高蒸發(fā)率，從而提高燃燒效率。同時(shí)，隨著二甲醚摻混比的增加，相對(duì)尺寸范圍Δs先減小再增加，這是因?yàn)椴裼椭袚饺氲捅壤酌延兄跍p小霧場(chǎng)中的大顆粒液滴數(shù)目，此時(shí)小顆粒液滴雖有增加但不明顯，對(duì)累積體積的貢獻(xiàn)較低，因此整體液滴分布比較集中；繼續(xù)增加二甲醚后，大顆粒液滴雖減少但仍存在，小顆粒液滴數(shù)目顯著增加到足以對(duì)D0.1產(chǎn)生影響，因而使得D20噴霧液滴分布開(kāi)始發(fā)散。需要指出的是，混合燃料噴霧粒子群中大粒子數(shù)目趨少對(duì)抑制發(fā)動(dòng)機(jī)炭煙排放非常有利，這是二甲醚燃料的一個(gè)主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

表1 摻混比例對(duì)D32和Δs的影響

2.2 噴射壓力的影響

現(xiàn)代柴油機(jī)噴油壓力不斷提高，以通過(guò)增加噴孔前后的壓力勢(shì)差來(lái)提高燃料出口時(shí)的速度能量，強(qiáng)化燃料與環(huán)境氣體的相互作用，促進(jìn)射流一級(jí)碎裂及二級(jí)霧化。二甲醚-柴油混合燃料噴霧帶有閃急沸騰效應(yīng)特征，理論上對(duì)噴射壓力要求比柴油低，這有利于降低對(duì)燃油供應(yīng)系統(tǒng)的要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有現(xiàn)實(shí)意義。本研究以D20混合燃料為對(duì)象，在噴孔直徑保持在0.315 mm條件下，對(duì)不同噴射壓力的混合燃料霧化粒子分布特征進(jìn)行試驗(yàn)分析，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。

圖4示出不同噴射壓力時(shí)的D20混合燃料液滴尺寸數(shù)目分布變化規(guī)律，為便于分析，圖中添加了噴射壓力20 MPa時(shí)柴油液滴的分布曲線。由圖4可見(jiàn)，隨著噴射壓力的降低，混合燃料粒子數(shù)目分布曲線不斷右移，曲線峰值也不斷減小，但噴射壓力由18 MPa降低為16 MPa時(shí)曲線變化趨勢(shì)已有所緩和?？傮w來(lái)講，16 MPa時(shí)混合燃料的霧化粒子細(xì)度基本與柴油相當(dāng)，按照這種發(fā)展趨勢(shì)，噴射壓力已不宜繼續(xù)降低。這說(shuō)明雖然閃急沸騰效應(yīng)在混合燃料噴射霧化過(guò)程中作用顯著，但噴射壓力仍然是影響燃料霧化效果的一個(gè)重要因素。國(guó)內(nèi)以直列泵為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的二甲醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為彌補(bǔ)燃料熱值差異，采用降低噴射壓力來(lái)適當(dāng)延長(zhǎng)噴嘴針閥打開(kāi)時(shí)間，增加循環(huán)供油量。本研究結(jié)果證實(shí)，噴射壓力的降低必須控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以保證燃料的噴霧效果不致惡化。

表2列出不同噴射壓力下的D32和Δs對(duì)比?；旌先剂显?0 MPa噴射時(shí)霧化粒子顯著細(xì)化，噴射壓力由18 MPa降低為16 MPa時(shí)平均粒徑變化不顯著，均勻度基本相當(dāng)，說(shuō)明降低噴射壓力沒(méi)有產(chǎn)生大顆粒液滴，不大可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)炭煙排放的明顯惡化。

2.3 噴孔直徑的影響

二甲醚熱值低于柴油，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用二甲醚-柴油混合燃料時(shí)，為保證動(dòng)力性不會(huì)降低，有必要調(diào)整噴孔直徑以適當(dāng)增加循環(huán)供油量，因此，本研究維持噴孔壓力室壁厚0.6 mm不變，研究噴孔直徑改變對(duì)混合燃料霧化效果的影響。

圖5示出D20混合燃料在噴射壓力20 MPa條件下，噴孔直徑對(duì)噴霧粒子尺寸分布的影響。由圖5可以看出，不同噴孔直徑時(shí)的粒子尺寸分布曲線形態(tài)上是一致的；隨著孔徑的不斷減小，混合燃料尺寸分布曲線向小粒徑方向明顯偏移，顯示霧化質(zhì)量得到改善，這說(shuō)明噴孔直徑對(duì)混合燃料霧化特性有比較顯著的影響。

表3列出噴孔直徑對(duì)D32和Δs的影響。與圖5一致，索特平均直徑隨孔徑減小而不斷降低，相對(duì)尺寸范圍也不斷增加，這說(shuō)明減小孔徑有助于進(jìn)一步提升小顆粒液滴所占的比例，但仍不足以徹底消除霧場(chǎng)中的大顆粒液滴。由圖5還可看出，0.26 mm 孔徑時(shí)42 μm粒子數(shù)目略微高于0.315 mm孔徑時(shí)，同時(shí)0.26 mm孔徑所對(duì)應(yīng)的粒子分布曲線峰值也略低于0.315 mm孔徑時(shí)。這可能是因?yàn)殡m然孔徑減小至0.26 mm時(shí)碎裂產(chǎn)生的小粒子數(shù)繼續(xù)增加，分布重心仍然左移，但由于此時(shí)噴孔附近粒子過(guò)于濃密，碰撞聚合效應(yīng)使得一部分小粒子轉(zhuǎn)化為較大粒徑的燃油液滴。整體來(lái)講，0.26 mm 孔徑的霧化水平仍優(yōu)于0.315 mm孔徑。

二甲醚-柴油混合燃料噴霧粒度受?chē)娍壮叽缬绊憴C(jī)理比較復(fù)雜，可能與噴嘴內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)以及噴嘴出口處閃急沸騰效應(yīng)等多種因素密切相關(guān)，受理論水平與試驗(yàn)條件的限制，對(duì)于混合燃料在噴孔內(nèi)部的流動(dòng)形態(tài)、壁面作用、空穴生成及發(fā)展等現(xiàn)象還需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

a) 采用基于高分辨率CCD相機(jī)的陰影成像試驗(yàn)技術(shù)，輔以適當(dāng)?shù)膱D像處理方法，可對(duì)粒徑小至6 μm的燃油粒子實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)定，用于研究柴油機(jī)噴霧粒子的尺寸分布規(guī)律是可行的；

b) 伴隨柴油中二甲醚摻混比的增加，噴霧粒子直徑趨于減小，大顆粒液滴數(shù)目降低，霧化質(zhì)量得到改善； c) 適當(dāng)降低混合燃料噴射壓力導(dǎo)致霧化效果有所降低但不明顯，有利于提高燃油系統(tǒng)工作可靠性并降低能耗；噴孔直徑對(duì)混合燃料噴霧粒子分布影響顯著，減小噴孔直徑可改善燃料霧化效果。

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[編輯： 袁曉燕]

Experimental Research on Size Distribution of Spray Droplet for Diesel Blended with DME

LI Genbao, LI Hongbo, GAO Bo

(School of Automotive, Chang’an Univercity, Xi’an 710064, China)

In order to determine the improvement of fuel spray property for diesel fuel blended with dimethyl ether(DME), the size distribution characteristics of spray droplet under different mixing ratios, injection pressures and orifice diameters were compared and researched with shadow imaging and digital image processing technology. The results show that the curve of size distribution for blended fuel droplet has a deviation to the direction of small droplet with the increase of DME proportion due to the flash boiling effect of DME in diesel fuel. The number of larger size droplets decreases significantly, which helps to improve soot emission. In addition, the orifice diameter and injection pressure have great influence on size distribution of spray droplet of blended fuel. The small orifice diameter leads to the smaller fuel droplet, but the low injection pressure will make spray effect become worse.

diesel engine; dimethyl ether; blended fuel; fuel spray; size distribution

2015-09-06；

2016-02-25

陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013B0220174)；中央高校基本科研項(xiàng)目(0009-2014G1221021)

李跟寶(1974—)，男，副教授，博士，主要從事液體噴射霧化研究；ligb@chd.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.012

TK421.43

B

1001-2222(2016)04-0066-04