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3種常見醇類燃料甲醇、乙醇、正丁醇噴霧特性與表面張力的關(guān)系(一)
來源:《內(nèi)燃機(jī)工程》 瀏覽 670 次 發(fā)布時(shí)間:2025-05-23
摘要
利用定容噴霧試驗(yàn)裝置,采用陰影法研究甲醇、乙醇、正丁醇在不同工況下的噴霧特性,噴射壓力范圍為10~30 MPa,背壓范圍為0.1~0.7 MPa,環(huán)境溫度范圍為20~120℃,再經(jīng)MATLAB軟件進(jìn)行圖像處理,分析了不同工況對醇類燃料噴霧特性的影響。結(jié)果表明:三種燃料的噴霧貫穿距和噴霧面積受噴射壓力和背壓影響明顯,噴霧錐角與環(huán)境條件的關(guān)系較大;噴射壓力和環(huán)境溫度的增加會加快液滴分裂和蒸發(fā),對提高霧化質(zhì)量及改善噴霧特性有重要的促進(jìn)作用。同種工況下,燃料自身的特性造成了噴霧形態(tài)的差異,正丁醇動力黏度和表面張力較大,在低溫環(huán)境中噴霧發(fā)展較慢,但在高溫高壓環(huán)境中液滴蒸發(fā)和破碎程度較小,能保持較好的噴霧形態(tài)和發(fā)展速度。
全球環(huán)境污染問題和能源短缺問題日益突出,而內(nèi)燃機(jī)在眾多領(lǐng)域仍有著不可替代的地位,尋找合適的替代燃料以減少碳排放成為未來的重要發(fā)展方向。中國是農(nóng)業(yè)種植大國,為甲醇、乙醇、正丁醇等生物燃料的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。醇類燃料屬于含氧燃料,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)鞑ニ俣燃案叩钠瘽摕嶂担兄诎l(fā)動機(jī)在較高壓縮比下工作從而獲得較高的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。缸內(nèi)汽油直噴(gasoline direct injection,GDl)發(fā)動機(jī)具有較高的壓縮比、熱效率、容積效率和功率輸出,且發(fā)動機(jī)性能很大程度上取決于缸內(nèi)燃油噴霧和空燃混合物的制備,因此進(jìn)行噴霧特性研究十分必要。
甲醇由于具有良好的動力性能且來源廣泛,在全球范圍內(nèi)得到了認(rèn)可和實(shí)際應(yīng)用。對高壓直噴甲醇的噴霧特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明甲醇噴霧沸點(diǎn)較低,更容易蒸發(fā),導(dǎo)致噴霧貫穿距較短。對甲醇噴霧特性與裂解特性的研究表明,噴霧液滴速度、貫穿距受噴射壓力影響,燃料溫度和環(huán)境溫度的升高能夠提高霧化質(zhì)量。針對甲醇過熱噴霧特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明燃料溫度和背壓是影響“閃沸”的重要因素。對甲醇低壓噴霧宏觀特性的研究發(fā)現(xiàn),閃沸狀態(tài)會使噴霧貫穿距和噴霧錐角顯著增大,而環(huán)境溫度是影響閃沸狀態(tài)的重要因素。
乙醇來源廣泛,辛烷值較高,且能與汽油較好互溶。運(yùn)用紋影法對不同噴射壓力下的乙醇噴霧進(jìn)行了分析,結(jié)果表明提升噴射壓力能有效改善霧化程度。采用高速陰影成像技術(shù),研究了燃油溫度對乙醇噴霧的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃料高于沸點(diǎn)溫度發(fā)生“閃沸”時(shí),噴霧錐角和面積均減小,但噴霧尖端貫穿度在一定程度上增加。研究了體積分?jǐn)?shù)95%的含水乙醇在不同工況下的噴霧變化,結(jié)果表明背壓對各噴霧特性的影響最為顯著。
與甲醇和乙醇相比,正丁醇更接近于石油的熱力學(xué)性質(zhì),可以與汽油、柴油等石油燃料以任意比例混合,其體積能量密度還高于甲醇和乙醇,圍繞正丁醇開展噴霧研究分析具有重要意義。通過試驗(yàn)對比分析了汽油和正丁醇的噴霧特性,結(jié)果表明,正丁醇由于密度和黏度較大而具有較大的索特平均直徑(Sauter mean diameter,SMD),在同種工況下汽油比正丁醇呈現(xiàn)出更長的穿透長度。研究了閃沸條件下的正丁醇、異丁醇等燃料,結(jié)果顯示燃油溫度對噴霧形態(tài)有顯著影響,溫度升高使噴霧錐角減小,使噴霧滲透長度增大。
采用高速成像技術(shù)研究了異辛烷、汽油、甲醇、乙醇的噴霧結(jié)構(gòu),并將各燃料噴霧形態(tài)對比分析,結(jié)果表明噴霧結(jié)構(gòu)參數(shù)與過熱度有關(guān),該值減小,噴霧寬度和錐角均減小。采用同步激光散射法和激光誘導(dǎo)熒光法研究了汽油、甲醇和乙醇的噴霧結(jié)構(gòu),研究發(fā)現(xiàn):燃料的物理特性可能是造成差異的因素之一;乙醇由于其黏度較大,在室溫條件下貫穿距最小,在高溫時(shí)能避免噴霧塌陷。文獻(xiàn)中對正己烷、甲醇和乙醇的閃急沸騰噴霧形態(tài)進(jìn)行了對比研究,結(jié)果表明閃沸時(shí)的噴霧坍塌與蒸氣濃度有關(guān)。研究了丁醇、乙醇和異辛烷的噴霧結(jié)構(gòu)發(fā)展和霧化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較高的噴射壓力下,丁醇和乙醇噴霧錐角較穩(wěn)定,異辛烷的下降幅度最大。
本文中通過定容彈系統(tǒng)模擬GDI發(fā)動機(jī)噴油時(shí)的氣缸環(huán)境,采用高速攝像機(jī)設(shè)備和陰影法研究多孔噴油器使用甲醇、乙醇和正丁醇時(shí)的噴霧特性。通過改變環(huán)境條件和噴射條件對比分析了3種常見醇類燃料的噴霧發(fā)展規(guī)律,并分析了外界條件和燃料本身對噴霧特性的影響。





