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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系(二)
來源:《內燃機工程》 瀏覽 1456 次 發布時間:2025-05-23
1試驗裝置
圖1為試驗裝置示意圖,主要由計算機控制系統、噴油系統控制器、高壓燃料供給系統、定容彈系統、高速攝像裝置等組成。
圖1試驗裝置示意圖
燃油噴射壓力會直接對燃油的射流初次和二次破碎產生影響,在該試驗中,噴射壓力的控制主要依靠高壓燃料供給系統,其中包括氣驅泵、高低壓氣泵、穩壓罐、油箱、油濾、低壓油泵、控制電路等部件。環境壓力簡稱背壓,代表了高壓定容彈內的空氣密度,對醇束的發展有著直接影響。通過氣體調壓閥控制供入定容彈的空氣流量,利用定容彈控制系統的進排氣開關遠程調節環境壓力的大小,同時觀測壓力表,誤差控制在要求值±0.01 MPa之內。環境溫度影響著燃料的密度、黏度和表面張力,對噴霧特性有顯著影響。環境溫度的調節通過容彈控制系統中的加熱模塊,遠程操控布置在容彈內的8條加熱棒實現,容彈內頂部、四周、底部設有溫度傳感器,對腔內溫度進行實時監測,并將誤差控制在要求值±1℃之內。
2燃料性質和試驗方案
試驗燃料選取甲醇、乙醇和正丁醇,3種醇類燃料及汽油的基本燃料特性如表1所示。試驗工況設計方案如表2所示。為了保證數據準確性和可靠性,避免試驗中的隨機誤差,每種工況重復測試10次。
表1燃料特性
表2試驗工況設計
3試驗結果與分析
3.1噴射壓力對醇類燃料的噴霧特性的影響
分析時采用控制變量法,在環境溫度20℃、環境壓力0.1 MPa條件下,以噴射壓力為變量,分別選取10、20、30 MPa作為參考,研究了不同噴射壓力下3種醇類燃料的噴霧發展。
圖2為3種醇類燃料在背壓0.1 MPa、環境溫度20℃時,不同噴射壓力下噴霧開始后時刻0.2至1.4 ms內的噴霧軸向貫穿距和噴霧面積的變化,其中pinj定義為噴射壓力。
圖2不同噴射壓力下的貫穿距離和噴霧面積
由圖2可知,所有軸向貫穿距數值曲線都隨著噴霧開始后時刻的增加而升高,然后到達一定值后趨于平穩,所對應的數值為該試驗設備的拍攝極限,現實中的噴霧仍會繼續發展。相較于甲醇和乙醇,正丁醇的密度、黏度和表面張力都較大,在圖像中可以明顯看出正丁醇的噴霧發展較慢,在相同噴射壓力條件、噴油后同一時刻,正丁醇的軸向貫穿距較小。
由圖2還可發現,隨著噴射壓力的增加,3種醇類燃料的噴霧面積都明顯增大,曲線的攀升速度也增大。這是因為當噴射壓力升高時,噴嘴內部的湍流現象會加劇,同時燃油噴射的初速度也會提升,使醇束與容彈內氣體間的相互作用更為強烈,進而使液滴的尺寸減小,由于燃油小液滴動量減小,更易受到空氣介質的干擾,使噴霧面積得以擴大。在醇類燃料霧化的過程中,噴射壓力是重要的影響因素,提高噴射壓力可以改善醇類燃料的霧化質量。
在常溫條件下,噴霧軸向貫穿距和噴霧面積曲線的變化規律,除了受背壓變化的影響,還與燃料本身的特性有關。3種醇類燃料中,甲醇和乙醇的密度和表面張力較為相似,但試驗發現甲醇與乙醇的噴霧軸向貫穿距的發展仍存在些許差異。各燃料的動力黏度由小到大依次為:甲醇(0.55 mPa·s)、乙醇(1.19 mPa·s)、正丁醇(2.81 mPa·s)。相同噴射壓力和環境壓力條件下,軸向貫穿距與動力黏度大小呈現出反向增長的趨勢。總體而言,不同燃料間的差異往往與燃料特性密切相關,在相同噴油條件和環境條件下,噴霧軸向貫穿距和噴霧面積受動力黏度的影響,正丁醇具有較高的動力黏度,在噴油時產生了較大的黏性損失,從而抑制液滴的發展。
3.2 環境壓力對醇類燃料的噴霧特性的影響
圖3為不同環境壓力對噴霧錐角的影響,各醇類燃料的噴霧錐角都隨著背壓的增大而增大。背壓增大使各燃料在噴孔內的流動速度減小,流動阻力增大,噴出后受高壓的環境空氣影響,噴霧發生“卷吸”,醇束末端向外向上發生卷曲,使各燃料的噴霧錐角受到一定影響。當環境壓力升高至0.5 MPa、0.7 MPa時,正丁醇燃料的噴霧錐角相較于甲醇、乙醇較小,這是由于正丁醇具有較大的動力黏度和密度,噴射時液滴不易破碎,使正丁醇噴霧沿徑向發展的速度較慢。在文獻的研究中,將0.08~0.10 MPa區域定義為低背壓區,0.30~0.90 MPa區域定義為高背壓區。低背壓區中,噴霧發生坍塌,液滴顆粒失去動能,噴霧收縮,錐角減小;高背壓區(0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa)噴霧坍塌減弱,液滴顆粒不斷向外擴散,使錐角增大,這再次解釋了圖3中錐角隨環境壓力的升高而增大的現象。
圖3環境壓力對醇類燃料噴霧錐角的影響





