缸内直喷汽油机多孔喷射乙醇汽油混合燃料的试验和数值研究外文翻译资料

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缸内直喷汽油机多孔喷射乙醇汽油混合燃料的试验和数值研究

Alessandro Montanaro, Stefano Piccinini, and Luigi Allocca Istituto Motori CNR（Simone Malaguti and Giuseppe Bagli Univ. of Modena amp; Reggio Emilia）

摘要

本文陈述了一个纯汽油和两种不同的乙醇汽油（10%和85%的乙醇的）喷雾结构发展的实验和数值模拟。

数值模拟已经发展到了可以改善对于纯燃料和混合燃料喷雾的预测。燃油喷雾通过一个三维CFD软件，采用多组分方法进行燃油模拟。用来测试7烃混合物的真正的燃油汽化行为得到了改进，减少的多组分模型是为减少CFD模拟的计算成本而被定义。特别注意，它也用于发生在汽油喷雾中被用于雾化建模和二次破碎过程。多孔喷射借助一个结合Kelvin-Helmholtz/Rayleigh-Taylor混合模式的新的喷雾方法来建模的。在喷嘴孔首个喷雾液滴的情况凭借同时考虑到气穴现象和湍流影响的这种数值方法已经被预测出。

在环境背压下保持不变的条件下，使用6孔缸内直喷的喷射器分别以5.0，10.0，15.0MPa的喷射压力下喷入定容弹中，来研究喷雾。使用能够追踪液相来预测喷雾过程，喷雾形态和喷雾锥角的高速相机和脉冲波闪光系统呈现Mie散射图像。此外,燃油喷射率采用一米工作Bosch管的入射的质量来表示。汽油液体燃料的渗透注册最高值跟与之混合的乙醇的比例有关。

引言

当今，我国通常面临不同形式的挑战，气候变化，空气污染，能源产量，消费安全和逐步减少的石油供应。为了应对这些挑战，世界各国都已经出台方案支持使用清洁燃料，包括乙醇^[1,2]。

近年来，汽油的性能一直在进行优化。为了减少机动车有关一氧化碳，光化学烟雾和毒性有机空气污染物如苯的排放。在硫、烯烃、芳香族的含量和蒸馏这些方面的汽油性能一直在被更改。

目前，向汽油中加入含氧化合物的兴趣逐渐增加，由于增加了辛烷值，减轻了污染的能力。在这些含氧化合物之间，醚和醇是最重要的。目前，在醚和醇之中，醇得到了更多的关注^[3,4]。许多国家已经授权采用乙醇混合物：例如，所有生产的巴西轻型车使用掺混25%乙醇的汽油（E25）；在美国，所有的轻型车通常被建造成使用掺混10%乙醇的汽油（E10）。截止2010年底，在美国售出的汽油中，超过总量的90%掺混了乙醇。欧洲汽油中乙醇的含量高达5%（E5），在欧洲，瑞士取得了最高含量的E85灵活燃料车车队；在世界范围内，它也取得了最高乙醇含量的公交车队。必须指出得是国家的乙醇净产值，将乙醇作为燃料能够减少对于汽油出口的依赖，同时也促进当地农业部门生物乙醇的生产。

至于污染物的排放是令人担心的，乙醇汽油增加的挥发性有机化合物的蒸发排放（VOC）引起了关注。这样的混合物倾向于比具有甲基叔丁基醚（MTBE）^[5,6]的混合物具有更高的蒸气压。2002年末在加利福尼亚，汽油中的MTBE由于它的毒性，在水中的溶解性比其他的碳氢化合物高，可生化性差已经被淘汰。

乙醇汽油混合物的热力学性质还没有在文献中被广泛报道，但这些性能是必要的，因为对清洁燃料的研究中它们作为基本的热力学数据。

在目前的研究中，计算流体力学（CFD）仿真中采用多组分燃料来代表商业汽油。采用多组分燃料模式将提高预测重要现象的准确性，如燃油喷射，燃烧，整个发动机的性能。直喷式汽油（GDI）发动机中的燃料混合物分布是通过与流场的相互作用引起的（例如，翻滚运动），与燃烧室的相互作用（例如，活塞盖），在改善蒸发预测和在气缸壁上燃料沉积方面是强制性的。直到最近，大部分燃料喷雾的CFD模型已经使用单组分的燃料^[7]。然而，液滴大小、喷嘴渗透和燃料化学性质是燃料组合物和汽化速率的所有功用^[8]。

为了提高在汽油直喷喷雾数值模拟的喷射能力，一种考虑到在喷嘴上的燃油流的影响的方法已经被开发。由于初级破碎过程是采用开尔文 - 亥姆霍兹^[9,10]不稳定性建模的，对从喷嘴孔喷出的初始燃料液滴分布进行了预测。具体的相关定义考虑到气穴现象和喷孔湍流的影响。针对传统Blob^[11]的方法引入非雾化液滴，新的方法旨在介绍了导致灾难性初始雾化的简化方法对喷嘴几何形状的影响。注射后，计算块的二次破碎是由Kelvin-Helmholtz/Rayleigh-Taylor ^[10]混合动力车型（KH-RT计算模型）计算出来的。

数值方法通过在6孔的GDI喷射器上进行的实验性活动的方式被验证。该多孔喷射是通过5.0,10.0,和15.0MPa的喷射压力注入纯汽油燃料而展开的。此外，喷雾结构的实验研究甚至使用两种不同的掺混比例为E10和E85的乙醇汽油。其中，数字代表乙醇的体积百分比。值得注意的是，将乙醇和汽油混合在一起时，形成了一个与原始各组分有显著不同的共沸比。例如，关于乙醇和汽油的混合物相比其任一组分、同等MTBE混合燃料^[6]来说，具有较高的蒸气压力，从而导致较高的蒸发排放的理论已经被广泛地报道。鉴于未来会有大部分的乙醇与汽油进行混合成为燃料，了解混合燃料性能的影响，以便优化发动机设计成为重点，也成为当下的工作目标。

本文的结构如下：破碎过程的模型建立依据多组分燃料的性能来展。接下来，用来进行研究的喷射器和实验装置被阐述。这个结果首先从展示一个就质量流量率而言的实验描述而进行论述。然后，将雾化的方法和多组分汽油燃料的穿透长度和以不同的注射时间的喷雾的数值形状与实验进行比较来展开研究。最后，再将掺混了E10和E85的混合喷雾的CFD模拟结果与实验进行比较。

燃料喷雾模型

破碎过程

由比尔等人基于KH-RT混合模型^[10]提出的雾化方法，包括开尔文 -亥姆霍兹在液滴表面越来越不稳定的空气动力学的复合过程与由注入液滴的减速导致的瑞利-泰勒不稳定性连同计算。由于GDI多孔喷射器的内部喷嘴的欧拉CFD模拟表明一个混乱和高湍流经过喷嘴孔，液体出现部分地破碎以混合着燃料蒸汽小液体结构经由孔中排出。

由于GDI多孔喷射器的内部喷嘴^[12,13]的欧拉CFD模拟表明一个混乱和高湍流流经喷嘴孔，从孔中排出的液体燃料部分地破碎成混合着燃料蒸汽的小的液体结构。超空化现象和非常小的雾化液滴的蒸发速度快可以解释的燃油蒸汽存在。无论方法类似于Blob模式^[11,14]，在此工况中“灾难性雾化”被提出，其目的是在拉格朗日模拟的开始之前，建立一个初始液滴分布。喷嘴的有效面积是通过降低的液体燃料柱被占用的，由计算包裹（名为父包裹）和雾化液滴（名为子包裹）来代表。雾化过程是在促进（或减弱）正常于在帕特森的工作界面的情况下，通过不同密度的两种流体之间的界面的不稳定性的装置被评价的。日益增长的波由于考虑到喷射器倾向空化的孔的几何形状^[15,16]产生的湍流的情况而进行修改。

值得注意的是，从喷嘴排出的燃料蒸气，因为计算网格尺寸而不考虑到在这个工况中，通常情况采用的是在拉格朗日仿真，考虑到喷嘴尺寸方面是一个幅值较大的数量级。

雾化过程是采用线性失稳分析^[17]，同时忽略液体粘度^[18]来计算的。中增长最快的波和的.增长最快的波长Lambda;和相应的平均小直径是，如苏^[19]等人，陈^[20]等人，帕特森和瑞兹^[9]提出。

（1）

和

（2）

其中，是一个调谐常数，燃料的表面张力，和燃料和气体的密度和强大的减速度被计算来评估空气动力而崩解的液体燃料。

（3）

其中是相对有效孔直径和燃料和环境气体之间的相对速度。是阻力系数，并且在这里是由一个刚性球给定^[7]。相应的增长率Omega;是

(4)

破碎的时间是

(5)

参数是通过发生在喷嘴孔的效应而被定义

(6)

是喷嘴流动速度，和L是孔的直径和长度，是流量系数，CN是根据下述喷射压力，背压和饱和压力，和s调节常数所定义的所述空化数^[21]。

(7)

等式(6)可分为两个部件：第一个是考虑湍流现象日益增长作为燃料进入孔中，而在第二部分介绍了气蚀现象。湍流修改成由许^[15,16]提出的简化1D方法被用来估计，在平均湍动能公式中避免了关于喷嘴的几何方面的内容。同时，在(6)的第二部分中，气穴的影响是基于该气穴数全球的和简化的方法来介绍的，比如对于气穴来说。

常数s应该根据喷嘴的几何形状而进行调整，建议采用多孔GDI喷射值0.01。当雾化过程与通过喷嘴的燃料的条件相关的情况下，简化的建模引入常数的调整孔附近的首次破碎，考虑到该空化过程是远比估计的要复杂；喷嘴湍流的准确估计是强制性的。考虑到此工况的操作条件，应在0.002和0.006之间变化。

后来的计算包裹引入计算域，雾化是在Kelvin-Helmholtz不稳定性下完成的。

燃料模型

多组分汽油

作为实际汽油可能具有高达几百种燃料组分^[22]的来建立真实燃料模型，作为多组分混合物，需要一种简化的方法。存在两种不同的创建的多组分燃料的方法。在第一种里，燃料作为离散的燃料被建立，它们的特征是从现有的化学文库来确定的。第二种燃料被视为一个连续物质和燃料组合物，基于分子量的概率分布函数（PDF）来描述。沸点或碳数^[23]和燃料特性就从PDF^[24]进行推断。虽然许多燃料可以由数百烃组成，大部分燃料能准确地用几个组分（le;10）^[25]建模，因此离散多组分模型方法便被开发。

对于商业汽油的成分尚不完全清楚，对此福特的合成燃料的组分被采用。它的特点是由Torres等^[26]人给出的7种成分组成的，它已经被创建去重现一种真实的汽油。该多组分的堆积性能与在实验活动中使用的商业的汽油相接近。燃料组分在表1中给出。

表1. 多组分燃料的成分

多组分燃料模型考虑混合物作为一种理想的解决方案，这是能够混合甚至高达无限种不同的燃料组分。柯蒂斯^[27]等发现，由7种正确选取的不同的烃组成的多组分再现了真实燃料的D86蒸馏曲线，并将引起计算成本的减少。值得注意的是，模拟里理想解决方案近似的使用。格林菲尔德^[28]等人，将理想解决方案的假设与更严格的UNIFAC结论（计算系统的组件的活动系数）相比较，发现在本研究中使用的多组分汽油在计算蒸馏曲线时只是有适度的变化。

汽油多组分模型是采用多项式或能够再现的热物理特性作为温度的函数的其他类型功能。根据^[29]蒸气压，rho;密度和纯物质的表面张力系数可以在不同温度下依据以下的规定计算：

(8)

(9)

(10)

常数到，，，和指数和是依据该混合物的各组分而各不相同。 表示成分的临界温度。

乙醇混合燃料

由于混合乙醇的汽油改变了混合物的蒸发特性，其性能列于表2中，当它们被混合在一起时，烃类形成了一种的共沸物。新的混合物表现出相比于比原始组分显著不同的特性。例如，它已被广泛报道^[30,31,32]，乙醇和汽油共混具有比任一组分更高的蒸汽压，这促使了燃料蒸气的增加。

表2. 纯乙醇的性能