透光进气室中乙醇和环境压力对进气道燃油喷射的影响外文翻译资料

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透光进气室中乙醇和环境压力对进气道燃油喷射的影响

Srinivas Padala,Sanghoom Kook,Evatt R.Hawkes

摘要：乙醇汽油混合燃料由于乙醇的可再生性和高辛烷值带来的抗震抗爆性正在占领市场。尽管在汽油机的进气道燃油喷射（PFI）乙醇得到广泛使用，对于重要的喷雾特性，一些基本的信息还是可用的。针对这个问题，在一个进气模拟光学室中对PFI喷雾进行了研究。利用高分辨率的CCD相机得到了米氏散射图像并进行了处理以确定喷雾贯穿距，平均液滴直径和液滴数目。改变乙醇和汽油的比例来探究乙醇混合对这些喷雾参数的影响。考虑到涡轮增压和增压条件，我们对不同的进气压力做的米氏散射图像。在试验中，我们观察到了预期的趋势，例如从喷射开始之后，随着时间增加，喷雾贯穿距增加，平均液滴直径减小。通过对平均液滴直径和液滴数量的详细分析也可以确定喷雾穿透期间液滴分解和蒸发的证据。我们也从乙醇喷雾中观察到了意料之外的趋势。尽管乙醇喷雾的蒸汽压力较低，沸点较高，蒸发热量较高，但它相比汽油而言尖端贯穿距更低且液滴尺寸更小。常规汽油的多组分性质被用来解释这一趋势：重分子汽油比乙醇分解和蒸发的速度更慢。我们还发现在较高的环境阻力中，增高的环境压力会减小喷雾贯穿距。相比之下，由于饱和温度升高而蒸发速率降低，在较高的环境压力中平均液滴直径更大。在此次研究中得到的基本信息在不影响大功率性能的情况下有助于开发商用乙醇燃料发动机。

关键词：乙醇，涡轮增压，进气道燃油喷射，喷雾，Mie散射

1 序言

与常规汽油燃料相比，乙醇具有更高的辛烷值，更广泛的可燃性极限，更高的火焰速度和更高的蒸发热（Wyman，1996）。这些性质允许发动机有较高的压缩比设计（Brusstar et al，2002），这导致乙醇相对于汽油的理论热效率更高。 此外，乙醇由非化石原料生产，这有可能实现减少二氧化碳的排放。其结果表现为，乙醇使用在火花点火（汽油）发动机中越来越受欢迎。乙醇与汽油的混合已被广泛接受，其中乙醇源自国内生产的农作物（例如甘蔗和玉米）或纤维素源（例如木本生物质，农业残留物等）。尽管乙醇混合燃料可能会导致市场出现不同校准要求的问题，但一些国内可生产乙醇的国家仍在大力增加乙醇的供应。例如，澳大利亚新南威尔斯州的政府已经在2012年7月1日之前将乙醇汽油的乙醇含量定为10％。这会使以前立法规定的乙醇汽油的使用量增加一倍。同样的，乙醇体积占比为85%（E85）的弹性燃料车辆将越来越受欢迎，而E10已经在许多国家得到广泛应用（Fachetti and Kremer，2000; Nakata et al。2006）。

为了从这些新燃料中得到最大的收益，我们优化了发动机的设计，而了解乙醇在发动机中的运行是很重要的。 在这方面进行了许多相关研究（Gautam et al，2000; Dai et al，2003; Martinez and Ganji，2006）。 目前，大多数弹性燃料发动机配备了端口燃料喷射（PFI）系统，在使用乙醇兼容的PFI注射器运行的发动机中，有关该课题的大部分已发表的工作已经得到应用。 随着直喷（DI）火花点火发动机的普及（Wang et al，2005; Park et al。，2009; Van Romunde and Aleiferis，2009; Tian et al，2010），由于成本效益的优势，PFI喷射器将仍然是未来一段时间的主要参与者。 因此，在发动机进气条件下需要有关PFI喷雾的新数据。

在PFI发动机中，燃料被喷射到进气口中，与吸入的空气形成混合燃料喷雾，然后混合物进入气缸再进行后续的燃烧过程。因此，喷雾结构主导了进气系统中的混合物制备机理，这对其效率和发动机的排放具有一定影响（Heneina and Tagomori，1999; Samenfink et al，2003; Kato et al，2007）。事实上，喷雾能否最佳成形是获得良好发动机性能的关键。此外，喷雾参数如喷雾贯穿距，平均液滴直径，定位能力和喷雾锥角在后续的燃烧过程中起着至关重要的作用（Zhao and Lai，1995）。比如，喷雾贯穿距通常被定义为燃料液滴完全蒸发之前行进的最大距离，是设计发动机进气系统时需要考虑的重要参数。这是因为燃料喷雾的渗透很复杂，它会使一部分燃料喷雾冲击并粘附到缸壁表面，并且在流动的时候蒸发，这对燃料消耗具有很大的影响，并且已知的未燃碳氢化合物是排放的主要来源(Yonezawa and Kawajiri, 2010)。

有许多喷射参数会影响到喷雾特性。 例如，随着喷射压力的增加，由于喷嘴提供的冲击力较高，喷雾贯穿距会增加（Lai et al，1994：Zhao et al，1995：Anand et al，2010a），平均液滴直径随喷射压力的增加而减小，因为增加的燃料喷射速度和湍流动能加强液体雾化效果（Dumouchel et al，2005）。由于较小的液滴有助于减少未燃烧的碳氢化合物排放（Heneina and Tagomori，1999），因此我们更倾向于较高的喷射压力。 这对于高加油速率同样有好处。喷嘴几何参数，如喷嘴尺寸，喷孔数，喷嘴轴孔数，针形等在喷雾的雾化中也起着重要的作用（Tani et al，1999; Ren and Sayar，2001; Aoki et al，2005; Dumouchel et al，2005）。再次强调，高的湍流有助于减小液滴尺寸，因此在现代喷油器中，通常都包括引起二次流动的复杂燃油轨道（Tani et al，1999）。

燃料是另一个影响喷雾的至关重要的参数。 例如，当乙醇与汽油混合时，物理性质（例如，燃料密度，动力学粘度和表面张力）随乙醇比而变化（Park et ak，2009）。这种物理性质的变化会显著影响喷雾参数。 然而，使用PFI注射器的乙醇喷雾的相关数据很少。由于乙醇兼容的PFI注射器是商业上可购买的，因此PFI注射器制造商可能在发布之前进行了内部研究。这些信息在公开的文献中很难找到。 据我们所知，能找到的论文仅与汽油PFI喷雾有关（Lai et al，1994; Zhao and Lai，1995; Zhao et al，1995; Tani et al，1999; Ren and Sayar，2001; Aoki et al。 2005; Dumouchel et al，2005; Yonezawa and Kawajiri，2010; Anand et al。，2010a，2010b）。而且所有前期的实验都是在大气压下进行的，即没有增压。 因此，与常规汽油相比，我们更专注于了解如何通过PFI将乙醇喷雾喷射进入升压进气系统。

在这项研究中，我们使用了一个模拟发动机进气条件的光学喷雾室来形成米氏散射燃料喷雾。 然后对图像进行后期处理以获得平均液滴直径、液滴数量和喷雾贯穿距。在保持环境条件不变的同时，我们对汽油、乙醇、汽油和乙醇体积比各占50%的混合物（E50）之间进行了比较。考虑到涡轮增压发动机越来越受欢迎，我们还研究了进气增压的影响。 这是一个合理的方法，因为在火花点火发动机中使用乙醇的缺点之一是由于低热值导致的低功率（大约是汽油发动机的65％）。进气增压可以通过增加缸内密度来补偿这一点。我们相信从这项研究中获得的知识将有助于设计更好、更有效的以汽油/乙醇混合物为燃料的发动机。

2 实验

2.1 喷雾室和环境条件

在光学室中模拟汽油机进气条件下，研究燃料喷雾。腔室配置的原理图以及光学诊断的设置如图1所示。 在实验室中，通过硼硅酸盐玻璃提供光学通路，其视场为170mmtimes;70mm。 这些大型玻璃窗口能够使喷雾渗透成像的时间足够长，以研究初始瞬态和准静态注射周期。为了模拟高压环境，使用空气压缩机抽取进气，直到压力传感器（Omega PX219）读取返回所需的压力。 在整个实验过程中将环境温度控制在室温（295K）。表1中列出了所有探查到的环境条件。光学室促进了空气的连续流动，它在燃料喷射之后除去了燃料蒸气。这不仅确保了不同燃料的喷射在相同的环境空气条件下进行，而且防止了由液体燃料液滴引起的窗口污染。与恒容室相比，恒流室的另一个优点是拥有更快的成像间隔，因为来自前期喷射的所有燃料液滴都会连续排出。我们把空气流量保持最小，这样可以使得气流的轴向速度不影响喷雾结构。 平均气流速度小于1m / s，这比典型的PFI喷雾渗透速度（例如，18m / s）低一个数量级。这样一来，我们在静态环境条件下可以有效地测试燃油喷雾。

表 1: 环境和注射条件

2.2 燃油喷射系统

喷射条件列在表1中。在燃油喷射器之间用燃油泵和调压器保持250 kPa的恒定压差：将调压器的多余燃料送回燃油箱。对于升压进气条件，压力调节器自动提高燃油喷射压力，使压力差固定。 喷油器是六孔双嘴喷射器（Bosch MPI Model EV-6），常用于客车。喷油器的正时和脉冲宽度由通用喷油驱动器（Driven Standalone系统）控制。对于喷雾成像，使用基于计算机的控制软件（Labview）将闪光灯和照相机定时与燃料喷射信号同步。在喷射的初始瞬态和准静态期间，我们特意选择持续8毫秒的恒定喷射持续时间以获得喷射图像，这个时间对于汽油机标准来说较长。

2.3 燃料

在本研究中探讨了汽油、乙醇以及这两种燃料各占比50％（体积）的混合物。燃料物理性质如表2所示。与汽油相比，乙醇具有较低的蒸汽压力和较高的密度、粘度、表面张力、闪点和蒸发热。另外值得注意的是，汽油所显示出的一系列沸点反映出它是一种多组分燃料。据估计其某些组分（可能是高碳组分）的沸点比乙醇高得多。

表2: 燃油特性

2.4米氏散射成像

进行米氏散射成像来研究燃料喷雾。在米氏散射的原理中，液滴散射的光量与照射光源的液滴大小和强度成正比。这种成像技术的主要优点是比其他基于光学/激光的诊断（Suzuki et al，1994）的体系更简单。尽管它被广泛地接受（Park et al，2002; Kook et al，2009： Zhang et al，2009; Fang and Lee et al，2011），但是，人们可能会认为，米氏散射成像在测量燃料喷雾方面有一定的局限性。举个例子，一组注射器供应商最近进行的一项研究指出，不推荐使用米氏散射用于PFI喷雾测量（Hung et al，2008）。有人建议，在喷嘴一定距离处测量液相燃料足迹图案，这种机械图案是测量全局参数（例如，展开角度）的更好选择。然而，在许多场合，米氏散射诊断技术为机械图案化提供了极大的好处。 例如，喷雾图像可以提供关于喷雾贯穿距，液滴直径和液滴数量的详细信息。平均液滴直径和液滴数量在一定时间的轴向分布也是可以获得的，这将阐明喷雾分解和蒸发过程。这种测量在机械模式中是不可能实现的，因为它会干扰喷雾。例如，如果喷雾贯穿距不受分解和液滴动量的限制，而是通过液滴的蒸发来限制，留在图案化器中的液体足迹可能包括液化燃料，其最初是处于汽相的，并在测量期间冷凝。成像诊断的一个主要关注点以及促进机械图案化的充分理由就是视线整合和液滴重叠。这事因为在液滴重叠变得显著的浓密喷涂区域，视线集成的图像可以给出不准确的结果。然而，对于在本研究中的PFI喷雾，近嘴液滴非常密集，因而在图像处理中被排除，但是液滴分布足够稀薄，可以检测到离喷嘴足够远的单个液滴。为了更全面地了解其优缺点，我们在本研究中进行了米氏散射成像来测量汽油/乙醇喷雾。

使用持续时间为8-13微秒的闪光灯（PerkinElmer

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