摘要

利用定容噴霧試驗裝置，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?，有助于發(fā)動機在較高壓縮比下工作從而獲得較高的效率和燃油經(jīng)濟性。缸內(nèi)汽油直噴（gasoline direct injection，GDl）發(fā)動機具有較高的壓縮比、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)得到了認可和實際應(yīng)用。對高壓直噴甲醇的噴霧特性進行了研究，結(jié)果表明甲醇噴霧沸點較低，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。運用紋影法對不同噴射壓力下的乙醇噴霧進行了分析，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)當燃料高于沸點溫度發(fā)生“閃沸”時，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。研究了體積分數(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，在高溫時能避免噴霧塌陷。文獻中對正己烷、甲醇和乙醇的閃急沸騰噴霧形態(tài)進行了對比研究，結(jié)果表明閃沸時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)動機噴油時的氣缸環(huán)境，采用高速攝像機設(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。