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(jìn)行圖像處理，分析了不同工況對醇類(lèi)燃料噴霧特性的影響。結果表明：三種燃料的噴霧貫穿距和噴霧面積受?chē)娚鋲毫捅硥河绊懨黠@，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(huì )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(dòng)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(wèn)題和能源短缺問(wèn)題日益突出，而內燃機在眾多領(lǐng)域仍有著(zhù)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(lái)的重要發(fā)展方向。中國是農業(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。醇類(lèi)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(zhù)火范圍、更高的火焰傳播速度及更高的汽化潛熱值，有助于發(fā)動(dòng)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。缸內汽油直噴（gasoline direct injection，GDl）發(fā)動(dòng)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(dòng)機性能很大程度上取決于缸內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(dòng)力性能且來(lái)源廣泛，在全球范圍內得到了認可和實(shí)際應用。對高壓直噴甲醇的噴霧特性進(jìn)行了研究，結果表明甲醇噴霧沸點(diǎn)較低，更容易蒸發(fā)，導致噴霧貫穿距較短。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?chē)娚鋲毫τ绊?，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(guò)熱噴霧特性進(jìn)行了研究，結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(guān)特性的研究發(fā)現，閃沸狀態(tài)會(huì )使噴霧貫穿距和噴霧錐角顯著(zhù)增大，而環(huán)境溫度是影響閃沸狀態(tài)的重要因素。

乙醇來(lái)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(jìn)行了分析，結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)現當燃料高于沸點(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。研究了體積分數95%的含水乙醇在不同工況下的噴霧變化，結果表明背壓對各噴霧特性的影響最為顯著(zhù)。

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(kāi)展噴霧研究分析具有重要意義。通過(guò)試驗對比分析了汽油和正丁醇的噴霧特性，結果表明，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出更長(cháng)的穿透長(cháng)度。研究了閃沸條件下的正丁醇、異丁醇等燃料，結果顯示燃油溫度對噴霧形態(tài)有顯著(zhù)影響，溫度升高使噴霧錐角減小，使噴霧滲透長(cháng)度增大。

采用高速成像技術(shù)研究了異辛烷、汽油、甲醇、乙醇的噴霧結構，并將各燃料噴霧形態(tài)對比分析，結果表明噴霧結構參數與過(guò)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熒光法研究了汽油、甲醇和乙醇的噴霧結構，研究發(fā)現：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構發(fā)展和霧化，結果發(fā)現在較高的噴射壓力下，丁醇和乙醇噴霧錐角較穩定，異辛烷的下降幅度最大。

本文中通過(guò)定容彈系統模擬GDI發(fā)動(dòng)機噴油時(shí)的氣缸環(huán)境，采用高速攝像機設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(guò)改變環(huán)境條件和噴射條件對比分析了3種常見(jiàn)醇類(lèi)燃料的噴霧發(fā)展規律，并分析了外界條件和燃料本身對噴霧特性的影響。