柴油掺混二甲醚喷雾粒子尺寸分布特性试验研究.doc

————————————————————————————————————————————————————— 柴油掺混二甲醚喷雾粒子尺寸分布特性试验研究 第4期（总第225期) 2016年8月 车用发动机 VEHICLE ENGINE No. 4(Serial No. 225) Aug. 2016 李跟宝，李洪波，高博 (长安大学汽车学院，陕西西安 710064) 摘要：为确定二甲醚掺入柴油后对燃料雾化性能的改善效果，利用阴影成像与数字图像处理技术，对不同掺混 比、喷射压力以及喷孔直径等条件下的二甲醚-柴油混合燃料喷雾粒子尺寸分布特性进行了对比试验研究。结果发 现：由于柴油中二甲醚的闪急沸腾作用，随着二甲醚掺混比的增加，混合燃料粒子尺寸分布曲线整体向小颗粒方向偏 移，较大粒子数目较柴油明显减少，有助于降低发动机炭烟排放；喷孔直径、喷射压力等喷射参数对混合燃料雾化粒 子分布有较大影响，减小喷孔直径使燃油粒子更加细化，降低喷射压力则使混合燃料雾化效果有变差的趋势。 关键词：柴油机；二甲醚；混合燃料；燃油喷雾；尺寸分布 DOI： 10. 3969/j. issn. 1001-2222. 2016. 04. 012 中图分类号：TK421.43 文献标志码：B 文章编号：1001-2222(2016)04-0066-04 二甲醚（DME)被认为是近年来最具吸引力的 柴油机清洁代用燃料之一。众多研究表明：柴油机 燃用二甲醚能够实现高效、超低排放和柔和压缩燃 烧，因而极具应用潜力M 。二甲醚可由煤中大规 模、低成本制取，发展煤基二甲醚作为车用替代能 源，对于改善我国原油对外依存度过高的现状、促进 国内煤化工行业的发展、降低交通行业的能耗与排 放水平，具有重要的现实意义。 二甲醚常温常压下呈气态，需加压液化后供给 发动机燃用。其对常规橡胶密封件也有腐蚀性，实 际应用中需换用耐二甲醚腐蚀的密封材料。二甲醚 液态黏度约为柴油的1/20,发动机供油系统中存在 润滑及泄漏等问题。美国宾州州立大学Bhide等 人[4]将二甲醚与柴油混合后在发动机上应用，证实 在二甲醚掺混比例不超过25% (质量比）时，发动机 可以稳定、低排放工作。同时，二甲醚低热值仅为柴 油的67%，将其按较低比例与柴油掺混应用可尽可 能减少对发动机燃油供应系统的改动。作者[5_6]试 验发现，发动机燃用D20混合燃料（20%二甲醚+ 80%柴油）时，发动机动力性超过原机水平，最低当 量燃油消耗率耗下降4. 5%，烟度下降70%以上， NC\降低30%?50%，表明二甲醚-柴油混合燃料 是一种能实现高比功率、低排放的石油替代燃料。 二甲醚的沸点低，饱和蒸气压高，有利于改善燃 收稿日期：2015-09-06;修回日期：2016-02-25 料雾化效果。二甲醚燃料的喷雾过程一直都是相关 研究的热点问题，但前期研究较多地侧重于油束贯 穿距、雾化锥角等宏观参数的分析评价，对液滴尺寸 分布等喷雾微观特性则涉及较少[7_8]。为此，本研究 采用阴影成像试验技术，分析二甲醚掺混比、喷射压 力以及喷孔直径等参数对混合燃料喷雾粒子分布特 性的影响规律，探索优化燃料喷雾过程的有效途径。 1试验方法及设备 为避免柴油中掺入过多二甲醚而导致燃料黏度 过低，本研究分别选取mo(io%二甲醚+ 90%柴 油）和D20(20%二甲醚+ 80%柴油）为研究对象，并 结合纯柴油进行喷雾对比分析。 试验在单次喷射雾化粒子特性试验台上进行， 试验装置见图1。作者前期研究证实二甲醚与柴油 互溶性好，长久静置不会出现分层现象[9]。本研究 中混合燃料按质量比在耐压容器中配制并储存，经 氮气加压至〇. 7 MPa(高于常温下燃料饱和蒸气压) 后输送至高压单次喷射装置入口，采用触发器控制 燃油喷射进入大气环境，并同步控制800万像素高 清晰CCD数码相机对喷雾场进行拍摄。试验过程 中采用外部频闪光源辅助成像，试验微距镜头的景 深控制在0. 1 mm之内。 试验获取的喷雾图像采用本研究组开发的喷雾 基金项目：陕西省自然科学基金项目（2013B0220174);中央高校基本科研项目（0009-2014G1221021) 作者简介：李跟宝（1974—），男，副教授，博士，主要从事液体喷射雾化研究；ligb@chd.edu.cn。 图像处理软件进行数据读取，主要处理过程包括图 像切割、图像处理、粒子特征提取与分析。图像切割 使雾场局部得到放大，更加清晰地显现出细节。图 像处理是对喷雾图像依次