1、喷雾编号：58 翻译者：曹福来 学号：2013222046二甲醚与柴油的喷雾和燃烧实验的研究乔辛琪，肖锦，黄臻，侯宇春，张广德上海交通大学机械工程学院武汉科技大学机械自动化学院E-mail: qiaoxinqi摘要采用多普勒相位技术（PDA）对二甲醚（DME）和柴油燃料的稳定喷雾特性进行了研究，并利用图像比色法对喷火焰温度分布进行了测量。他们的燃烧过程和排放特性用一个自然吸气，高速直喷式柴油发动机燃料系统的泵设备 - 喷嘴进行研究。这项研究表明，二甲醚比柴油产出更小更均匀的液滴尺寸和速度分布。二甲醚的径向速度远远高于柴油燃料的，二甲醚的火焰平均长度和喷雾的火焰温度比柴油喷雾小得多。二甲醚发动机
2、在很宽范围的速度和负载运行平稳，且NOx排放量低，无烟。二甲醚的点火延迟短，这有利于的峰值压力和NOx排放的减少。然而，其扩散燃烧终止比较提前。关键词：二甲醚（DME），喷雾，火焰，燃烧，PDA，比色法，柴油机1、引言传统的柴油发动机通常存在NOx和颗粒物的混合物。令人欣慰的是，二甲醚（DME）作为一种新的替代含氧燃料，可以彻底消除烟尘，大大降低NOx排放和燃烧噪声，同时提高燃料经济性。这是由于其特殊的物理和化学性质1，如无C-C键，高十六烷值，低沸点和高蒸气压。其低热值和低液体密度需要每个周期约1.8倍的燃料输送量的柴油量，以确保相同的发动机功率本研究的目的是通过实验比较稳定的喷雾过程，二甲
3、醚和柴油之间稳定喷射火焰的分布和燃烧特性。对于本研究中，多普勒相位风速仪（PDA）被用来测量液滴尺寸和稳定喷雾的速度，图像比色法用来得到喷雾的火焰温度分布，以及一个2135模型柴油发动机采用改进的燃料系统以配合二甲醚的性质。2、实验仪器用于稳定喷雾特性的测量装置和喷射火焰测量系统的多普勒相位风速仪（PDA），如图1和图2所示。在压力容器内的燃料通过高压氮气加压至4.0兆帕，并在室温23下以恒定的注射压力注射到静态空气中。轴线上单个圆柱形喷孔的空穴型柴油喷嘴被使用。孔的直径为0.19毫米。作为测量点网格由直角坐标ZX系统，原点被设定为喷射孔出口的中心。这里z轴和x轴表示的轴向和喷雾分别沿径向方向
4、。测试发动机为水冷式，2 - 汽缸，四冲程，自然吸气，直接喷射式具备常规泵 - 喷嘴燃料系统的柴油发动机。其额定功率，额定转速和燃料供应的提前角分别为29.4千瓦，1500r/min和汽油机上止点28。燃烧室采取形，孔径深度为7823毫米，压缩比为16.8。在进入燃料喷射泵之前，为防止在燃料喷射系统有气阻，二甲醚通过氮气加压至2.0MPa。为了恢复发动机功率，泵的柱塞直径从原来9.0毫米改10.0毫米，喷嘴口的压力由18.0 MPa变为15.0MPa，并且喷嘴孔从40.35变为40.55且喷嘴孔的锥角不变。由于二甲醚是易于雾化和蒸发，降低喷嘴开口压力是合理的，这会降低注射泵的驱动功率提高发动机
5、有效功率。约2蓖麻油被加入二甲醚燃料作为额外的润滑剂，所有燃烧试验都是在额定转速进行。 图1 用于喷雾的多普勒相位风速仪1、高压氮气瓶 2、高压线路 3、阀 4、压力容器 5、压力表 6、阀 7、柴油喷嘴 8、喷雾装置 9、激光束 10、喷雾收集器 11、呼吸机 图2 喷雾火焰测量系统1、压力容器 2、高压氮气瓶 3、备用瓶 4、喷嘴 5、点火器 6、液化石油气 7、数字相机 8、喷雾火焰 9、阀 10、压力表3、结果与讨论3.1二甲醚和柴油的喷雾行为比较图3比较了由二甲醚喷射和柴油燃料喷射之间距喷射孔出口54mm液滴的径向尺寸分布。它表明，二甲醚比柴油燃料生产更小滴且喷雾液滴尺寸分布更均匀。
6、二甲醚的优良的雾化与其非常低的粘度和表面张力有关，但更重要的是，来自其闪光沸腾注射2。气相的闪存扩展会产生对液体射流显著冲击，从而大大提高其雾化。 图3 两种喷雾之间液滴径向分布尺寸（Z =54毫米）图4比较了沿着两个喷剂之间的喷嘴中心线轴向速度的变化量。在初始部分中，对轴的速度二甲醚是多大于柴油燃料。这是由于这样的事实，二甲醚的密度和粘度分别约为79和仅3.2柴油燃料的。在相同的喷射压力和背压，二甲醚将具有较高的出口速度。除了事后一定的轴向距离，此案是相反。其原因是，二甲醚雾化很好小液滴的迅速衰减。如图5所示，和图6，二甲醚的轴向速度在整个喷雾缓慢地随着径向距离增加减少。这是据信归因于大大提
7、高雾化和液 - 气混合从闪存沸腾现象产生的。与此相反，柴油燃料的轴向速度随着径向距离增加而迅速下降，它表示在喷雾芯和外雾化液滴之间的轴向速度之间存在大的差异。值得注意的是二甲醚的径向速度远远高于柴油燃料的大。据推测，气相增加了额外的径向动力的闪存扩展下降。在液滴尺寸和速度分布以及喷雾模式上大的差异是由于从不同的雾化机制。在本文中，柴油喷雾对应的空气动力学不稳定，二甲醚喷雾闪烁沸腾被气泡成核率和气泡生长速率控制。 图4 沿喷嘴中心线两种喷雾平均流速变化的比较图5 两种喷雾轴向速度的径向分布比较(z=54mm) 图6 两种喷雾之间径向速度的径向分布比较(z=54mm)3.2比较稳态二甲醚和柴油喷雾
8、之间火焰温度分布比较二甲醚和柴油燃料的喷射火焰结构，二甲醚的焰长为47厘米，比柴油的147厘米要少得多。由于前者含34.8的氧气（重量）容易被雾化，因此，二甲醚燃烧比柴油快得多。 图7 两种喷雾之间火焰图像的比较图8比较了这两种燃料之间的喷射火焰的温度分布。显然，二甲醚火焰的平均温度比柴油燃料火焰小得多。图9给出了火焰温度分布的数字统计。二甲醚，温度主要分布在300600， 对应于所述统计值的56.7。对柴油燃料，其主要的温度范围是从900到1200和1200至1500，其分别占26.4和21.1。二甲醚和柴油燃料的火焰平均气温分别有630和1280。这种现象与二甲醚和柴油燃料分别具有28.8
9、和42.5兆焦耳/千克的低的热值相关联。 图8 二甲醚和柴油燃料之间火焰温度分布的比较 图9 二甲醚和柴油燃料的火焰温度的统计分布3.3二甲醚和柴油之间燃烧过程与发动机性能的比较如图10所示是二甲醚和柴油燃料NOx排放的负载特性。在上止点提前角31供应燃料，二甲醚的氮氧化物排放与原柴油相比减少了大约一半。在燃料供应的这种提前角，按照上述两种燃料注射过程中调查结果二甲醚喷射时间几乎是与原先的柴油燃料运行一样。二甲醚的低NOx排放是由于：（1）其短点火延迟;（2）由优良的挥发特性和低的燃烧温度由此产生的在喷射中高的空气 - 燃料比。当供油提前角增大到汽油机上止点前34，二甲醚的NOx排放已经接近原
10、来柴油的排放。此外，所有的实验条件下，二甲醚产生接近零的且具有非常低的燃烧噪声，这样的好处是大大有利于采用废弃再循环进一步降低NOx排放。如图11所示，在汽油机上止点28提前供油角时，二甲醚发动机可以产生比原来版本的柴油发动机更高的排气温度。例如，在满载情况下，二甲醚和柴油的排气温度分别是565和490。这表明，在燃料供应此提前角时，后燃二甲醚发动机比基本的发动机重由于用二甲醚比用柴油有更长的延迟注射。在汽油机上止点31，34提前供油角度时，二甲醚发动机拥有与基本的发动机几乎相同的排气温度。 图10 两种燃料NOx排放的负载特性 图11 两种燃料排气温度的负载特性 根据图12和13所示，在燃料
11、供给的同一提前角时， 与柴油相比，二甲醚会产生显著低缸内最高压力和压力上升速率，这会导致低燃烧噪音。 图12不同负荷下二甲醚发动机的示功图（供油提前角=上止点31） 图13 不同负荷下柴油发动机的示功图（供油提前角=上止点31）图14在燃料供应提前角上止点31时比较二甲醚和柴油燃料的燃烧率。在100，75和50负载率，二甲醚相应地在上止点提前角6，4，1C点燃，而柴油发动机在上止点提前角7，6和4.5。显然，这两种燃料在负荷减少时着火延迟。二甲醚迟于柴油点燃，二甲醚着火点的影响更明显高于柴油。其原因是，这两种燃料具有不同喷射过程。点火延迟是指从喷油开始和点火点确定的。根据上述负荷率，二甲醚的点
12、火延迟角是上止点10，10，11，而与柴油为上止点13，13.5，13.5。这证明，二甲醚比柴油燃料具有更短的点火延迟，因为二甲醚具有较高的十六烷值，降低自燃温度和更好的雾化能力。二甲醚能有更短的点火延迟是因为气缸中更高的压力和温度使得燃料喷射开始时较小的燃料喷射提前。在相同的负荷，二甲醚的燃烧速率曲线的第一个峰值比柴油燃料的宽但短。在满载情况下，二甲醚和柴油的累积预混燃烧率分别为46和48;当累积燃烧率达到95，二甲醚和柴油发动机分别工作在下止点30和37。所以二甲醚的扩散燃烧的持续时间比柴油燃料短得多，这有助于提高燃油经济性。 a 二甲醚的着火速率 b 柴油的着火速率 c二甲醚和柴油燃料的
13、累计燃烧率 图14 二甲醚和柴油燃烧率的比较4 结论 （1）二甲醚和比柴油燃料产生更小的液滴，更均匀的液滴尺寸和喷雾滴的速度分布。二甲醚的径向速度远远高于柴油燃料的。（2）二甲醚喷雾的火焰长度和火焰温度平均稳态比柴油燃料喷焰要小得多。（3）二甲醚相比柴油在缸内的最高压力和压力上升速率是显著降低的。（4）二甲醚燃烧比柴油燃料更快，以及二甲醚发动机可实现低NOx，接近于零的烟雾和低噪声燃烧。（5）二甲醚是一种有前景和理想的替代燃料，能应用于压燃式发动机。致谢该项目由中国的上海金融援助计划，博士后研究（基金No.H9923008）国家自然科学基金（基金No.50136040和50276035）支持。对黄包盂先生和金浩给予的贡献极大的赞赏。参考文献1西奥H.弗莱施，王泽长MEURER。二甲醚 - 柴油21世纪。发表于AVL会议“发动机和1995年环境”，奥地利格拉茨2乔信起，刘鉴江，黄真。滴落速度的闪急沸腾的LDV测量喷雾。第八届国际会议液体雾化和喷雾系统，帕萨迪纳，CA，USA，2000年7月
