燃料在亞/超臨界環境下的噴射現象學研究

馬志豪,賈義,陳占耀,李亞楠,胡二江

(1.河南科技大學車輛與交通工程學院, 471003, 河南洛陽; 2.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

增壓是提高內燃機動力性、經濟性和降低有害物排放的重要措施,已經成為內燃機發展的趨勢。隨著增壓技術的普及,缸內壓力不斷提高,當燃料噴入缸內、尤其在噴射后期時,環境壓力和溫度已經達到或者超過燃料的臨界點。伴隨著燃料的噴射、霧化、蒸發、氣化以及燃燒過程的進行,部分燃料將進入超臨界環境噴射(環境溫度和壓力均超過燃料臨界值的噴射)[1-2]。液體燃料由亞臨界向超臨界流體轉變的過程中,表面張力和汽化潛熱逐漸趨近于零,比定壓熱容和密度等熱力學特性參數隨著溫度和壓力的變化產生劇烈變化。液體燃料噴射入超臨界環境后,由于燃料熱力學特性參數的變化,噴射及混合過程將不同于傳統的方式。

國內外學者關于碳氫燃料在超臨界條件下的噴射特性做了一些試驗研究。Wensing等通過觀察定容燃燒彈內液體由亞臨界狀態進入超臨界狀態時氣液界面的變化,發現當液體進入超臨界環境后氣液界面變得模糊,通過陰影法、米勒散射和激光誘導熒光法觀察超臨界條件下噴射的形貌特征,得出傳統的噴射模型不適用于超臨界環境下噴射的結論[3]。Chehroudi等利用陰影法細致地觀察了超臨界環境下的射流,發現在超臨界溫度、環境壓力略低于臨界值的條件下,射流過程中已觀測不到液滴的存在,并認為是表面張力和汽化潛熱的降低所致[4]。對比可壓縮和不可壓縮流體的初始噴射錐角,發現在超臨界環境下的流體噴射類似于氣體噴射。Anitescu等利用陰影法拍攝超臨界燃油噴射到亞臨界環境的圖像,發現射流陰影變淺的現象[5]。Dahms等研究了正十二烷噴射到直噴柴油機缸內環境的噴射現象,并建立模型進行仿真研究,發現在超臨界環境下的氣液界面比亞臨界條件下更加平順與光滑[6]。Falgout等利用彈道成像技術證實了超臨界流體混合邊界層的存在,并發現在超臨界環境下觀測不到氣液界面、液帶、液絲以及液滴,并且超臨界環境下的噴射呈現出一種類似網狀結構的紊流混合層的狀態,接近于氣體噴射[7]。Wu等利用陰影法拍攝超臨界燃油噴射到亞臨界環境的圖像,觀察到了馬赫盤的存在,并得出超臨界射流非常接近可壓縮氣體射流的結論[8-9]。Falgout等利用彈道成像法和陰影法詳細地觀測了柴油、正丁醇、十二烷以及十六烷在亞/超臨界條件下噴射油束的形態學變化,在彈道成像的圖像中觀測到超臨界環境下噴射油束的邊緣出現了網狀結構,而在陰影法的圖像中觀測到超臨界條件下噴射邊界出現了類似紋影圖像的結構,并把這種現象歸因于表面張力和汽化潛熱的降低[10]。Roy等利用激光誘導熒光成像技術,系統地觀測了超臨界射流內部濃度分布、濃度梯度分布和射流邊界上的凝結現象,并得出射流凝結與否與射流溫度和環境溫度的乘積相關的結論[11]。Banuti等針對超臨界環境下噴射潛在核心的密度變化,提出了超臨界環境條件下噴射的熱力學破碎理論[12-13]。

本課題組一直致力于研究亞/超臨界條件下碳氫燃料液滴的蒸發與燃燒以及燃料噴射的霧化、蒸發和燃燒特性,已經研究了單滴碳氫燃料在亞/超臨界環境下蒸發和燃燒的特性,研究結果表明單滴碳氫燃料在超臨界條件下能相對更早地完成燃料和環境氣體的混合,并且液滴燃燒的時間在超臨界條件下隨壓力的增加不再繼續減小,而是趨于穩定值[14-15]。為探究超臨界環境條件下的噴射過程,本文在高壓定容燃燒彈內利用高壓共軌燃料噴射系統開展燃料在亞/超臨界條件下噴射過程的研究。

1 試驗系統

1.1 試驗設備

亞/超臨界環境下噴射過程的研究是在高壓定容燃燒彈系統上進行的。高壓定容燃燒系統的結構簡圖如圖1所示,主要包括定容燃燒彈、高速攝像機、高壓共軌燃料噴射系統和單次噴射儀等。定容燃燒彈內部裝有電加熱絲和熱電偶,用于加熱和測量定容燃燒彈內部的環境溫度,電加熱絲位于定容燃燒彈底部,熱電偶位于定容燃燒彈側壁中部,并且與壁面隔熱以保證所測溫度為定容燃燒彈內部環境溫度;定容燃燒彈的兩側布置有直徑為100 mm、厚度為75 mm的JGS2光學石英玻璃窗口,便于采集定容燃燒彈內部的噴射過程,光學石英玻璃能承受7 MPa的壓力和1 375 K的溫度,滿足超臨界環境條件下試驗的需要;定容燃燒彈的側面安裝有進、排氣孔,高壓氣瓶與定容燃燒彈的進氣口相連以提供所需環境壓力,排氣孔用于排出廢氣;定容燃燒彈端蓋上布置有噴油器安裝孔;定容燃燒彈內部布置有陶瓷纖維隔熱層,能有效減少熱量傳遞,保證內部環境溫度的實現。采用NAC Memrecam GX-8高速攝像機和MICRO NIKOR 60 mm鏡頭記錄燃油的噴射過程,相機拍攝頻率設置為10 000幀/s,曝光時間為100 μm。燃油供給系統采用Bosch高壓共軌試驗臺,配備有恒溫裝置,保證燃油溫度一致;高壓共軌的壓力最高可達到160 MPa;噴油器采用Bosch電控噴油器,噴孔是直徑為0.12 mm、壁厚為1 mm的倒錐形結構,經過擠壓研磨,研磨后K系數為0.7,研磨后流量系數為0.51。單次噴射儀為法國EFS公司的8426和8427模塊,能調節燃油噴射脈寬和噴油規律,實現噴油器噴油的準確控制。

圖像的采集使用背光法:依靠光的散射原理,類似眼睛看物體,記錄燃油噴射的液相部分或者密度較大的超臨界流體部分[16]。背光法通過光源和兩塊平面鏡來實現,試驗時通過調節平面鏡和光源的角度與位置使反射光照亮定容燃燒彈內部的流場,然后通過高速攝像機記錄噴射過程。試驗時還要避免光源成像在鏡頭中。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗過程中使用真空泵將定容燃燒彈內部環境抽成真空,然后通過高壓氮氣實現對定容燃燒彈內部環境的加壓;利用變壓器調節電加熱絲的輸出功率來控制定容燃燒彈的內部溫度。加熱過程中噴油器也會被加熱,導致油嘴內部燃油溫度提高,經過多次測定,噴油嘴內部燃油溫度可達365 K左右;試驗中油嘴內部燃油壓力為100 MPa,查詢NIST數據[17],此時燃油為液態,密度為0.687 2 g/cm3。當燃料的溫度提高(或者降低)50 K時,燃油仍為液態,并且相同噴射脈寬下燃油噴射量的變化在4.1%以內,因此燃油溫度的波動對燃油噴射量的影響可以忽略不計。當定容燃燒彈的內部壓力和溫度至設定值時,同時觸發單次噴射儀和高速攝像機,記錄下燃油噴射的過程。

1.2 試驗方案

本試驗采用的燃料為正己烷(C6H14,臨界壓力Pc=3.034 MPa,臨界溫度Tc=507.82 K)。燃料的噴射壓力為100 MPa,噴射脈寬為5 ms,噴射時燃料溫度約為365 K。噴射環境的壓力和溫度分別從亞臨界變化到超臨界,噴射環境的具體參數如表1所示。

表1 噴射的環境參數

注:對比壓力為環境壓力與臨界壓力的比值;對比溫度為環境溫度與臨界溫度的比值。

從表1可知:試驗環境的對比溫度從0.93變化到1.13,對比壓力從0.83變化到1.2,試驗范圍處在臨界點附近,這主要是受限于試驗設備所能承受的壓力和溫度;在后期的試驗過程中發現,雖然燃油噴射的環境在臨界點附近,但亞/超臨界環境條件下采用背光法拍攝的噴射圖像依然有較大的差別。

1.3 試驗環境條件下燃料物性的變化

試驗中亞臨界狀態的正己烷被噴射入超臨界環境中,燃油會進行亞臨界狀態向超臨界狀態的轉變。亞臨界流體向超臨界流體轉變的過程會產生熱力學特性參數的變化,試驗條件下正己烷部分熱力學特性參數的變化如圖2所示,圖中數據來源于NIST數據[17]。

由圖2可知:亞臨界壓力(小于3.034 MPa)下燃料的密度在沸點處發生突變,比定壓熱容出現峰值;臨界壓力(3.034 MPa)和超臨界壓力(大于3.034 MPa)下燃料的密度不再出現斷點,比定壓熱容隨著溫度的升高出現最大值,并且遠遠大于亞臨界環境壓力下沸點對應的比定壓熱容峰值。比定壓熱容達到峰值時燃料密度迅速降低,類似亞臨界流體沸騰的特征。Kafengauz等把這種超臨界流體出現的類似亞臨界流體沸騰的現象稱作“偽沸騰”,并把超臨界條件下出現比定壓熱容峰值的點在P-T相圖上連接起來,形成一條“偽沸騰”線,把超臨界流體區分為“類液體”和“類氣體”兩部分[18-19],如圖3所示。綜上,燃料在臨界點和“偽沸騰”線附近密度和比定壓熱容發生劇變,會對燃油噴射的形態產生較大影響。

圖2 亞/超臨界狀態的正己烷部分熱力學特性參數

圖3 處于超臨界環境下的正己烷P-T相圖

2 試驗結果及分析

由于定容燃燒彈內的環境氣體由位于其底部的電加熱絲加熱,因此加熱過程中定容燃燒彈內的溫度場分布不均勻,從而導致熱氣流擾動。背光法使用的是發散光,不受紊亂的溫度場干擾,背景穩定,易于獲得噴射的圖像,但背光法對流場密度變化的敏感度較低,只能記錄燃油密度較大的位置。雖然超臨界狀態的“類液體”擁有和液體相近的密度,但試驗條件下超臨界燃油在由“類液體”向“類氣體”轉變的同時密度迅速降低,因此背光法只能記錄噴射過程中的液相和超臨界狀態的“類液體”部分。對于結果分析中出現的噴射時刻,均是以噴油開始時刻為起點;結果分析中出現的圖像都是背光法減除背景的圖像,即選取噴射開始時刻前的一張圖片作為背景圖片,然后將噴射圖片依次與背景圖片相減,如圖4所示。對于背光法拍攝的圖像,本文用噴射錐角和噴射長度來描述噴射油束的分散角度和貫穿度。

(a)背景圖片 (b)噴霧圖片 (c)處理結果圖4 圖片處理過程

2.1 亞/超臨界條件下的噴射圖像

亞/超臨界條件下流體熱力學特性的差異,必然導致噴射形態的不同。圖5所示為亞/超臨界環境條件下背光法記錄的不同噴射時刻的噴射圖像。由圖5a可知,高溫環境下的亞臨界流體噴射呈現出一條短小的噴射油束,擁有較小的噴射錐角和噴射長度,并且持續到噴射結束;由圖5b可知,超臨界環境條件下的噴射油束呈現出較大的噴射錐角和噴射長度,并且隨著噴射的進行,噴射中后期(不受噴射臨近結束的影響)的噴射長度和噴射錐角大幅減小。

(a)對比壓力為0.83

(b)對比壓力為1.07圖5 對比溫度為1.07時正己烷在亞/超臨界條件 下的噴射圖像

亞臨界壓力、超臨界溫度下的燃油噴射受燃料沸點的影響迅速氣化蒸發形成短小的噴射油束,并且在蒸發擴散和持續噴射的共同作用下,噴射油束變化較小。超臨界環境條件下,燃油溫度不再出現亞臨界條件下的沸點,而是出現“偽沸騰”點。“偽沸騰”點相比于亞臨界壓力下的沸點具有較高的溫度,并且燃料在“偽沸騰”點的比定壓熱容遠大于亞臨界壓力下沸點的比定壓熱容。燃油以相同的狀態噴射入相同溫度、不同壓力下的環境中,由于壓力相差較小,導熱系數相差不大。亞臨界壓力下,燃油在溫度較低的沸點(在對比壓力0.83下為494 K,在對比壓力1.2下“偽沸騰”點溫度為511 K)進行氣化,并且沸點處的比定壓熱容(在對比壓力0.83下為457.5 J/(mol·K))遠小于“偽沸騰”點所對應的值2 487.3 J/(mol·K),燃油在亞臨界環境下迅速氣化蒸發,而超臨界條件下需要吸收更多的熱量才能跨越“偽沸騰”線,實現“類液體”向“類氣體”的轉變,完成氣化過程。由于傳熱速度有限,并且亞臨界條件下吸收更少的熱量就能實現氣化過程,因此亞臨界環境下的噴射錐角和噴射長度相比于超臨界環境下均較小。

2.2 超臨界條件下的噴射圖像

當液體燃料噴入超臨界環境后,噴射的發展過程如圖6所示。從圖中可以看出:相同溫度、相同噴射時刻、不同壓力下的噴射錐角和噴射長度差異較大。對比壓力為1.07和1.13下的噴射油束先表現出較大的噴射錐角和噴射長度,隨著噴射過程的進行大幅減小,而對比壓力為1.2下的噴射油束在噴射初期就表現出穩定的噴射錐角和噴射長度。圖7為圖6所示的3種環境在P-T相圖上的分布情況。由圖可知:3種環境條件都分布在燃油超臨界狀態的“類氣體”區。試驗時燃油噴射入超臨界環境中,燃油吸收環境氣體的熱量,在燃油溫度達到“偽沸騰”線溫度時進行“類液體”向“類氣體”的轉變。在相同的環境溫度下,隨著環境壓力的提高,燃料的“偽沸騰”線溫度提高,燃料越不容易從環境氣體中吸收足夠熱量達到“偽沸騰”線溫度,燃油噴射的噴射錐角和噴射長度也就會越大。參考圖2可知:圖6所示的3種環境壓力下,隨著環境壓力的提高,燃油在“偽沸騰”線處的比定壓熱容迅速降低,也就意味著燃油越容易達到環境溫度,即燃油越容易氣化,噴射錐角和噴射長度就會越小。綜合燃料的“偽沸騰”線溫度和比定壓熱容的變化,以及所處氣體環境可知:圖6a、6b的環境溫度超過“偽沸騰”線的值相比于圖6c較大,但燃料在“偽沸騰”線處的比定壓熱容遠大于圖6c所對應的值,在兩者共同的作用下,圖6a、6b的噴射油束氣化過程相比于圖6c較慢,導致噴射錐角和噴射長度差別較大。

(a)對比壓力為1.07

(b)對比壓力為1.13

(c)對比壓力為1.2圖6 對比溫度為1.03時超臨界條件下的噴射圖像

對比圖5a、圖6c可以發現:亞臨界環境和超臨界環境的噴射在初期就形成了穩定的噴射油束,但超臨界條件下的噴射油束表現出較大噴射錐角和噴射長度。亞臨界條件下的噴射油束受燃料沸點的影響迅速氣化蒸發,形成短小的液態核心;超臨界條件下,圖6c所處環境的對比壓力為1.2,該壓力對應的“偽沸騰”線溫度為520 K,而環境溫度為523 K,溫差較小,并且在“偽沸騰”線溫度處的比定壓熱容遠大于圖5a所對應的值,燃油無法從環境氣體吸收足夠熱量而快速地由超臨界狀態的“類液體”向“類氣體”轉變[20],導致噴射過程中表現出較大的噴射錐角和噴射長度。

圖7 圖6的環境條件在相圖上的分布

2.3 噴射錐角和噴射長度

通過編寫Matlab程序獲取噴射圖像的形態學參數,其中噴射錐角和噴射長度的數據如圖8和圖9所示。圖8中的噴射錐角是在噴射時間為2 ms、距噴嘴50倍噴孔直徑的位置測量的,圖9是噴射開始后2 ms所測噴射長度。在噴射時間為2 ms時,噴油嘴針閥升程已達最大并基本穩定在最大針閥升程,此時已經不受噴射初期燃油噴射波動的干擾;在距噴嘴50倍噴孔直徑的距離處,噴射位于傳統噴射的無損液核區部位,燃油射流沒有發生分裂破碎,便于觀測亞/超臨界環境下燃油噴射的差異。

圖8 亞/超臨界條件下的噴射錐角

由圖8和圖9可知:當環境壓力小于臨界壓力時,隨著環境溫度的增加,相同壓力下的噴射錐角和噴射長度逐漸減小;隨著環境壓力的增大,相同溫度下的噴射錐角逐漸增大,而噴射長度逐漸減小。由于燃料的噴射環境處于亞臨界條件,噴射錐角和噴射長度隨著環境溫度和壓力的變化和傳統的噴射規律趨于一致。當環境溫度小于臨界溫度時,隨著環境壓力的增加,噴射錐角呈現逐漸增大的趨勢,而噴射長度表現為小幅減小。當環境溫度為超臨界溫度、環境壓力由亞臨界壓力變化至超臨界壓力時,相同噴射時刻的噴射錐角和噴射長度都大幅增大,這主要是由亞/超臨界環境條件下噴射的氣化過程差異導致的。進入超臨界環境后,噴射錐角和噴射長度隨著環境條件的變化呈現出非規律性,即出現了較大的波動性。參考圖2和圖7可知:在臨界點及“偽沸騰”線附近,燃料的密度和比定壓熱容均發生劇烈的變化,必然伴隨著燃料相關的熱力學特性參數(如表面張力、汽化潛熱、比熱容、密度、導熱系數等)的變化,進而影響流體噴射結構的變化[21],導致噴射油束的規律性不強。

圖9 亞/超臨界條件下的噴射長度

3 結 論

噴射及燃燒是將化石燃料轉化為機械能的重要途徑,噴射質量的好壞決定著內燃機的動力性、經濟性和有害物的排放。探究超臨界條件下的噴射過程將為亞/超臨界條件下噴射質量的提高提供理論依據。本文通過對超臨界條件下噴射過程的研究,得出以下結論:

(1)在超臨界條件下噴射的背光法圖像中,相同的超臨界溫度下,當噴射環境的壓力由亞臨界壓力過渡到超臨界壓力時,相同噴射時刻的噴射錐角和噴射長度相比于亞臨界環境下大幅增大,這主要是由燃料在“偽沸騰”線和臨界點處的物性參數劇變引起的;

(2)通過對亞/超臨界環境下噴射錐角和噴射長度的分析,發現在亞臨界條件下噴射錐角和噴射長度隨環境條件的變化符合傳統的噴射模型,而超臨界條件下噴射錐角和噴射長度隨環境的變化波動較大,呈現出非規律性,得出燃料的“偽沸騰”線和臨界點對噴射結構的影響較大。