1試驗(yàn)裝置

圖1為試驗(yàn)裝置示意圖，主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、噴油系統(tǒng)控制器、高壓燃料供給系統(tǒng)、定容彈系統(tǒng)、高速攝像裝置等組成。

圖1試驗(yàn)裝置示意圖

燃油噴射壓力會(huì)直接對(duì)燃油的射流初次和二次破碎產(chǎn)生影響，在該試驗(yàn)中，噴射壓力的控制主要依靠高壓燃料供給系統(tǒng)，其中包括氣驅(qū)泵、高低壓氣泵、穩(wěn)壓罐、油箱、油濾、低壓油泵、控制電路等部件。環(huán)境壓力簡(jiǎn)稱背壓，代表了高壓定容彈內(nèi)的空氣密度，對(duì)醇束的發(fā)展有著直接影響。通過氣體調(diào)壓閥控制供入定容彈的空氣流量，利用定容彈控制系統(tǒng)的進(jìn)排氣開關(guān)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)環(huán)境壓力的大小，同時(shí)觀測(cè)壓力表，誤差控制在要求值±0.01 MPa之內(nèi)。環(huán)境溫度影響著燃料的密度、黏度和表面張力，對(duì)噴霧特性有顯著影響。環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)通過容彈控制系統(tǒng)中的加熱模塊，遠(yuǎn)程操控布置在容彈內(nèi)的8條加熱棒實(shí)現(xiàn)，容彈內(nèi)頂部、四周、底部設(shè)有溫度傳感器，對(duì)腔內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將誤差控制在要求值±1℃之內(nèi)。

2燃料性質(zhì)和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)燃料選取甲醇、乙醇和正丁醇，3種醇類燃料及汽油的基本燃料特性如表1所示。試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)方案如表2所示。為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性，避免試驗(yàn)中的隨機(jī)誤差，每種工況重復(fù)測(cè)試10次。

表1燃料特性

表2試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1噴射壓力對(duì)醇類燃料的噴霧特性的影響

分析時(shí)采用控制變量法，在環(huán)境溫度20℃、環(huán)境壓力0.1 MPa條件下，以噴射壓力為變量，分別選取10、20、30 MPa作為參考，研究了不同噴射壓力下3種醇類燃料的噴霧發(fā)展。

圖2為3種醇類燃料在背壓0.1 MPa、環(huán)境溫度20℃時(shí)，不同噴射壓力下噴霧開始后時(shí)刻0.2至1.4 ms內(nèi)的噴霧軸向貫穿距和噴霧面積的變化，其中pinj定義為噴射壓力。

圖2不同噴射壓力下的貫穿距離和噴霧面積

由圖2可知，所有軸向貫穿距數(shù)值曲線都隨著噴霧開始后時(shí)刻的增加而升高，然后到達(dá)一定值后趨于平穩(wěn)，所對(duì)應(yīng)的數(shù)值為該試驗(yàn)設(shè)備的拍攝極限，現(xiàn)實(shí)中的噴霧仍會(huì)繼續(xù)發(fā)展。相較于甲醇和乙醇，正丁醇的密度、黏度和表面張力都較大，在圖像中可以明顯看出正丁醇的噴霧發(fā)展較慢，在相同噴射壓力條件、噴油后同一時(shí)刻，正丁醇的軸向貫穿距較小。

由圖2還可發(fā)現(xiàn)，隨著噴射壓力的增加，3種醇類燃料的噴霧面積都明顯增大，曲線的攀升速度也增大。這是因?yàn)楫?dāng)噴射壓力升高時(shí)，噴嘴內(nèi)部的湍流現(xiàn)象會(huì)加劇，同時(shí)燃油噴射的初速度也會(huì)提升，使醇束與容彈內(nèi)氣體間的相互作用更為強(qiáng)烈，進(jìn)而使液滴的尺寸減小，由于燃油小液滴動(dòng)量減小，更易受到空氣介質(zhì)的干擾，使噴霧面積得以擴(kuò)大。在醇類燃料霧化的過程中，噴射壓力是重要的影響因素，提高噴射壓力可以改善醇類燃料的霧化質(zhì)量。

在常溫條件下，噴霧軸向貫穿距和噴霧面積曲線的變化規(guī)律，除了受背壓變化的影響，還與燃料本身的特性有關(guān)。3種醇類燃料中，甲醇和乙醇的密度和表面張力較為相似，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)甲醇與乙醇的噴霧軸向貫穿距的發(fā)展仍存在些許差異。各燃料的動(dòng)力黏度由小到大依次為：甲醇（0.55 mPa·s）、乙醇（1.19 mPa·s）、正丁醇（2.81 mPa·s）。相同噴射壓力和環(huán)境壓力條件下，軸向貫穿距與動(dòng)力黏度大小呈現(xiàn)出反向增長(zhǎng)的趨勢(shì)。總體而言，不同燃料間的差異往往與燃料特性密切相關(guān)，在相同噴油條件和環(huán)境條件下，噴霧軸向貫穿距和噴霧面積受動(dòng)力黏度的影響，正丁醇具有較高的動(dòng)力黏度，在噴油時(shí)產(chǎn)生了較大的黏性損失，從而抑制液滴的發(fā)展。

3.2 環(huán)境壓力對(duì)醇類燃料的噴霧特性的影響

圖3為不同環(huán)境壓力對(duì)噴霧錐角的影響，各醇類燃料的噴霧錐角都隨著背壓的增大而增大。背壓增大使各燃料在噴孔內(nèi)的流動(dòng)速度減小，流動(dòng)阻力增大，噴出后受高壓的環(huán)境空氣影響，噴霧發(fā)生“卷吸”，醇束末端向外向上發(fā)生卷曲，使各燃料的噴霧錐角受到一定影響。當(dāng)環(huán)境壓力升高至0.5 MPa、0.7 MPa時(shí)，正丁醇燃料的噴霧錐角相較于甲醇、乙醇較小，這是由于正丁醇具有較大的動(dòng)力黏度和密度，噴射時(shí)液滴不易破碎，使正丁醇噴霧沿徑向發(fā)展的速度較慢。在文獻(xiàn)的研究中，將0.08~0.10 MPa區(qū)域定義為低背壓區(qū)，0.30~0.90 MPa區(qū)域定義為高背壓區(qū)。低背壓區(qū)中，噴霧發(fā)生坍塌，液滴顆粒失去動(dòng)能，噴霧收縮，錐角減小；高背壓區(qū)（0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa）噴霧坍塌減弱，液滴顆粒不斷向外擴(kuò)散，使錐角增大，這再次解釋了圖3中錐角隨環(huán)境壓力的升高而增大的現(xiàn)象。

圖3環(huán)境壓力對(duì)醇類燃料噴霧錐角的影響