含水量和离散水滴直径对掺水乳化柴油喷雾特性影响研究

发布时间：2020-08-28 06:14

【摘要】：掺水乳化柴油因其具有降低Soot和NOx排放,并同时提高燃烧热效率的潜力,而受到了研究者们的广泛关注,其中掺水乳化柴油中特有的微爆现象,被认为是该燃料节能减排的重要原因之一。深入研究内燃机实际工况下掺水乳化柴油的节能减排机理及其蒸发喷雾过程中的微爆现象,具有较大的实际意义。本文利用电加热式定容燃烧弹台架,结合背光法学诊断技术和高功率频闪LED光源,以纯柴油W0和含水质量分别为10%,20%和30%的掺水乳化柴油W10,W20和W30为研究对象,重点研究了含水量对试验燃料蒸发喷雾特性的影响规律。研究结果表明,柴油中水的加入可有效促进燃料的雾化和蒸发过程,随着含水量的增大,试验燃料的蒸发喷雾锥角和体积均增大,水的蒸发和微爆对喷雾整体扩展能力的促进作用增强。随着喷射压力升高,掺水乳化柴油的喷雾贯穿距增大,稳态喷雾锥角几乎不随喷射压力的改变而发生变化,随着含水量的增大,燃料喷雾的径向扩展能力受喷射压力的影响更为明显。随着环境密度的增大,掺水乳化柴油的轴向贯穿距减小,燃料中水对喷雾横向扩展的促进作用增强,使得燃料喷雾在发展后期的整体扩展能力更强,燃油与空气的混合更为均匀,且随着燃料含水量的增大,环境密度对其蒸发喷雾过程的影响越明显。随后本文以纯柴油W0和含水质量分数为20%,离散水滴直径大小分别为5.08μm和6.91μm的掺水乳化柴油W20和W20-2为研究对象,重点研究了掺水乳化柴油中离散水滴直径大小对燃料蒸发喷雾过程的影响规律。结果表明,增大离散水滴直径有利于促进掺水乳化柴油的蒸发喷雾贯穿距和喷雾体积。随着喷射压力的增大,离散水滴直径对乳化燃料喷雾喷雾特性的影响逐渐减小,燃料的喷雾特性趋于一致。随着环境密度的增大,不同离散水滴直径掺水燃料喷雾特性间的差距增大,在高环境密度工况下大水滴直径燃料W20-2的蒸发喷雾贯穿距和喷雾体积明显大于小水滴直径燃料W20,W20-2燃料的蒸发喷雾锥角明显小于于W20的喷雾锥角。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK421
【图文】：

示意图,掺水乳化,结构示意图,微爆

华中科技大学硕士学位论文化柴油微爆过程示意图[51]，由于水的沸点远低于柴油，因此当油包水型乳化油经喷油器喷入高温高压的缸内中时，被包裹在内的水滴会迅速过热，并在极短的时间内发生剧烈的蒸发甚至爆炸，这种现象被称为微爆[52]。研究表明，掺水乳化柴油中水的汽化潜热和比热容较高，一定程度上可降低柴油机缸内的峰值燃烧温度，从而能够降低 NOx 和碳烟的生成量[53]；掺水乳化柴油中水的快速蒸发和微爆，可有效地促进喷雾喷雾的二次破碎，形成直径更为细小的燃油液滴，强化燃料与空气的混合质量，降低燃料着火前油气混合区域的当量比，从而降低碳烟的生成量，同时燃料更加充分的燃烧能够提高燃料的燃烧效率[54,55]；此外，水在高环境温度工况下分解产生的 OH 自

示意图,光路,示意图,喷雾燃烧

11子或喷雾燃烧中间产物分子吸收能量后从稳定的基态（1）跃迁致不稳定的高能级状态（2），不稳定的高能级分子将通过发射荧光（A21）或猝熄（Qelec）的方式重新回到基态，因此可通过测量荧光信号强度获取喷雾燃烧过程中混合气浓度和燃烧中间产物的成分及浓度信息。

原理图,激光诱导荧光,原理图

现同时测量喷雾雾束中气相和液相区域信息，因而被广泛应用于内燃机燃料喷雾气液相区域的同时测量中[99]。复合激光诱导荧光技术的原理如图 1.10 所示，首先向自身不发射荧光的基准试验燃料中加入物理化学性质相近的两种示踪物质 M 和 G，物质 M 在一定频率激光的照射下被激发为激发态物质 M*，在气相燃料区域中，激发态物质 M*通过释放出一定波长的荧光回到基态或因发生猝熄而不释放荧光回到基态；在液相燃料区域中，激发态物质 M*与 G 反应生成新的复合激发物质(M-G)*(1.1)，激发态物质(M-G)*因光谱红移作用而释放出不同波长的荧光返回基态。通过接收不同波长的荧光信号，即可实现喷雾中气液相区域的分离。此外，当入射激光强度一定时，由激光诱导出的荧光强度与燃油浓度成正比，因此可根据测量的荧光强度计算出相应的燃油浓度，从而得出雾束中燃料的分布情况[100]。 + K ( ) (1.1)

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