乙醚在亞/超臨界環境下噴霧燃燒及其產物

呂恩雨，馬志豪，劉 成，李亞楠，胡二江

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

0 引言

內燃機由于具有較高的熱效率和較強的可靠性，得到了廣泛的應用。隨著一系列先進技術的出現和日益嚴格的排放法規要求，缸內實際工作環境可能已經超過燃料的臨界值[1-2]。與此同時，近年來世界各地機動車的保有量不斷增多，內燃機排放所引發的一系列問題受到了人們的日益關注。因此，區別于傳統噴射燃燒過程，超臨界噴射燃燒及其產物的研究具有重要意義。

關于亞/超臨界環境下燃料燃燒的相關研究，國內開展了液滴低壓和常壓下的蒸發燃燒試驗[3-5],以及超臨界條件下液滴蒸發燃燒的數值模擬[6-7]。文獻[8]采用重型活塞試驗系統，對煤油和有機凝膠偏二甲肼(unsym-dimethylhydrazine,UDMH)進行超臨界條件下單滴燃料的蒸發與燃燒試驗，發現液滴呈現多點著火現象。國外的相關研究較少，文獻[9]進行了正十八醇燃料液滴在超臨界微重力高壓氣體環境中的燃燒試驗，發現液滴溫度可以上升到臨界溫度，此時液滴與環境氣體之間部分界面變得模糊不清。文獻[10]研究表明：在較低壓力下，燃燒速率系數取決于環境氣體中氧含量；在超臨界條件下，燃燒速率系數與環境氣體混合物沒有關系。文獻[11]研究了正庚烷和正癸烷液滴的汽化耦合效應，發現超過臨界溫度后，液滴的蒸發速率隨環境壓力的升高而迅速加快。文獻[12]研究了環境氣體壓力和溫度對射流破碎的影響，在亞臨界條件下，觀察到燃料剝離形成液帶和液滴，在超臨界條件下未觀察到液帶的出現。文獻[13]研究表明：當燃燒室內壓力接近燃料臨界壓力時，噴射過程對溫度、壓力、局部濃度和初始條件的變化極其敏感。文獻[14]研究表明：超臨界條件下，一種新的類似氣體噴射的過程將取代傳統的噴射破碎過程。文獻[15-16]率先提出了定量“偽沸騰”分析法，在超臨界環境中，燃料將從“類液體”狀態轉變成“類氣體”狀態，定壓比熱容和密度劇烈變化。

本課題組長期致力于研究亞/超臨界環境下碳氫燃料的蒸發與燃燒特性[17-19]。乙醚作為一種具有發展前景的生物燃料，燃點、臨界壓力和溫度較低，有較高的十六烷值和能量密度，在柴油機冷啟動的助燃劑及柴油機的燃料方面有廣泛應用。然而，目前關于乙醚的燃燒試驗研究較少，故本文以乙醚作為燃料，開展乙醚在亞/超臨界環境下的噴霧燃燒特性試驗，可進一步為發動機缸內高溫高壓燃燒過程和排放控制提供一定的試驗依據和理論支持。

1 試驗方案

1.1 試驗系統

圖1 試驗裝置結構簡圖

圖1為試驗裝置結構簡圖，采用高溫高壓定容燃燒彈系統，主要包含定容燃燒彈、單次噴射儀、高壓共軌試驗臺、高速攝像機和陰影儀等。其中，變壓器和定容燃燒彈內部的電加熱絲能夠進行溫度調節。與進氣口連接的高壓氣瓶和壓力調節閥能夠進行壓力控制。定容燃燒彈兩側安裝有直徑130 mm、厚度75 mm的JGS2光學石英觀察窗，光學石英玻璃可承受7 MPa的內外壓力差和1 375 K的溫度，滿足試驗需要的壓力和溫度環境。定容燃燒彈內布置熱電偶，實時監測內部環境溫度。噴油器安裝在定容燃燒彈上部，使用循環水對其單獨進行冷卻，噴孔直徑為0.12 mm，壁厚為1 mm，倒錐形結構。高壓共軌試驗臺連接噴油器和單次噴射儀，共軌軌壓為100 MPa，系統內燃料的冷卻由試驗臺內部的恒溫裝置提供。法國EFS公司生產的8426模塊和8427模塊單次噴射儀控制噴油器的噴油規律和噴射脈寬，設置噴油脈寬為1.3 ms，實現噴油過程的精準控制。使用NAC Memrecam GX-8型高速攝像機，搭配Micro Nikkor變焦鏡頭記錄燃料噴霧燃燒的完整過程，設置高速攝像機拍攝速率為20 000 幀/s。

本試驗所用燃料乙醚(C4H10O)的臨界溫度Tc=466.7 K，臨界壓力Pc=3.63 MPa。定義環境壓力Pa與燃料臨界壓力Pc之比為對比壓力Pr，同理，對比溫度為Tr。使用體積分數為99.99%的高壓氧氣作為環境氣體進行試驗，保證在試驗溫度環境下噴射油束能夠順利發生自燃。試驗過程中，通過高壓共軌系統將燃料加壓至100 MPa，設置單次噴射儀的噴油脈寬，當定容燃燒彈內部溫度和壓力達到試驗條件時，同時觸發高速攝像機和單次噴射儀，完整記錄燃油噴射燃燒的過程。

當燃料由亞臨界狀態轉變為超臨界狀態時，物性參數會發生劇烈變化。超臨界狀態的燃料在固定的壓力下，隨著流體溫度的增大，在某一溫度時，流體的密度迅速下降，而定壓比熱容達到峰值。文獻[20]把這種超臨界流體出現的類似于亞臨界流體沸騰的現象稱作“偽沸騰(pseudo-boiling)”，將定壓比熱容出現峰值時所對應的溫度和壓力點在壓力-溫度(P-T)圖上連接起來，構成“偽沸騰”線，“偽沸騰”線上側為“類氣體”區，下側為“類液體”區，分別具有類似氣體和類似液體的物性特征。當燃料進入超臨界狀態后，其表面張力和汽化潛熱迅速降為零，隨之進入超臨界狀態的單相混合擴散過程[16]。

1.2 圖像處理方法

本試驗利用陰影法進行圖像拍攝，由于相鄰兩幀圖像的時間間隔為0.05 ms，同時油束的噴射速度相比于環境氣體的波動速度較大，在如此短的時間間隔和相對較小的速度下，環境氣體的擾動對拍攝圖像背景的影響可以忽略。通過對鹵素光源亮度的調節，整個定容燃燒彈內部環境的背光亮度相比于油束燃燒時的火焰亮度要低很多，火焰區域可以通過圖像處理將其完整地從背景中分離出來。本文利用Photoshop圖像處理軟件中的魔棒工具，根據噴霧燃燒火焰的亮度與背景亮度之間的差異，選擇合適的容差值,扣除火焰干擾背景，同時完整保留火焰核心區域，從而將噴霧火焰從拍攝畫面中分離出來。圖像處理見圖2。圖2a為Ta=571 K、Pa=3.63 MPa時高速攝像機拍攝到的背景圖像，圖2b為t=0.4 ms的油束火焰原始圖像，經過處理后的圖像見圖2c。

(a) 背景圖像

(b) 原始圖像

(c) 處理后圖像

圖2 圖像處理

2 試驗結果與分析

2.1 環境壓力對噴霧燃燒特性的影響

2.1.1 噴霧燃燒火焰形態

在噴入定容燃燒彈之前，乙醚經高壓共軌系統加壓后均為可壓縮流體。圖3是環境溫度為571 K(Tr=1.22)、環境壓力分別在亞臨界壓力(Pa=2.0 MPa,Pr=0.56,可壓縮流體→氣相)、臨界壓力(Pa=3.6 MPa,Pr=1.00,可壓縮流體→臨界相)和超臨界壓力(Pa=4.0 MPa,Pr=1.11,可壓縮流體→超臨界流體)條件下，噴射脈寬為1.3 ms時，乙醚的噴霧燃燒火焰隨時間的變化圖像。以畫面中出現明顯火核為燃燒始點(即0 ms)，到1.0 ms結束，此時噴油過程也即將結束。同時，定義火焰區域面積與定容燃燒彈觀察窗面積之比為當量面積比，從而消除試驗過程中由于拍攝區域面積的波動性所導致的誤差，方便進行對比。圖4為不同環境壓力下乙醚的噴霧燃燒火焰當量面積比隨時間的變化曲線。

(a) 2.0 MPa

(b) 3.6 MPa

(c) 4．0 MPa圖3 不同環境壓力下乙醚的噴霧燃燒火焰隨時間的變化圖像

圖4 不同環境壓力下乙醚的噴霧燃燒火焰當量面積比隨時間的變化曲線

由圖3～圖4可知：乙醚噴霧燃燒火焰呈現規則的球狀頭部，其亮度較強，明亮的火焰前鋒對部分火焰形態的觀察造成一定的影響。亞臨界壓力下的火焰整體面積較大，波動明顯；當壓力達到臨界點后，球形火焰的發展較為規則和穩定，整體面積最??；當壓力超過燃料臨界壓力點，且對比壓力不大時，火焰整體面積大于臨界壓力點的面積，但相差不大。亞臨界壓力下，熱擴散系數相對較小，油束內部升溫較慢，向外擴散阻力小，由劉易斯數(熱擴散系數與質量擴散系數比)[21]可知:此時質量擴散占主導作用，故噴霧燃燒火焰向外發展較快，火焰面積較大。此外，亞臨界壓力下的火焰面積波動明顯的原因是：在噴油燃燒前期(t<0.6 ms)，環境壓力相對較小，油束噴霧向四周擴散的能力較大，從而造成了在初期類似于球狀的火焰，火焰面積較大，而隨著噴油和燃燒的進行，油束噴霧轉變為相對細長的火焰，面積減小。壓力達到臨界點壓力時，熱擴散系數的略微增加和質量擴散系數的減小導致劉易斯數增大，油束內部溫升快，但向外擴散能力減弱，故此壓力下的火焰面積較小。當環境壓力超過臨界壓力后，劉易斯數繼續增大，油束噴霧向外擴散阻力增大，但此時汽化潛熱和表面張力變為零，燃料所吸收的熱量都用于燃料自身溫度的升高，汽化過程將從短暫的氣液兩相過渡到超臨界單相混合過程。此時，燃料溫度的升高將會導致體積的明顯變化，即當溫度超過該壓力下“偽沸騰”線所對應的溫度后，燃料從“類液體”轉變為“類氣體”，體積膨脹，致使該條件下的火焰面積稍大于臨界點狀態下的火焰面積。

文獻[19]發現正己烷的燃燒火焰形態為傳統的長油束狀，而乙醚的火焰前鋒則呈現規則球狀。主要是由于乙醚極易揮發，且乙醚自身攜帶氧元素，混合氣適合著火的濃度得到拓寬，在噴射進入定容燃燒彈內后，油束外圍的乙醚更易與氧氣混合形成可燃混合氣，此時乙醚的定壓比熱容較小，油束內部的燃料不斷吸熱，向外運動蒸發，隨著火焰的傳播，導致整個燃燒面積向外擴散形成球狀。

圖5 不同環境壓力下乙醚的噴霧燃燒貫穿距隨時間的變化曲線

2.1.2 噴霧燃燒貫穿距

利用Photoshop圖像處理軟件對噴霧燃燒貫穿距原圖進行直接測量。圖5為不同環境壓力下乙醚的噴霧燃燒貫穿距隨時間的變化曲線。由圖5可知：在不同環境壓力下，噴霧燃燒貫穿距隨時間的變化關系可分為兩個階段，大約在0.4 ms之前變化迅速，0.4 ms之后變化速率減緩。在亞臨界壓力下，噴霧燃燒貫穿距略長于其他兩個壓力點；當壓力達到臨界點后，噴霧燃燒貫穿距最短；當壓力超過燃料臨界壓力點，且對比壓力不大時，噴霧燃燒貫穿距變化速率稍大，火焰整體貫穿距大于臨界壓力點的貫穿距。

由圖5可知：在噴霧燃燒貫穿距發展的第1階段，貫穿距與時間近似呈線性關系，第2階段呈冪函數關系。噴油初期，油束噴霧剛噴射入定容燃燒彈內部，油束初速度較高，貫穿能力較強，隨著與環境氣體的相互作用，一部分動量被損耗，油束速度降低，導致噴霧燃燒貫穿距的發展速率減緩。

與其他兩個壓力點相比，亞臨界壓力下油束噴霧的出口流速最大，且此時傳熱速率較慢，導致其汽化過程較慢，故亞臨界條件下的噴霧燃燒貫穿距較長，火焰長度較長。隨著壓力升高到達臨界點，燃料的定壓比熱容突然增大，燃燒釋放的熱量大都用來進行乙醚的汽化，油氣混合速率較慢，且此壓力下油束向外擴散所受阻力增加，導致其噴霧燃燒貫穿距減小。當環境壓力達到超臨界壓力時，燃料的物性參數發生劇烈變化，黏度等同于氣體的黏度，表面張力和蒸發焓為零，質量擴散系數處于液體和氣體的擴散系數之間，且油束噴霧與環境氣體為單相混合過程，油束噴霧向外擴散較快，這些因素都有可能導致噴霧燃燒貫穿距略微增大。

2.2 環境溫度對噴霧燃燒特性的影響

選擇環境溫度分別為513 K(Tr=1.10)和571 K(Tr=1.22)，對乙醚進行燃燒特性對比，此時燃料均由可壓縮流體跨入氣相。圖6為1.3 ms的噴油脈寬和2.0 MPa(Pr=0.56)的環境壓力時，不同環境溫度下乙醚的噴霧燃燒火焰圖像對比，時間從0 ms開始至1.0 ms結束，圖7為其對應的當量面積比隨時間的變化曲線。圖8為不同環境溫度下乙醚的噴霧燃燒貫穿距隨時間的變化曲線。

(a) 513 K

(b) 571 K圖6 亞臨界壓力不同環境溫度下乙醚的噴霧燃燒火焰的圖像對比

圖7 不同環境溫度下乙醚的噴霧燃燒火焰當量面積比隨時間的變化曲線

圖8 不同環境溫度下乙醚的噴霧燃燒貫穿距隨時間的變化曲線

由圖6～圖8可知：在亞臨界環境壓力、超臨界環境溫度下，乙醚的火焰前鋒都呈規則球狀。環境溫度越高，噴霧燃燒貫穿距越長，火焰面積越大。韋伯數(慣性力與表面張力之比)及噴霧出口流速公式[22]為：

其中：σ為表面張力,N·m-1；Cd為流量系數；d為特征長度，即噴孔直徑,m；△p為噴油壓力與環境壓力的壓差,MPa。

通過上式可以看出：相同環境壓力下油束噴霧慣性力相同，而隨著環境溫度的升高其表面張力減小，對比溫度Tr為1.22時,韋伯數較大，油束慣性力克服表面張力能力較強，其獲得的動量更多，且環境溫度越高，環境氣體的密度越小，燃料的質量擴散系數越大，導致噴霧燃燒貫穿距更長，火焰面積更大。根據化學動力學中分子碰撞理論[23]，環境溫度越高，單位體積內反應物分子數越多，使分子運動有效碰撞頻率增加，油束噴霧和環境氣體的溶解加快，適宜著火的混合氣區域將增大。乙醚的定壓比熱容隨對比溫度的變化如圖9所示。由圖9可知：臨界點附近及超臨界溫度下溫度稍有波動，定壓比熱容發生較大變化，這也將引起噴霧燃燒的變化。

2.3 噴霧燃燒的產物分析

利用煙氣分析儀對噴霧燃燒后的產物進行測量。以最低環境壓力1.0 MPa為例，計算得到燃料噴射量為17.0 mg，理論上這部分燃料完全燃燒需消耗44.1 mg氧氣，而實際定容燃燒彈內氧氣質量為15 058.7 mg。由于所使用的煙氣分析儀所能測量的氧氣體積分數小于25%，遠遠低于定容燃燒彈內氧氣體積分數，因此無法測量氧氣；且燃燒過程發生在純氧環境中，意味著沒有氮氧化物的生成，所以試驗只進行了CO和HC生成量的測量。噴油脈寬為1.3 ms時，乙醚燃燒生成的CO和HC隨對比壓力的變化如圖10所示。

圖9 乙醚的定壓比熱容隨對比溫度的變化

圖10 乙醚燃燒產物隨對比壓力的變化

由圖10可以發現：在亞臨界條件下，HC生成量(體積分數)隨著壓力的升高連續減??；當環境壓力升高至臨界壓力時，HC生成量突然增大，并取得試驗范圍的最大值；當環境壓力超過臨界壓力時，HC生成量又有所減小。CO的生成量則隨著環境壓力的升高單調遞減，當環境壓力高于臨界壓力時，CO的遞減速率變小。

本試驗發現在亞臨界條件下，HC和CO的生成曲線呈下降趨勢。一方面，隨著環境壓力的升高，雖然質量擴散系數降低，對汽化過程產生不利影響，但燃料的導熱系數增加和汽化潛熱減小都促使燃料快速蒸發，形成更均勻的可燃混合氣，且環境壓力的升高使得試驗環境內氧氣含量得到提升，而氧氣含量直接決定CO的生成量，隨著氧氣含量的增大，CO的生成量將減小。在試驗過程中，油束與周圍氣體形成的可燃混合氣是在極短的時間內形成的，這就會導致嚴重的混合不均，油束中心的混合氣相對過濃，容易形成較多的HC，隨著環境壓力的升高，氧氣密度增加，使其定壓比熱容增大，燃料蒸發燃燒后環境溫度變化較小，此時當氧氣含量增大時，會促使油束中心區域較濃的混合氣逐漸向外擴散稀釋，進入正常燃燒，使得HC生成量降低，促進了生成HC的進一步氧化。另一方面，由于環境壓力的逐漸升高，定容燃燒彈內部氣體質量逐漸增多，一定程度上稀釋了生成物的含量，從而導致其生成量曲線下降。當環境壓力升高到臨界壓力和超臨界壓力時，主要由于氧氣含量的增多且環境溫度足以使CO繼續氧化，CO的生成量持續減小，但是氧氣含量升高對CO的生成影響減弱，導致CO生成量的下降速率減緩。HC生成量在臨界點處的突然變化也主要是由于燃料的超臨界特性。一方面，當燃料跨越臨界點時，定壓比熱容迅速增大，燃料維持蒸發燃燒過程要吸收大量熱量，使燃燒區域整體溫度降低，低溫淬熄會導致HC的生成增多，甚至在較低溫度下油束外圍的混合氣很有可能來不及著火，部分燃料不能燃燒。另一方面，由于此時環境壓力較高，油束內部燃料向外擴散較慢，局部可燃混合氣仍過濃，燃料與環境氣體混合較差，環境溫度較低，燃燒不完全，導致HC的生成量在臨界點附近上升并達到峰值。當環境壓力超過臨界壓力后，定壓比熱容逐漸減小，環境溫度變化影響減小，氧氣含量的變化起主導作用，HC的生成量隨著環境壓力的升高而下降。

3 結論

(1)乙醚的噴霧燃燒火焰呈現較明亮且規則的球狀，火焰形態大約在發展0.4 ms后趨于穩定，在臨界壓力點時，噴霧燃燒貫穿距最短，面積最??；亞臨界環境壓力下，環境溫度越高，噴霧燃燒貫穿距越長，火焰面積越大，但總體差別不大。

(2)乙醚噴霧燃燒后，CO的生成量隨著環境壓力的升高而連續下降；HC的生成量在亞臨界環境下隨環境壓力的升高而減小，在臨界壓力處突然上升并達到峰值。

(3)燃料在近臨界點附近噴霧燃燒時，由于其物性參數的劇烈變化導致噴射形態的變化，從而使燃燒形態和生成物規律的不確定性增加。