摘要

利用定容噴霧試驗裝置，采用陰影法研究甲醇、乙醇、正丁醇在不同工況下的噴霧特性，噴射壓力范圍為10~30 MPa，背壓范圍為0.1~0.7 MPa，環境溫度范圍為20~120℃，再經MATLAB軟件進行圖像處理，分析了不同工況對醇類燃料噴霧特性的影響。結果表明：三種燃料的噴霧貫穿距和噴霧面積受噴射壓力和背壓影響明顯，噴霧錐角與環境條件的關系較大；噴射壓力和環境溫度的增加會加快液滴分裂和蒸發，對提高霧化質量及改善噴霧特性有重要的促進作用。同種工況下，燃料自身的特性造成了噴霧形態的差異，正丁醇動力黏度和表面張力較大，在低溫環境中噴霧發展較慢，但在高溫高壓環境中液滴蒸發和破碎程度較小，能保持較好的噴霧形態和發展速度。

全球環境污染問題和能源短缺問題日益突出，而內燃機在眾多領域仍有著不可替代的地位，尋找合適的替代燃料以減少碳排放成為未來的重要發展方向。中國是農業種植大國，為甲醇、乙醇、正丁醇等生物燃料的發展奠定了基礎。醇類燃料屬于含氧燃料，與汽油相比具有更高的辛烷值、更寬泛的著火范圍、更高的火焰傳播速度及更高的汽化潛熱值，有助于發動機在較高壓縮比下工作從而獲得較高的效率和燃油經濟性。缸內汽油直噴（gasoline direct injection，GDl）發動機具有較高的壓縮比、熱效率、容積效率和功率輸出，且發動機性能很大程度上取決于缸內燃油噴霧和空燃混合物的制備，因此進行噴霧特性研究十分必要。

甲醇由于具有良好的動力性能且來源廣泛，在全球范圍內得到了認可和實際應用。對高壓直噴甲醇的噴霧特性進行了研究，結果表明甲醇噴霧沸點較低，更容易蒸發，導致噴霧貫穿距較短。對甲醇噴霧特性與裂解特性的研究表明，噴霧液滴速度、貫穿距受噴射壓力影響，燃料溫度和環境溫度的升高能夠提高霧化質量。針對甲醇過熱噴霧特性進行了研究，結果表明燃料溫度和背壓是影響“閃沸”的重要因素。對甲醇低壓噴霧宏觀特性的研究發現，閃沸狀態會使噴霧貫穿距和噴霧錐角顯著增大，而環境溫度是影響閃沸狀態的重要因素。

乙醇來源廣泛，辛烷值較高，且能與汽油較好互溶。運用紋影法對不同噴射壓力下的乙醇噴霧進行了分析，結果表明提升噴射壓力能有效改善霧化程度。采用高速陰影成像技術，研究了燃油溫度對乙醇噴霧的影響，發現當燃料高于沸點溫度發生“閃沸”時，噴霧錐角和面積均減小，但噴霧尖端貫穿度在一定程度上增加。研究了體積分數95%的含水乙醇在不同工況下的噴霧變化，結果表明背壓對各噴霧特性的影響最為顯著。

與甲醇和乙醇相比，正丁醇更接近于石油的熱力學性質，可以與汽油、柴油等石油燃料以任意比例混合，其體積能量密度還高于甲醇和乙醇，圍繞正丁醇開展噴霧研究分析具有重要意義。通過試驗對比分析了汽油和正丁醇的噴霧特性，結果表明，正丁醇由于密度和黏度較大而具有較大的索特平均直徑（Sauter mean diameter，SMD），在同種工況下汽油比正丁醇呈現出更長的穿透長度。研究了閃沸條件下的正丁醇、異丁醇等燃料，結果顯示燃油溫度對噴霧形態有顯著影響，溫度升高使噴霧錐角減小，使噴霧滲透長度增大。

采用高速成像技術研究了異辛烷、汽油、甲醇、乙醇的噴霧結構，并將各燃料噴霧形態對比分析，結果表明噴霧結構參數與過熱度有關，該值減小，噴霧寬度和錐角均減小。采用同步激光散射法和激光誘導熒光法研究了汽油、甲醇和乙醇的噴霧結構，研究發現：燃料的物理特性可能是造成差異的因素之一；乙醇由于其黏度較大，在室溫條件下貫穿距最小，在高溫時能避免噴霧塌陷。文獻中對正己烷、甲醇和乙醇的閃急沸騰噴霧形態進行了對比研究，結果表明閃沸時的噴霧坍塌與蒸氣濃度有關。研究了丁醇、乙醇和異辛烷的噴霧結構發展和霧化，結果發現在較高的噴射壓力下，丁醇和乙醇噴霧錐角較穩定，異辛烷的下降幅度最大。

本文中通過定容彈系統模擬GDI發動機噴油時的氣缸環境，采用高速攝像機設備和陰影法研究多孔噴油器使用甲醇、乙醇和正丁醇時的噴霧特性。通過改變環境條件和噴射條件對比分析了3種常見醇類燃料的噴霧發展規律，并分析了外界條件和燃料本身對噴霧特性的影響。