摘要

利用定容喷雾试验装置，采用阴影法研究甲醇、乙醇、正丁醇在不同工况下的喷雾特性，喷射压力范围为10~30 MPa，背压范围为0.1~0.7 MPa，环境温度范围为20~120℃，再经MATLAB软件进行图像处理，分析了不同工况对醇类燃料喷雾特性的影响。结果表明：三种燃料的喷雾贯穿距和喷雾面积受喷射压力和背压影响明显，喷雾锥角与环境条件的关系较大；喷射压力和环境温度的增加会加快液滴分裂和蒸发，对提高雾化质量及改善喷雾特性有重要的促进作用。同种工况下，燃料自身的特性造成了喷雾形态的差异，正丁醇动力黏度和表面张力较大，在低温环境中喷雾发展较慢，但在高温高压环境中液滴蒸发和破碎程度较小，能保持较好的喷雾形态和发展速度。

全球环境污染问题和能源短缺问题日益突出，而内燃机在众多领域仍有着不可替代的地位，寻找合适的替代燃料以减少碳排放成为未来的重要发展方向。中国是农业种植大国，为甲醇、乙醇、正丁醇等生物燃料的发展奠定了基础。醇类燃料属于含氧燃料，与汽油相比具有更高的辛烷值、更宽泛的着火范围、更高的火焰传播速度及更高的汽化潜热值，有助于发动机在较高压缩比下工作从而获得较高的效率和燃油经济性。缸内汽油直喷（gasoline direct injection，GDl）发动机具有较高的压缩比、热效率、容积效率和功率输出，且发动机性能很大程度上取决于缸内燃油喷雾和空燃混合物的制备，因此进行喷雾特性研究十分必要。

甲醇由于具有良好的动力性能且来源广泛，在全球范围内得到了认可和实际应用。对高压直喷甲醇的喷雾特性进行了研究，结果表明甲醇喷雾沸点较低，更容易蒸发，导致喷雾贯穿距较短。对甲醇喷雾特性与裂解特性的研究表明，喷雾液滴速度、贯穿距受喷射压力影响，燃料温度和环境温度的升高能够提高雾化质量。针对甲醇过热喷雾特性进行了研究，结果表明燃料温度和背压是影响“闪沸”的重要因素。对甲醇低压喷雾宏观特性的研究发现，闪沸状态会使喷雾贯穿距和喷雾锥角显著增大，而环境温度是影响闪沸状态的重要因素。

乙醇来源广泛，辛烷值较高，且能与汽油较好互溶。运用纹影法对不同喷射压力下的乙醇喷雾进行了分析，结果表明提升喷射压力能有效改善雾化程度。采用高速阴影成像技术，研究了燃油温度对乙醇喷雾的影响，发现当燃料高于沸点温度发生“闪沸”时，喷雾锥角和面积均减小，但喷雾尖端贯穿度在一定程度上增加。研究了体积分数95%的含水乙醇在不同工况下的喷雾变化，结果表明背压对各喷雾特性的影响最为显著。

与甲醇和乙醇相比，正丁醇更接近于石油的热力学性质，可以与汽油、柴油等石油燃料以任意比例混合，其体积能量密度还高于甲醇和乙醇，围绕正丁醇开展喷雾研究分析具有重要意义。通过试验对比分析了汽油和正丁醇的喷雾特性，结果表明，正丁醇由于密度和黏度较大而具有较大的索特平均直径（Sauter mean diameter，SMD），在同种工况下汽油比正丁醇呈现出更长的穿透长度。研究了闪沸条件下的正丁醇、异丁醇等燃料，结果显示燃油温度对喷雾形态有显著影响，温度升高使喷雾锥角减小，使喷雾渗透长度增大。

采用高速成像技术研究了异辛烷、汽油、甲醇、乙醇的喷雾结构，并将各燃料喷雾形态对比分析，结果表明喷雾结构参数与过热度有关，该值减小，喷雾宽度和锥角均减小。采用同步激光散射法和激光诱导荧光法研究了汽油、甲醇和乙醇的喷雾结构，研究发现：燃料的物理特性可能是造成差异的因素之一；乙醇由于其黏度较大，在室温条件下贯穿距最小，在高温时能避免喷雾塌陷。文献中对正己烷、甲醇和乙醇的闪急沸腾喷雾形态进行了对比研究，结果表明闪沸时的喷雾坍塌与蒸气浓度有关。研究了丁醇、乙醇和异辛烷的喷雾结构发展和雾化，结果发现在较高的喷射压力下，丁醇和乙醇喷雾锥角较稳定，异辛烷的下降幅度最大。

本文中通过定容弹系统模拟GDI发动机喷油时的气缸环境，采用高速摄像机设备和阴影法研究多孔喷油器使用甲醇、乙醇和正丁醇时的喷雾特性。通过改变环境条件和喷射条件对比分析了3种常见醇类燃料的喷雾发展规律，并分析了外界条件和燃料本身对喷雾特性的影响。