1试验装置

图1为试验装置示意图，主要由计算机控制系统、喷油系统控制器、高压燃料供给系统、定容弹系统、高速摄像装置等组成。

图1试验装置示意图

燃油喷射压力会直接对燃油的射流初次和二次破碎产生影响，在该试验中，喷射压力的控制主要依靠高压燃料供给系统，其中包括气驱泵、高低压气泵、稳压罐、油箱、油滤、低压油泵、控制电路等部件。环境压力简称背压，代表了高压定容弹内的空气密度，对醇束的发展有着直接影响。通过气体调压阀控制供入定容弹的空气流量，利用定容弹控制系统的进排气开关远程调节环境压力的大小，同时观测压力表，误差控制在要求值±0.01 MPa之内。环境温度影响着燃料的密度、黏度和表面张力，对喷雾特性有显著影响。环境温度的调节通过容弹控制系统中的加热模块，远程操控布置在容弹内的8条加热棒实现，容弹内顶部、四周、底部设有温度传感器，对腔内温度进行实时监测，并将误差控制在要求值±1℃之内。

2燃料性质和试验方案

试验燃料选取甲醇、乙醇和正丁醇，3种醇类燃料及汽油的基本燃料特性如表1所示。试验工况设计方案如表2所示。为了保证数据准确性和可靠性，避免试验中的随机误差，每种工况重复测试10次。

表1燃料特性

表2试验工况设计

3试验结果与分析

3.1喷射压力对醇类燃料的喷雾特性的影响

分析时采用控制变量法，在环境温度20℃、环境压力0.1 MPa条件下，以喷射压力为变量，分别选取10、20、30 MPa作为参考，研究了不同喷射压力下3种醇类燃料的喷雾发展。

图2为3种醇类燃料在背压0.1 MPa、环境温度20℃时，不同喷射压力下喷雾开始后时刻0.2至1.4 ms内的喷雾轴向贯穿距和喷雾面积的变化，其中pinj定义为喷射压力。

图2不同喷射压力下的贯穿距离和喷雾面积

由图2可知，所有轴向贯穿距数值曲线都随着喷雾开始后时刻的增加而升高，然后到达一定值后趋于平稳，所对应的数值为该试验设备的拍摄极限，现实中的喷雾仍会继续发展。相较于甲醇和乙醇，正丁醇的密度、黏度和表面张力都较大，在图像中可以明显看出正丁醇的喷雾发展较慢，在相同喷射压力条件、喷油后同一时刻，正丁醇的轴向贯穿距较小。

由图2还可发现，随着喷射压力的增加，3种醇类燃料的喷雾面积都明显增大，曲线的攀升速度也增大。这是因为当喷射压力升高时，喷嘴内部的湍流现象会加剧，同时燃油喷射的初速度也会提升，使醇束与容弹内气体间的相互作用更为强烈，进而使液滴的尺寸减小，由于燃油小液滴动量减小，更易受到空气介质的干扰，使喷雾面积得以扩大。在醇类燃料雾化的过程中，喷射压力是重要的影响因素，提高喷射压力可以改善醇类燃料的雾化质量。

在常温条件下，喷雾轴向贯穿距和喷雾面积曲线的变化规律，除了受背压变化的影响，还与燃料本身的特性有关。3种醇类燃料中，甲醇和乙醇的密度和表面张力较为相似，但试验发现甲醇与乙醇的喷雾轴向贯穿距的发展仍存在些许差异。各燃料的动力黏度由小到大依次为：甲醇（0.55 mPa·s）、乙醇（1.19 mPa·s）、正丁醇（2.81 mPa·s）。相同喷射压力和环境压力条件下，轴向贯穿距与动力黏度大小呈现出反向增长的趋势。总体而言，不同燃料间的差异往往与燃料特性密切相关，在相同喷油条件和环境条件下，喷雾轴向贯穿距和喷雾面积受动力黏度的影响，正丁醇具有较高的动力黏度，在喷油时产生了较大的黏性损失，从而抑制液滴的发展。

3.2 环境压力对醇类燃料的喷雾特性的影响

图3为不同环境压力对喷雾锥角的影响，各醇类燃料的喷雾锥角都随着背压的增大而增大。背压增大使各燃料在喷孔内的流动速度减小，流动阻力增大，喷出后受高压的环境空气影响，喷雾发生“卷吸”，醇束末端向外向上发生卷曲，使各燃料的喷雾锥角受到一定影响。当环境压力升高至0.5 MPa、0.7 MPa时，正丁醇燃料的喷雾锥角相较于甲醇、乙醇较小，这是由于正丁醇具有较大的动力黏度和密度，喷射时液滴不易破碎，使正丁醇喷雾沿径向发展的速度较慢。在文献的研究中，将0.08~0.10 MPa区域定义为低背压区，0.30~0.90 MPa区域定义为高背压区。低背压区中，喷雾发生坍塌，液滴颗粒失去动能，喷雾收缩，锥角减小；高背压区（0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa）喷雾坍塌减弱，液滴颗粒不断向外扩散，使锥角增大，这再次解释了图3中锥角随环境压力的升高而增大的现象。

图3环境压力对醇类燃料喷雾锥角的影响