吳鳳英， 王站成， 吳健， 朱莉莉

(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院， 河南 洛陽(yáng) 471003)

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柴油-正丁醇混合燃料的宏觀噴霧特性試驗(yàn)研究

吳鳳英， 王站成， 吳健， 朱莉莉

(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院， 河南 洛陽(yáng) 471003)

在高壓共軌燃油噴霧試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)正丁醇體積摻混比分別為0%，5%，10%和20%的柴油-正丁醇混合燃料的宏觀噴霧特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在相同共軌壓力下，隨著背壓的增加，噴霧錐角增大，噴霧貫穿距減??；在相同背壓下，隨著共軌壓力的增加，噴霧貫穿距和噴霧錐角均逐漸增大，但當(dāng)共軌壓力增大到110 MPa時(shí)，二者不再增大；在相同背壓和相同共軌壓力下，噴霧貫穿距和噴霧錐角隨著正丁醇比例的增加逐漸增大，說(shuō)明在柴油中混合一定比例的正丁醇可以提高燃料的霧化質(zhì)量。

柴油； 正丁醇； 混合燃料； 背壓； 共軌壓力； 噴霧貫穿距； 噴霧錐角

由于柴油車的NOx和PM排放量較高，因此高效清潔燃燒以及替代燃料的研究逐漸受到了重視。使用含氧燃料或含氧添加劑與柴油混合是降低柴油機(jī)排放的有效措施之一?？稍偕拇碱惾剂蠐饺氩裼椭锌梢云鸬絻?yōu)化燃燒和降低炭煙排放的作用。丁醇是新型替代燃料之一，是一種可以生物降解的可再生含氧燃料。正丁醇是丁醇的同分異構(gòu)體之一，與甲醇和乙醇相比其最大的優(yōu)點(diǎn)是親水性差。目前，正丁醇主要用作生物燃料替代物或傳統(tǒng)石油燃料的助溶劑[1-2]，相關(guān)研究主要集中在柴油摻混正丁醇對(duì)柴油機(jī)燃燒及排放性能的影響。Mingfa Yao等在試驗(yàn)臺(tái)架上研究了丁醇比例對(duì)重型柴油機(jī)燃燒和排放的影響規(guī)律[3]；Doan對(duì)不同比例摻混的正丁醇-柴油混合燃料及純柴油在固定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下的排放情況進(jìn)行研究[4]；Miloslaw J，Scott A．Miers等在柴油乘用車中研究了丁醇和柴油混合燃料的燃燒及排放特性[5-6]；張全長(zhǎng)等人在一臺(tái)改造的單缸柴油機(jī)上研究了柴油中添加不同體積比例正丁醇燃料在不同進(jìn)氣壓力和EGR率下的燃燒、排放特性[7]；周庭波等研究了柴油中摻燒大比例丁醇(丁醇比例為40%)對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響[8]。柴油機(jī)燃料的噴霧特性，如噴霧貫穿距離、噴霧錐角等對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放有著重要影響，因此，進(jìn)行柴油-正丁醇混合燃料噴霧特性的研究對(duì)認(rèn)識(shí)其燃燒機(jī)理，改善其排放特性有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本研究通過(guò)高壓共軌燃油噴霧試驗(yàn)臺(tái)對(duì)柴油-正丁醇混合燃料的噴霧特性進(jìn)行了研究，分析了不同背壓和共軌壓力下混合燃料的噴霧貫穿距及噴霧錐角宏觀參數(shù)的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用高壓共軌燃油噴霧試驗(yàn)臺(tái)采用BOSCH高壓共軌供油系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置見圖1，主要包括低壓燃油供給系統(tǒng)、高壓油泵、共軌管、定容燃燒彈、電控噴油器、紋影系統(tǒng)和高速攝像機(jī)等，其中噴油器是BOSCH電磁閥式單孔噴油器，噴孔直徑為0.13 mm，噴嘴孔長(zhǎng)度為0.65 mm。

試驗(yàn)研究了噴油壓力及背壓對(duì)柴油-正丁醇混合燃料噴霧特性的影響，其中正丁醇的體積比例為0%，5%，10%，20%，分別記為D100，B5，B10，B20；定容彈內(nèi)的背壓通過(guò)注入氮?dú)鈦?lái)形成，背壓分別取1 MPa，2 MPa，3 MPa；噴射壓力分別取70 MPa，80 MPa，90 MPa，110 MPa，120 MPa，130 MPa；高速攝像機(jī)以10 000 幀/s的速度對(duì)噴霧過(guò)程進(jìn)行拍攝，圖片分辨率為384×288，并通過(guò)Matlab軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理，在相同條件下的噴霧貫穿距、噴霧錐角是通過(guò)圖像邊緣檢測(cè)同條件下多次噴霧過(guò)程的噴霧貫穿距、噴霧錐角求平均值得到。Chang對(duì)噴霧特性相關(guān)參數(shù)的定義作了詳細(xì)介紹[9]，本研究采用取某時(shí)刻噴霧貫穿距的60%為測(cè)量基準(zhǔn)的方法來(lái)計(jì)算噴霧錐角[10]。噴霧參數(shù)定義見圖2。表1示出了柴油與正丁醇的部分物理和化學(xué)特性參數(shù)。

表1 柴油與正丁醇的部分物理化學(xué)特性參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 噴霧形態(tài)分析

燃料B20在共軌壓力為90 MPa，背壓為1 MPa，2 MPa，3 MPa下的噴霧形態(tài)見圖3。從圖中明顯看出，當(dāng)噴射壓力相同時(shí)，隨著背壓的增大，噴霧油束中心區(qū)域的燃料密度逐漸增大，在同一時(shí)刻，噴霧的貫穿距減小，油束形態(tài)由細(xì)長(zhǎng)變?yōu)槎糖邑S滿。在小背壓時(shí)，油束頂端發(fā)展速度較快，燃油密度較?。辉诖蟊硥簳r(shí)，油束頂端的燃油密度明顯較大。這主要是由于背壓變化對(duì)噴霧的初速度影響不大，而對(duì)介質(zhì)密度的變化影響大。背壓增大，介質(zhì)密度變大，使得霧粒與介質(zhì)間動(dòng)量交換增加，造成噴注的動(dòng)能損失增加，迎風(fēng)阻力增大，使得貫穿距減小。

圖4示出了混合燃料B20在環(huán)境背壓為2 MPa，共軌壓力為70 MPa，80 MPa和90 MPa時(shí)的噴霧形態(tài)。由圖可以看出，隨著共軌壓力的增大，噴霧貫穿距逐漸增加，且在同一噴霧時(shí)刻下噴油量也略有增加，共軌壓力越大，油束霧化效果越好，尤其在燃油噴射后期，油束前端與介質(zhì)氣體卷吸強(qiáng)烈，與氣體混合效果好。對(duì)比共軌壓力為90 MPa與70 MPa的油束圖，前者油束前端出現(xiàn)較多的“坑洼”或“褶皺”，這主要是由于在相同背壓下，噴射壓力越高噴孔處的壓力差就越大，使得噴注的初速度和動(dòng)能越大，最終燃油周圍更強(qiáng)的氣流擾動(dòng)和油束內(nèi)部的湍流運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了霧化，形成了更多細(xì)小的液滴，這有助于油氣充分混合；90 MPa和70 MPa相比油束中過(guò)濃的區(qū)域減少，這將會(huì)減小燃料的不完全燃燒區(qū)域，降低CO和炭煙的排放。

2.2 環(huán)境背壓對(duì)噴霧特性的影響

圖5與圖6示出了B20在環(huán)境背壓為1 MPa，2 MPa，3 MPa下的噴霧特性曲線。由圖5a可以看出，當(dāng)共軌壓力為90 MPa時(shí)，背壓為1 MPa的噴霧末期的貫穿距比背壓為3 MPa時(shí)的大19 mm，可見背壓對(duì)噴霧貫穿距的影響較大。隨著背壓的增大，貫穿距逐漸減小，且這一趨勢(shì)在噴霧后期更加明顯。這是由于隨著背壓的增大，環(huán)境介質(zhì)的密度增加，使得噴霧沿著噴射方向的阻力增大；噴霧初始時(shí)的液滴較大且速度較快，所受到介質(zhì)阻力的影響相對(duì)較小，相反，越接近噴霧末期，受到介質(zhì)阻力的影響就越大[11]。圖5b中環(huán)境背壓對(duì)貫穿距的影響趨勢(shì)同圖5a，但隨著共軌壓力的提高，環(huán)境背壓對(duì)貫穿距的影響相對(duì)減弱。

圖6示出了B20在不同環(huán)境背壓下噴霧錐角的變化曲線。從圖中看出，在一定的共軌壓力下，噴霧錐角隨背壓的增大而增大，且在圖6b中這一趨勢(shì)更為明顯。這是因?yàn)樵谙嗤瑮l件下，貫穿距較大時(shí)，其橫向平均直徑就會(huì)相應(yīng)減小。當(dāng)共軌壓力為130 MPa時(shí)，噴油嘴兩端的壓力差大，噴油初始速度快，背壓增加使環(huán)境介質(zhì)密度增加，噴霧液滴與周圍環(huán)境氣體之間的相互作用增強(qiáng)，使得油束的外邊緣產(chǎn)生越來(lái)越強(qiáng)的卷吸作用，因此，噴霧錐角隨背壓的增加而增大的趨勢(shì)更加明顯[12]。

2.3 共軌壓力對(duì)噴霧特性的影響

圖7示出了背壓為1 MPa時(shí)，B20混合燃油的貫穿距隨著共軌壓力的變化情況。由圖7a可知，隨著共軌壓力的增加，噴霧貫穿距增大且變化趨勢(shì)基本一致；但由圖7b看出，當(dāng)共軌壓力增大到一定程度后，噴霧貫穿距基本保持不變。這主要是由于在一定的范圍內(nèi)，隨著共軌壓力的增加，噴油初始速度提高，此時(shí)環(huán)境介質(zhì)影響較弱，噴霧貫穿距增大；當(dāng)共軌壓力增加到一定范圍后，噴油初始速度較高，油束與周圍環(huán)境氣體之間的動(dòng)量交換增加，此時(shí)環(huán)境介質(zhì)的影響增強(qiáng)，從而減緩了貫穿距的增加[13]。

圖8示出了背壓為1 MPa時(shí)，噴霧錐角隨共軌壓力的變化情況。在圖8a中，噴霧錐角隨著共軌壓力的增加而增大。在圖8b中，噴霧錐角隨著共軌壓力的增加先增加，但共軌壓力增大到120 MPa和130 MPa時(shí)，噴霧前期二者錐角基本一致，噴霧后期130 MPa的錐角略大于120 MPa時(shí)。這主要是由于較高噴射壓力引起噴射速度增加，導(dǎo)致在相同的背壓下氣液間的相對(duì)速度變大，加強(qiáng)了霧化效果，錐角增大；但當(dāng)共軌壓力增大到一定程度后，油束邊緣產(chǎn)生的卷吸作用進(jìn)一步增強(qiáng)，霧化質(zhì)量進(jìn)一步提高的同時(shí)，液滴索特平均直徑減小，液滴容易蒸發(fā)，使得噴霧錐角增加不大[14-15]。

2.4 摻混比例對(duì)噴霧特性的影響

圖9示出了不同摻混比例的燃料在環(huán)境背壓為2 MPa，共軌壓力為90 MPa和130 MPa時(shí)的噴霧特性對(duì)比曲線。

對(duì)于不同燃料，噴霧特性的差異主要取決于各種燃料物性參數(shù)的差異，包括燃料密度、表面張力、黏度和揮發(fā)性等。由圖9可知，隨著正丁醇比例的增加，噴霧貫穿距和噴霧錐角均增大。由于3種混合燃料的密度相差較小，由此導(dǎo)致的貫穿距變化也很小。從表1中看出，柴油的運(yùn)動(dòng)黏度比正丁醇的運(yùn)動(dòng)黏度大，隨著正丁醇比例的增加，混合燃料的運(yùn)動(dòng)黏度逐漸減小，使得燃料在噴孔內(nèi)的流動(dòng)阻力降低，初始噴射速度增大，相同時(shí)間內(nèi)的貫穿距離也隨之增加，因此噴霧貫穿距隨正丁醇比例的增加而增大。同時(shí)隨著正丁醇的增加，運(yùn)動(dòng)黏度逐漸減小，燃料液滴更容易破碎，與周圍氣體的混合更好，因此噴霧錐角增大[16]。噴霧面積是噴霧貫穿距和噴霧錐角的綜合體現(xiàn)，通過(guò)對(duì)噴霧貫穿距和噴霧錐角的分析可知，在一定的摻混比例范圍內(nèi)，隨著正丁醇比例的增大，噴霧面積將逐漸增加，油束與周圍氣體的混合更好，說(shuō)明在柴油中混合一定比例的正丁醇可以有效提高燃料的霧化質(zhì)量。

3 結(jié)論

a) 環(huán)境背壓對(duì)B20霧化特性的影響較大，在同一共軌壓力下，隨著背壓的增加，B20的噴霧錐角逐漸增大，噴霧貫穿距逐漸減小；

b) 相同背壓下，B20的噴霧貫穿距、噴霧錐角先隨著共軌壓力的增加逐漸增大，但當(dāng)共軌壓力增大到110 MPa后，噴霧貫穿距、噴霧錐角增幅極?。?/p>

c) 一定的摻混比例范圍內(nèi)，隨著正丁醇摻混比例的增加，噴霧貫穿距和噴霧錐角都逐漸增大，說(shuō)明在柴油中混合一定比例的正丁醇可以有效提高燃料的霧化質(zhì)量。

[1] 李會(huì)芬，余紅東，黃錦成．以醇類為助溶劑的乙醇柴油混合燃料的試驗(yàn)研究[J]．廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，35(2)：282-285．

[2] 劉學(xué)軍，馬婕，樸香蘭，等．叔丁醇共溶劑用于制備生物柴油的研究[J]．化學(xué)工程，2008，36(1)：41-43．

[3] Mingfa Yao，Hu Wang，Zunqing Zheng．Experimental Study of n-butanol Additive and Multi-injection on HD Diesel Engine Performance and Emissions[J].Fuel，2010，89(6)：2191-2201．

[5] Miloslaw J Kozak．Exhaust Emissions From a Diesel Passenger Car Fuelled With a Diesel Fuel-Butanol Blends[C]．SAE Paper 2011-28-0017．

[6] Scott A Miers，Richard W Carlson，Steven S McConnell，et al．Drive Cycle Analysis of Butanol/Diesel Blends in a Light-Duty Vehicle[C]．SAE Paper 2008-01-2381．

[7] 張全長(zhǎng)，堯命發(fā)，鄭尊清，等．正丁醇對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒和排放的影響[J]．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2010，16(4)：363-368．

[8] 周庭波．丁醇柴油混合燃料燃燒和排放性能的試驗(yàn)研究[D]．長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012：21-35．

[9] Chang Chen-Teng.Experimental study of Diesel Spray Characcteristics and Atomization[D].Madison:Univer-sity of Wisconsin-Madison,USA,1998：31-42.

[10] 吳健，徐斌，馬志豪，等.乙醇柴油混合燃料噴霧特性的試驗(yàn)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010,2:195-198.

[11] ZHAO Xiaowei，HAN Xiukun，HE Chao，et al.Experimental Study on Spray Characteristics of Bio-Diesel Oil[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2008，29(1)：16-19.

[12] GAO Jian，JIANG Deming，HUANG Zuohua．Spray Properties of Alternative Fuels:A Comparative Analysis of Ethanol-gasoline Blends and Gasoline[J]．Fuel，2007，86(10)：1645-1650.

[13] ZHAO Luming，HE Xu，ZHENG Liang，et al.Spray Characteristics of Biodiesel under High Injection Pressure[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery，2012，43(9)：6-10.

[14] 曹建明，王磊，陳志偉，等.柴油-生物柴油混合燃料噴霧特性試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008(1)：32-35.

[15] ZHANG Dengpan，YUAN Yinnan，DU Jiayi，et al.Experimental Study on Bio-Diesel Free Spray[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2010，31(6)：13-16.

[16] 宋福祥，姜北平，秦克印，等.高壓共軌柴油機(jī)噴霧特性研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011(2)：83-85.

[編輯： 姜曉博]

Macroscopic Spray Characteristics of Diesel and n-Butanol Blends

WU Fengying, WANG Zhancheng, WU Jian, ZHU Lili

(College of Vehicle & Traffic Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， China)

The spray test of diesel mixed with 0%, 5%, 10% and 20% n-butanol respectively was conducted on a high-pressure common rail spray test bench. The results show that the spray cone angle increases and the penetration decreases with the increase of ambient pressure under the same injection pressure. Under the same back pressure, the penetration and the spray cone angle increase, but will stop increasing when the common rail pressure reaches 110 MPa. The penetration and spray cone angle increase with the increase of n-butanol mixing proportion under the same back pressure and common rail pressure, which proves the possibility of improving fuel spray quality with n-butanol.

diesel; n-butanol; blended fuel; back pressure; common rail pressure; penetration; spray cone angle

2014-12-24；

2015-01-30

河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(092300410125)；河南省重點(diǎn)攻關(guān)基金項(xiàng)目(092102210013)

吳鳳英(1979—)，女，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)排放控制；xiaowufengying@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.006

TK421.43

B

1001-2222(2015)03-0027-05