高東志，秦建蕓，許丹丹，包俊江，景曉軍

(中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300)

柴油機(jī)與汽油機(jī)不同，采用缸內(nèi)直噴的擴(kuò)散燃燒方式，因而燃燒室內(nèi)混合氣分布不均勻。另一方面，柴油機(jī)的壓縮比較汽油機(jī)高，導(dǎo)致NOx及炭煙排放較高，因此油氣混合過程的優(yōu)化對柴油機(jī)的動力性、排放性、經(jīng)濟(jì)性等都有著非常巨大的影響。柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣形成受燃油噴霧特性的影響較大，其中噴油壓力、燃油溫度、環(huán)境溫度等是燃油噴霧特性的重要影響因素。隨著環(huán)境污染的加劇，一系列節(jié)能環(huán)保的法規(guī)相繼出臺，針對燃料霧化質(zhì)量影響因素的研究顯得愈發(fā)重要。另一方面，隨著化石燃料的枯竭和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，可再生清潔能源的研究和開發(fā)越來越受到人們的關(guān)注。生物柴油作為綠色能源，在柴油燃料替代方面具有較大的潛力。生物柴油又名脂肪酸甲酯,是甘油三酸酯與甲醇進(jìn)行酯化反應(yīng)后的產(chǎn)物之一。其主要的原料有植物油、動物脂肪和回收廢油。生物柴油具有下述特性：1)環(huán)保特性優(yōu)良。生物柴油可以在不改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下,獲得與柴油接近的動力性能和比柴油優(yōu)越的排放性能(NOx排放除外)，同時(shí)具有減少CO2排放的優(yōu)點(diǎn)；生物柴油中硫含量低，因而相比于柴油，二氧化硫和硫化物的排放可減少約30%(有催化劑時(shí)為70%)；而且由于生物柴油的高含氧量[1-2]，其燃燒時(shí)排煙少，CO排放與柴油相比減少約10%(有催化劑時(shí)為95%)。2)具有良好的燃料性能和低溫發(fā)動機(jī)起動性能，生物柴油十六烷值高，無添加劑冷濾點(diǎn)達(dá)-20 ℃。3)具有較好的潤滑性能，可以使噴油泵、發(fā)動機(jī)缸體和連桿的磨損率降低，此外燃燒殘留物呈微酸性，因此可以增加催化劑和發(fā)動機(jī)機(jī)油的使用壽命。4)生物柴油作為可再生能源，其可供應(yīng)量不會枯竭，并且可以與柴油以任意比例混合[3-5]。

基于此，本研究采用單孔直噴噴油器開展B5生物柴油與京標(biāo)-10號柴油直噴噴霧特性試驗(yàn)研究。通過改變噴油壓力，燃油溫度和環(huán)境溫度等參數(shù)，在定容噴霧試驗(yàn)裝置中結(jié)合高速攝影技術(shù)得到不同工況的噴霧特性，包括噴霧形態(tài)、噴霧貫穿距、噴霧貫穿速度和噴霧錐角[6]。

1 試驗(yàn)裝置與研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和條件

本試驗(yàn)在定容噴霧試驗(yàn)臺架上進(jìn)行，試驗(yàn)臺架如圖1所示，主要包括定容噴霧試驗(yàn)腔體、噴油系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、光源和高速攝像機(jī)。定容噴霧試驗(yàn)腔體為一密閉的空間，并配有相應(yīng)的觀察窗，可供光源光路通過以及攝像機(jī)光路通過。噴油系統(tǒng)由自行開發(fā)的電控單元控制，可靈活調(diào)節(jié)軌壓和噴油持續(xù)期。定容噴霧試驗(yàn)腔體中環(huán)境溫度和燃油溫度由加熱裝置調(diào)節(jié)，并由電磁繼電器閉環(huán)控制。高速攝像機(jī)(FASTCAM SA-X2)觸發(fā)拍攝與噴油起始信號同步，拍攝速率為30 000 幀/s。進(jìn)排氣系統(tǒng)分別安裝在燃燒室的兩端，可將燃燒室內(nèi)混合氣清掃干凈。采用LED燈作為光源，拍攝方式為直接拍攝。

圖1 定容噴霧試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)條件如表1所示，采用3種噴油壓力(60 MPa，100 MPa，120 MPa)，2種燃油溫度(35 ℃，80 ℃)，2種環(huán)境溫度(25 ℃，350 ℃)，環(huán)境背壓穩(wěn)定在0.1 MPa，噴油持續(xù)期為2 ms。

表1 試驗(yàn)條件

所用燃料為B5生物柴油和京標(biāo)-10號柴油。生物柴油和京標(biāo)-10號柴油符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20828—2015《柴油機(jī)燃料調(diào)和用生物柴油(BD100)》、DB 11/239—2016《車用柴油》的技術(shù)要求。B5生物柴油是使用餐飲行業(yè)及下水管道廢棄的“地溝油”，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后，與普通柴油按照5∶95的比例調(diào)和而成的綠色能源。京標(biāo)柴油和生物柴油的特性參見表2[7-8]。

表2 燃料特性

1.2 噴霧圖像處理

噴霧形態(tài)、噴霧貫穿距、噴霧錐角和噴霧貫穿速度是用來表征噴霧結(jié)構(gòu)的宏觀參數(shù)，這些參數(shù)由自編的MATLAB程序批處理獲得。通過設(shè)定圖片像素閾值定義噴霧的邊界。根據(jù)圖片像素與可視區(qū)域的實(shí)際尺寸計(jì)算油束的實(shí)際尺寸。參考文獻(xiàn)[10-11]定義噴霧錐角和噴霧貫穿距。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 噴霧形態(tài)

圖2至圖4分別示出B5生物柴油和京標(biāo)-10號柴油在60 MPa，100 MPa和120 MPa噴油壓力條件下的噴霧發(fā)展照片。綜合比較2種燃料在3種噴油壓力下的圖像可以看出，隨著噴油壓力的增加，噴霧貫穿距明顯增加，噴霧油束變得粗壯，表明噴霧錐角略有增加。比較相同噴油壓力下2種燃料噴霧發(fā)展照片可以看出，在相同條件下B5生物柴油油束蒸發(fā)持續(xù)時(shí)間較京標(biāo)-10號柴油更長，表明B5生物柴油的蒸發(fā)性較差。噴油結(jié)束(0.2 ms時(shí)刻)后，比較0.266 ms和0.3 ms時(shí)刻的圖像可以看出，相同條件下，B5生物柴油油束更加明顯，表明5%生物柴油的加入使得B5生物柴油的揮發(fā)性減弱。對于B5生物柴油，在相同噴射條件下(60 MPa噴油壓力，25 ℃環(huán)境溫度)，對比0.033 ms時(shí)刻的圖像可知，燃油溫度80 ℃的噴霧貫穿距較35 ℃略長，表明隨著油溫的增加，B5生物柴油的黏性下降，分子間作用力減小，使得噴霧貫穿距離增加。在相同的條件下對比0.033 ms時(shí)刻兩種燃油圖像可以看出，京標(biāo)-10號柴油的噴霧貫穿距略大，同樣表明，生物柴油的加入使得B5燃料黏性增加。

圖2 60 MPa噴油壓力下的噴霧發(fā)展照片

圖3 100 MPa噴油壓力下的噴霧發(fā)展照片

圖4 120 MPa噴油壓力下的噴霧發(fā)展照片

對于同一種燃料，比較60 MPa，100 MPa，120 MPa下的噴霧形態(tài)，發(fā)現(xiàn)噴霧貫穿距以及噴霧錐角隨著軌壓的增加而增大，這是因?yàn)檩^高的噴射壓力給液體燃料提供更多動能，有利于油束克服空氣介質(zhì)阻力，使得貫穿距增加；另一方面隨著噴油壓力的增加，霧化程度增加，油束外圍直徑較小的液體容易受空氣介質(zhì)擾動發(fā)生橫向運(yùn)動，致使噴霧錐角增大。噴油壓力和燃油溫度相同條件下，比較兩種燃料在環(huán)境溫度25 ℃和350 ℃的噴霧形態(tài)可以看出，隨著環(huán)境溫度的增加，油束外圍液滴在高溫下蒸發(fā)作用加劇，使得液相區(qū)域減小，噴霧貫穿距較低溫時(shí)變小。

2.2 噴霧貫穿距和噴霧貫穿速度

圖5至圖7分別示出B5生物柴油與京標(biāo)-10號柴油的噴霧貫穿距以及噴霧貫穿速度隨時(shí)間的量化關(guān)系。在油束發(fā)展0.5 ms以內(nèi)，兩種燃料噴霧貫穿距均隨時(shí)間幾乎呈線性變化；噴射初期噴霧貫穿速度較大，且隨著噴油壓力的增加噴霧貫穿速度增加。隨著時(shí)間的推移(油束的發(fā)展)，噴霧貫穿速度逐漸下降，且較高的噴油壓力下噴霧貫穿速度下降趨勢更為明顯。這是由于在較大的噴油壓力下，噴霧錐角較大，油束橫截面積較大且液滴粒徑較小，使得油束在發(fā)展過程中受到的空氣阻力大，因此速度下降的趨勢更加明顯。在燃油溫度和環(huán)境背溫相同的條件下，噴油壓力越大，噴霧延時(shí)越短，同一時(shí)刻的貫穿距和噴霧初始階段的貫穿速度越大，較大的噴油壓力使得油束獲得更多動能，噴霧初期獲得較大的貫穿距和貫穿速度；環(huán)境溫度25 ℃時(shí)，比較相同條件下B5生物柴油和京標(biāo)-10號柴油噴霧貫穿速度可知，B5生物柴油在噴霧過程后半段貫穿速度出現(xiàn)波動，且隨著噴油壓力的降低，速度波動的趨勢更加明顯。在噴油壓力和燃油溫度相同時(shí)，隨著環(huán)境溫度由25 ℃升高到350 ℃，兩種燃料均在350 ℃對應(yīng)噴霧過程的最大噴霧貫穿速度更大，表明隨著環(huán)境溫度的升高，液態(tài)油束的橫截面積減小，噴霧過程中受到的空氣阻力更小，噴霧貫穿速度更大，120 MPa噴油壓力下最大噴油速度可達(dá)400 m/s。比較起始噴油時(shí)刻可知，隨著環(huán)境溫度的升高，噴霧延遲時(shí)間略微減小；且噴霧發(fā)展持續(xù)期減小，在噴油壓力60 MPa條件下，噴霧發(fā)展持續(xù)期減少約0.03 ms。

圖5 燃油溫度35 ℃、環(huán)境溫度25 ℃，不同噴油壓力下噴霧貫穿距和噴霧貫穿速度隨時(shí)間的變化

圖6 燃油溫度80 ℃、環(huán)境溫度25 ℃，不同噴油壓力下噴霧貫穿距和噴霧貫穿速度隨時(shí)間的變化

圖7 燃油溫度80 ℃、環(huán)境溫度350 ℃，不同噴油壓力下噴霧貫穿距和噴霧貫穿速度隨時(shí)間的變化

2.3 噴霧錐角

圖8至圖10分別示出兩種燃料在不同條件下噴霧錐角隨時(shí)間的變化。各工況下噴霧錐角的發(fā)展趨勢類似，在燃油噴射初期噴霧錐角稍大，當(dāng)噴射時(shí)間約為0.6 ms以后噴霧錐角基本保持不變。圖8中，當(dāng)燃油溫度和環(huán)境溫度相同時(shí)，0.6 ms噴霧錐角穩(wěn)定之后，兩種燃料均表現(xiàn)出隨著軌壓增加噴霧錐角增大趨勢，這是因?yàn)檩^高的噴射壓力利于燃油液滴的霧化，噴霧外圍直徑較小的液滴易受周圍介質(zhì)的擾動影響，使其向橫向運(yùn)動，致使噴霧錐角增大。比較圖8和圖9，相同的噴油壓力和環(huán)境溫度條件下，隨著燃油溫度由35 ℃升高到80 ℃，噴霧錐角略有增加，是因?yàn)殡S著燃油溫度的升高，燃油黏度變小，加速液態(tài)油霧的破碎和蒸發(fā)，有利于燃油的霧化所致。比較圖9和圖10，當(dāng)噴油壓力和燃油溫度相同，環(huán)境溫度由25 ℃升高到350 ℃，噴霧錐角明顯減小，350 ℃環(huán)境溫度使得油束外圍的液滴蒸發(fā)加劇，液相區(qū)域變小。綜合比較相同條件下B5生物柴油和京標(biāo)-10號柴油噴霧錐角，京標(biāo)-10號柴油的噴霧錐角略大，這是因?yàn)?%生物柴油的加入使得B5燃料黏度增加，分子間作用力加強(qiáng)，使得噴霧錐角減小。

圖8 燃油溫度35 ℃、環(huán)境溫度25 ℃，不同噴油壓力下噴霧錐角隨時(shí)間的變化

圖9 燃油溫度80 ℃、環(huán)境溫度25 ℃，不同噴油壓力下噴霧錐角隨時(shí)間的變化

圖10 燃油溫度80 ℃、環(huán)境溫度350 ℃，不同噴油壓力下噴霧錐角隨時(shí)間的變化

3 結(jié)論

a)在相同條件下B5生物柴油油束蒸發(fā)持續(xù)時(shí)間較京標(biāo)-10號柴油更長，表明B5生物柴油的蒸發(fā)性較差；

b)兩種燃料噴霧貫穿距隨時(shí)間幾乎呈線性變化，噴射初期噴霧貫穿速度較大，且隨著噴油壓力的增加噴霧貫穿速度增加；隨著時(shí)間的推移(油束的發(fā)展)，噴霧貫穿速度逐漸下降，且較高的噴油壓力下，噴霧貫穿速度下降趨勢明顯；

c)在噴油壓力和燃油溫度相同時(shí)，隨著環(huán)境溫度由25 ℃升高到350 ℃，噴霧過程的最大噴霧貫穿速度更大，且120 MPa噴油壓力下，最大噴霧貫穿速度可達(dá)400 m/s；

d)相同條件下京標(biāo)-10號柴油的噴霧錐角略大。