柴油摻混燃料噴霧的可視化研究

史　程　王慶新　于　健

(1.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004；2.黑龍江生態工程職業學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

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柴油摻混燃料噴霧的可視化研究

史程1王慶新1于健2

(1.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004；2.黑龍江生態工程職業學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

為了探究發動機燃油的霧化質量對可燃混合氣的燃燒和排放的影響，試驗搭建了一套高壓共軌噴霧定容測試系統，利用高速攝影技術對柴油/正丁醇/汽油混合燃料(D70G30、D70B30、B15G15和D100)在噴射壓力為60MPa、環境背壓為3MPa下的噴霧過程進行瞬時拍攝，分析對比了混合燃料的宏觀噴霧形態。研究表明：在柴油中摻混少量的汽油或正丁醇會改善燃油噴射的霧化質量，從而可以提高燃料的燃燒效率。

柴油；摻混燃料；正丁醇；噴霧；可視化

隨著全球能源利用的日益增加和傳統化石燃料的日趨枯竭，尋找高效清潔的替代燃料已變得迫在眉睫[1]。研究表明，在發動機燃料中添加一定比例的含氧生物質燃料是改善發動機排放的有效途徑之一，而且發動機動力性不受任何影響[2]。正丁醇作為一種可再生、可降解的含氧燃料得到越來越多的關注。Oguzhan Dogan等[3]研究表明，柴油機燃料中添加正丁醇，可以減少CO的排放。Binbin Yang等[4]發現燃料中摻混一定比例的正丁醇可以大大降低碳煙的排放。Gerardo Valentino等[5]研究發現，隨著正丁醇摻混比例的增加，混合燃料中含氧量升高，十六烷值降低，滯燃期延長。此外，汽油這種常見的燃料亦可添加到柴油中用來改善柴油機的燃燒和排放性能。Yu Chao等[6]研究了增大柴油中汽油的摻混比例能夠有效降低碳煙排放。Su Han Park等[1]在一臺壓燃式發動機上對汽油—柴油混合燃料的燃燒特性進行研究，發現添加汽油可以促進油氣混合，形成更多均質混合氣，從而延長燃料的滯燃期。

上述相關研究主要集中在發動機的燃燒特性和排放性能，而對于柴油摻混正丁醇或汽油的噴霧過程研究還較少。此外，發動機摻混燃料的噴霧特性，對了解燃油燃燒機理，優化燃燒過程，改善排放特性都有重要的影響。考慮到這一點，本文通過高壓共軌噴霧定容測試系統對柴油/正丁醇/汽油混合燃料的噴霧圖像的變化規律進行研究，為今后柴油機燃料最佳配比的探究提供一定的參考和依據。

1　試驗裝置和方法

試驗所用燃料以市售0#普通車用柴油為基礎燃料，通過添加不同體積比例的汽油和正丁醇，配置成四種混合燃料(D70G30、D70B30、B15G15和D100)，分別代表混合燃料中含有體積比為30%汽油和70%柴油，30%正丁醇和70%柴油，15%正丁醇、15%汽油和70%柴油，100%柴油。表1為本試驗所用燃料的部分物理化學性質參數。

試驗研究中使用的定容燃燒彈—高速攝像系統如圖1所示，其拍攝的圖片為柴油摻混燃料的噴霧過程提供了較為理想的實驗數據。試驗臺架主要由定容燃燒彈、高壓共軌噴油系統、高速攝像系統、同步采集系統等組成。試驗中采用自行設計的定容燃燒彈。定容燃燒彈是為了研究燃油的噴霧和燃燒而特別設計的試驗裝置，用來模擬內燃機燃燒室內真實環境，可運用高速攝像、紋影及激光熒光測試等手段研究噴霧過程中油束的形態、濃度，甚至某些特殊成分的空間分布。高壓共軌噴油系統采用Bosch CP2型超高壓共軌燃油噴射系統，噴油壓力可達220MPa。試驗所用噴油器為Bosch電磁閥式無錐角單孔噴油器，噴孔直徑是0.17mm，油嘴孔長度為0.65mm。噴霧形態圖像由日本Photron公司生產的FASTCAM-SA7型高速攝像機進行采集。

表1　燃料物理化學性質

試驗中先通過注入高壓氮氣使定容燃燒彈內環境背壓穩定在3MPa，熱電偶顯示容彈內溫度為25℃。操作共軌噴射系統向定容彈中噴油，設置共軌電機轉速600r/min，兩次噴射時間間隔為0.1s，噴射壓力取60MPa，噴射脈寬為2.0ms。同時高速攝像系統采集定容彈中的噴霧圖像，設置高速相機圖片分辨率為512×256，拍攝速度為10 000幀/s(相鄰兩張圖片的時間間隔為0.1ms)。試驗拍攝的噴霧圖片通過Matlab軟件中的功能函數和編寫的程序對圖片進行圖像背景去除、形態學操作等處理。

2　試驗結果與討論

高速攝像系統拍攝的四種燃料不同時刻的噴霧形態經Matlab軟件處理后的圖像如圖2所示。針對每組試驗，從噴嘴出口處開始有油束噴出到噴油器停止噴油截止，一共采集了20張圖片，第一張時刻為0.1ms，以后每兩張圖片的時間間隔為0.1ms，到最后一張時刻為2.0ms。結合圖2的宏觀噴霧形態圖像，將混合燃料的噴霧過程分為以下四個階段：

第一階段(0ms—0.5ms)：燃油剛從噴油器的噴孔噴出，主要發生初次霧化，混合燃料此時未得到充分發展，噴霧貫穿距離與噴霧錐角都還比較小，油霧面積較為密集，噴出噴孔的油量還比較少，主要集中在油嘴處下方的一小段區域內。從噴霧形態可以看出，主體顏色較深，并且外輪廓明顯，噴射油霧與周圍環境氣體的卷吸作用十分微弱。

第二階段(0.5ms—1.0ms)：隨著噴射的持續進行，噴射油霧不斷得到補充，油束動能和徑向動量均較大，噴霧形態呈現急劇擴散的趨勢發展，噴霧錐角和噴霧貫穿距離都逐漸得到發展。此時油束前端處顏色較主體部分略淺，濃度也較中間部分稀薄，霧型前鋒面處有部分燃油液滴與定容彈內介質發生相互作用。

第三階段(1.0ms—1.5ms)：在此階段噴霧量達到最大，噴霧油束體積不斷擴大，在向前噴射的過程中與空氣之間的相互運動變得更加劇烈，二次霧化作用明顯，導致前端面有“分叉”和“塌陷”現象出現，噴霧貫穿距離繼續增大，部分燃油溫度升高由液態轉變為氣態，與空氣充分混合。

第四階段(1.5ms—2.0ms)：噴霧形態繼續隨時間向前發展，噴霧整體呈現梭形形狀，“分叉”和“塌陷”現象在此處有逐漸消失的趨勢，油霧主體不再沿軸線方向發展，而是向四周運動，噴霧前期以大體積形態存在的油束隨著霧化不斷加強而逐漸變淺，油霧在空間更均勻地稀疏分布。

從四種燃料的噴霧過程可以看出，添加了正丁醇的兩種混合燃料的噴霧錐角和油束發展面積較D100和D70G30的略大；而D70G30的噴霧貫穿距離在四種混合燃料中是最大的，D70B30則低于B15G15，但略大于D100。混合燃料出現這些差異主要是因為燃料的運動粘度、密度、表面張力等物理化學性質參數不同所導致的。混合燃料的運動粘度越高，其油滴越密集越容易聚合，油滴間的撞擊粘合也就越多，混合燃料的噴霧錐角、油束發展面積就越小；而表面張力和密度也會阻止油滴表面的形變，故而也會減小混合燃料的霧化混合質量。

3　結論

本文主要利用高壓共軌噴霧定容測試系統和高速攝影技術對柴油/正丁醇/汽油的四種混合燃料(D70G30、D70B30、B15G15和D100)的噴霧過程進行研究。得出如下結論：

(1)在四種混合燃料的噴霧發展過程中，噴霧貫穿距離均是先快速變大而后增大幅度逐漸減小，最后趨于一個穩定的區間范圍。

(2)從整個噴霧發展過程看，混合燃料的噴霧錐角基本無變化，而且四種燃料的噴霧錐角差別也不大。

(3)添加了汽油和正丁醇的混合燃料均比純柴油的油束發展面積大，說明在柴油中摻混少量的汽油或正丁醇會改善燃油噴射的霧化質量，從而可以提高燃料的燃燒效率。

[1]Park S H, Youn I M, Lim Y, et al. Influence of the mixture of gasoline and diesel fuels on droplet atomization, combustion, and exhaust emission characteristics in a compression ignition engine[J].Fuel Processing Technology,2013,(106):392—401.

[2]張鵬，劉海峰，陳貝凌，等.摻混含氧燃料的柴油替代物部分預混火焰中多環芳香烴的熒光光譜和碳煙濃度[J].物理化學學報，2015，31(1)：32—40.

[3]Dogan O. The influence of n-butanol/diesel fuel blends utilization on a small diesel engine performance and emissions[J].Fuel,2011,(90):2 467—2 472.

[4]Yang B B, Yao M F, Cheng W K, et al. Regulated and unregulated emissions from a compression ignition engine under low temperature combustion fuelled with gasoline and n-butanol/gasoline blends[J].Fuel,2014,(120):163—170.

[5]Valentino G, Corcione F E, Iannuzzi S E, et al. Experimental study on performance and emissions of a high speed diesel engine fuelled with n-butanol diesel blends under premixed low temperature combustion[J].Fuel,2012,(92):295—307.

[6]Yu C, Wang J X, Wang Z, et al. Comparative study on Gasoline Homogeneous Charge Induced Ignition (HCII) by diesel and Gasoline/Diesel Blend Fuels (GDBF) combustion[J].Fuel,2013,(106):470—477.

責任編輯：張耀華

10.3969/j.issn.1674-6341.2016.04.016

2016-05-13

史程(1989—)，男，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士生。研究方向：內燃機噴霧與燃燒的光學測試。

TK421.4

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1674-6341(2016)04-0035-02