純柴油噴霧發展過程研究

戴仁杰，朱錫玉，張凱妹，武奎，曹建明

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064 ）

引言

發動機的性能直接受燃燒室噴霧特性的影響，在國家對排放法規日益嚴格的今天，如何兼顧發動機經濟性能、動力性能和排放標準變得尤為重要，燃油的噴霧特性研究由此得到廣泛的重視。本試驗在手壓油泵噴霧質量分析系統試驗臺上，結合馬爾文Spraytec噴霧粒度分析儀，測得不同軸向距離的噴霧尺寸分布，記錄索特平均直徑[1]，分析計算各特征直徑，從而得出噴霧的發展過程的規律。

1 噴霧特性試驗

試驗選用特制單孔噴嘴，噴油壓力為21Mpa。本實驗采用馬爾文法[2]從微觀角度研究霧化液滴尺寸分布，目的是分析不同軸向距離下純柴油的霧化質量，從而得出柴油的噴霧發展過程的規律。測試系統如圖1所示。測試系統主要由馬爾文激光粒度儀、裝有馬爾文控制軟件的計算機和噴射系統組成。馬爾文激光粒度分析儀由英國馬爾文儀器有限公司制造，采用激光衍射技術對噴入激光束中的粒子進行采集并測量霧場中粒子的直徑，粒徑測量范圍大，采用750mm透鏡，光源為 632.8 nm、5 mW 氦氖激光器，能夠實時、準確的對噴霧粒子的微觀特性參數進行測量。噴射系統噴射油霧粒子，馬爾文控制軟件控制激光粒度儀發射激光束，接收噴入激光束的粒子，由計算機分析計算出粒子的尺寸數目分布和索特平均直徑。

2 實驗結果分析

2.1 霧化油滴的索特平均直徑

噴霧液滴平均直徑的概念是由 Mugele 和 Eyans 提出的概念[3]，其中索特平均直徑是最常用的指標，表示霧化油滴的體積與面積之比。通過馬爾文激光粒度儀測得不同軸向距離的噴霧粒徑的索特平均直徑如表1所示。由表1數據可知，噴霧軸向距離越大，索特平均直徑越大，說明隨著時間的推移，小顆粒的油滴揮發掉了，而油滴的相互碰撞的影響使粘合的油滴直徑變大。

圖1 微觀噴霧特性測試系統

表1 霧化油滴的索特平均直徑（D32）

2.2 霧化油滴的尺寸數目

圖2給出了純柴油的霧化油滴在H=20cm、H=30cm和H=40cm的尺寸數目分布，由油滴尺寸數目分布圖可以看出，隨著軸向距離的增大，純柴油的尺寸分布明顯向大顆粒偏移，說明油滴的碰撞粘合起作用。

圖2 尺寸數目分布

2.3 霧化油滴的累積體積分布

圖3給出了霧化油滴在H=20cm、H=30cm和H=40cm的累積體積分布，由油滴累計體積分布圖可以看出，70μm以下的油滴的累積體積占總體積的比例在90%以上，由于大顆粒體積要遠遠大于小顆粒體積，說明70μm的以上的大顆粒油滴數目非常稀少，H=30cm曲線和 H=20cm曲線在 80μm以上的油滴幾乎不存在；H=20cm曲線、H=30cm曲線和H=40cm曲線按照由高到低的規律分布，說明隨著軸向距離的增加，達到某一累計體積的油滴直徑增大。

圖3 累積體積分布

2.4 霧化油滴的尺寸發散和特征直徑

霧化油滴的尺寸發散表示油滴從最小直徑到最大直徑的范圍，一般平均直徑越小，液滴的尺寸范圍也越小，尺寸分布的曲線窄而尖。發散可以用均勻度[4]、相對尺寸范圍、發散度、發散邊界等指標來評價。相對尺寸范圍和發散邊界是表示液滴尺寸發散最常用的指標，定義為：

式中：D0.9表示小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的 90%；D0.1表示小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的 10%；D0.5表示小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的50%。

發散邊界表示最大液滴直徑相對于質量中值直徑的發散程度，用于評價最大液滴直徑的發散程度，定義為：

式中：D0.999表示小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的99.9%；

表2給出了霧化油滴的相對尺寸范圍和發散邊界隨軸向距離變化的關系，由表2可以看出隨著軸向距離的增加，相對尺寸范圍和發散邊界先增加后減小。表3給出了霧化油滴的特征直徑，由表3可以看出隨著軸向距離不斷增大，霧化油滴的各特征直徑增大。

表2 霧化油滴的尺寸發散

表3 霧化油滴的特征直徑

3 結論

（1）隨著距離噴嘴水平距離的變大，燃油霧化的索特平均直徑變大。

（2）隨著距離噴嘴水平距離的變大，各特征直徑不斷變大。

（3）隨著距離噴嘴水平距離的變大，發散情況呈現先增加后減少的趨勢。

參考文獻

[1] 曹建明,液體噴霧學[M].北京:北京大學出版社.2013.7.

[2] 耿莉敏,汪月英,王城等.燃料物理性質差異對柴油機噴霧特性的影響[J].鄭州大學學報,2014,(35) 4:14-18.

[3] Mugele R, Evans H D. Droplet Size Distributions in Sprays[J].Ind.Eng. Chem, 1951, 43 (6) :1371-1324.

[4] Tate R W.Some problems associated with the accurate representation of drop-size distributions.Madison:Proc.of the 2nd International Conference on Liquid Atomization and Sprays.1982:341-351.