生物柴油和柴油直噴噴霧特性試驗研究

高東志，秦建蕓，許丹丹，包俊江，景曉軍

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300)

柴油機與汽油機不同，采用缸內直噴的擴散燃燒方式，因而燃燒室內混合氣分布不均勻。另一方面，柴油機的壓縮比較汽油機高，導致NOx及炭煙排放較高，因此油氣混合過程的優化對柴油機的動力性、排放性、經濟性等都有著非常巨大的影響。柴油機缸內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、環境溫度等是燃油噴霧特性的重要影響因素。隨著環境污染的加劇，一系列節能環保的法規相繼出臺，針對燃料霧化質量影響因素的研究顯得愈發重要。另一方面，隨著化石燃料的枯竭和排放法規的日益嚴格，可再生清潔能源的研究和開發越來越受到人們的關注。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行酯化反應后的產物之一。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)環保特性優良。生物柴油可以在不改變柴油機結構的前提下,獲得與柴油接近的動力性能和比柴油優越的排放性能(NOx排放除外)，同時具有減少CO2排放的優點；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%(有催化劑時為70%)；而且由于生物柴油的高含氧量[1-2]，其燃燒時排煙少，CO排放與柴油相比減少約10%(有催化劑時為95%)。2)具有良好的燃料性能和低溫發動機起動性能，生物柴油十六烷值高，無添加劑冷濾點達-20 ℃。3)具有較好的潤滑性能，可以使噴油泵、發動機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動機機油的使用壽命。4)生物柴油作為可再生能源，其可供應量不會枯竭，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-10號柴油直噴噴霧特性試驗研究。通過改變噴油壓力，燃油溫度和環境溫度等參數，在定容噴霧試驗裝置中結合高速攝影技術得到不同工況的噴霧特性，包括噴霧形態、噴霧貫穿距、噴霧貫穿速度和噴霧錐角[6]。

1 試驗裝置與研究方法

1.1 試驗設備和條件

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

圖1 定容噴霧試驗裝置示意

試驗條件如表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種環境溫度(25 ℃，350 ℃)，環境背壓穩定在0.1 MPa，噴油持續期為2 ms。

表1 試驗條件

所用燃料為B5生物柴油和京標-10號柴油。生物柴油和京標-10號柴油符合標準GB/T 20828—2015《柴油機燃料調和用生物柴油(BD100)》、DB 11/239—2016《車用柴油》的技術要求。B5生物柴油是使用餐飲行業及下水管道廢棄的“地溝油”，經過化學反應后，與普通柴油按照5∶95的比例調和而成的綠色能源。京標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、噴霧貫穿距、噴霧錐角和噴霧貫穿速度是用來表征噴霧結構的宏觀參數，這些參數由自編的MATLAB程序批處理獲得。通過設定圖片像素閾值定義噴霧的邊界。根據圖片像素與可視區域的實際尺寸計算油束的實際尺寸。參考文獻[10-11]定義噴霧錐角和噴霧貫穿距。

2 試驗結果和分析

2.1 噴霧形態

圖2至圖4分別示出B5生物柴油和京標-10號柴油在60 MPa，100 MPa和120 MPa噴油壓力條件下的噴霧發展照片。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種燃料噴霧發展照片可以看出，在相同條件下B5生物柴油油束蒸發持續時間較京標-10號柴油更長，表明B5生物柴油的蒸發性較差。噴油結束(0.2 ms時刻)后，比較0.266 ms和0.3 ms時刻的圖像可以看出，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 ℃環境溫度)，對比0.033 ms時刻的圖像可知，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時刻兩種燃油圖像可以看出，京標-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展照片

圖3 100 MPa噴油壓力下的噴霧發展照片

圖4 120 MPa噴油壓力下的噴霧發展照片

對于同一種燃料，比較60 MPa，100 MPa，120 MPa下的噴霧形態，發現噴霧貫穿距以及噴霧錐角隨著軌壓的增加而增大，這是因為較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擾動發生橫向運動，致使噴霧錐角增大。噴油壓力和燃油溫度相同條件下，比較兩種燃料在環境溫度25 ℃和350 ℃的噴霧形態可以看出，隨著環境溫度的增加，油束外圍液滴在高溫下蒸發作用加劇，使得液相區域減小，噴霧貫穿距較低溫時變小。

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-10號柴油的噴霧貫穿距以及噴霧貫穿速度隨時間的量化關系。在油束發展0.5 ms以內，兩種燃料噴霧貫穿距均隨時間幾乎呈線性變化；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。隨著時間的推移(油束的發展)，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。在燃油溫度和環境背溫相同的條件下，噴油壓力越大，噴霧延時越短，同一時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；環境溫度25 ℃時，比較相同條件下B5生物柴油和京標-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，隨著環境溫度由25 ℃升高到350 ℃，兩種燃料均在350 ℃對應噴霧過程的最大噴霧貫穿速度更大，表明隨著環境溫度的升高，液態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400 m/s。比較起始噴油時刻可知，隨著環境溫度的升高，噴霧延遲時間略微減小；且噴霧發展持續期減小，在噴油壓力60 MPa條件下，噴霧發展持續期減少約0.03 ms。

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

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

圖7 燃油溫度80 ℃、環境溫度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間的變化。各工況下噴霧錐角的發展趨勢類似，在燃油噴射初期噴霧錐角稍大，當噴射時間約為0.6 ms以后噴霧錐角基本保持不變。圖8中，當燃油溫度和環境溫度相同時，0.6 ms噴霧錐角穩定之后，兩種燃料均表現出隨著軌壓增加噴霧錐角增大趨勢，這是因為較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的擾動影響，使其向橫向運動，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，是因為隨著燃油溫度的升高，燃油黏度變小，加速液態油霧的破碎和蒸發，有利于燃油的霧化所致。比較圖9和圖10，當噴油壓力和燃油溫度相同，環境溫度由25 ℃升高到350 ℃，噴霧錐角明顯減小，350 ℃環境溫度使得油束外圍的液滴蒸發加劇，液相區域變小。綜合比較相同條件下B5生物柴油和京標-10號柴油噴霧錐角，京標-10號柴油的噴霧錐角略大，這是因為5%生物柴油的加入使得B5燃料黏度增加，分子間作用力加強，使得噴霧錐角減小。

圖8 燃油溫度35 ℃、環境溫度25 ℃，不同噴油壓力下噴霧錐角隨時間的變化

圖9 燃油溫度80 ℃、環境溫度25 ℃，不同噴油壓力下噴霧錐角隨時間的變化

圖10 燃油溫度80 ℃、環境溫度350 ℃，不同噴油壓力下噴霧錐角隨時間的變化

3 結論

a)在相同條件下B5生物柴油油束蒸發持續時間較京標-10號柴油更長，表明B5生物柴油的蒸發性較差；

b)兩種燃料噴霧貫穿距隨時間幾乎呈線性變化，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；隨著時間的推移(油束的發展)，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，隨著環境溫度由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400 m/s；

d)相同條件下京標-10號柴油的噴霧錐角略大。