基于燃料特性影響的噴霧特性研究

李弘志，趙明強，吳宇軒

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

為了改善柴油機的諸多性能，如：提高熱效率、降低排放、減小噪聲等，對于柴油代用燃料的研究日益增多。西安交通大學、江蘇大學、長安大學等國內高校針對生物柴油做了大量的研究[1-3]。綜合研究表明，燃用生物柴油混合燃料時，炭煙、CO、HC排放均降低，NOX排放量明顯上升，但是發動機的動力性和經濟性基本上沒有變化。太原理工大學、江蘇大學、西安交通大學等，對F-T煤制油做了許多方面的研究[4-6]。結果表明，與0#柴油相比，HC、CO、炭煙和 NOX的排放都有降低，其中炭煙和NOX的排放降幅分別可達到40.3%和16.7%。但是由于單純使用代用燃料可能會需要對發動機進行機械改造，增大了發動機的復雜程度。因此，國內外許多研究機構均側重于在柴油中摻混含氧燃料對柴油機性能的影響研究。

HUANG等[7]指出共混物的性能在發動機排放中起著非常重要的作用，試驗結果表明，燃料霧化改善顯著減少排放，尤其是對炭煙排放來說。在眾多的燃料特性中，十六烷值也是影響燃燒和排放的一個非常重要的因素。十六烷值是減少炭煙排放的主要影響因素，與燃料的含氧量和其他性能相比要重要的多。提高燃料的十六烷值，可以同時降低NOX和炭煙的排放，而不改變其他的燃料特性[8]。

LI等[9]研究了正戊醇和正丁醇與柴油共混對噴霧特性的影響，結果表明，正丁醇-柴油共混物的噴霧面積最大，其次是正戊醇-柴油共混物，最后是純柴油。

到目前為止，關于二甲基呋喃（DiMethylFuran,DMF）燃料特性對噴霧特性的影響的研究還不多。因此，有必要對DMF特性在噴霧過程中的影響進行比較和研究。本文對純柴油摻混 5種不同物質分別得到的四種試驗燃料的理化特性和噴霧特性進行了研究和分析，分別分析了來自高速攝影機和激光粒度分析儀的光學數據。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗系統

噴霧試驗臺由噴霧系統和測量系統組成，如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖

1.噴霧系統

噴霧系統包括供氣單元、高壓燃油噴射組件、定容噴霧室和電子控制單元[10]。在供氣單元中，純高壓氮氣儲存在壓縮氮氣儲存罐中，在壓縮氮氣儲存罐和定容噴霧室之間安裝了一個調壓室，此裝置用來穩定定容噴霧室內的環境壓力。高壓燃油噴射組件使用可變頻電動機驅動和控制高壓油泵，兩個噴油器連接在一根高壓共軌上。為了進行噴霧試驗，在定容噴霧室的頭部垂直安裝了一個單孔噴嘴。定容噴霧室是一個中空的金屬立方體，在它上面有3個圓形的觀察窗，在3個圓形觀察窗上面配備有抗高溫不變形的石英玻璃。

2.測量系統

測量系統分為宏觀測量系統和微觀測量系統。采用高速攝像機（FASTCAM-SA7）對液體噴霧的形態和發展過程進行了圖像采集，用兩盞強光燈提供了從環境中區分出燃料所需要的背景光。采用噴霧粒度儀（Winner319A）進行局部噴霧顯微特征的檢測。應用自動對中功能來確保發射端鏡頭的中心和接收端的對齊，使用兩臺電動定位器來確保發射端和接收端同步移動且定位在mm尺度上。用激光衍射法測量了噴霧液滴的尺寸大小和數量，使用 PC機實時顯示和保存測量結果，并用軟件進行操作。

1.2 試驗燃料和試驗條件

1.試驗燃料

本試驗以柴油為基礎油，與2,5-二甲基呋喃、正丁醇、生物柴油、正庚烷、汽油中的一種或兩種進行混合配制了4種柴油混合燃料，4種試驗燃料的摻混比例和主要理化特性如表1所示。

表1 試驗燃料的組成成分和燃料特性

NH13G7代表柴油占比為 80%，正庚烷占比為13%，汽油占比為7%，其余試驗燃料命名方法類似。為了分析2,5-二甲基呋喃性能對噴霧特性的影響，我們特意配制的試驗燃料，使得DMF20和BD13B7的汽化潛熱相同，DMF20和NH13G7的運動粘度相同，NH13G7和NH16DMF4的密度和運動粘度大致相同。

2.試驗條件

本次噴霧試驗的試驗條件如表2所示。定容室的環境背壓為5 MPa，噴射壓力分別為90 MPa、120 MPa和150 MPa，噴油脈寬設定為2 ms，噴油間隔時間為100 ms，環境溫度和燃料溫度均為室溫。

表2 試驗條件

高速攝像機的幀數率設置為10 000 fps，分辨率設置為896像素×896像素。通過調整攝像機鏡頭的成像距離和手動對焦，將實際大小為 896像素×896像素的圖像呈現為100 mm×100 mm的圖像。在幀數率為10 000幀/s的情況下，獲取兩個相鄰圖像之間的時間間隔為 0.2 ms。該試驗重復進行6次。

2 試驗結果與分析

盡管存在空氣阻力、噴油器內部結構和噴射參數等方面的影響，但燃料性能對燃油噴霧特性始終具有十分重要的影響[11]。下文對比分析和討論了 DMF20性能與其他試驗燃料相比對宏觀和微觀噴霧特性的影響。

2.1 燃料特性對STP的影響

圖2為DMF20性能對共混物噴霧在不同噴射壓力下的噴霧貫穿距離（Spray Tip Penetration,STP）的影響。如圖2(b)所示，在120 MPa的噴射壓力下，比較DMF20和BD13B7的STP，可以發現DMF20的STP在1.2 ms之前要大于BD13B7的，但是在 1.2 ms之后，BD13B7的 STP大于DMF20的。造成這種現象的原因有兩個，首先，DMF20的密度比BD13B7的要大，DMF20噴霧液滴的動量也越大，所以 DMF20的 STP在前期比BD13B7的要大；其次，BD13B7較大的運動粘度增加了液滴尺寸，導致了燃料在噴霧發展過程中動量的減小且蒸發困難，進而導致了液滴較大的垂直運動和較長的運動時間，這使得 BD13B7的STP在后期比DMF20的要大。

如圖2(b)所示，在120 MPa的噴射壓力下，比較DMF20和NH13G7的STP，可以發現DMF20的STP在1.4 ms之前要大于NH13G7的，但是在1.4 ms之后，NH13G7的STP大于DMF20的。產生這種現象的原因也有兩個，一是DMF20的密度要大于NH13G7的密度，這導致了DMF20的STP比NH13G7的要大；二是NH13G7的汽化潛熱較大，噴霧液滴的尺寸較小，液滴的初始速度較大，因此，STP也就相對較大。此外，較高的汽化潛熱增加了燃料蒸發的難度，液滴存在的時間就會相對較長，STP也就相對較大。

如圖2(b)所示，在120 MPa的噴射壓力下，比較 DMF20和 NH16DMF4的 STP，可以發現DMF20的STP要大于NH16DMF4的。產生這種現象的原因有三個，一是 DMF20的汽化潛熱較大；二是DMF20的密度較大；三是DMF20的運動粘度較大。

綜合比較圖2中的(a)—(c)，我們不難發現DMF20的性能對STP的影響隨著噴射壓力的增加而改變，在150 MPa的噴射壓力下，DMF20的STP比其他三種共混物噴霧的都要大。較高的汽化潛熱和最大的密度是造成 STP增加的兩個主要原因，但在噴射壓力為90 MPa時，DMF20的STP比其他三種共混物的都要小，這表明了噴射壓力對STP的影響甚至超過了燃料理化特性所造成的影響。此外，比較NH13G7和NH16DMF4在90 MPa和120 MPa下的STP，我們可以發現NH13G7的STP始終大于NH16DMF4的。這一結果進一步驗證了，較高的汽化潛熱有利于較大STP的形成。

圖2 不同噴射壓力下共混物的噴霧貫穿距離

2.2 燃料特性對ASA的影響

由于共混物噴霧的平均噴霧錐角（Average Spray cone Angle, ASA）的值直觀上感覺非常相近，不易觀察，所以我們引入一個新的參數即平均噴霧錐角變化率（Average Spray cone Angle Change Percent, ASACP）來進行分析。定義共混物的ASA相對于DMF20的ASA的變化百分比為ASACP。DMF20性能對共混物噴霧在不同噴射壓力下的 ASA的影響如圖3所示。在噴射壓力為90 MPa時，DMF20的ASA要大于BD13B7的，這是因為 BD13B7的運動粘度較大，這對射流的破碎有較大的阻礙作用，使得燃料液滴的霧化程度較差，其油滴越密集，油滴之間的碰撞和粘合就越多，所以噴霧朝徑向發展的難度較大，導致了BD13B7的ASA較小。在噴射壓力為120 MPa時，BD13B7的ASA大致和DMF20的相同，但是在噴射壓力為150 MPa時，BD13B7的ASA要大于DMF20的，這表明噴射壓力對ASA的影響很大。

如圖3所示，在噴射壓力分別為 90 MPa、120 MPa和150 MPa時，DMF20的ASA始終大于NH13G7的ASA。這是因為NH13G7的汽化潛熱較大，噴霧液滴的尺寸較小且不易蒸發，在1 000 μs之后，由于噴油較多，液滴的動量作用較明顯，液滴沿軸向運動的趨勢更加強烈，沿徑向運動的趨勢較小，因此，混合燃料的噴霧錐角就越小。

如圖3所示，在噴射壓力為90 MPa或120 MPa時，NH16DMF4的ASA要大于DMF20的，但是在噴射壓力為150 MPa時，DMF20的ASA略大于NH16DMF4的。前者是因為DMF20的運動粘度和汽化潛熱都比 NH16DMF4要大，這導致了DMF20的 ASA較小。后者是因為噴射壓力的影響超過了燃料理化特性所造成的影響。

圖3 共混物在不同噴射壓力下的平均噴霧錐角及其變化率

2.3 燃料特性對SMD的影響

DMF20性能對共混物噴霧在不同噴射壓力下的索特平均直徑（Sauter Mean Diameter, SMD）的影響如圖4所示。因為各試驗燃料的SMD值比較相近，不宜觀察，所以我們在此引入了一個新的參數即SMD變化率（Sauter Mean Diameter Change Percent, SMDCP）來分析各試驗燃料的理化特性對SMD造成的影響。定義共混物的SMD相對于DMF20的SMD的變化百分比為SMDCP。如圖4所示，四種試驗燃料的SMD大致范圍在16 μm到18 μm之間。其中BD13B7的SMD最小，DMF20和NH13G7的次之，NH16DMF4的較大。

如圖4所示，當噴射壓力為90 MPa時，BD13B7的SMD最小，這可能和BD13B7最大的運動粘度有關，較高的運動粘度有利于剪切分裂的形成，這促成了液滴進一步破碎形成更小的液滴，在相對體積相同的情況下，相對液滴表面積較大，這導致了較小的SMD。

如圖4所示，因為NH13G7和NH16DMF4的理化特性相差不大，所以兩者的SMD相差不大，但是根據折線可以看出NH16DMF4的SMD要略大于NH13G7的，這與NH16DMF4較低的汽化潛熱和較低的運動粘度有關。

如圖4所示，隨著噴射壓力的增大，四種試驗燃料的SMD均減小，即隨著噴射壓力的增大，液滴尺寸會減小，這會使得液滴的總表面積升高，但是總體的燃料體積不變，綜合影響就會使SMD減小。

圖4 不同共混物在不同噴射壓力下的SMD及其變化率

3 結論

本文使用噴霧可視化裝置研究了在 3種不同噴射壓力條件下，DMF性能對噴霧宏觀和微觀特性的影響。在研究中使用了四種試驗共混物來對比和分析了DMF的汽化潛熱、密度和運動粘度對噴霧特性產生的影響，試驗結果如下：

1）噴射壓力越大，STP和噴霧面積越大，噴霧錐角和SMD略有下降。

2）在一定的噴射壓力條件下，當燃料與DMF共混后，STP隨著運動粘度的降低和汽化潛熱的降低而減小。噴霧錐角隨著運動粘度的降低和汽化潛熱的降低而略有增大。

3）在90 MPa的噴射壓力時，隨著DMF的添加，由于運動粘度的下降和密度的升高，特征直徑略有上升，尤其是對SMD來說。較低的密度和較高運動粘度促成的剪切分裂的形成決定了燃料液滴的SMD大小。

4）隨著噴射壓力的增加，DMF20的性能對宏觀和微觀噴霧參數的影響發生改變。DMF性能對噴霧錐角和SMD的影響較弱，隨著噴射壓力的增加，DMF性能對STP的影響有明顯的改變。總的來說，在噴射壓力為150 MPa或者更高時，DMF性能對改善柴油共混物燃料的宏觀和微觀噴霧特性非常有利。

5）噴射壓力對四種試驗燃料的影響程度不同，具體和燃料理化特性有關。