高噴射壓力條件下加氫生物柴油的噴油特性試驗*

謝冬和

（湖南汽車工程職業(yè)學院 湖南 株洲 412001）

引言

加氫生物柴油與普通柴油的物理特性相差較大，使得加氫生物柴油的噴油特性和燃燒特性與普通柴油有很大差異[1]。早期對加氫生物柴油的研究主要集中在燃燒和排放特性上，后來，研究人員利用相關試驗設備及軟件對加氫生物柴油的噴油特性進行了研究[2]。然而，這些研究主要集中在中、低噴油壓力條件下，對加氫生物柴油在高噴射壓力條件下的研究很少。本文在定容燃燒彈中進行了高噴射壓力條件下加氫生物柴油與普通柴油的噴油特性試驗，利用高速攝像機[3]對2 種燃油的噴油形態(tài)、噴霧錐角及油束貫穿距離等狀態(tài)進行了拍攝，同時利用CFD軟件[4]對加氫生物柴油在不同參數(shù)條件下的噴油特性進行了延伸研究。

1 試驗設備

試驗所用主要設備包括燃油噴射裝置、控制裝置、信號裝置、照明裝置及攝像機等。試驗裝置如圖1所示。定容燃燒彈內(nèi)安裝有加熱及加壓裝置，表面開有一個用來觀察噴油狀況的窗口；燃油噴射裝置包括高壓共軌裝置及同步控制裝置，可根據(jù)測試過程中的情況對噴油壓力、噴油時間及噴油規(guī)律進行靈活的調(diào)整和控制。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗時，分別進行高噴射壓力條件下加氫生物柴油和普通柴油的冷態(tài)噴油情況測試。普通柴油標記為A0，用菜籽油作為加氫生物柴油并記為A1；噴油器均采用孔徑為0.12 mm 的單孔噴油器，最高噴油壓力為100 MPa，噴油持續(xù)時間為1 ms，單次噴油量為8 μL，燃燒室內(nèi)氣體壓力為1.4 MPa。為保證噴油特性試驗結果的準確性，在測試過程中，每換一種燃油都對油路及供油裝置進行清洗以保證油品間不會混合。2 種試驗用燃油的物理特性參數(shù)見表1。

表1 試驗用燃油的物理特性參數(shù)

2 試驗結果

2.1 噴油特性評價參數(shù)

試驗過程中，規(guī)定油滴形態(tài)、噴霧錐角及油束貫穿距離等參數(shù)為噴油特性，其形態(tài)如圖2 所示。

圖2 噴油油滴結構示意圖

試驗時，可按要求在試驗設備中作好標尺刻度以方便測量，并利用高速攝像機對整個測試過程進行全程拍攝。在對測試結果進行整理時，可先使用E-rule 軟件量取圖像中的標尺長度和油束貫穿距離，再根據(jù)測得的標尺實際長度進行換算。本文僅對噴霧遠角和噴霧近角進行描述：取油束貫穿距離在10～20 mm 之間的噴霧錐體截面積所在的最大夾角為噴霧近角，取油束貫穿距離在20 mm～最大距離之間的噴霧錐體截面所在的最大夾角為噴霧遠角。測量時，對噴霧近角和噴霧遠角各測量3 次，取平均值為試驗的最終計算結果。

2.2 加氫生物柴油和普通柴油的油滴形狀和噴霧錐角

圖3 為使用高速攝像機拍攝到的加氫生物柴油（上面一排）和普通柴油（下面一排）的噴油情況圖。

圖3 加氫生物柴油與普通柴油噴油過程高速攝影結果對比

從圖3 可知：

1）在整個燃油噴射過程中，加氫生物柴油的油滴形狀和普通柴油差異不大。由于加氫生物柴油的黏度大于普通柴油，其油滴頭部形態(tài)更加圓潤；加氫生物柴油的揮發(fā)性比普通柴油差，其油滴頭部受缸內(nèi)進氣旋流的卷吸作用比普通柴油更嚴重。

2）加氫生物柴油的噴霧錐角比普通柴油小。原因在于加氫生物柴油的黏度比普通柴油大，噴射過程中形成的油-氣混合質(zhì)量比普通柴油差；其次，加氫生物柴油的揮發(fā)性比普通柴油差，噴射后燃油的橫向擴散能力比普通柴油差。。

2.3 加氫生物柴油和普通柴油的油束貫穿距離

圖4 為加氫生物柴油和普通柴油的油束貫穿距離對比圖。

圖4 生物柴油和普通柴油油束貫穿距離的測試結果

從圖4 可以得出：在相同的燃油噴射壓力條件下，燃油噴射前期，由于加氫生物柴油的密度大于普通柴油，油束貫穿距離比普通柴油大；隨著噴油的持續(xù)及缸內(nèi)壓力升高，燃油與氣缸內(nèi)的高密度氣體發(fā)生能量轉換，燃料的密度差對油束貫穿距離的影響逐漸降低，在燃油噴射后期，2 種燃料的油束貫穿距離逐漸接近。

3 模擬仿真及計算

3.1 模擬仿真模型及驗證

利用CFD 仿真軟件建立計算模型，計算區(qū)域為Ф105 mm×105 mm 的圓柱體，以圓柱體上頂面的圓心為中心選取一個正方形區(qū)域并對其進行網(wǎng)格化。最小網(wǎng)格尺寸為0.6×0.6 mm（噴孔直徑的5 倍），網(wǎng)格總數(shù)達48 000；噴嘴安裝在圓柱體上頂面圓心中央伸出長度約1 mm。仿真計算時使用的模型名稱見表2。

表2 模擬仿真及計算用模型名稱

試驗過程中，會不可避免地出現(xiàn)燃油噴射時刻和高速攝像機拍攝時刻的同步觸發(fā)誤差、試驗數(shù)據(jù)的測量誤差及模擬仿真軟件的計算誤差等。因此，在試驗過程中，要重點關注主噴油時段內(nèi)的誤差。

圖5 和圖6 分別為普通柴油和加氫生物柴油油束貫穿距離的試驗及模擬仿真結果。

圖5 普通柴油油束貫穿距離的試驗和模擬仿真結果

圖6 加氫生物柴油油束貫穿距離的試驗和模擬仿真結果

從圖5 和圖6 可知，模擬仿真結果與測試結果基本一致，主噴油時段內(nèi)，2 者的相對誤差不超過3.5%，在5%的允許范圍內(nèi)，從而保證了模擬仿真結果的準確性和可靠性。

3.2 加氫生物柴油與噴油壓力、缸內(nèi)氣體壓力和溫度的關系

圖7 為其他參數(shù)不變時，不同噴油壓力對加氫生物柴油油束貫穿距離的影響。

圖7 油束貫穿距離隨噴油壓力的變化曲線

從圖7 可知，噴油壓力提高，加氫生物柴油的油束貫穿距離增加。原因是：噴油壓力越高，燃油噴射速度越快，動能越大，在相同的缸內(nèi)氣體阻力下，燃油的慣性動能增大，使油束貫穿距離顯著增大。

圖8 為其他參數(shù)不變時，不同缸內(nèi)氣體壓力對加氫生物柴油油束貫穿距離的影響。

圖8 油束貫穿距離隨缸內(nèi)氣體壓力的變化曲線

從圖8 可知，隨著缸內(nèi)氣體壓力逐漸升高，油束貫穿距離逐漸增大。

圖9 為其他參數(shù)不變時，不同缸內(nèi)氣體溫度對加氫生物柴油油束貫穿距離的影響。

圖9 油束貫穿距離隨缸內(nèi)氣體溫度的變化曲線

從圖9 可知，當t ＜0.6 ms 時，油束貫穿距離隨缸內(nèi)氣體溫度的上升而緩慢增加；當t≥0.6 ms 時，隨著缸內(nèi)氣體溫度的上升，油束貫穿距離先增加后開始減小并出現(xiàn)小幅波動。

3.3 缸內(nèi)氣體溫度的影響規(guī)律分析

圖10 為總噴油量相同而噴油時刻不同時，不同缸內(nèi)氣體溫度下，加氫生物柴油噴油質(zhì)量與蒸發(fā)量之差即剩余液態(tài)燃油質(zhì)量隨時間的變化曲線。

圖10 不同缸內(nèi)氣體溫度下加氫生物柴油剩余液態(tài)燃油質(zhì)量隨時間的變化曲線

從圖10 可知，當t ＜0.2 ms 時，不同缸內(nèi)氣體溫度下，燃油蒸發(fā)速度幾乎相同；當t≥0.2 ms 時，缸內(nèi)氣體溫度越高，燃油蒸發(fā)速度越快，同一時刻剩余的液態(tài)燃油僅為常溫下的10%。

由此可知，燃油一旦噴入高溫的定容燃燒彈中，會立即汽化。由于蒸發(fā)速度過快，使得沿噴油方向的油滴總量迅速減少，致使油束貫穿距離大幅減小。

4 結論

本文在定容燃燒彈中進行了高噴射壓力條件下加氫生物柴油與普通柴油的噴油特性試驗，利用高速攝像機對2 種燃油的噴油形態(tài)、噴霧錐角及油束貫穿距離等狀態(tài)進行了拍攝，同時利用CFD 軟件對加氫生物柴油在不同參數(shù)條件下的噴油特性進行了延伸研究，得出如下結論：

1）在整個燃油噴射過程中，加氫生物柴油的油滴形態(tài)與普通柴油相差不大；因加氫生物柴油的黏度大于普通柴油，加氫生物柴油的油滴形態(tài)比普通柴油圓潤；加氫生物柴油的揮發(fā)性比普通柴油差，其油滴頭部與缸內(nèi)進氣旋流產(chǎn)生強烈的卷吸作用，與空氣形成良好的混合氣體。

2）噴油初期，加氫生物柴油的油束貫穿距離比普通柴油大；到了噴油中后期，在缸內(nèi)高壓氣體的作用下，加氫生物柴油和普通柴油的油束貫穿距離差不多一樣大。

3）加氫生物柴油的噴霧錐角比普通柴油小。

4）使用模擬仿真軟件得到的結果表明：噴油壓力越高，加氫生物柴油的油束貫穿距離越大；加氫生物柴油的油束貫穿距離隨缸內(nèi)氣體的壓力升高而增大；隨著缸內(nèi)氣體溫度的升高，燃油的蒸發(fā)速度加快，油束貫穿距離減小。