柴油掺混燃料喷雾的可视化研究

史　程　王庆新　于　健

(1.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；2.黑龙江生态工程职业学院，黑龙江 哈尔滨 150025)



柴油掺混燃料喷雾的可视化研究

史程1王庆新1于健2

(1.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；2.黑龙江生态工程职业学院，黑龙江 哈尔滨 150025)

为了探究发动机燃油的雾化质量对可燃混合气的燃烧和排放的影响，试验搭建了一套高压共轨喷雾定容测试系统，利用高速摄影技术对柴油/正丁醇/汽油混合燃料(D70G30、D70B30、B15G15和D100)在喷射压力为60MPa、环境背压为3MPa下的喷雾过程进行瞬时拍摄，分析对比了混合燃料的宏观喷雾形态。研究表明：在柴油中掺混少量的汽油或正丁醇会改善燃油喷射的雾化质量，从而可以提高燃料的燃烧效率。

柴油；掺混燃料；正丁醇；喷雾；可视化

随着全球能源利用的日益增加和传统化石燃料的日趋枯竭，寻找高效清洁的替代燃料已变得迫在眉睫[1]。研究表明，在发动机燃料中添加一定比例的含氧生物质燃料是改善发动机排放的有效途径之一，而且发动机动力性不受任何影响[2]。正丁醇作为一种可再生、可降解的含氧燃料得到越来越多的关注。Oguzhan Dogan等[3]研究表明，柴油机燃料中添加正丁醇，可以减少CO的排放。Binbin Yang等[4]发现燃料中掺混一定比例的正丁醇可以大大降低碳烟的排放。Gerardo Valentino等[5]研究发现，随着正丁醇掺混比例的增加，混合燃料中含氧量升高，十六烷值降低，滞燃期延长。此外，汽油这种常见的燃料亦可添加到柴油中用来改善柴油机的燃烧和排放性能。Yu Chao等[6]研究了增大柴油中汽油的掺混比例能够有效降低碳烟排放。Su Han Park等[1]在一台压燃式发动机上对汽油—柴油混合燃料的燃烧特性进行研究，发现添加汽油可以促进油气混合，形成更多均质混合气，从而延长燃料的滞燃期。

上述相关研究主要集中在发动机的燃烧特性和排放性能，而对于柴油掺混正丁醇或汽油的喷雾过程研究还较少。此外，发动机掺混燃料的喷雾特性，对了解燃油燃烧机理，优化燃烧过程，改善排放特性都有重要的影响。考虑到这一点，本文通过高压共轨喷雾定容测试系统对柴油/正丁醇/汽油混合燃料的喷雾图像的变化规律进行研究，为今后柴油机燃料最佳配比的探究提供一定的参考和依据。

1　试验装置和方法

试验所用燃料以市售0#普通车用柴油为基础燃料，通过添加不同体积比例的汽油和正丁醇，配置成四种混合燃料(D70G30、D70B30、B15G15和D100)，分别代表混合燃料中含有体积比为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为本试验所用燃料的部分物理化学性质参数。

试验研究中使用的定容燃烧弹—高速摄像系统如图1所示，其拍摄的图片为柴油掺混燃料的喷雾过程提供了较为理想的实验数据。试验台架主要由定容燃烧弹、高压共轨喷油系统、高速摄像系统、同步采集系统等组成。试验中采用自行设计的定容燃烧弹。定容燃烧弹是为了研究燃油的喷雾和燃烧而特别设计的试验装置，用来模拟内燃机燃烧室内真实环境，可运用高速摄像、纹影及激光荧光测试等手段研究喷雾过程中油束的形态、浓度，甚至某些特殊成分的空间分布。高压共轨喷油系统采用Bosch CP2型超高压共轨燃油喷射系统，喷油压力可达220MPa。试验所用喷油器为Bosch电磁阀式无锥角单孔喷油器，喷孔直径是0.17mm，油嘴孔长度为0.65mm。喷雾形态图像由日本Photron公司生产的FASTCAM-SA7型高速摄像机进行采集。

表1　燃料物理化学性质

试验中先通过注入高压氮气使定容燃烧弹内环境背压稳定在3MPa，热电偶显示容弹内温度为25℃。操作共轨喷射系统向定容弹中喷油，设置共轨电机转速600r/min，两次喷射时间间隔为0.1s，喷射压力取60MPa，喷射脉宽为2.0ms。同时高速摄像系统采集定容弹中的喷雾图像，设置高速相机图片分辨率为512×256，拍摄速度为10 000帧/s(相邻两张图片的时间间隔为0.1ms)。试验拍摄的喷雾图片通过Matlab软件中的功能函数和编写的程序对图片进行图像背景去除、形态学操作等处理。

2　试验结果与讨论

高速摄像系统拍摄的四种燃料不同时刻的喷雾形态经Matlab软件处理后的图像如图2所示。针对每组试验，从喷嘴出口处开始有油束喷出到喷油器停止喷油截止，一共采集了20张图片，第一张时刻为0.1ms，以后每两张图片的时间间隔为0.1ms，到最后一张时刻为2.0ms。结合图2的宏观喷雾形态图像，将混合燃料的喷雾过程分为以下四个阶段：

第一阶段(0ms—0.5ms)：燃油刚从喷油器的喷孔喷出，主要发生初次雾化，混合燃料此时未得到充分发展，喷雾贯穿距离与喷雾锥角都还比较小，油雾面积较为密集，喷出喷孔的油量还比较少，主要集中在油嘴处下方的一小段区域内。从喷雾形态可以看出，主体颜色较深，并且外轮廓明显，喷射油雾与周围环境气体的卷吸作用十分微弱。

第二阶段(0.5ms—1.0ms)：随着喷射的持续进行，喷射油雾不断得到补充，油束动能和径向动量均较大，喷雾形态呈现急剧扩散的趋势发展，喷雾锥角和喷雾贯穿距离都逐渐得到发展。此时油束前端处颜色较主体部分略浅，浓度也较中间部分稀薄，雾型前锋面处有部分燃油液滴与定容弹内介质发生相互作用。

第三阶段(1.0ms—1.5ms)：在此阶段喷雾量达到最大，喷雾油束体积不断扩大，在向前喷射的过程中与空气之间的相互运动变得更加剧烈，二次雾化作用明显，导致前端面有“分叉”和“塌陷”现象出现，喷雾贯穿距离继续增大，部分燃油温度升高由液态转变为气态，与空气充分混合。

第四阶段(1.5ms—2.0ms)：喷雾形态继续随时间向前发展，喷雾整体呈现梭形形状，“分叉”和“塌陷”现象在此处有逐渐消失的趋势，油雾主体不再沿轴线方向发展，而是向四周运动，喷雾前期以大体积形态存在的油束随着雾化不断加强而逐渐变浅，油雾在空间更均匀地稀疏分布。

从四种燃料的喷雾过程可以看出，添加了正丁醇的两种混合燃料的喷雾锥角和油束发展面积较D100和D70G30的略大；而D70G30的喷雾贯穿距离在四种混合燃料中是最大的，D70B30则低于B15G15，但略大于D100。混合燃料出现这些差异主要是因为燃料的运动粘度、密度、表面张力等物理化学性质参数不同所导致的。混合燃料的运动粘度越高，其油滴越密集越容易聚合，油滴间的撞击粘合也就越多，混合燃料的喷雾锥角、油束发展面积就越小；而表面张力和密度也会阻止油滴表面的形变，故而也会减小混合燃料的雾化混合质量。

3　结论

本文主要利用高压共轨喷雾定容测试系统和高速摄影技术对柴油/正丁醇/汽油的四种混合燃料(D70G30、D70B30、B15G15和D100)的喷雾过程进行研究。得出如下结论：

(1)在四种混合燃料的喷雾发展过程中，喷雾贯穿距离均是先快速变大而后增大幅度逐渐减小，最后趋于一个稳定的区间范围。

(2)从整个喷雾发展过程看，混合燃料的喷雾锥角基本无变化，而且四种燃料的喷雾锥角差别也不大。

(3)添加了汽油和正丁醇的混合燃料均比纯柴油的油束发展面积大，说明在柴油中掺混少量的汽油或正丁醇会改善燃油喷射的雾化质量，从而可以提高燃料的燃烧效率。

[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]张鹏，刘海峰，陈贝凌，等.掺混含氧燃料的柴油替代物部分预混火焰中多环芳香烃的荧光光谱和碳烟浓度[J].物理化学学报，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.

责任编辑：张耀华

10.3969/j.issn.1674-6341.2016.04.016

2016-05-13

史程(1989—)，男，黑龙江哈尔滨人，在读硕士生。研究方向：内燃机喷雾与燃烧的光学测试。

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1674-6341(2016)04-0035-02