生物柴油和柴油直喷喷雾特性试验研究

高东志，秦建芸，许丹丹，包俊江，景晓军

(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300)

柴油机与汽油机不同，采用缸内直喷的扩散燃烧方式，因而燃烧室内混合气分布不均匀。另一方面，柴油机的压缩比较汽油机高，导致NOx及炭烟排放较高，因此油气混合过程的优化对柴油机的动力性、排放性、经济性等都有着非常巨大的影响。柴油机缸内混合气形成受燃油喷雾特性的影响较大，其中喷油压力、燃油温度、环境温度等是燃油喷雾特性的重要影响因素。随着环境污染的加剧，一系列节能环保的法规相继出台，针对燃料雾化质量影响因素的研究显得愈发重要。另一方面，随着化石燃料的枯竭和排放法规的日益严格，可再生清洁能源的研究和开发越来越受到人们的关注。生物柴油作为绿色能源，在柴油燃料替代方面具有较大的潜力。生物柴油又名脂肪酸甲酯,是甘油三酸酯与甲醇进行酯化反应后的产物之一。其主要的原料有植物油、动物脂肪和回收废油。生物柴油具有下述特性：1)环保特性优良。生物柴油可以在不改变柴油机结构的前提下,获得与柴油接近的动力性能和比柴油优越的排放性能(NOx排放除外)，同时具有减少CO2排放的优点；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减少约30%(有催化剂时为70%)；而且由于生物柴油的高含氧量[1-2]，其燃烧时排烟少，CO排放与柴油相比减少约10%(有催化剂时为95%)。2)具有良好的燃料性能和低温发动机起动性能，生物柴油十六烷值高，无添加剂冷滤点达-20 ℃。3)具有较好的润滑性能，可以使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率降低，此外燃烧残留物呈微酸性，因此可以增加催化剂和发动机机油的使用寿命。4)生物柴油作为可再生能源，其可供应量不会枯竭，并且可以与柴油以任意比例混合[3-5]。

基于此，本研究采用单孔直喷喷油器开展B5生物柴油与京标-10号柴油直喷喷雾特性试验研究。通过改变喷油压力，燃油温度和环境温度等参数，在定容喷雾试验装置中结合高速摄影技术得到不同工况的喷雾特性，包括喷雾形态、喷雾贯穿距、喷雾贯穿速度和喷雾锥角[6]。

1 试验装置与研究方法

1.1 试验设备和条件

本试验在定容喷雾试验台架上进行，试验台架如图1所示，主要包括定容喷雾试验腔体、喷油系统、温度控制系统、进排气系统、光源和高速摄像机。定容喷雾试验腔体为一密闭的空间，并配有相应的观察窗，可供光源光路通过以及摄像机光路通过。喷油系统由自行开发的电控单元控制，可灵活调节轨压和喷油持续期。定容喷雾试验腔体中环境温度和燃油温度由加热装置调节，并由电磁继电器闭环控制。高速摄像机(FASTCAM SA-X2)触发拍摄与喷油起始信号同步，拍摄速率为30 000 帧/s。进排气系统分别安装在燃烧室的两端，可将燃烧室内混合气清扫干净。采用LED灯作为光源，拍摄方式为直接拍摄。

图1 定容喷雾试验装置示意

试验条件如表1所示，采用3种喷油压力(60 MPa，100 MPa，120 MPa)，2种燃油温度(35 ℃，80 ℃)，2种环境温度(25 ℃，350 ℃)，环境背压稳定在0.1 MPa，喷油持续期为2 ms。

表1 试验条件

所用燃料为B5生物柴油和京标-10号柴油。生物柴油和京标-10号柴油符合标准GB/T 20828—2015《柴油机燃料调和用生物柴油(BD100)》、DB 11/239—2016《车用柴油》的技术要求。B5生物柴油是使用餐饮行业及下水管道废弃的“地沟油”，经过化学反应后，与普通柴油按照5∶95的比例调和而成的绿色能源。京标柴油和生物柴油的特性参见表2[7-8]。

表2 燃料特性

1.2 喷雾图像处理

喷雾形态、喷雾贯穿距、喷雾锥角和喷雾贯穿速度是用来表征喷雾结构的宏观参数，这些参数由自编的MATLAB程序批处理获得。通过设定图片像素阈值定义喷雾的边界。根据图片像素与可视区域的实际尺寸计算油束的实际尺寸。参考文献[10-11]定义喷雾锥角和喷雾贯穿距。

2 试验结果和分析

2.1 喷雾形态

图2至图4分别示出B5生物柴油和京标-10号柴油在60 MPa，100 MPa和120 MPa喷油压力条件下的喷雾发展照片。综合比较2种燃料在3种喷油压力下的图像可以看出，随着喷油压力的增加，喷雾贯穿距明显增加，喷雾油束变得粗壮，表明喷雾锥角略有增加。比较相同喷油压力下2种燃料喷雾发展照片可以看出，在相同条件下B5生物柴油油束蒸发持续时间较京标-10号柴油更长，表明B5生物柴油的蒸发性较差。喷油结束(0.2 ms时刻)后，比较0.266 ms和0.3 ms时刻的图像可以看出，相同条件下，B5生物柴油油束更加明显，表明5%生物柴油的加入使得B5生物柴油的挥发性减弱。对于B5生物柴油，在相同喷射条件下(60 MPa喷油压力，25 ℃环境温度)，对比0.033 ms时刻的图像可知，燃油温度80 ℃的喷雾贯穿距较35 ℃略长，表明随着油温的增加，B5生物柴油的黏性下降，分子间作用力减小，使得喷雾贯穿距离增加。在相同的条件下对比0.033 ms时刻两种燃油图像可以看出，京标-10号柴油的喷雾贯穿距略大，同样表明，生物柴油的加入使得B5燃料黏性增加。

图2 60 MPa喷油压力下的喷雾发展照片

图3 100 MPa喷油压力下的喷雾发展照片

图4 120 MPa喷油压力下的喷雾发展照片

对于同一种燃料，比较60 MPa，100 MPa，120 MPa下的喷雾形态，发现喷雾贯穿距以及喷雾锥角随着轨压的增加而增大，这是因为较高的喷射压力给液体燃料提供更多动能，有利于油束克服空气介质阻力，使得贯穿距增加；另一方面随着喷油压力的增加，雾化程度增加，油束外围直径较小的液体容易受空气介质扰动发生横向运动，致使喷雾锥角增大。喷油压力和燃油温度相同条件下，比较两种燃料在环境温度25 ℃和350 ℃的喷雾形态可以看出，随着环境温度的增加，油束外围液滴在高温下蒸发作用加剧，使得液相区域减小，喷雾贯穿距较低温时变小。

2.2 喷雾贯穿距和喷雾贯穿速度

图5至图7分别示出B5生物柴油与京标-10号柴油的喷雾贯穿距以及喷雾贯穿速度随时间的量化关系。在油束发展0.5 ms以内，两种燃料喷雾贯穿距均随时间几乎呈线性变化；喷射初期喷雾贯穿速度较大，且随着喷油压力的增加喷雾贯穿速度增加。随着时间的推移(油束的发展)，喷雾贯穿速度逐渐下降，且较高的喷油压力下喷雾贯穿速度下降趋势更为明显。这是由于在较大的喷油压力下，喷雾锥角较大，油束横截面积较大且液滴粒径较小，使得油束在发展过程中受到的空气阻力大，因此速度下降的趋势更加明显。在燃油温度和环境背温相同的条件下，喷油压力越大，喷雾延时越短，同一时刻的贯穿距和喷雾初始阶段的贯穿速度越大，较大的喷油压力使得油束获得更多动能，喷雾初期获得较大的贯穿距和贯穿速度；环境温度25 ℃时，比较相同条件下B5生物柴油和京标-10号柴油喷雾贯穿速度可知，B5生物柴油在喷雾过程后半段贯穿速度出现波动，且随着喷油压力的降低，速度波动的趋势更加明显。在喷油压力和燃油温度相同时，随着环境温度由25 ℃升高到350 ℃，两种燃料均在350 ℃对应喷雾过程的最大喷雾贯穿速度更大，表明随着环境温度的升高，液态油束的横截面积减小，喷雾过程中受到的空气阻力更小，喷雾贯穿速度更大，120 MPa喷油压力下最大喷油速度可达400 m/s。比较起始喷油时刻可知，随着环境温度的升高，喷雾延迟时间略微减小；且喷雾发展持续期减小，在喷油压力60 MPa条件下，喷雾发展持续期减少约0.03 ms。

图5 燃油温度35 ℃、环境温度25 ℃，不同喷油压力下喷雾贯穿距和喷雾贯穿速度随时间的变化

图6 燃油温度80 ℃、环境温度25 ℃，不同喷油压力下喷雾贯穿距和喷雾贯穿速度随时间的变化

图7 燃油温度80 ℃、环境温度350 ℃，不同喷油压力下喷雾贯穿距和喷雾贯穿速度随时间的变化

2.3 喷雾锥角

图8至图10分别示出两种燃料在不同条件下喷雾锥角随时间的变化。各工况下喷雾锥角的发展趋势类似，在燃油喷射初期喷雾锥角稍大，当喷射时间约为0.6 ms以后喷雾锥角基本保持不变。图8中，当燃油温度和环境温度相同时，0.6 ms喷雾锥角稳定之后，两种燃料均表现出随着轨压增加喷雾锥角增大趋势，这是因为较高的喷射压力利于燃油液滴的雾化，喷雾外围直径较小的液滴易受周围介质的扰动影响，使其向横向运动，致使喷雾锥角增大。比较图8和图9，相同的喷油压力和环境温度条件下，随着燃油温度由35 ℃升高到80 ℃，喷雾锥角略有增加，是因为随着燃油温度的升高，燃油黏度变小，加速液态油雾的破碎和蒸发，有利于燃油的雾化所致。比较图9和图10，当喷油压力和燃油温度相同，环境温度由25 ℃升高到350 ℃，喷雾锥角明显减小，350 ℃环境温度使得油束外围的液滴蒸发加剧，液相区域变小。综合比较相同条件下B5生物柴油和京标-10号柴油喷雾锥角，京标-10号柴油的喷雾锥角略大，这是因为5%生物柴油的加入使得B5燃料黏度增加，分子间作用力加强，使得喷雾锥角减小。

图8 燃油温度35 ℃、环境温度25 ℃，不同喷油压力下喷雾锥角随时间的变化

图9 燃油温度80 ℃、环境温度25 ℃，不同喷油压力下喷雾锥角随时间的变化

图10 燃油温度80 ℃、环境温度350 ℃，不同喷油压力下喷雾锥角随时间的变化

3 结论

a)在相同条件下B5生物柴油油束蒸发持续时间较京标-10号柴油更长，表明B5生物柴油的蒸发性较差；

b)两种燃料喷雾贯穿距随时间几乎呈线性变化，喷射初期喷雾贯穿速度较大，且随着喷油压力的增加喷雾贯穿速度增加；随着时间的推移(油束的发展)，喷雾贯穿速度逐渐下降，且较高的喷油压力下，喷雾贯穿速度下降趋势明显；

c)在喷油压力和燃油温度相同时，随着环境温度由25 ℃升高到350 ℃，喷雾过程的最大喷雾贯穿速度更大，且120 MPa喷油压力下，最大喷雾贯穿速度可达400 m/s；

d)相同条件下京标-10号柴油的喷雾锥角略大。