燃油种类对重型柴油机喷雾特性的影响规律

李耀宗， 胡泽祥， 白洪林， 张晓琴， 张世堂， 王占广

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081; 2.中国北方发动机研究所, 天津 300400; 3.解放军92228部队，北京 100072)

为特种车辆动力系统匹配多种燃料可避免因专用燃料供应补给链中断而影响军事行动、工程抢险、消防救援等任务的执行，大幅提高特种车辆的后勤保障与应急能力[1]。此外，当特种车辆在环境温度为-30～-40 ℃工作时，重型柴油机冷态启动变得十分困难[2-3]。在不改变柴油机结构的前提下，利用现有燃油，最大限度保证特种车辆的机动性，是目前急需解决的问题。多燃料策略是应对燃料供给和冷启动问题的有效方法[4-7]，研究具有不同理化特性燃料的喷雾特性是验证多燃料混策略的重要理论支撑，学者们对此进行了广泛研究[8-16]。王宪成等[1]基于定容燃烧弹研究了煤油、柴油的喷雾特性，发现煤油因粘度低、挥发性略高，表现出比柴油更大的喷雾锥角和更小的贯穿距离。Ojeda等[8]的研究表明，燃料的T90(90%馏出温度)越低则挥发性越好，促进了燃油喷雾破碎及雾化进而改善了混合过程。Lefebvre[9]认为粘度较大的燃料喷雾稳定性较好，阻碍了破碎雾化过程。而较大的表面张力也会阻碍液体燃料破碎成小的液滴。Park等[10]系统研究了宽馏分燃料的物理特性及其对排放的影响。其结果表明，在柴油中掺入较为轻质的汽油会导致混合燃料喷雾粒径整体减小，液滴数量增加；Han等[11]在定容弹上研究了汽柴油混合燃料喷射率、喷雾发展过程及喷雾粒径。结果表明，提高汽油的掺混比例会导致喷雾贯穿距略有减小，但喷雾锥角增大，意味着混合燃料喷雾破碎及雾化过程更好。杨文昭等[12]对比研究了柴油、丁醇和碳酸二甲酯等含氧燃料的喷雾特性与外界环境的关系，获得了不同燃料喷雾的速度场和浓度场，结果表明：贯穿距随喷油压力的提高、喷孔直径增大及环境密度的减小均有所增加；不同燃料喷雾速度场高速区域面积随环境密度的减小而增大；不同燃料喷雾液相高浓度区域随着环境温度的升高明显减小甚至消失。吴晗等[13]研究表明，柴油/煤油混合燃料液相喷雾贯穿距离随着煤油掺混比、温度和密度的增加呈现减小趋势。液相喷雾锥角随着煤油掺混比和环境密度的增加分别呈现减小和增大的趋势，而对环境温度的变化不敏感。耿莉敏等[14]比较研究了物理性质对生物柴油与柴油喷雾特性的影响，生物柴油的喷雾锥角小于柴油，而贯穿距离大于柴油，生物柴油的索特平均直径和特征直径增大，说明生物柴油的雾化质量比柴油差。替代燃料仍处于理论研究阶段，在实际执行任务过程，特种车辆的燃料来源仍以各种形式的军用及普通柴油为主，研究商用燃油的喷雾特性更具实际意义。

本研究选取馏程范围和理化特性不同的3种柴油(2种商用柴油，一种军用柴油)为研究对象，在定容燃烧弹中采用高速摄影法对其喷雾特性进行试验，对比了这3种燃料在燃料喷雾特性方面的差异，为分析发动机燃用这3种不同燃油时的动力性、燃油经济性以及缸内燃烧放热特性提供数据支持。

1 试验燃料种类

本文选取3种燃料：2种商用燃料(TYRL柴油、MGP5柴油)及一种军用燃料(-10号军用柴油)，商用柴油为市面上容易购买到的轻质柴油，3种柴油适应环境主要是常温及低温，对于极寒条件下需要使用更高标号的柴油，不涉及本文研究内容。对其主要理化指标进行测试，测试结果如表1所示：50%馏出温度反映了燃料中的轻质馏分含量，90%馏出温度反映了燃料中难挥发的重质成分含量。由表可知，相对于其他2种商用柴油，-10号军用柴油的馏程温度范围更宽，燃料密度和运动粘度均高于商用柴油。

表1 3种燃料的主要理化指标

2 试验装置与测试方法

试验用定容燃烧弹示意图如图1所示，系统由高温高压容弹、燃油喷射系统、光学测试系统、计算机控制系统等组成。本文采用背光法对燃油喷雾的发展过程进行记录，由计算机发出的信号同时传输给燃油喷射系统的ECU和高速相机。为避免多束燃油喷雾的相互干扰，喷雾特性试验中采用的是单孔喷嘴，孔径为0.40 mm。

图1 燃料喷雾特性试验装置示意

同时为确保试验过程中的喷油量与目标机型标定点的喷油量一致，需要确定单孔喷油器喷油量与控制脉宽间的对应关系。图2为喷油量标定试验装置，由电动机驱动高压油泵工作向共轨管供油，通过轨压传感器监测系统燃油压力，ECU根据信号发生器发出的指令来控制喷油器的开闭。喷油器出口处连接有消雾器，将燃油喷雾重新聚集成油滴，燃油经由导流管进入量筒后进行测量。喷油信号由示波器监控。

图2 喷油量标定试验装置

试验过程中按照目标机型对试验装置的供油压力及循环油量的平均值进行标定，设定的主要控制参数如表2所示。喷射压力为80 MPa，喷油脉宽为0.6～0.8 ms，以0.05 ms为步长设置试验工况点，以覆盖目标机型试验中最大的单次喷油量。每个工况点进行1 000次喷射后，记录量筒内的燃油量，每个试验工况点重复3次，取平均值后进行分析。

表2 喷油量标定试验中的主要控制参数

3种燃料单次喷油量时间变化曲线如图3所示。由图可知，3种燃料的单循环喷射量与控制脉宽均呈现良好的线性关系，但在数值上略有差异。2种商业柴油TYRL和MGP5的单循环喷射量基本相同，-10号军用柴油的单循环喷油量在小喷射脉宽时略低于另2种燃料，而在大喷射脉宽时则略高于另2种燃料。

图3 3种燃料的单次喷油量对比

这主要是因为发动机循环燃油喷射量靠喷油器精密配合偶件配合运动完成，但是存在不同程度的泄漏。喷射控制脉宽小时，燃油泄漏时间少，燃油密度和运动粘度对燃油泄漏量影响不大。馏程温度越低，馏分密度越低，燃油可压缩率较大，单次吸油量越大。因此，馏程温段最低的燃料MGP5的单次循环油量最大。大控制脉宽时，2种小密度、低运动粘度的燃油泄漏量远超-10号柴油泄漏量，而密度低、吸油量多的优点无法平衡泄漏超出量，导致单循环喷射量下降。

根据单缸机标定点的试验数据，计算出了3种燃料在标定点工况时的循环喷油量，之后依据3种燃料单次喷油量随喷油控制脉宽的变化规律拟合出的线性方程，计算出喷雾特性试验中3种燃料的喷油控制脉宽，计算结果及涉及到的相关参数如表3所示。

表3 计算喷油控制脉宽的相关参数

3 试验结果及分析

3.1 背压、背温对喷雾贯穿距的影响

图4～6为试验测得的3种燃料喷雾贯穿距离随喷雾背压的变化规律。

图4 背压对-10号军用柴油喷雾贯穿距的影响

图5 背压对MGP5燃油喷雾贯穿距的影响

由图可知，对于3种燃料的喷雾贯穿距均随背压的变化规律呈现高度一致性。由于背温仅有300 ℃，所有喷射油束的贯穿距都足够长，接触到壁面，因此无法以蒸发时的最远距离作比较。因此，以喷射后相同时刻为参照，随着背压的增大，喷雾贯穿距减小。随着背压的提高，定容弹内环境介质的密度不断增大，其对燃油喷雾发展的阻力作用增加，燃油射流整体速度降低，进而使贯穿距离减小。

此外，小背压工况下，油束发展时间短，并首先触壁；大背压工况下，虽然油束发展较慢，燃油液滴也能被喷射到缸壁上。由此可知，该种工况下，3种燃料的油束贯穿距均过长，背压越小，油束速度越高，喷射在壁面上的燃油越多，导致壁面油膜过厚不易蒸发，燃料燃烧不完全，形成积碳。因此，喷雾贯穿距的长度应与燃烧室的尺寸相匹配。

图6 背压对TYRL燃油喷雾贯穿距的影响

图7～9为试验测得的3种燃料喷雾贯穿距离随喷雾背温的变化规律，试验选取固定背压为6 MPa。由图可知，随着背温的增加，贯穿距离呈现先增大后减小的趋势。当背温由300 K升至500 K，定容弹内工质密度减小，喷雾运动阻力减小，喷雾贯穿距呈现出增大趋势；当背温继续升高至600 K和700 K，环境介质对燃油的加热效果更加显著，燃油的蒸发量会明显增大，因此喷雾贯穿距在这个阶段随背温的升高而减小。此外，当背温为700 K时，远高于3种燃料的最高馏出温度，喷油后期的贯穿距离基本稳定在30 mm左右，说明在该时刻油束得到的燃油补充与燃油蒸发量达到平衡状态。

图7 背温对-10号军用柴油喷雾贯穿距的影响

3.2 背压、背温对喷雾锥角的影响

图10～12为3种燃料喷雾锥角随喷雾背压的变化规律。由图可知，3种燃料喷雾锥角均随喷雾背压的增大而增加。随着容弹内环境压力升高，介质密度增加，燃油射流所受阻力增大，在降低燃油射流前进速度的同时会迫使燃油油滴改变初始的运动方向，进而呈现出向外侧扩散的趋势，所以喷雾锥角会随环境压力的提高，会出现增大的趋势。

图8 背温对MGP5燃油喷雾贯穿距的影响

图9 背温对TYRL燃油喷雾贯穿距的影响

图10 背压对-10号军用柴油柴油喷雾锥角的影响

图11 背压对MGP5燃油喷雾锥角的影响

图12 背压对TYRL燃油喷雾锥角的影响

喷雾锥角增加，油束中的油滴粒子密集度更为松散，不容易发生碰撞粘合，油滴颗粒周围的空气与油滴混合更充分，有利于空气卷吸作用和增加油滴蒸发面积，有助于燃油与空气的充分混合。

图13～15为试验测得的3种燃料喷雾锥角随喷雾背温的变化规律。由图可知，喷雾锥角随背温的增加而减小。背温增加会导致喷雾边缘区域的燃油蒸发速率增加，液相高浓度区减小甚至消失，进而使得液相燃油的喷雾锥角变小。

图13 背温对-10号军用柴油喷雾锥角的影响

环境温度可以通过影响喷雾的速度场和相浓度场而影响喷雾锥角，尤其是相浓度场对喷雾锥角的影响十分显著，随着环境温度的提升，高浓度区域明显减小甚至消失，并且这种现象在喷油后期更加明显。温度的提升增加了喷雾和环境气体的热动能，加速了气化喷雾的扩散[12]，燃油蒸发雾化速度加快，高温下燃料粘度和表面张力的下降也有利于液滴的破碎细化，促进液滴的蒸发。

图14 背温对MGP5燃油喷雾锥角的影响

图15 背温对TYRL燃油喷雾锥角的影响

3.3 3种燃料喷雾特性对比研究

图16～图21分别显示了小背压低背温和大背压高背温两种特定工况下3种燃料的喷雾发展历程。图16～图18所示为背温300 K、背压0.1 MPa时3种燃料的喷雾发展历程，3种燃料的喷雾形态在各个时间段基本一致。由于背温和背压均较低，燃油喷雾液滴动能较大，速度较高，因此在在喷射开始后0.5 ms时已经超出了定容弹的可视范围，发生撞壁。图19～图21所示为背温700 K、背压6 MPa时3种燃料的喷雾发展历程。高背温和背压工况下，3种燃油的喷雾形态在各个时间段相对低背温低背压工况更细，喷雾油滴颗粒更小，喷雾发展时间历程更长，表明喷雾油滴的全局速度场更低。此外，3种燃油的喷雾贯穿距离均稳定在定容弹可视范围的中间区域，未发生撞壁现象。

对比图16～图21可知外界环境对燃油喷雾形态的影响非常大：随着环境温度的增加，环境介质微观运动加剧，液滴与之发生碰撞产生的能量交换变大，宏观上即表现为背温升高促进了外围油束的蒸发雾化，使得油束变细，高速区域也变细。环境压力的提升，使得介质气体与液滴发生碰撞的频率增加，能量交换加快，整体上表现为环境气体对油束的阻力增加，使油束速度下降，喷雾发展历程变慢。

图16 背温300 K、背压0.1 MPa时-10号军用柴油的喷雾图像

图17 背温300 K、背压0.1 MPa时MGP5燃油的喷雾图像

图18 背温300 K、背压0.1 MPa时TYRL燃油的喷雾图像

图19 背温700 K、背压6 MPa时-10号军用柴油的喷雾图像

图20 背温700 K、背压6 MPa时MGP5燃油的喷雾图像

图21 背温700 K、背压6 MPa时TYRL燃油的喷雾图像

MGP5燃料的馏程最窄，馏分最轻，其运动粘度与表面张力也最小，导致燃料液滴更容易破碎，油滴与气体总接触面积更大，因此油滴蒸发速率更高，受到的气体阻力也更大，从而雾注贯穿距离相对较小。TYRL燃料和-10号军用柴油的贯穿距离基本相同，TYRL燃料的喷雾贯穿距离与-10号军用柴油的偏差平均为4.0%，因此，在发动机上应用TYRL燃料时需要对燃料的喷射时刻等参数进行修正和优化，才能保证发动机燃烧过程中的燃烧始点(CA10)、燃烧放热重心(CA50)、燃烧持续期等燃烧放热特征参数与原机状态基本一致。

图22和图23分别定量对比了3种燃料喷雾在2种特定工况下的贯穿距和锥角。由图22可知，在背温为300 K、背压为0.1 MPa时，3种燃料的贯穿距离高度一致，此结论与图片显示喷雾发展历程得到的结论一致。由此可知，在小背压低背温工况下，燃料理化特性对喷雾形态的影响不大。当背温升高到700 K、同时背压升高到6 MPa时，MGP5燃料的液体贯穿距最小，其他2种燃料的贯穿距长度较为接近，均大于MGP5燃料。

图22 3种燃料的贯穿距离对比

图23 3种燃料的喷雾锥角对比

由图23上方所示3种燃料喷雾锥角 随时间变化对比图可知，相同背温背压下，-10号军用柴油的喷雾锥角均小于其他2种燃料。在喷雾初期0～0.4 ms内，MGP5燃料和TYRL燃料的喷雾锥角在相同时刻下相比-10号军用柴油，最大增幅分别达到12.2%和11.3%。随着喷雾过程的发展，三者的喷雾锥角逐渐接近，相差在2%以内。整个喷雾过程MGP5燃料和TYRL燃料的喷雾锥角与-10号军用柴油的平均差值为4.3°和3.5°。

根据高希彦[16]提出的喷雾锥角计算公式：

(1)

喷雾锥角与燃油密度的0.25次方成反比。燃油密度越大，喷雾锥角越小。-10号军用柴油馏程温度高，馏分宽度大，燃料中难蒸发的重质成分较多，燃料密度大，运动粘度高，因此其喷雾锥角较小。

喷雾锥角小，则油束中的油滴粒子密集，更容易发生碰撞粘合，形成大颗粒油滴，油滴蒸发面积变小，导致燃料的蒸发度和扩散度下降，不利于燃油与空气的充分混合，影响可燃混合气的形成速度和燃烧速度。

4 结论

1)背温为300 K、背压为0.1 MPa时，3种燃料的贯穿距离区别不大，背温为700 K、背压为6 MPa时，轻质MGP5燃料的喷雾贯穿距最小，TYRL燃料与-10号军用柴油的喷雾贯穿距离较为接近，偏差平均为4.0%；

2)相同背温背压下，在喷雾初期-10号军用柴油的喷雾锥角均小于其他2种燃料；随着时间的推移，三者逐渐接近，相差在2%以内；

3)小背压低背温工况下，燃料理化特性对喷雾形态的影响不大；大背压高背温工况下，不同燃油品种间的喷雾特性差别较为显著，为保证特种车辆的动力性与经济性，在实际进行多燃料互补时，应根据需求喷射参数及点火时刻等控制参数进行修正与优化。