柴油雾化特性的定量研究

王振平，曹建明，郭广祥，陈静，宋凯

（1.长安大学汽车学院，西安710064；2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆401120；3.广西玉柴机器股份有限公司，玉林537005）

柴油雾化特性的定量研究

王振平1，曹建明1，郭广祥1，陈静2，宋凯3

（1.长安大学汽车学院，西安710064；2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆401120；3.广西玉柴机器股份有限公司，玉林537005）

采用激光衍射技术对不同启喷压力和孔径喷嘴的燃油雾化情况进行了定量研究，并对相关粒径分布进行了分析，给出了两者对燃油雾化各项指标的影响程度。结果表明，燃油雾化后，油滴的尺寸数目和体积分布曲线都呈双峰趋。启喷压力的提高和喷孔直径的减小都能促使雾化质量变好，索特平均直径D32降低，但降低的幅度并不相同。

柴油喷雾定量化粒径分布

1 引言

随着汽车工业的高速发展所带来的环境问题越来越受到人们的关注，国家的排放法规日益严格，如何提高燃油的雾化质量，促使缸内可燃混合气能够得到充分燃烧，减少发动机的排放已经成为内燃机工作者们所要考虑的首要问题。燃油喷射装置作为柴油机燃油供给系统的重要组成部分，其不仅担负着将燃料定时定量地喷入气缸内，还要保证燃料在雾化后能够与空气充分混合，形成均匀的可燃混合气，经充分燃烧后，以满足车辆的动力性、经济性和排放性的要求。雾化质量的好坏取决于喷嘴的喷射压力、喷孔直径及喷射环境压力等因素，因此，如何定量化的给出这些因素对雾化质量的影响就显得尤为重要。

2 试验台的布置与参数的设定

试验台由燃油喷射系统、马尔文粒度分析测量系统、控制台等几部分组成，试验台布置如图1所示。试验喷射燃料选用纯柴油，柴油密度847 kg/m3，折射率1.47[1]。燃油喷射装置为3个低惯量单孔特制喷嘴，喷孔直径分别为0.26 mm、0.315 mm和0.366 mm。由于目前电控柴油机的启喷压力一般在18～20 MPa之间，启喷压力选用16 MPa、20MPa和24 MPa 3种压力。测量在距喷嘴出口处30 cm进行。试验时喷射所需压力由油泵来提供，燃料油滴的粒径分布情况由马尔文粒度分析仪测得，触发方式设置为穿透率降低到95%时自动触发，以保证测量过程的精确性和同步性。

图1 试验台布置图

3 试验结果与分析

3.1 喷嘴孔径和启喷压力对雾化油滴平均直径的影响

喷雾液滴平均直径的概念由Mugele和Evans提出，其定义为：假定用一个液滴尺寸完全均匀一致的喷雾场代替实际不均匀的喷雾场，这个假想的均匀喷雾场液滴直径称为平均直径[2,3]。其定义式为：

式中，

N——直径为D的液滴数目，通常取Dmin=0。

不同喷孔直径和启喷压力下等到的索特（Sauter）平均直径D32（μm）如表1所示。

表1 雾化油滴索特平均直径D32

从表1中可以看出，在启喷压力一定的情况下，随着喷孔直径的减小，整个雾场的平均粒径D32在逐渐减小，雾化质量越来越好。孔径从0.366 mm减小到0.26 mm，3个启喷压力下的索特平均直径D32分别由37.67 μm下降到32.01 μm、35.29 μm下降到28.73 μm、34.29 μm下降到27.6 μm，降幅分别为15.0%、18.6%和19.7%。

在喷孔大小一定的情况下，随着启喷压力的升高，D32同样在减小，雾化质量也在变好。启喷压力从16 MPa增加到24 MPa，索特平均直径D32分别由32.01 μm下降到27.6 μm、34.28 μm下降到30.04 μm、37.67 μm下降到34.39 μm，降幅分别为13.8%、12.4%和8.7%。

由D32的定义式可知，在循环供油量相同的情况下，即一次喷射的燃油体积相同，D32越小，雾场油滴所具有的表面积就越大，这就意味着，在启喷压力相同的情况下，喷孔越小，一次喷雾过程雾场中所产生的小油滴数目占整个雾场油滴数目的比例在增加，而大颗粒油滴的数目所占比例在减小。这一点在油滴尺寸的数目分布中也得到了证实。在孔径相同的情况下，提高启喷压力，效果与上述情况相同，在此不再累述。

3.2 喷嘴孔径和启喷压力对雾化油滴的特征直径的影响

通常，燃烧系统喷雾的油滴平均直径D32越小，则雾化质量越好，采用索特平均直径进行分析即可，但是对于一些具体情况，仅采用平均粒径分析显然是不够的[3]。如低温环境下，柴油机在冷起动时，要求气缸内有足够量的细小油滴能够与空气迅速混合，形成可燃混合气，保证发动机的顺利起动；而在正常运行状态下，为避免所有油滴同时着火引起过高的压力增长率和最高爆发压力，柴油机的燃烧除需要有引燃用的细小油滴外，还要有随后燃烧所需的较大油滴，以保证燃烧的稳定性和柔顺性。由于D0.1对起动点火影响较大，D0.9对燃烧稳定性很重要，因此表2和表3分别给出了特征直径D0.1（μm）和D0.9（μm）的相应的变化情况。

表2 特征直径D0.1

表3 特征直径D0.9

从表2中可以看出，孔径从0.366 mm减小到0.26 mm，3种启喷压力下的特征直径D0.1分别由26.36 μm下降到21.56 μm、24.81 μm下降到19.56 μm、22.9 μm下降到17.84 μm，降幅分别为15.0%、21.2%和22.1%。启喷压力由16 MPa提高到24 MPa，3个喷嘴的特征直径D0.1则分别由21.56 μm下降到17.84 μm、23.85 μm下降到20.56 μm、25.36 μm下降到22.9 μm，降幅分别为17.3%、15.1%和9.7%。

从表3中可以看出，孔径从0.366 mm减小到0.26 mm，3个启喷压力下的特征直径D0.9分别由85.49 μm下降到74.69 μm、81.71 μm下降到66.94 μm、75.57 μm下降到66.84 μm，降幅分别为12.6%、18.1%和11.5%。启喷压力由16 MPa提高到24 MPa，3个喷嘴的特征直径D0.9则分别由74.69 μm下降到66.84 μm、75.5 μm下降到70.23 μm、85.49 μm下降到75.57 μm，降幅分别为10.5%、7.0%和11.6%。

3.3 喷嘴孔径和启喷压力对雾化油滴尺寸数目、体积分布的影响

由于给出全部结果后图中分布曲线叠加严重，不便于分析与说明，因此图中仅给出0.26-16MPa、0.366-16MPa、0.26-24MPa 3个工况点结果。雾化油滴尺寸的数目、体积分布情况如图2所示。

图2 雾化油滴尺寸数目、体积分布

从图2可以看出，油滴尺寸数目分布曲线呈双峰趋势，并且第1波峰陡峭、尖锐，分布范围较窄，最大值出现在4 μm左右，第2波峰平缓，分为范围较宽，极大值出现在30 μm左右，波谷极小值则出现在10 μm左右。这说明燃油碎裂后，大部分油滴粒径分布在0～10 μm之间，较少一部分分布在10～90 μm，90 μm以上粒子数目极少。

油滴尺寸体积分布曲线同样呈双峰趋势，但其第1波峰平缓，分布范围仅在0～10 μm之间，极大值出现在4 μm左右，而第2波峰分布范围主要集中在10～100 μm，最大值出现在50 μm左右。这意味着，雾场中的主要体积（质量）集中在中间尺寸的油滴上。

比较0.26-16MPa和0.26-24MPa 2个工况点的数目和体积分布曲线，发现后者的数目和体积分布曲线偏左，说明在相同孔径下，提高喷嘴的启喷压力，对于燃料的雾化有促进作用，大颗粒油滴的数目和体积所占比例均相应减少，并且最大油滴直径D0.999由115.8 μm降低到103.4 μm。比较0.26-16MPa和0.366-16MPa 2个工况点的数目和体积分布曲线，发现后者数目和体积分布曲线双双向右移动。这说明在相同的启喷压力下，增大喷孔直径将促使大颗粒油滴的数目和体积所占比例增加，最大油滴直径D0.999由115.8 μm上升到133.2 μm，雾化质量变差。此处也验证了对D32分析的正确性。

3.4 喷嘴孔径和启喷压力对雾化油滴尺寸数目、体积累积分布的影响

雾化油滴的累积数目和体积分布曲线总是单调递增[4]，从图3中可以看出，直径10 μm以下油滴累积数目占总油滴数目的比例高达90%，但其累积体积仅占总油滴体积的5%左右；直径85 μm以上的油滴数目仅占总油滴数目的0.1%，其累积体积却占到了总油滴体积的10%左右。由此可以得出，虽然大颗粒油滴和中间尺寸油滴的数目非常稀少，但其在体积分布和累积体积分布中所产生的影响远远大于小颗粒油滴的影响。同时，由于大颗粒油滴在缸内不易完全燃烧，长时间处于高温情况下，会裂解成碳烟和微粒等排放物，影响发动机的经济性和排放。因此，大颗粒油滴产生的影响不容忽视。

图3 雾化油滴尺寸累积数目、体积分布

4 结论

通过一系列的试验研究和对试验结果的分析，得出如下结论：

（1）启喷压力的提高和喷嘴孔径的减小都能够促使D32减小，燃油的雾化变好，但喷嘴孔径对喷雾影响的敏感程度较大。

（2）启喷压力和喷嘴孔径同样对特征直径D0.1和D0.9有较大影响，两者变化趋势与D32变化类似，即喷嘴孔径一定，随启喷压力提高而减小；启喷压力一定，随喷嘴孔径减小而减小。

（3）雾化油滴的尺寸数目和体积分布曲线都为双峰曲线。尺寸数目分布曲线第1峰陡峭，尖锐，其范围内油滴数目约占总油滴数目的90%左右；第2峰平缓，其范围内油滴数目仅占总油滴数目的10%左右。对于尺寸体积分布曲线而言，第1峰范围内油滴体积占总体积的5%左右，而油滴质量则主要集中于其第2峰尺寸范围内，即雾场中的质量大部分集中在中间尺寸油滴上。大颗粒油滴则极其稀少，但其雾化质量的影响不容忽视。

1徐广通，袁洪福，陆婉珍等．近红外光谱技术快速测定柴油物理性质[J].石油学报（石油加工），1999，15（5）：63-68．

2曹建明．喷雾学[M]．北京：机械工业出版社，2005．

3侯凌云，侯晓春．喷嘴技术手册[M]．北京：机械工业中国石化出版社，2007．

4曹建明，王磊，陈志伟等．柴油-生物柴油混合燃料喷雾特性试验研究[J].车用发动机，2008（1）：32-35．

Quantitative Study on Spray Characteristics of Diesel Fuel

Wang Zhenping1,Cao Jianming1,Guo Guangxiang1,Chen Jing2,Song Kai3
（1.Automobile Faculty,Chang'an University,Xi'an 710064,China;2.Chongqing Chang'an Automobile Stock Co.Ltd.,Chongqing 401120,China;3.Guangxi Yuchai Machinery Co.Ltd.,Yulin 537005,China）

The quantitative study on the fuel atomization at different injection pressures and orifice diameter was made with laser diffraction technique.Through analyzing relevant particle size distribution,the degree of fuel atomization index affected by injection pressure and orifice diameter was given.The study results show that the size of oil droplets number curve and size distribution curve both have two wave crests. Increasing of the injection pressure and reducing the orifice diameter both will improve the quality of fuel atomization and reduce D32,but not in equal fall.

diesel,spray,quantization,particle size distribution

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.02.002

来稿日期：2012-03-22

王振平（1985-），男，在读硕士研究生，主要研究方向为柴油机燃烧、喷雾过程方面的研究。