不同方法测定柴油雾化特性的比较研究

张齐龙，曹建明，李明龙，苏梅丽

（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）

不同方法测定柴油雾化特性的比较研究

张齐龙1，曹建明1，李明龙1，苏梅丽2

（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）

使用闪光摄影法、马尔文法以及PIV法测定孔径为0.315 mm、启喷压力为20 MPa这一工况点的纯柴油的喷雾特性，分析各种方法所得到的平均直径、特征直径以及发散度。比较不同方法所测得的粒子体积分布图。结果表明：马尔文法测得的结果均匀性更好，更加准确，闪光摄影法测得的结果与马尔文法更加接近。

柴油喷雾特性平均直径特征直径

1 引言

燃油雾化质量影响燃烧性能，关系到燃烧的稳定性，从而影响发动机的输出功率和工作经济性。现在越来越多的人开始研究燃油的雾化质量，但不同的试验方法会给结果带来差异。

本文重点研究不同测试方法对纯柴油喷雾特性的影响。为了可比性，本文研究孔径0.315 mm、启喷压力20 MPa条件下的单个工况点的纯柴油的喷雾特性。

2 闪光摄影法测定纯柴油喷雾特性试验

进行试验时首先拍摄直径为80 μm的标准丝，得到每个像素所占的长度为6 μm。为进行闪光摄影法测定纯柴油喷雾特性试验，建立了单次喷射试验台。试验台的示意图如图1所示。纯柴油的喷雾试验共拍摄照片200余幅，根据图片上液滴的样本容量及图片的清晰度选取一张最佳图片，如图2所示。

图1 试验台的示意图

对图片进行处理计算得出的液滴平均直径和特征直径如表1所示。

来稿日期：2012-11-30

图2 纯柴油液滴图

表1 平均和特征直径

液滴的尺寸体积分布和累积体积分布如图3和图4所示。

图3 尺寸体积分布图

图4 累积体积分布图

3 马尔文法测定纯柴油喷雾特性试验

马尔文（Spraytec）喷雾激光粒度测量系统可以实现对现场实时测量，可以对喷雾装置喷射出的液滴颗粒的尺寸分布和累积分布进行测量和分析。

马尔文喷雾激光粒度仪使用2个透镜系统，可以测量0.1～2 500 μm范围内的液滴分布，其捕捉速度最高可达10 kHz（即每100 μs测量1次）。马尔文喷雾激光粒度仪在测量液滴分布方面具有稳定性好、操作简单、重复性好、同步性好等优点。而且可以在测量完成后利用粒度仪所配备的软件对测量结果进行处理和分析。

图5和图6分别为马尔文喷雾激光粒度仪实物图和激光粒度仪图解。

图5 马尔文喷雾激光粒度仪

图6 马尔文喷雾激光粒度仪图解

该试验所取参数力求与闪光摄影法一致的原因在于欲比较2种方法所测定的喷雾特性的结果，必须保证试验时的参数的一致性，否则就没有可比性。

另外，因马尔文接收端所使用的是扇形衍射器，因此为防止小颗粒液滴漏检，须将喷雾液束靠近接收端一侧。图7为试验台示意图。图8为使用马尔文激光粒度仪所得的结果，其中蓝色直方图代表液滴直径体积分布，红色曲线为液滴累积体积分布。

图7 试验台示意图

图8 马尔文测量结果

工况点所得到的平均直径和特征直径及发散度如表2所示，其中平均直径和特征直径的单位均为微米（μm），相对尺寸范围和发散度没有单位。

由于超高压架空输电线路电压高、跨度大，即使在故障电流中断后，次级电弧电流也会流过故障点。文献[10]利用四支路并联补偿方案和高速接地开关（HSGS）能够抑制次级电弧，而本文将利用一种混合方案进行次级灭弧。该方案可以跳过故障相，经过短暂等待后跳过其余的两个相并非常快速地进行单相重合闸。初始时间延迟加上两个正常状况的短暂中断，确保电弧灭弧。图2给出了混合方案的操作顺序。由于初始冲击仅包含来自故障相的功率，当其中两个相跳闸时，系统的冲击仅仅是所有三个相在开始时同时跳闸所引起冲击的一半，因此，该方案提高了系统的稳定性。

表2 平均和特征直径

将马尔文测试的结果输出后读取数据，利用Origin图像处理软件绘图得到液滴体积尺寸分布和累积体积分布。其曲线分别如图9和图10所示。

4 PIV测定纯柴油喷雾特性试验

粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，简称PIV）是随着微机技术、微机接口技术、光纤技术、激光技术、计算机图像处理技术和高速摄影技术的发展于20世纪80年代逐渐发展起来的一种崭新的粒子测量技术。

本文并未直接使用PIV粒子测量系统来测量纯柴油的喷雾特性，而是将闪光摄影所拍摄的纯柴油喷雾特性的图片用PIV粒子测量仪的图像分析功能进行分析处理，从而得到纯柴油液滴的尺寸分布和累积体积分布。图11为利用PIV粒子测量仪的图像处理系统所获得的粒径分析结果概览图。

图9 尺寸体积分布图

图10 累积体积分布图

图11 显示了经处理所得到的粒子数量，也就是样本容量，共3301个。还可得到燃料液滴分布的平均直径和特征直径，其具体数值如表3所示。

需要说明的是，从图10可以看出，该图中以横坐标为3.5 μm处的液滴所占的比例为100%，因此还需要进行转换计算得出其液滴尺寸数目分布。图12为经过转换计算所得到的液滴尺寸数目分布曲线。

从图中可以看出，液滴的尺寸分布曲线为单波峰曲线，在峰值点两侧曲线稍微高一些，而在其他直径处分布均很小。

图13为利用PIV所得到的孔径为0.315 mm、喷嘴的启喷压力为20 MPa的纯柴油喷雾特性的累积数目分布曲线。

5 3种测试方法液滴尺寸分布比较

图11 粒径分析结果概览图

表3 平均和特征直径

图12 液滴尺寸数目分布图

图13 液滴尺寸累积体积分布图

从图14可看出，3条曲线的总体趋势一致，均为单波峰曲线，均呈先增大后减小的趋势，但是3条曲线的波峰所在的直径不一致，PIV法的最小，闪光摄影法的居中，马尔文最大。另外，PIV处理结果与马尔文激光粒度仪测试结果相比波峰值较为接近，而闪光摄影法的波峰值较大。原因在于马尔文法所测得的粒子最大直径较大，亦即大颗粒的液滴占了总体积的一部分，使得曲线向右偏移。而PIV法的最大粒子直径仅为60 μm左右，亦即液滴体积在小颗粒液滴的范围内积聚较多，使得曲线向左偏移较多。但就总体来说，马尔文法测量结果的均匀性更好。

图14 3种测试方法尺寸分布比较图

因为闪光摄影法使用标准丝定标所得的最小颗粒直径为6 μm，也就是说小于6 μm的液滴无法被测量，而马尔文法可以测量的最小粒子直径为1 μm，因此在小颗粒液滴的测量方面，马尔文法更加精确。

另外，从图中可以看出，闪光摄影法和马尔文法曲线较为接近，波峰所在的直径也比PIV法的曲线更接近。

6 结论

使用了3种方法对0.315 mm孔径、20 MPa的启喷压力下的纯柴油的喷雾特性进行了研究和对比分析，得到如下结论：

（1）因为测试方法的不同，所得到的平均直径和特征直径以及发散度不同。

（2）马尔文法测得的结果均匀性更好，更加准确，闪光摄影法测得的结果与马尔文法更加接近。

1李跟宝，周龙保．柴油机燃用二甲醚/柴油混合燃料时的特性研究[J]．内燃机工程，2010（1）：13-16．

2曹建明．喷雾学[M]．北京：机械工业出版社，2005．

3曹建明．雾化液滴尺寸和速度分布函数的推导[J]．交通运输工程学报，2007（1）：34-36．

4曹建明，王磊，陈志伟等．生物柴油-柴油混合燃料喷雾液滴尺寸数目分布的理论预测[J]．车用发动机，2009（1）：4-7．

图14 缸盖火力面稳态温度场分布云图

参考文献

1姚仲鹏，王新国．车辆冷却传热[M].北京：北京理工大学出版社，2001：86．

2曾正明．机械工程材料手册(金属材料)[M]．第3版．北京：机械工业出版社，2005．

3白曙.适用于缸盖冷却系统的沸腾模型研究 [M].柴油机设计与制造，2011（4）：2-3.

Comparison Study on Diesel Fuel Spray with Different Methods

Zhang Qilong1,Cao Jianming1,Li Minglong1,Jiang Meili2
（1.School of Automobile,Chang'an University,Xi'an 710064,China; 2.Chang'an Automobile Co.,Ltd.,Chongqing 401120,China）

Strobo-photograph,Spraytech and Particle Image Velocimetry are used to investigate the spray character of diesel fuel injected by a nozzle of 0.315 mm in diameter at injecting pressure of 20 MPa. The average diameters,feature diameters and divergences derived from these three methods are analyzed, and the particulate volumes distribution obtained from three methods are compared.The result shows that the Spraytech method gives a more even and more accurate measurement and strobe-photograph gives a measurement closer to Spraytech.

diesel fuel,spray character,average diameter,feature diameter

张齐龙（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向为柴油机燃烧、喷雾过程。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.01.002