柴油-正丁醇混合燃料的宏观喷雾特性试验研究

吴凤英， 王站成， 吴健， 朱莉莉

(河南科技大学车辆与交通工程学院， 河南 洛阳 471003)



柴油-正丁醇混合燃料的宏观喷雾特性试验研究

吴凤英， 王站成， 吴健， 朱莉莉

(河南科技大学车辆与交通工程学院， 河南 洛阳 471003)

在高压共轨燃油喷雾试验台上对正丁醇体积掺混比分别为0%，5%，10%和20%的柴油-正丁醇混合燃料的宏观喷雾特性进行了研究。结果表明：在相同共轨压力下，随着背压的增加，喷雾锥角增大，喷雾贯穿距减小；在相同背压下，随着共轨压力的增加，喷雾贯穿距和喷雾锥角均逐渐增大，但当共轨压力增大到110 MPa时，二者不再增大；在相同背压和相同共轨压力下，喷雾贯穿距和喷雾锥角随着正丁醇比例的增加逐渐增大，说明在柴油中混合一定比例的正丁醇可以提高燃料的雾化质量。

柴油； 正丁醇； 混合燃料； 背压； 共轨压力； 喷雾贯穿距； 喷雾锥角

由于柴油车的NOx和PM排放量较高，因此高效清洁燃烧以及替代燃料的研究逐渐受到了重视。使用含氧燃料或含氧添加剂与柴油混合是降低柴油机排放的有效措施之一。可再生的醇类燃料掺入柴油中可以起到优化燃烧和降低炭烟排放的作用。丁醇是新型替代燃料之一，是一种可以生物降解的可再生含氧燃料。正丁醇是丁醇的同分异构体之一，与甲醇和乙醇相比其最大的优点是亲水性差。目前，正丁醇主要用作生物燃料替代物或传统石油燃料的助溶剂[1-2]，相关研究主要集中在柴油掺混正丁醇对柴油机燃烧及排放性能的影响。Mingfa Yao等在试验台架上研究了丁醇比例对重型柴油机燃烧和排放的影响规律[3]；Doan对不同比例掺混的正丁醇-柴油混合燃料及纯柴油在固定转速、不同负荷下的排放情况进行研究[4]；Miloslaw J，Scott A．Miers等在柴油乘用车中研究了丁醇和柴油混合燃料的燃烧及排放特性[5-6]；张全长等人在一台改造的单缸柴油机上研究了柴油中添加不同体积比例正丁醇燃料在不同进气压力和EGR率下的燃烧、排放特性[7]；周庭波等研究了柴油中掺烧大比例丁醇(丁醇比例为40%)对柴油机燃烧和排放性能的影响[8]。柴油机燃料的喷雾特性，如喷雾贯穿距离、喷雾锥角等对柴油机的经济性和排放有着重要影响，因此，进行柴油-正丁醇混合燃料喷雾特性的研究对认识其燃烧机理，改善其排放特性有重要的理论意义和应用价值。本研究通过高压共轨燃油喷雾试验台对柴油-正丁醇混合燃料的喷雾特性进行了研究，分析了不同背压和共轨压力下混合燃料的喷雾贯穿距及喷雾锥角宏观参数的变化规律。

1 试验装置和试验方法

试验用高压共轨燃油喷雾试验台采用BOSCH高压共轨供油系统。试验装置见图1，主要包括低压燃油供给系统、高压油泵、共轨管、定容燃烧弹、电控喷油器、纹影系统和高速摄像机等，其中喷油器是BOSCH电磁阀式单孔喷油器，喷孔直径为0.13 mm，喷嘴孔长度为0.65 mm。

试验研究了喷油压力及背压对柴油-正丁醇混合燃料喷雾特性的影响，其中正丁醇的体积比例为0%，5%，10%，20%，分别记为D100，B5，B10，B20；定容弹内的背压通过注入氮气来形成，背压分别取1 MPa，2 MPa，3 MPa；喷射压力分别取70 MPa，80 MPa，90 MPa，110 MPa，120 MPa，130 MPa；高速摄像机以10 000 帧/s的速度对喷雾过程进行拍摄，图片分辨率为384×288，并通过Matlab软件对图片进行处理，在相同条件下的喷雾贯穿距、喷雾锥角是通过图像边缘检测同条件下多次喷雾过程的喷雾贯穿距、喷雾锥角求平均值得到。Chang对喷雾特性相关参数的定义作了详细介绍[9]，本研究采用取某时刻喷雾贯穿距的60%为测量基准的方法来计算喷雾锥角[10]。喷雾参数定义见图2。表1示出了柴油与正丁醇的部分物理和化学特性参数。

表1 柴油与正丁醇的部分物理化学特性参数

2 试验结果及分析

2.1 喷雾形态分析

燃料B20在共轨压力为90 MPa，背压为1 MPa，2 MPa，3 MPa下的喷雾形态见图3。从图中明显看出，当喷射压力相同时，随着背压的增大，喷雾油束中心区域的燃料密度逐渐增大，在同一时刻，喷雾的贯穿距减小，油束形态由细长变为短且丰满。在小背压时，油束顶端发展速度较快，燃油密度较小；在大背压时，油束顶端的燃油密度明显较大。这主要是由于背压变化对喷雾的初速度影响不大，而对介质密度的变化影响大。背压增大，介质密度变大，使得雾粒与介质间动量交换增加，造成喷注的动能损失增加，迎风阻力增大，使得贯穿距减小。

图4示出了混合燃料B20在环境背压为2 MPa，共轨压力为70 MPa，80 MPa和90 MPa时的喷雾形态。由图可以看出，随着共轨压力的增大，喷雾贯穿距逐渐增加，且在同一喷雾时刻下喷油量也略有增加，共轨压力越大，油束雾化效果越好，尤其在燃油喷射后期，油束前端与介质气体卷吸强烈，与气体混合效果好。对比共轨压力为90 MPa与70 MPa的油束图，前者油束前端出现较多的“坑洼”或“褶皱”，这主要是由于在相同背压下，喷射压力越高喷孔处的压力差就越大，使得喷注的初速度和动能越大，最终燃油周围更强的气流扰动和油束内部的湍流运动促进了雾化，形成了更多细小的液滴，这有助于油气充分混合；90 MPa和70 MPa相比油束中过浓的区域减少，这将会减小燃料的不完全燃烧区域，降低CO和炭烟的排放。

2.2 环境背压对喷雾特性的影响

图5与图6示出了B20在环境背压为1 MPa，2 MPa，3 MPa下的喷雾特性曲线。由图5a可以看出，当共轨压力为90 MPa时，背压为1 MPa的喷雾末期的贯穿距比背压为3 MPa时的大19 mm，可见背压对喷雾贯穿距的影响较大。随着背压的增大，贯穿距逐渐减小，且这一趋势在喷雾后期更加明显。这是由于随着背压的增大，环境介质的密度增加，使得喷雾沿着喷射方向的阻力增大；喷雾初始时的液滴较大且速度较快，所受到介质阻力的影响相对较小，相反，越接近喷雾末期，受到介质阻力的影响就越大[11]。图5b中环境背压对贯穿距的影响趋势同图5a，但随着共轨压力的提高，环境背压对贯穿距的影响相对减弱。

图6示出了B20在不同环境背压下喷雾锥角的变化曲线。从图中看出，在一定的共轨压力下，喷雾锥角随背压的增大而增大，且在图6b中这一趋势更为明显。这是因为在相同条件下，贯穿距较大时，其横向平均直径就会相应减小。当共轨压力为130 MPa时，喷油嘴两端的压力差大，喷油初始速度快，背压增加使环境介质密度增加，喷雾液滴与周围环境气体之间的相互作用增强，使得油束的外边缘产生越来越强的卷吸作用，因此，喷雾锥角随背压的增加而增大的趋势更加明显[12]。

2.3 共轨压力对喷雾特性的影响

图7示出了背压为1 MPa时，B20混合燃油的贯穿距随着共轨压力的变化情况。由图7a可知，随着共轨压力的增加，喷雾贯穿距增大且变化趋势基本一致；但由图7b看出，当共轨压力增大到一定程度后，喷雾贯穿距基本保持不变。这主要是由于在一定的范围内，随着共轨压力的增加，喷油初始速度提高，此时环境介质影响较弱，喷雾贯穿距增大；当共轨压力增加到一定范围后，喷油初始速度较高，油束与周围环境气体之间的动量交换增加，此时环境介质的影响增强，从而减缓了贯穿距的增加[13]。

图8示出了背压为1 MPa时，喷雾锥角随共轨压力的变化情况。在图8a中，喷雾锥角随着共轨压力的增加而增大。在图8b中，喷雾锥角随着共轨压力的增加先增加，但共轨压力增大到120 MPa和130 MPa时，喷雾前期二者锥角基本一致，喷雾后期130 MPa的锥角略大于120 MPa时。这主要是由于较高喷射压力引起喷射速度增加，导致在相同的背压下气液间的相对速度变大，加强了雾化效果，锥角增大；但当共轨压力增大到一定程度后，油束边缘产生的卷吸作用进一步增强，雾化质量进一步提高的同时，液滴索特平均直径减小，液滴容易蒸发，使得喷雾锥角增加不大[14-15]。

2.4 掺混比例对喷雾特性的影响

图9示出了不同掺混比例的燃料在环境背压为2 MPa，共轨压力为90 MPa和130 MPa时的喷雾特性对比曲线。

对于不同燃料，喷雾特性的差异主要取决于各种燃料物性参数的差异，包括燃料密度、表面张力、黏度和挥发性等。由图9可知，随着正丁醇比例的增加，喷雾贯穿距和喷雾锥角均增大。由于3种混合燃料的密度相差较小，由此导致的贯穿距变化也很小。从表1中看出，柴油的运动黏度比正丁醇的运动黏度大，随着正丁醇比例的增加，混合燃料的运动黏度逐渐减小，使得燃料在喷孔内的流动阻力降低，初始喷射速度增大，相同时间内的贯穿距离也随之增加，因此喷雾贯穿距随正丁醇比例的增加而增大。同时随着正丁醇的增加，运动黏度逐渐减小，燃料液滴更容易破碎，与周围气体的混合更好，因此喷雾锥角增大[16]。喷雾面积是喷雾贯穿距和喷雾锥角的综合体现，通过对喷雾贯穿距和喷雾锥角的分析可知，在一定的掺混比例范围内，随着正丁醇比例的增大，喷雾面积将逐渐增加，油束与周围气体的混合更好，说明在柴油中混合一定比例的正丁醇可以有效提高燃料的雾化质量。

3 结论

a) 环境背压对B20雾化特性的影响较大，在同一共轨压力下，随着背压的增加，B20的喷雾锥角逐渐增大，喷雾贯穿距逐渐减小；

b) 相同背压下，B20的喷雾贯穿距、喷雾锥角先随着共轨压力的增加逐渐增大，但当共轨压力增大到110 MPa后，喷雾贯穿距、喷雾锥角增幅极小；

c) 一定的掺混比例范围内，随着正丁醇掺混比例的增加，喷雾贯穿距和喷雾锥角都逐渐增大，说明在柴油中混合一定比例的正丁醇可以有效提高燃料的雾化质量。

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[编辑： 姜晓博]

Macroscopic Spray Characteristics of Diesel and n-Butanol Blends

WU Fengying, WANG Zhancheng, WU Jian, ZHU Lili

(College of Vehicle & Traffic Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， China)

The spray test of diesel mixed with 0%, 5%, 10% and 20% n-butanol respectively was conducted on a high-pressure common rail spray test bench. The results show that the spray cone angle increases and the penetration decreases with the increase of ambient pressure under the same injection pressure. Under the same back pressure, the penetration and the spray cone angle increase, but will stop increasing when the common rail pressure reaches 110 MPa. The penetration and spray cone angle increase with the increase of n-butanol mixing proportion under the same back pressure and common rail pressure, which proves the possibility of improving fuel spray quality with n-butanol.

diesel; n-butanol; blended fuel; back pressure; common rail pressure; penetration; spray cone angle

2014-12-24；

2015-01-30

河南省自然科学基金项目(092300410125)；河南省重点攻关基金项目(092102210013)

吴凤英(1979—)，女，讲师，硕士，主要研究方向为发动机排放控制；xiaowufengying@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.006

TK421.43

B

1001-2222(2015)03-0027-05