柴油掺混二甲醚喷雾粒子尺寸分布特性试验研究

李跟宝， 李洪波， 高博

(长安大学汽车学院， 陕西 西安 710064)



柴油掺混二甲醚喷雾粒子尺寸分布特性试验研究

李跟宝， 李洪波， 高博

(长安大学汽车学院， 陕西 西安 710064)

为确定二甲醚掺入柴油后对燃料雾化性能的改善效果，利用阴影成像与数字图像处理技术，对不同掺混比、喷射压力以及喷孔直径等条件下的二甲醚-柴油混合燃料喷雾粒子尺寸分布特性进行了对比试验研究。结果发现：由于柴油中二甲醚的闪急沸腾作用，随着二甲醚掺混比的增加，混合燃料粒子尺寸分布曲线整体向小颗粒方向偏移，较大粒子数目较柴油明显减少，有助于降低发动机炭烟排放；喷孔直径、喷射压力等喷射参数对混合燃料雾化粒子分布有较大影响，减小喷孔直径使燃油粒子更加细化，降低喷射压力则使混合燃料雾化效果有变差的趋势。

柴油机； 二甲醚； 混合燃料； 燃油喷雾； 尺寸分布

二甲醚(DME)被认为是近年来最具吸引力的柴油机清洁代用燃料之一。众多研究表明：柴油机燃用二甲醚能够实现高效、超低排放和柔和压缩燃烧，因而极具应用潜力[1-3]。二甲醚可由煤中大规模、低成本制取，发展煤基二甲醚作为车用替代能源，对于改善我国原油对外依存度过高的现状、促进国内煤化工行业的发展、降低交通行业的能耗与排放水平，具有重要的现实意义。

二甲醚常温常压下呈气态，需加压液化后供给发动机燃用。其对常规橡胶密封件也有腐蚀性，实际应用中需换用耐二甲醚腐蚀的密封材料。二甲醚液态黏度约为柴油的1/20，发动机供油系统中存在润滑及泄漏等问题。美国宾州州立大学Bhide等人[4]将二甲醚与柴油混合后在发动机上应用，证实在二甲醚掺混比例不超过25%(质量比)时，发动机可以稳定、低排放工作。同时，二甲醚低热值仅为柴油的67%，将其按较低比例与柴油掺混应用可尽可能减少对发动机燃油供应系统的改动。作者[5-6]试验发现，发动机燃用D20混合燃料(20%二甲醚+80%柴油)时，发动机动力性超过原机水平，最低当量燃油消耗率耗下降4.5%，烟度下降70%以上，NOx降低30%～50%，表明二甲醚-柴油混合燃料是一种能实现高比功率、低排放的石油替代燃料。

二甲醚的沸点低，饱和蒸气压高，有利于改善燃料雾化效果。二甲醚燃料的喷雾过程一直都是相关研究的热点问题，但前期研究较多地侧重于油束贯穿距、雾化锥角等宏观参数的分析评价，对液滴尺寸分布等喷雾微观特性则涉及较少[7-8]。为此，本研究采用阴影成像试验技术，分析二甲醚掺混比、喷射压力以及喷孔直径等参数对混合燃料喷雾粒子分布特性的影响规律，探索优化燃料喷雾过程的有效途径。

1 试验方法及设备

为避免柴油中掺入过多二甲醚而导致燃料黏度过低，本研究分别选取D10(10%二甲醚+90%柴油)和D20(20%二甲醚+80%柴油)为研究对象，并结合纯柴油进行喷雾对比分析。

试验在单次喷射雾化粒子特性试验台上进行，试验装置见图1。作者前期研究证实二甲醚与柴油互溶性好，长久静置不会出现分层现象[9]。本研究中混合燃料按质量比在耐压容器中配制并储存，经氮气加压至0.7 MPa(高于常温下燃料饱和蒸气压)后输送至高压单次喷射装置入口，采用触发器控制燃油喷射进入大气环境，并同步控制800万像素高清晰CCD数码相机对喷雾场进行拍摄。试验过程中采用外部频闪光源辅助成像，试验微距镜头的景深控制在0.1 mm之内。

试验获取的喷雾图像采用本研究组开发的喷雾图像处理软件进行数据读取，主要处理过程包括图像切割、图像处理、粒子特征提取与分析。图像切割使雾场局部得到放大，更加清晰地显现出细节。图像处理是对喷雾图像依次进行灰度图转化、光照不均处理、直方图均衡化、滤波增强、对比度扩展以及阈值处理。图2a为某一试验条件下喷雾粒子图像局部示意，图2b为经图像处理后的结果。由图2可以看出，图像处理技术可将燃油粒子与背景清晰区分，进而实现对粒子大小与数目的统计。粒子直径需采用一定直径的标准丝图像进行像素定标，本试验得出最小粒子的判定精度为6 μm。本试验方法与当前国际二维PIV系统原理一致，分别采用SprayMaster与自主开发的软件对同一幅雾场图片进行处理，本软件测得粒子索特平均直径D32为27.96 μm，SprayMaster软件所得D32为27.12 μm，二者处理结果精度相当，但本软件从图片上读取的粒子样本容量(2 058个粒子)大大超过SprayMaster处理结果(974个)，因此雾场粒子信息反映得更为丰富。

2 试验结果及讨论

2.1 二甲醚掺混比的影响

依据试验结果可直接得出喷雾粒子尺寸分布特征，即某一粒径尺寸带中的粒子数目所占全部粒子数目的百分数。基于粒子尺寸分布数据，可进一步计算出表征粒子分布微观特征的平均直径、特征直径以及发散度等参数。本研究选取索特平均直径D32及粒子相对尺寸范围Δs来进行喷雾质量评价，其中D32的定义为

(1)

相对尺寸范围Δs表示液滴直径相对于质量中值直径D0.5的变化范围，分别定义特征直径D0.1，D0.5，D0.9为小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的10%，50%，90%，则Δs可表示为

(2)

图3示出燃用柴油、D10和D20 3种燃料在喷孔直径0.315 mm，喷射压力20 MPa的条件下，粒子尺寸数目分布的比较。由图3可以看出，与燃用柴油相比，燃用二甲醚-柴油混合燃料粒子尺寸分布左移，即向小粒子方向整体偏移。这主要因为燃料喷射出喷嘴孔后，混合燃料中的二甲醚急速汽化产生闪急沸腾效应，有助于一次雾化燃料液滴的进一步破碎，使得总体喷雾粒子中小尺寸油滴数目显著增加。由图3还可看出，与燃用D10比较，燃用D20时粒子尺寸分布偏移得非常明显，同时曲线峰值也有较大幅度增加，这说明增大二甲醚掺混比例有助于获得更多细小燃油粒子，雾化效果因而更为优异。

表1列出D32和Δs随二甲醚掺混比例的变化。由表1可以看出，增加二甲醚的掺混比使得液滴索特平均直径不断降低，这有助于增加燃料与环境气体的接触面积，提高蒸发率，从而提高燃烧效率。同时，随着二甲醚掺混比的增加，相对尺寸范围Δs先减小再增加，这是因为柴油中掺入低比例二甲醚有助于减小雾场中的大颗粒液滴数目，此时小颗粒液滴虽有增加但不明显，对累积体积的贡献较低，因此整体液滴分布比较集中；继续增加二甲醚后，大颗粒液滴虽减少但仍存在，小颗粒液滴数目显著增加到足以对D0.1产生影响，因而使得D20喷雾液滴分布开始发散。需要指出的是，混合燃料喷雾粒子群中大粒子数目趋少对抑制发动机炭烟排放非常有利，这是二甲醚燃料的一个主要应用优势。

表1 掺混比例对D32和Δs的影响

2.2 喷射压力的影响

现代柴油机喷油压力不断提高，以通过增加喷孔前后的压力势差来提高燃料出口时的速度能量，强化燃料与环境气体的相互作用，促进射流一级碎裂及二级雾化。二甲醚-柴油混合燃料喷雾带有闪急沸腾效应特征，理论上对喷射压力要求比柴油低，这有利于降低对燃油供应系统的要求，对发动机的设计开发有现实意义。本研究以D20混合燃料为对象，在喷孔直径保持在0.315 mm条件下，对不同喷射压力的混合燃料雾化粒子分布特征进行试验分析，为后续发动机燃油系统参数优化提供技术依据。

图4示出不同喷射压力时的D20混合燃料液滴尺寸数目分布变化规律，为便于分析，图中添加了喷射压力20 MPa时柴油液滴的分布曲线。由图4可见，随着喷射压力的降低，混合燃料粒子数目分布曲线不断右移，曲线峰值也不断减小，但喷射压力由18 MPa降低为16 MPa时曲线变化趋势已有所缓和。总体来讲，16 MPa时混合燃料的雾化粒子细度基本与柴油相当，按照这种发展趋势，喷射压力已不宜继续降低。这说明虽然闪急沸腾效应在混合燃料喷射雾化过程中作用显著，但喷射压力仍然是影响燃料雾化效果的一个重要因素。国内以直列泵为基础开发的二甲醚燃料发动机为弥补燃料热值差异，采用降低喷射压力来适当延长喷嘴针阀打开时间，增加循环供油量。本研究结果证实，喷射压力的降低必须控制在适当的范围内，以保证燃料的喷雾效果不致恶化。

表2列出不同喷射压力下的D32和Δs对比。混合燃料在20 MPa喷射时雾化粒子显著细化，喷射压力由18 MPa降低为16 MPa时平均粒径变化不显著，均匀度基本相当，说明降低喷射压力没有产生大颗粒液滴，不大可能引起发动机炭烟排放的明显恶化。

2.3 喷孔直径的影响

二甲醚热值低于柴油，发动机燃用二甲醚-柴油混合燃料时，为保证动力性不会降低，有必要调整喷孔直径以适当增加循环供油量，因此，本研究维持喷孔压力室壁厚0.6 mm不变，研究喷孔直径改变对混合燃料雾化效果的影响。

图5示出D20混合燃料在喷射压力20 MPa条件下，喷孔直径对喷雾粒子尺寸分布的影响。由图5可以看出，不同喷孔直径时的粒子尺寸分布曲线形态上是一致的；随着孔径的不断减小，混合燃料尺寸分布曲线向小粒径方向明显偏移，显示雾化质量得到改善，这说明喷孔直径对混合燃料雾化特性有比较显著的影响。

表3列出喷孔直径对D32和Δs的影响。与图5一致，索特平均直径随孔径减小而不断降低，相对尺寸范围也不断增加，这说明减小孔径有助于进一步提升小颗粒液滴所占的比例，但仍不足以彻底消除雾场中的大颗粒液滴。由图5还可看出，0.26 mm 孔径时42 μm粒子数目略微高于0.315 mm孔径时，同时0.26 mm孔径所对应的粒子分布曲线峰值也略低于0.315 mm孔径时。这可能是因为虽然孔径减小至0.26 mm时碎裂产生的小粒子数继续增加，分布重心仍然左移，但由于此时喷孔附近粒子过于浓密，碰撞聚合效应使得一部分小粒子转化为较大粒径的燃油液滴。整体来讲，0.26 mm 孔径的雾化水平仍优于0.315 mm孔径。

二甲醚-柴油混合燃料喷雾粒度受喷孔尺寸影响机理比较复杂，可能与喷嘴内部流动形态以及喷嘴出口处闪急沸腾效应等多种因素密切相关，受理论水平与试验条件的限制，对于混合燃料在喷孔内部的流动形态、壁面作用、空穴生成及发展等现象还需要进一步研究。

3 结束语

a) 采用基于高分辨率CCD相机的阴影成像试验技术，辅以适当的图像处理方法，可对粒径小至6 μm的燃油粒子实现准确测定，用于研究柴油机喷雾粒子的尺寸分布规律是可行的；

b) 伴随柴油中二甲醚掺混比的增加，喷雾粒子直径趋于减小，大颗粒液滴数目降低，雾化质量得到改善； c) 适当降低混合燃料喷射压力导致雾化效果有所降低但不明显，有利于提高燃油系统工作可靠性并降低能耗；喷孔直径对混合燃料喷雾粒子分布影响显著，减小喷孔直径可改善燃料雾化效果。

[1] Hansen K,Dolriis J,Hansson C,et al.Optimizing the performance of a 50cc compression ignition two-stroke engine operating on Dimethy Ether[C]．SAE Paper 2011-01-0144.

[2] Oguma M,Goto S.Evaluation of medium duty DME truck performances-field test results and PM characteristics[C]．SAE Paper 2007-01-0032.

[3] Xie Xiaomin,Huang Zhen.Life cycle energy use and GHG emissions assessme for DME from coal[C]．SAE Paper 2011-01-1959.

[4] Bhide S V,Boehman A L,Perez J M.Viscosity of DME-diesel fuel blends[J]．ACS Fuel Chemistry Division Preprints,2001,46(2):400-401.

[5] 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，2010，31(1)：13-16．

[6] 李跟宝,周龙保.二甲醚/柴油混合燃料在压燃式发动机上的应用[J]．中国公路学报，2008,21(6):109-113.

[7] Lee S,Lim O,Iida N.An investigation on the spray characteristics of DME with variation of ambient pressure using the common rail fuel injection system[C]．SAE Paper 2011-32-0591.

[8] Yu J Z,Zhang Y S,Elkelawy M,et al.Spray and combustion characteristics of HCCI engine using DME/diesel blended fuel by port injection[C]．SAE Paper 2010-01-1485.

[9] 李跟宝，宋清双，周龙保. 二甲醚与柴油互溶性实验研究[J]．内燃机学报，2006,24(2):122-126.

[编辑： 袁晓燕]

Experimental Research on Size Distribution of Spray Droplet for Diesel Blended with DME

LI Genbao, LI Hongbo, GAO Bo

(School of Automotive, Chang’an Univercity, Xi’an 710064, China)

In order to determine the improvement of fuel spray property for diesel fuel blended with dimethyl ether(DME), the size distribution characteristics of spray droplet under different mixing ratios, injection pressures and orifice diameters were compared and researched with shadow imaging and digital image processing technology. The results show that the curve of size distribution for blended fuel droplet has a deviation to the direction of small droplet with the increase of DME proportion due to the flash boiling effect of DME in diesel fuel. The number of larger size droplets decreases significantly, which helps to improve soot emission. In addition, the orifice diameter and injection pressure have great influence on size distribution of spray droplet of blended fuel. The small orifice diameter leads to the smaller fuel droplet, but the low injection pressure will make spray effect become worse.

diesel engine; dimethyl ether; blended fuel; fuel spray; size distribution

2015-09-06；

2016-02-25

陕西省自然科学基金项目(2013B0220174)；中央高校基本科研项目(0009-2014G1221021)

李跟宝(1974—)，男，副教授，博士，主要从事液体喷射雾化研究；ligb@chd.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.012

TK421.43

B

1001-2222(2016)04-0066-04