松油与柴油宏观喷雾特性的对比试验研究∗

黄豪中，史 程，张新赟，朱 赞，王庆新，刘庆生

(1.广西大学机械工程学院，南宁 530004； 2.广西玉柴机器股份有限公司，玉林 537005)

松油与柴油宏观喷雾特性的对比试验研究∗

黄豪中1，史 程1，张新赟1，朱 赞2，王庆新1，刘庆生1

(1.广西大学机械工程学院，南宁 530004； 2.广西玉柴机器股份有限公司，玉林 537005)

利用高速摄影技术对松油与柴油在不同试验工况下的喷雾锥角、贯穿距离和油束面积进行对比。结果表明：两种燃料的喷雾特性接近，喷雾锥角随喷油压力和背压的升高而变大，且背压对锥角的影响更为显著；贯穿距离和油束面积随喷油压力的升高而增大，随背压的增加而减小；与喷雾锥角相比，贯穿距离对油束面积的影响更大；相同工况下松油的贯穿距离、喷雾锥角和油束面积均比柴油略大，雾化质量更好。试验结果为松油作为替代燃料的可行性研究提供参考。

柴油；松油；喷雾特性；喷雾锥角；贯穿距离

前言

清洁替代燃料是解决不可再生能源日趋枯竭、生态环境逐渐恶化的有效途径之一[1-2]。作为一种可应用于发动机的生物质含氧燃料，松油以其来源广泛、低十六烷值和与柴油互溶性强等[3]突出优势引起普遍关注。文献[3]中研究表明，松油可提供与柴油相当的热值，在相同工况下，随着松油掺混比增加，发动机的功率、有效热效率和最大放热率均随之升高。文献[4]中研究发现，松油掺混燃料(50%)在全负荷下可提供与纯柴油相当的动力性。文献[5]中利用尿素SCR和催化转化器对降低柴油/松油混合燃料尾气排放进行了研究，结果表明：掺混50%松油的柴油，其Soot，CO，HC和NOx的排放较纯柴油分别降低70.1%，67.5%，58.6%和15%。

上述相关研究主要集中在燃料的燃烧和排放特性，而对于燃油雾化的研究还未见报道。缸内燃油的喷射雾化和油气混合对发动机燃烧过程和排放性能起到至关重要的作用[6]，而燃油自身的物化属性更是影响雾化质量的关键因素。据此，本文中基于可视化喷雾试验台架，在不同喷油压力和背压下，利用高速摄影技术对松油和柴油的喷雾发展过程进行图像采集，对比分析两种燃料喷雾特性的变化规律，为今后松油作为柴油机替代燃料的可行性研究奠定基础。

1 试验装置与方案

试验装置如图1所示。自行搭建的试验台架主要由定容燃烧弹、高压共轨系统和图像采集系统组成。自主研发设计的定容燃烧弹是一个能够耐高温高压的、并在弹体3个侧面附带直径110mm透明视窗用以拍摄内部喷雾和燃烧的金属箱体，能较好地观察缸内燃烧室的情况，同时定量研究环境背压、温度等边界条件的改变对燃油喷雾和燃烧特性的影响。高压共轨喷油系统采用Bosch第3代高压共轨喷射试验台，可灵活准确地控制喷射压力和喷油脉宽等参数，喷油嘴采用国内某喷油器公司定制的单孔P型喷油嘴。图像采集系统包括Photron SA7型CCD高速相机(带Tokina微距镜头)和布置在两侧视窗外提供背景照明的卤钨灯。

图1 试验装置示意

整个测试过程在常温(25℃)黑暗条件下进行。先通过注入高压氮气提供试验所需环境背压，定容燃烧弹内的压力和温度利用布置在可拆卸顶盖上的Kistler缸压传感器和热电偶采集和显示。设置高压共轨试验台相关喷油参数，启动电机和高压泵，共轨喷油器喷油的同时电控单元(ECU)经滤波板向高速相机发出TTL5V的触发信号，利用高速相机和在背景光源辅助下同步采集喷雾图像。试验主要参数设置如表1所示。在得到燃油喷雾图像之后利用MATLAB软件自编程序进行去除背景、阈值分割、边界提取和曲线拟合等后处理，从而得到喷雾锥角和贯穿距等宏观参数。为避免喷雾前锋的不规则形状对喷雾锥角的影响以及湍流在近喷射流场区域引起的表面扰动[7]，为方便喷雾参数的定义，图2示出喷雾油束在通过喷雾轴线平面上投影的轮廓线。贯穿距离是指从喷油器油嘴尖端处到油束前锋横截面的轴向距离；喷雾锥角定义为面积与截至贯穿距离一半处的上游油束投影面积相等、高度相同的等腰三角形两条斜边之间的夹角，见式(1)；油束发展面积则是整个喷雾油束的投影面积[8]。

表1 试验参数

式中：Aus为上游油束投影面积，见图2灰色区域；S为贯穿距离。

图2 喷雾油束投影轮廓线图与参数定义示意

2 松油的理化性质

松油源自于松树分泌的一种天然树脂(松脂)，松脂经蒸馏提取出的松节油再进行水合反应得到浅黄色的松油(图3)。松油主要由萜烯醇(C10H18O)和萜烯(C10H16)组成[3]。试验所用松油由国内某化学公司提供，选取市售0＃柴油作为对比燃料。表2给出了松油与柴油的部分理化特性参数。松油的理化参数源于广州能源检测研究院样品检验报告。

图3 松油的制备

表2 松油与柴油的理化特性比较

3 试验结果与分析

3.1 宏观雾化形态

设置高速相机的拍摄速率为10 000fps，单帧像素数为512×512，针对每一组试验，从喷油嘴出口处开始有油束喷出到喷油器停止喷油截止，一共分析了19张图片，第一张时刻为0.2ms(受喷射延迟及燃料属性等[8]原因造成0.1ms时刻无喷雾或喷雾较小)，以后每两张图片的时间间隔为0.1ms，到最后一张时刻为2.0ms。为减小试验结果的随机误差，在保证相同试验条件下，每组试验经5次喷雾过程，再求平均值得到相应结果。图4和图5为喷油压力为90MPa、环境背压为5MPa条件下，高速相机拍摄的松油与柴油在稳定后不同时刻的雾化形态图像。由图可见：松油的喷雾锥角和油束发展面积较柴油的略大；而两种燃料的喷雾贯穿距离差别不大。另外，从图中可以看出燃油浓度场的分布情况，松油喷雾的主体区域较为饱满，颜色较深，并且外轮廓较光滑；而柴油的流场浓度较松油的稀疏，喷雾前端突出，两侧锥面相对粗糙，部分燃油液滴与弹内气体发生相互作用。

图4 松油宏观雾化形态

图5 柴油宏观雾化形态

3.2 喷雾贯穿距离

不同喷油压力和背压下，松油和柴油的喷雾贯穿距离随喷雾时刻变化的曲线分别如图6和图7所示。图8对比了两种燃料最终(2 000μs)的喷雾贯穿距离。从整个喷雾过程看出，松油与柴油的喷雾贯穿距离的变化趋势是一致的，都是在喷射的前期呈现类似线性增长，待喷雾稳定后增长幅度逐渐减小。

图6 不同喷油压力和背压下松油的贯穿距离

燃油的宏观喷雾特性受喷油压力和背压的共同作用，可引入无量纲空化数CN来表征雾化情况[9]：

式中：pinj为喷油压力；pa为环境背压；pv为液体饱和蒸汽压。由图6和图7可见，在同一背压下，喷油压力从60提升至120MPa，两种燃料的贯穿距离均有不同程度的增长，喷雾前期的增幅为2～5mm，趋于稳定后的喷雾贯穿距离则增大8～14mm。分析原因：喷油压力增加，空化数变大导致空化作用渐为剧烈，射流内部压力梯度增大，加快了燃油的流动速度，燃油从喷孔喷出后的动能势必要增大，这就需要更长的距离与环境介质进行充分的能量交换，使油束更易于雾化破碎[10]，故贯穿距离变大。此外，相同喷油压力时，两种燃料在背压为5MPa时的贯穿距离曲线的斜率均小于背压为3和4MPa的斜率，这说明较高的环境背压会阻碍喷雾贯穿距离的发展，背压越高，贯穿距离增长幅度越小。这是由于当背压升高时，环境气体密度随之变大，油束在向前运动的过程中与环境介质的卷吸作用[11]加剧，动能损失和背压都增大，空化数相对变小，喷孔内部的空化流动受到抑制，燃油在喷油嘴出口处获得的初始流动速度降低，从而使燃油的喷雾贯穿距离减小。

图7 不同喷油压力和背压下柴油的贯穿距离

图8 松油与柴油的最终喷雾贯穿距离比较

燃油的破碎和雾化过程除与喷油规律和油束气液边缘的气动干扰有关外，燃油的物化属性也会影响射流的发展，而雷诺数和韦伯数通常是表征不同液体破碎雾化的重要无量纲参数。雷诺数是惯性力与动力黏度之比，韦伯数是惯性力与表面张力之比，两者数值越大，表征液体雾化效果就越好[12]。本文中对部分试验工况下松油与柴油的雷诺数和韦伯数进行了计算，结果如图9所示。与柴油相比，松油具有较小的运动黏度和较大的表面张力，而两者密度差别不大(表2)，这就导致松油的雷诺数较大，韦伯数较小。由图8可见，松油的喷雾贯穿距离均略大于同工况下的柴油，这表明雷诺数对喷雾的贯穿距离影响要大于韦伯数的影响，因此在油束的空间发展过程中燃油的黏性力对其喷雾特性起主导作用。柴油的运动黏度是松油的1.8倍，而黏性力较小的液滴不易粘连在一起，导致射流的初始速度较大，较有利于油束的破碎雾化，这与文献[13]中提到的不考虑混合过程的蒸发作用、被卷吸的空气量和喷油量的比值与燃油黏度的平方根和喷孔直径成反比的结论一致，因此松油的最终喷雾贯穿距离较长。

图9 松油与柴油的雷诺数和韦伯数

3.3 喷雾锥角

图10 喷油压力为60MPa时松油与柴油的喷雾锥角

图10 和图11为喷油压力和背压对松油和柴油喷雾锥角的影响。由图可见，松油与柴油喷雾锥角的变化趋势大致相同，均是在喷雾初期达到一个峰值，然后逐渐减小并保持在一个相对稳定的数值区间，整个喷雾过程锥角的变化不大，平均在3°左右。图12为不同试验工况下全程喷雾锥角θ的平均值，图中计算值为按文献[14]中提出的经验公式(见式(3))计算的结果。

式中：L/D为喷油嘴长径比；D0为压力室直径；ρa为环境密度；ρl为燃料密度。

图11 喷油压力为120MPa时松油与柴油的喷雾锥角

图12 平均喷雾锥角的试验值与计算值

由图可见，按式(3)计算的数值与试验数据相比，不仅松油与柴油喷雾锥角的大小关系相反，而且计算值都偏大，最大偏差接近30%。主要原因是公式未考虑燃料的运动黏度，而在本文中的试验工况下，黏度对燃油喷雾又有显著影响。此外，直接影响喷雾特性和雾化效果的喷油压力、喷雾时间[15]等喷射参数在经验公式中亦没有体现，从而使得计算值与试验值存在较大差距。

比较不同工况下松油与柴油的平均喷雾锥角可以看出，喷雾锥角的变化与喷油压力有密切的联系。在同一环境密度下，随着喷油压力的升高，两种燃料的喷雾锥角均体现出不同程度的增大趋势，且松油的增幅略大。出现这样的变化须深入了解直接影响锥角大小的原因，高压共轨燃油喷雾的发展极大程度上取决于喷孔内流和初始流动条件[16]，而射流在喷油嘴出口处的径向湍流速度正是形成喷雾锥角的原因。根据喷雾锥角θ的试验结果，利用式(4)计算燃油的径向湍流脉动速度v，结果如图13所示。

式中u为湍流速度，由伯努利方程求得。由图可见，升高喷油压力可显著加快射流的径向脉动速度，这是因为喷油压力的增加直接造成喷孔内部的空化作用增强，空化气泡在喷孔出口处溃灭，湍流能变大，从而导致喷雾锥角变大[17]。另外，与柴油相比，松油的湍流脉动速度更快一些。由于松油的雷诺数较大而黏度较低，在喷孔内流阻的损失较小，导致形成空化所需的射流速度较小，致使径向的湍流脉动速度较大，从而增大喷雾锥角。

在本文中试验的喷油压力和背压范围内，喷雾锥角的平均增幅分别为5.2%和13.2%，与喷油压力相比，升高环境背压对喷雾锥角的影响更为明显。其中，背压从3增加到5MPa时，松油喷雾锥角平均增大12.4%，而相同喷射条件下柴油喷雾锥角的平均增幅为14%，说明背压的升高对柴油的影响较大。由于背压增加，环境气体密度提高，一方面会造成空气阻力增加，致使喷雾发展速度降低；另一方面会增大气体对油束在轴向的剪切作用，有利于油束向径向运动，两侧锥面与周围环境介质之间的相互卷吸更加剧烈[13]，喷雾边缘的扩散变强，因此喷雾锥角变大。另外，在相同背压下，松油的平均喷雾锥角均大于柴油。这是由于雷诺数较大可以明显提高燃油的流动性[12]，油束在运动过程中更易于从大体积形态向小体积形态的转化，促进与弹内气体产生动量交换，从而改善破碎的效果；松油的径向湍流脉动速度亦大于柴油，径向扩散加快，故松油的喷雾锥角更大(图13)。

3.4 油束发展面积

图14为燃油的最终喷雾油束发展面积。由图可以看出，喷油压力与背压对燃料的油束面积影响不同，环境背压升高，油束面积减小；喷油压力增加，油束面积增大。

油束发展面积是燃油雾化效果的直观体现[18]，而贯穿距离和喷雾锥角又对其有重要影响。为对比二者对油束发展面积的影响程度，本文中在图8和图12的试验工况下，对平均喷雾锥角变化率和最终喷雾贯穿距离变化率作比较分析，选取背压为3MPa时的平均喷雾锥角(最终喷雾贯穿距离)为基准，计算4和5MPa时松油与柴油的平均喷雾锥角和最终贯穿距离随背压升高的变化率曲线(见图15和图16)。可以看出，在同一喷油压力下，当背压增加时，喷雾贯穿距离减小的幅度明显大于喷雾锥角增大幅度，尽管背压的升高会使喷雾锥角有一定程度的增大，但是喷雾的贯穿距离才是对油束面积的发展起主导作用，因此进一步验证了油束发展面积和喷雾贯穿距离在不同试验工况下的变化规律是相同的。

图13 燃油的径向湍流脉动速度

图14 松油与柴油的最终油束发展面积

图15 松油喷雾锥角及贯穿距离变化率

图16 柴油喷雾锥角及贯穿距离变化率

此外，由图15和图16可知，随着试验工况的改变，松油的喷雾特性参数的变化幅度不如柴油显著，表明松油液滴的空气动力稳定性[19]较好。同时在同一试验工况下，松油的雾化面积几乎都大于柴油的雾化面积，这说明与柴油相比，松油液滴的破碎雾化程度更充分，油雾边缘与周围环境气体的混合更好。

4 结论

(1)松油与柴油的喷雾参数随时间变化的趋势一致，贯穿距离在喷雾发展初期呈现一定程度的线性增长，然后增长幅度随之逐渐减小；喷雾锥角呈先减小再保持在一个相对稳定的数值趋势，但喷雾全程锥角变化不大。

(2)两种燃料宏观喷雾特性大致相同，随着喷油压力的增加，喷雾锥角、贯穿距离和油束面积均不同程度地增大；背压升高，喷雾锥角增大的同时，贯穿距离和油束面积相应地减小。

(3)在研究的工况范围内，雷诺数直接影响两种燃料的雾化情况，而韦伯数无显著影响，说明对燃油喷雾特性起主导作用的是黏性力。

(4)松油与柴油的喷雾贯穿距离对油束面积的发展起到至关重要的作用，而喷雾锥角对油束面积无显著影响。

(5)无论是喷雾锥角、贯穿距离还是油束面积，同工况下，松油的变化规律与柴油大致相同，且雾化的效果较好。说明将松油应用于柴油机不仅无需任何改动，还可进一步提升燃油的雾化质量。

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A Comparative Experimental Study on the Macroscopic Spray Characteristics of Pine Oil and Diesel Fuel

Huang Haozhong1，Shi Cheng1，Zhang Xinyun1，Zhu Zan2，W ang Qingxin1＆Liu Qingsheng1
1.College ofMechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004； 2.Guangxi Yuchai Machinery Co.，Ltd.，Yulin 537005

High-speed photography technology is utilized to compare the spray cone angle，penetration distance and spray projected area of pine oil and diesel fuel in different test conditions.The results show that the spraying characteristics of two fuels are close：spray cone angles increase with the rise in injection pressure and back pressure with the effects of back pressure on cone angle beingmore apparent，and penetration distances and spray projected areas increase with the rise of injection pressure and reducewith the rise in back pressure.Compared with spray cone angle，the effects of penetration distance on spray projected areas aremore obvious.Under same condition，the spray cone angle，penetration distance and spray projected area of pine oil all slightly larger than those of diesel fuel with better atomizing quality.The test results provide references for the feasibility study for pine oil as alternative fuel.

diesel fuel；pine oil；spray characteristics；spray cone angle；penetration distance

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.015

∗国家自然科学基金面上项目(51076033)、广西科学研究与技术开发计划(桂科攻1598007-44和桂科攻1598007-45)和广西高等学校优秀中青年骨干老师培养工程项目(桂教人(2013)16号)资助。

原稿收到日期为2016年5月27日，修改稿收到日期为2016年8月11日。

黄豪中，教授，博士，E-mail：hhz421＠gxu.edu.cn。