纯柴油喷雾发展过程研究

戴仁杰，朱锡玉，张凯妹，武奎，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064 ）

引言

发动机的性能直接受燃烧室喷雾特性的影响，在国家对排放法规日益严格的今天，如何兼顾发动机经济性能、动力性能和排放标准变得尤为重要，燃油的喷雾特性研究由此得到广泛的重视。本试验在手压油泵喷雾质量分析系统试验台上，结合马尔文Spraytec喷雾粒度分析仪，测得不同轴向距离的喷雾尺寸分布，记录索特平均直径[1]，分析计算各特征直径，从而得出喷雾的发展过程的规律。

1 喷雾特性试验

试验选用特制单孔喷嘴，喷油压力为21Mpa。本实验采用马尔文法[2]从微观角度研究雾化液滴尺寸分布，目的是分析不同轴向距离下纯柴油的雾化质量，从而得出柴油的喷雾发展过程的规律。测试系统如图1所示。测试系统主要由马尔文激光粒度仪、装有马尔文控制软件的计算机和喷射系统组成。马尔文激光粒度分析仪由英国马尔文仪器有限公司制造，采用激光衍射技术对喷入激光束中的粒子进行采集并测量雾场中粒子的直径，粒径测量范围大，采用750mm透镜，光源为 632.8 nm、5 mW 氦氖激光器，能够实时、准确的对喷雾粒子的微观特性参数进行测量。喷射系统喷射油雾粒子，马尔文控制软件控制激光粒度仪发射激光束，接收喷入激光束的粒子，由计算机分析计算出粒子的尺寸数目分布和索特平均直径。

2 实验结果分析

2.1 雾化油滴的索特平均直径

喷雾液滴平均直径的概念是由 Mugele 和 Eyans 提出的概念[3]，其中索特平均直径是最常用的指标，表示雾化油滴的体积与面积之比。通过马尔文激光粒度仪测得不同轴向距离的喷雾粒径的索特平均直径如表1所示。由表1数据可知，喷雾轴向距离越大，索特平均直径越大，说明随着时间的推移，小颗粒的油滴挥发掉了，而油滴的相互碰撞的影响使粘合的油滴直径变大。

图1 微观喷雾特性测试系统

表1 雾化油滴的索特平均直径（D32）

2.2 雾化油滴的尺寸数目

图2给出了纯柴油的雾化油滴在H=20cm、H=30cm和H=40cm的尺寸数目分布，由油滴尺寸数目分布图可以看出，随着轴向距离的增大，纯柴油的尺寸分布明显向大颗粒偏移，说明油滴的碰撞粘合起作用。

图2 尺寸数目分布

2.3 雾化油滴的累积体积分布

图3给出了雾化油滴在H=20cm、H=30cm和H=40cm的累积体积分布，由油滴累计体积分布图可以看出，70μm以下的油滴的累积体积占总体积的比例在90%以上，由于大颗粒体积要远远大于小颗粒体积，说明70μm的以上的大颗粒油滴数目非常稀少，H=30cm曲线和 H=20cm曲线在 80μm以上的油滴几乎不存在；H=20cm曲线、H=30cm曲线和H=40cm曲线按照由高到低的规律分布，说明随着轴向距离的增加，达到某一累计体积的油滴直径增大。

图3 累积体积分布

2.4 雾化油滴的尺寸发散和特征直径

雾化油滴的尺寸发散表示油滴从最小直径到最大直径的范围，一般平均直径越小，液滴的尺寸范围也越小，尺寸分布的曲线窄而尖。发散可以用均匀度[4]、相对尺寸范围、发散度、发散边界等指标来评价。相对尺寸范围和发散边界是表示液滴尺寸发散最常用的指标，定义为：

式中：D0.9表示小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的 90%；D0.1表示小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的 10%；D0.5表示小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的50%。

发散边界表示最大液滴直径相对于质量中值直径的发散程度，用于评价最大液滴直径的发散程度，定义为：

式中：D0.999表示小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的99.9%；

表2给出了雾化油滴的相对尺寸范围和发散边界随轴向距离变化的关系，由表2可以看出随着轴向距离的增加，相对尺寸范围和发散边界先增加后减小。表3给出了雾化油滴的特征直径，由表3可以看出随着轴向距离不断增大，雾化油滴的各特征直径增大。

表2 雾化油滴的尺寸发散

表3 雾化油滴的特征直径

3 结论

（1）随着距离喷嘴水平距离的变大，燃油雾化的索特平均直径变大。

（2）随着距离喷嘴水平距离的变大，各特征直径不断变大。

（3）随着距离喷嘴水平距离的变大，发散情况呈现先增加后减少的趋势。

参考文献

[1] 曹建明,液体喷雾学[M].北京:北京大学出版社.2013.7.

[2] 耿莉敏,汪月英,王城等.燃料物理性质差异对柴油机喷雾特性的影响[J].郑州大学学报,2014,(35) 4:14-18.

[3] Mugele R, Evans H D. Droplet Size Distributions in Sprays[J].Ind.Eng. Chem, 1951, 43 (6) :1371-1324.

[4] Tate R W.Some problems associated with the accurate representation of drop-size distributions.Madison:Proc.of the 2nd International Conference on Liquid Atomization and Sprays.1982:341-351.