清净剂对柴油雾化液滴空间分布的影响

钟 亮， 朱 民

(1.中国石化销售股份有限公司 华北分公司，天津 300384；2.天津中石化悦泰科技有限公司，天津 300384；3.清华大学 能源与动力工程系，北京 100084)

发展新型燃油添加剂已成为发动机节能减排的重要研究方向之一，燃油添加剂为在燃油中添加的小剂量的化学物质，以期获得燃油性能(比如降磨损、提升辛烷值)或者发动机性能(比如清积炭、助减排)的改善。目前，燃油清净剂的研究主要集中在对发动机的沉积物、功率输出、扭矩变化、燃油经济性的影响以及对发动机尾气排放的影响。Silambarasan等[1]发现，抗氧化添加剂对控制柴油机氮氧化物(NOx)的排放量是有效的，对NOx的减少率最优达到25%；Devarajan等[2]指出，癸醇(n-D)和二叔丁基过氧化物(DTBP)混合物的添加剂可以优化柴油发动机的排放、燃烧和性能；Gad等[3]研究表明，消净剂引入汽油作为添加剂后，柴油机的一氧化碳(CO)、总碳氢化合物(THC)、NOx和烟度(SE)排放均降低了20%以上。柴油雾化的研究主要集中在雾化后的燃烧性能，Chen等[4]在直喷柴油机中证实了雾化后横向涡流燃烧过程的存在；Ramazan等[5]发现改变喷射角度和压力后优化了柴油雾滴流体运动，可以改善燃烧过程；Taghavifar等[6]设计了几何模型，模拟了不同柴油雾化模型对燃烧和排放的影响。

目前，还未发现对清净添加剂是否影响车用柴油雾化性能开展系统性研究的报道。雾化液滴在空间上的分布规律是影响燃料和空气掺混过程的重要因素，小液滴蒸发速率快，掺混时间短，穿透深度适中，决定点火和燃烧过程；大液滴蒸发速率慢，穿透深度大，可能对燃烧效率及污染物排放有重要影响。

笔者针对市场上普遍使用的主流聚异丁烯酰胺类柴油清净添加剂，采用三维激光粒子动态分析仪(PDA)，测量添加清净剂的0#车用柴油在不同轴向位置处雾化液滴空间分布情况，分析清净剂含量对液滴粒径和速度分布的影响规律，并分析相同轴向位置处压力对粒径和速度的影响，最后对加剂前后柴油的雾炬发展过程进行了考察。

1 实验部分

1.1 实验系统

柴油雾化及测量实验系统主要由燃油供给系统、雾化室和测量设备组成，实验流程见图1。

1—Laser; 2—Optical splitter; 3—Emitter; 4—Atomizing chamber; 5—Centrifugal fan; 6—Nozzle; 7—Diesel filter;8—High pressure diesel outlet; 9—High pressure diesel line; 10—High pressure pump; 11—Low pressure diesel line;12—Low pressure pump; 13—Fuel tank; 14—Safety valve; 15—Frequency converter; 16—Control panel;17—Upper computer; 18—Receptor; 19—Photoelectric converter; 20—BSA processor; 21—Computer图1 柴油雾化及测量实验系统流程图Fig.1 The experimental flow chart of diesel atomizing and measuring system

燃油供给系统主要由油箱、低压油泵、高压油泵、变频器、中压油路、高压油路、油滤、喷油器以及控制模块和上位机构成。通过上位机控制变频器转速(0～1500 r/min)可以实现油源出口压力在0～160 MPa 的压力范围调节(中压油路0～7 MPa，高压油路4～160 MPa)，该压力由压电式压力传感器实时采集并显示于上位机上，燃油喷油器采用电控顶针式单孔直喷喷嘴，喷嘴出口直径0.16 mm，单次喷射持续期 1～5 ms，喷射时间间隔50～1000 ms。

雾化室内腔为圆形，壁厚3 mm，内径122 mm，高度552.5 mm，在雾化室圆周方向布置4个石英玻璃窗(2个为80 mm×338 mm，2个为40 mm×338 mm)，用于PDA光路测量，实验过程中雾化室压力为0.1 MPa，温度为293.15 K，在测量过程中，为消除雾化室存在的悬浮液滴对测量光路产生干扰，在雾化室末端加装离心风机，在不影响实验雾炬的情况下，将测量空间内的悬浮液滴及时抽出，提高测量精度。

测量设备为丹麦丹迪动态公司生产的三维激光粒子动态分析仪(PDA)，该仪器主要由激光器、发射器、接收器、光电转换器及BSA处理器组成，其测量光路见图1。雾化实验过程中，喷嘴喷射脉冲的时间间隔设为50 ms，每次喷射脉冲持续期设为5 ms，为测量雾化液滴的粒径、速度分布情况，在喷嘴轴向位置等距离布置4个测量点，距离喷嘴出口的轴向距离分别为0、3、6和12 mm，并且为最大限度减少测量随机误差，每个测量点PDA的采样时间设为20 s，可采集30000多个有效样本，并且每个测量点重复测量3次。

1.2 柴油物化参数

雾化实验所用清净剂为巴斯夫公司生产的聚异丁烯酰亚胺(PIBASI，主要由聚异丁烯丁二酰亚胺组成)和市售的芳烃溶剂油(S1500，主要由三甲苯和四甲苯及其异构体组成)按质量比6∶4混合而成，清净剂添加质量分数分别为0、500和1000 μg/g的0#中国石化市售车用柴油物化参数见表1。由表1看到，加剂后柴油的十六烷值、密度、表面张力和黏度均变化不大。

表1 添加不同质量分数清净剂的0#柴油的物化参数Table 1 The physical and chemical parameters of 0# diesel with different mass fractions of detergent

1.3 柴油流动机制计算

对于直压式喷嘴内部的流动，由于燃油进入喷嘴入口处时流道突然收缩，速度增加，压力急剧降低，当局部压力降低到燃油的饱和蒸汽压以下时，燃油发生汽化，在喷嘴内部形成气泡，喷嘴内部的流动由单相流动转为气液两相的空化流动，不同的内部流动机制将直接影响雾炬出口速度、液滴初始直径以及雾化角等特性参数，由于通过直观判断喷嘴内部流动机制往往较为困难，而空化流动将导致喷嘴内部流道缩小，进而导致喷嘴出口质量流量降低。由于喷嘴内部流动机制没有完备的理论体系，区分不同的流动机制只能依靠经验公式，较为常用的是采用Nurick[7]提出的空化系数K来判断：

(1)

式中：p1为喷嘴上游压力，Pa；p2为喷嘴下游压力，Pa；pv为液体饱和蒸汽压，Pa。

单相流动的临界空化系数Kincep和翻转流动的临界空化系数Kcrit计算公式见式(2)和(3)：

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：ρl为液体密度(20 ℃)，kg/m3；μ为液体黏度(20 ℃)，mm2/s；Reh为雷诺系数；d为喷嘴直径，mm；r为喷嘴入口拐角处曲率半径，mm；L为喷嘴长度，mm。

Soteriou等[8]认为，当Kcrit≤K≤Kincep时，喷嘴内部流动为空化流动，当K≤Kcrit时，喷嘴内部流动为翻转流动，而当K≥Kincep时，喷嘴内部流动为单相流动。

2 结果与讨论

2.1 清净剂含量对雾化液滴分布的影响

以燃油压力为20 MPa，轴向位置0 mm处的雾化实验结果为例进行分析说明。压力为20 MPa、轴向位置为0 mm处不同清净添加剂质量分数对柴油雾化液滴速度和粒径分布的影响结果见图2。该压力下，根据Soteriou等[8]的理论，各种工况下的空化系数K大于Kincep，喷嘴内部流动为单相流动。由于3种工况下加剂柴油物性差别极小，喷嘴出口处雾化液滴速度和粒径差别也应微乎其微，但是从图2结果可知，在喷嘴出口处，随着添加剂含量增加，雾化形成的液滴趋向分布于高速、小粒径区，并且粒径较大处液滴分布减少。这可能由于添加剂的加入使得柴油在该压力下喷嘴内部的流动机制已经轻微地向空化流动过渡，使得喷嘴出口等效直径略有降低，出口射流湍流度略有增强，射流表面Kelvin-Helmholtz[9]扰动波增加，进而导致射流表面脱落得到的雾化液滴表现为速度略有增加，大粒径数量略有减少。

图2 轴向位置为0 mm处添加不同质量分数清净剂的0#柴油雾化液滴速度-粒径分布Fig.2 Distribution of the velocity and particle size ofatomized droplets for 0# diesel with different massfractions of detergent at axial position of 0 mmw(Detergent)/(μg·g-1): (a) 0; (b) 500; (c) 1000p=20 MPa

2.2 压力对雾化液滴分布的影响

轴向位置0 mm处、柴油中清净剂质量分数分别为0和1000 μg/g时，雾化室压力对雾化液滴粒径和速度分布的影响结果见图3和图4。

图3 轴向位置为0 mm处不同压力工况下无添加清净剂的0#柴油雾化液滴速度-粒径分布Fig.3 Distribution of the velocity and particle size of theatomized droplets for 0# diesel with no detergent underdifferent pressures (p) at axial position of 0 mmp/MPa: (a) 20; (b) 50; (c) 80

图3结果表明，随着压力升高，不含清净剂柴油雾化液滴速度略有增加，但液滴粒径逐渐往大粒径方向发展。

图4结果表明，在喷嘴出口处，随着压力升高，含清净剂的柴油雾化液滴速度显著增大，且液滴粒径往小粒径方向发展迅速。这可能是因为压力为20 MPa 时，空化系数K大于Kcrit，柴油在喷嘴内部的流动为单相流动；当压力达到50 MPa时，空化系数K小于Kcrit，流动机制已过渡为空化流动[10]；当压力达到80 MPa时，空化流动更加剧烈，而空化流动将导致喷嘴质量流量显著降低，流出系数降低，出口射流湍流度增强，有助于射流表面脱落得到的雾化液滴速度增加。因此，随着压力升高，空化流动的增强，含剂柴油雾化液滴彼此之间相对速度较小，碰撞概率较低，从而导致液滴粒径往小粒径方向发展。

图4 轴向位置为0 mm处不同压力工况下添加清净剂的0#柴油雾化液滴速度-粒径分布Fig.4 Distribution of the velocity and particle size of theatomized droplets for 0# diesel with detergent underdifferent pressures (p) at axial position of 0 mmp/MPa: (a) 20; (b) 50; (c) 80w(Detergent)=1000 μg/g

2.3 清净剂含量对雾炬发展过程的影响

为分析不同清净剂含量的柴油雾炬的发展过程，以燃油压力为20 MPa、柴油中清净剂质量分数分别为0和1000 μg/g时的雾炬发展过程为例进行说明，结果分别见图5和图6。

图5结果表明，随着喷嘴轴向距离的增大，不加清净剂柴油的部分雾化液滴速度逐步增大，在12 mm 处速度有一定衰减，但仍有不少液滴始终停留在高速区间，并且更多的液滴粒径向小粒径区间发展，少部分液滴粒径向大粒径区间发展。

图6结果表明，随着喷嘴轴向距离的增大，含清净剂柴油的雾化液滴速度整体上呈衰减态势，导致轴向距离12 mm处液滴在高速区间分布很少，液滴粒径明显向大粒径区间发展。

上述雾炬发展规律可解释为：柴油在喷嘴内部初始的高湍流状态，使得柴油由喷嘴高速喷出后形成雾炬；由于液相和气相之间较大的相对速度，引起部分大液滴表面Kelvin-Helmholtz扰动波的持续增强，导致子液滴从大液滴脱落，大液滴数量减少；由于液滴脱落消耗部分动能用以克服表面张力，使得液滴速度发生衰减，而速度衰减将导致液滴之间碰撞概率增加，从而使得大液滴重新增多；随着轴向距离的增加，液滴之间的碰撞进一步消耗动能，使得液滴的速度进一步衰减，继而伴随着液滴之间更大概率的碰撞、聚合，大液滴的分布继续增多，液滴继续朝着低速、大粒径区间发展。不加清净剂柴油雾化液滴随着轴向距离的增加，部分大液滴持续变形破碎为小液滴，大液滴数目减少显著，到轴向位置12 mm处，雾炬液滴速度仍未出现明显的衰减迹象。而加清净剂柴油雾化液滴速度则出现明显的衰减过程，导致液滴之间彼此碰撞聚合几率增大，在喷嘴下游，液滴朝着低速、大粒径区间发展的速度比不加清净剂柴油更快。

3 结 论

(1)清净剂含量能够显著影响柴油在喷嘴出口位置的雾化分布，即清净剂添加量越大，柴油雾化液滴速度更快、粒径越小。

(2)在更高的喷射压力下，添加清净剂的柴油要比不加清净剂柴油有更好的雾化效果。

(3)在喷嘴下游区域，添加清净剂的柴油的雾化液滴速度衰减比不加清净剂柴油更快。

图5 未添加清净剂的0#柴油雾化液滴在不同轴向位置处速度-粒径分布Fig.5 Distribution of the velocity and particle size of the atomized droplets for 0# diesel with no detergent at different axial positionsAxial position/mm: (a) 0; (b) 3; (c) 6; (d) 12p=20 MPa

图6 添加清净剂的0#柴油雾化液滴在不同轴向位置处速度-粒径分布图Fig.6 Distribution of the velocity and particle size of the atomized droplets for 0# diesel with detergent at different axial positionsAxial position/mm: (a) 0; (b) 3; (c) 6; (d) 12p=20 MPa; w(Detergent)=1000 μg/g