基于燃料特性影响的喷雾特性研究

李弘志，赵明强，吴宇轩

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

为了改善柴油机的诸多性能，如：提高热效率、降低排放、减小噪声等，对于柴油代用燃料的研究日益增多。西安交通大学、江苏大学、长安大学等国内高校针对生物柴油做了大量的研究[1-3]。综合研究表明，燃用生物柴油混合燃料时，炭烟、CO、HC排放均降低，NOX排放量明显上升，但是发动机的动力性和经济性基本上没有变化。太原理工大学、江苏大学、西安交通大学等，对F-T煤制油做了许多方面的研究[4-6]。结果表明，与0#柴油相比，HC、CO、炭烟和 NOX的排放都有降低，其中炭烟和NOX的排放降幅分别可达到40.3%和16.7%。但是由于单纯使用代用燃料可能会需要对发动机进行机械改造，增大了发动机的复杂程度。因此，国内外许多研究机构均侧重于在柴油中掺混含氧燃料对柴油机性能的影响研究。

HUANG等[7]指出共混物的性能在发动机排放中起着非常重要的作用，试验结果表明，燃料雾化改善显著减少排放，尤其是对炭烟排放来说。在众多的燃料特性中，十六烷值也是影响燃烧和排放的一个非常重要的因素。十六烷值是减少炭烟排放的主要影响因素，与燃料的含氧量和其他性能相比要重要的多。提高燃料的十六烷值，可以同时降低NOX和炭烟的排放，而不改变其他的燃料特性[8]。

LI等[9]研究了正戊醇和正丁醇与柴油共混对喷雾特性的影响，结果表明，正丁醇-柴油共混物的喷雾面积最大，其次是正戊醇-柴油共混物，最后是纯柴油。

到目前为止，关于二甲基呋喃（DiMethylFuran,DMF）燃料特性对喷雾特性的影响的研究还不多。因此，有必要对DMF特性在喷雾过程中的影响进行比较和研究。本文对纯柴油掺混 5种不同物质分别得到的四种试验燃料的理化特性和喷雾特性进行了研究和分析，分别分析了来自高速摄影机和激光粒度分析仪的光学数据。

1 试验装置与方法

1.1 试验系统

喷雾试验台由喷雾系统和测量系统组成，如图1所示。

图1 试验装置示意图

1.喷雾系统

喷雾系统包括供气单元、高压燃油喷射组件、定容喷雾室和电子控制单元[10]。在供气单元中，纯高压氮气储存在压缩氮气储存罐中，在压缩氮气储存罐和定容喷雾室之间安装了一个调压室，此装置用来稳定定容喷雾室内的环境压力。高压燃油喷射组件使用可变频电动机驱动和控制高压油泵，两个喷油器连接在一根高压共轨上。为了进行喷雾试验，在定容喷雾室的头部垂直安装了一个单孔喷嘴。定容喷雾室是一个中空的金属立方体，在它上面有3个圆形的观察窗，在3个圆形观察窗上面配备有抗高温不变形的石英玻璃。

2.测量系统

测量系统分为宏观测量系统和微观测量系统。采用高速摄像机（FASTCAM-SA7）对液体喷雾的形态和发展过程进行了图像采集，用两盏强光灯提供了从环境中区分出燃料所需要的背景光。采用喷雾粒度仪（Winner319A）进行局部喷雾显微特征的检测。应用自动对中功能来确保发射端镜头的中心和接收端的对齐，使用两台电动定位器来确保发射端和接收端同步移动且定位在mm尺度上。用激光衍射法测量了喷雾液滴的尺寸大小和数量，使用 PC机实时显示和保存测量结果，并用软件进行操作。

1.2 试验燃料和试验条件

1.试验燃料

本试验以柴油为基础油，与2,5-二甲基呋喃、正丁醇、生物柴油、正庚烷、汽油中的一种或两种进行混合配制了4种柴油混合燃料，4种试验燃料的掺混比例和主要理化特性如表1所示。

表1 试验燃料的组成成分和燃料特性

NH13G7代表柴油占比为 80%，正庚烷占比为13%，汽油占比为7%，其余试验燃料命名方法类似。为了分析2,5-二甲基呋喃性能对喷雾特性的影响，我们特意配制的试验燃料，使得DMF20和BD13B7的汽化潜热相同，DMF20和NH13G7的运动粘度相同，NH13G7和NH16DMF4的密度和运动粘度大致相同。

2.试验条件

本次喷雾试验的试验条件如表2所示。定容室的环境背压为5 MPa，喷射压力分别为90 MPa、120 MPa和150 MPa，喷油脉宽设定为2 ms，喷油间隔时间为100 ms，环境温度和燃料温度均为室温。

表2 试验条件

高速摄像机的帧数率设置为10 000 fps，分辨率设置为896像素×896像素。通过调整摄像机镜头的成像距离和手动对焦，将实际大小为 896像素×896像素的图像呈现为100 mm×100 mm的图像。在帧数率为10 000帧/s的情况下，获取两个相邻图像之间的时间间隔为 0.2 ms。该试验重复进行6次。

2 试验结果与分析

尽管存在空气阻力、喷油器内部结构和喷射参数等方面的影响，但燃料性能对燃油喷雾特性始终具有十分重要的影响[11]。下文对比分析和讨论了 DMF20性能与其他试验燃料相比对宏观和微观喷雾特性的影响。

2.1 燃料特性对STP的影响

图2为DMF20性能对共混物喷雾在不同喷射压力下的喷雾贯穿距离（Spray Tip Penetration,STP）的影响。如图2(b)所示，在120 MPa的喷射压力下，比较DMF20和BD13B7的STP，可以发现DMF20的STP在1.2 ms之前要大于BD13B7的，但是在 1.2 ms之后，BD13B7的 STP大于DMF20的。造成这种现象的原因有两个，首先，DMF20的密度比BD13B7的要大，DMF20喷雾液滴的动量也越大，所以 DMF20的 STP在前期比BD13B7的要大；其次，BD13B7较大的运动粘度增加了液滴尺寸，导致了燃料在喷雾发展过程中动量的减小且蒸发困难，进而导致了液滴较大的垂直运动和较长的运动时间，这使得 BD13B7的STP在后期比DMF20的要大。

如图2(b)所示，在120 MPa的喷射压力下，比较DMF20和NH13G7的STP，可以发现DMF20的STP在1.4 ms之前要大于NH13G7的，但是在1.4 ms之后，NH13G7的STP大于DMF20的。产生这种现象的原因也有两个，一是DMF20的密度要大于NH13G7的密度，这导致了DMF20的STP比NH13G7的要大；二是NH13G7的汽化潜热较大，喷雾液滴的尺寸较小，液滴的初始速度较大，因此，STP也就相对较大。此外，较高的汽化潜热增加了燃料蒸发的难度，液滴存在的时间就会相对较长，STP也就相对较大。

如图2(b)所示，在120 MPa的喷射压力下，比较 DMF20和 NH16DMF4的 STP，可以发现DMF20的STP要大于NH16DMF4的。产生这种现象的原因有三个，一是 DMF20的汽化潜热较大；二是DMF20的密度较大；三是DMF20的运动粘度较大。

综合比较图2中的(a)—(c)，我们不难发现DMF20的性能对STP的影响随着喷射压力的增加而改变，在150 MPa的喷射压力下，DMF20的STP比其他三种共混物喷雾的都要大。较高的汽化潜热和最大的密度是造成 STP增加的两个主要原因，但在喷射压力为90 MPa时，DMF20的STP比其他三种共混物的都要小，这表明了喷射压力对STP的影响甚至超过了燃料理化特性所造成的影响。此外，比较NH13G7和NH16DMF4在90 MPa和120 MPa下的STP，我们可以发现NH13G7的STP始终大于NH16DMF4的。这一结果进一步验证了，较高的汽化潜热有利于较大STP的形成。

图2 不同喷射压力下共混物的喷雾贯穿距离

2.2 燃料特性对ASA的影响

由于共混物喷雾的平均喷雾锥角（Average Spray cone Angle, ASA）的值直观上感觉非常相近，不易观察，所以我们引入一个新的参数即平均喷雾锥角变化率（Average Spray cone Angle Change Percent, ASACP）来进行分析。定义共混物的ASA相对于DMF20的ASA的变化百分比为ASACP。DMF20性能对共混物喷雾在不同喷射压力下的 ASA的影响如图3所示。在喷射压力为90 MPa时，DMF20的ASA要大于BD13B7的，这是因为 BD13B7的运动粘度较大，这对射流的破碎有较大的阻碍作用，使得燃料液滴的雾化程度较差，其油滴越密集，油滴之间的碰撞和粘合就越多，所以喷雾朝径向发展的难度较大，导致了BD13B7的ASA较小。在喷射压力为120 MPa时，BD13B7的ASA大致和DMF20的相同，但是在喷射压力为150 MPa时，BD13B7的ASA要大于DMF20的，这表明喷射压力对ASA的影响很大。

如图3所示，在喷射压力分别为 90 MPa、120 MPa和150 MPa时，DMF20的ASA始终大于NH13G7的ASA。这是因为NH13G7的汽化潜热较大，喷雾液滴的尺寸较小且不易蒸发，在1 000 μs之后，由于喷油较多，液滴的动量作用较明显，液滴沿轴向运动的趋势更加强烈，沿径向运动的趋势较小，因此，混合燃料的喷雾锥角就越小。

如图3所示，在喷射压力为90 MPa或120 MPa时，NH16DMF4的ASA要大于DMF20的，但是在喷射压力为150 MPa时，DMF20的ASA略大于NH16DMF4的。前者是因为DMF20的运动粘度和汽化潜热都比 NH16DMF4要大，这导致了DMF20的 ASA较小。后者是因为喷射压力的影响超过了燃料理化特性所造成的影响。

图3 共混物在不同喷射压力下的平均喷雾锥角及其变化率

2.3 燃料特性对SMD的影响

DMF20性能对共混物喷雾在不同喷射压力下的索特平均直径（Sauter Mean Diameter, SMD）的影响如图4所示。因为各试验燃料的SMD值比较相近，不宜观察，所以我们在此引入了一个新的参数即SMD变化率（Sauter Mean Diameter Change Percent, SMDCP）来分析各试验燃料的理化特性对SMD造成的影响。定义共混物的SMD相对于DMF20的SMD的变化百分比为SMDCP。如图4所示，四种试验燃料的SMD大致范围在16 μm到18 μm之间。其中BD13B7的SMD最小，DMF20和NH13G7的次之，NH16DMF4的较大。

如图4所示，当喷射压力为90 MPa时，BD13B7的SMD最小，这可能和BD13B7最大的运动粘度有关，较高的运动粘度有利于剪切分裂的形成，这促成了液滴进一步破碎形成更小的液滴，在相对体积相同的情况下，相对液滴表面积较大，这导致了较小的SMD。

如图4所示，因为NH13G7和NH16DMF4的理化特性相差不大，所以两者的SMD相差不大，但是根据折线可以看出NH16DMF4的SMD要略大于NH13G7的，这与NH16DMF4较低的汽化潜热和较低的运动粘度有关。

如图4所示，随着喷射压力的增大，四种试验燃料的SMD均减小，即随着喷射压力的增大，液滴尺寸会减小，这会使得液滴的总表面积升高，但是总体的燃料体积不变，综合影响就会使SMD减小。

图4 不同共混物在不同喷射压力下的SMD及其变化率

3 结论

本文使用喷雾可视化装置研究了在 3种不同喷射压力条件下，DMF性能对喷雾宏观和微观特性的影响。在研究中使用了四种试验共混物来对比和分析了DMF的汽化潜热、密度和运动粘度对喷雾特性产生的影响，试验结果如下：

1）喷射压力越大，STP和喷雾面积越大，喷雾锥角和SMD略有下降。

2）在一定的喷射压力条件下，当燃料与DMF共混后，STP随着运动粘度的降低和汽化潜热的降低而减小。喷雾锥角随着运动粘度的降低和汽化潜热的降低而略有增大。

3）在90 MPa的喷射压力时，随着DMF的添加，由于运动粘度的下降和密度的升高，特征直径略有上升，尤其是对SMD来说。较低的密度和较高运动粘度促成的剪切分裂的形成决定了燃料液滴的SMD大小。

4）随着喷射压力的增加，DMF20的性能对宏观和微观喷雾参数的影响发生改变。DMF性能对喷雾锥角和SMD的影响较弱，随着喷射压力的增加，DMF性能对STP的影响有明显的改变。总的来说，在喷射压力为150 MPa或者更高时，DMF性能对改善柴油共混物燃料的宏观和微观喷雾特性非常有利。

5）喷射压力对四种试验燃料的影响程度不同，具体和燃料理化特性有关。