高喷射压力条件下加氢生物柴油的喷油特性试验*

2023-11-01谢冬和

小型内燃机与车辆技术 2023年4期

谢冬和

（湖南汽车工程职业学院湖南株洲 412001）

引言

加氢生物柴油与普通柴油的物理特性相差较大，使得加氢生物柴油的喷油特性和燃烧特性与普通柴油有很大差异[1]。早期对加氢生物柴油的研究主要集中在燃烧和排放特性上，后来，研究人员利用相关试验设备及软件对加氢生物柴油的喷油特性进行了研究[2]。然而，这些研究主要集中在中、低喷油压力条件下，对加氢生物柴油在高喷射压力条件下的研究很少。本文在定容燃烧弹中进行了高喷射压力条件下加氢生物柴油与普通柴油的喷油特性试验，利用高速摄像机[3]对2 种燃油的喷油形态、喷雾锥角及油束贯穿距离等状态进行了拍摄，同时利用CFD软件[4]对加氢生物柴油在不同参数条件下的喷油特性进行了延伸研究。

1 试验设备

试验所用主要设备包括燃油喷射装置、控制装置、信号装置、照明装置及摄像机等。试验装置如图1所示。定容燃烧弹内安装有加热及加压装置，表面开有一个用来观察喷油状况的窗口；燃油喷射装置包括高压共轨装置及同步控制装置，可根据测试过程中的情况对喷油压力、喷油时间及喷油规律进行灵活的调整和控制。

图1 试验装置示意图

试验时，分别进行高喷射压力条件下加氢生物柴油和普通柴油的冷态喷油情况测试。普通柴油标记为A0，用菜籽油作为加氢生物柴油并记为A1；喷油器均采用孔径为0.12 mm 的单孔喷油器，最高喷油压力为100 MPa，喷油持续时间为1 ms，单次喷油量为8 μL，燃烧室内气体压力为1.4 MPa。为保证喷油特性试验结果的准确性，在测试过程中，每换一种燃油都对油路及供油装置进行清洗以保证油品间不会混合。2 种试验用燃油的物理特性参数见表1。

表1 试验用燃油的物理特性参数

2 试验结果

2.1 喷油特性评价参数

试验过程中，规定油滴形态、喷雾锥角及油束贯穿距离等参数为喷油特性，其形态如图2 所示。

图2 喷油油滴结构示意图

试验时，可按要求在试验设备中作好标尺刻度以方便测量，并利用高速摄像机对整个测试过程进行全程拍摄。在对测试结果进行整理时，可先使用E-rule 软件量取图像中的标尺长度和油束贯穿距离，再根据测得的标尺实际长度进行换算。本文仅对喷雾远角和喷雾近角进行描述：取油束贯穿距离在10～20 mm 之间的喷雾锥体截面积所在的最大夹角为喷雾近角，取油束贯穿距离在20 mm～最大距离之间的喷雾锥体截面所在的最大夹角为喷雾远角。测量时，对喷雾近角和喷雾远角各测量3 次，取平均值为试验的最终计算结果。

2.2 加氢生物柴油和普通柴油的油滴形状和喷雾锥角

图3 为使用高速摄像机拍摄到的加氢生物柴油（上面一排）和普通柴油（下面一排）的喷油情况图。

图3 加氢生物柴油与普通柴油喷油过程高速摄影结果对比

从图3 可知：

1）在整个燃油喷射过程中，加氢生物柴油的油滴形状和普通柴油差异不大。由于加氢生物柴油的黏度大于普通柴油，其油滴头部形态更加圆润；加氢生物柴油的挥发性比普通柴油差，其油滴头部受缸内进气旋流的卷吸作用比普通柴油更严重。

2）加氢生物柴油的喷雾锥角比普通柴油小。原因在于加氢生物柴油的黏度比普通柴油大，喷射过程中形成的油-气混合质量比普通柴油差；其次，加氢生物柴油的挥发性比普通柴油差，喷射后燃油的横向扩散能力比普通柴油差。。

2.3 加氢生物柴油和普通柴油的油束贯穿距离

图4 为加氢生物柴油和普通柴油的油束贯穿距离对比图。

图4 生物柴油和普通柴油油束贯穿距离的测试结果

从图4 可以得出：在相同的燃油喷射压力条件下，燃油喷射前期，由于加氢生物柴油的密度大于普通柴油，油束贯穿距离比普通柴油大；随着喷油的持续及缸内压力升高，燃油与气缸内的高密度气体发生能量转换，燃料的密度差对油束贯穿距离的影响逐渐降低，在燃油喷射后期，2 种燃料的油束贯穿距离逐渐接近。

3 模拟仿真及计算

3.1 模拟仿真模型及验证

利用CFD 仿真软件建立计算模型，计算区域为Ф105 mm×105 mm 的圆柱体，以圆柱体上顶面的圆心为中心选取一个正方形区域并对其进行网格化。最小网格尺寸为0.6×0.6 mm（喷孔直径的5 倍），网格总数达48 000；喷嘴安装在圆柱体上顶面圆心中央伸出长度约1 mm。仿真计算时使用的模型名称见表2。