柴油-正丁醇混合燃料的宏觀噴霧特性試驗研究

吳鳳英， 王站成， 吳健， 朱莉莉

(河南科技大學車輛與交通工程學院， 河南 洛陽 471003)

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柴油-正丁醇混合燃料的宏觀噴霧特性試驗研究

吳鳳英， 王站成， 吳健， 朱莉莉

(河南科技大學車輛與交通工程學院， 河南 洛陽 471003)

在高壓共軌燃油噴霧試驗臺上對正丁醇體積摻混比分別為0%，5%，10%和20%的柴油-正丁醇混合燃料的宏觀噴霧特性進行了研究。結果表明：在相同共軌壓力下，隨著背壓的增加，噴霧錐角增大，噴霧貫穿距減小；在相同背壓下，隨著共軌壓力的增加，噴霧貫穿距和噴霧錐角均逐漸增大，但當共軌壓力增大到110 MPa時，二者不再增大；在相同背壓和相同共軌壓力下，噴霧貫穿距和噴霧錐角隨著正丁醇比例的增加逐漸增大，說明在柴油中混合一定比例的正丁醇可以提高燃料的霧化質量。

柴油； 正丁醇； 混合燃料； 背壓； 共軌壓力； 噴霧貫穿距； 噴霧錐角

由于柴油車的NOx和PM排放量較高，因此高效清潔燃燒以及替代燃料的研究逐漸受到了重視。使用含氧燃料或含氧添加劑與柴油混合是降低柴油機排放的有效措施之一。可再生的醇類燃料摻入柴油中可以起到優(yōu)化燃燒和降低炭煙排放的作用。丁醇是新型替代燃料之一，是一種可以生物降解的可再生含氧燃料。正丁醇是丁醇的同分異構體之一，與甲醇和乙醇相比其最大的優(yōu)點是親水性差。目前，正丁醇主要用作生物燃料替代物或傳統(tǒng)石油燃料的助溶劑[1-2]，相關研究主要集中在柴油摻混正丁醇對柴油機燃燒及排放性能的影響。Mingfa Yao等在試驗臺架上研究了丁醇比例對重型柴油機燃燒和排放的影響規(guī)律[3]；Doan對不同比例摻混的正丁醇-柴油混合燃料及純柴油在固定轉速、不同負荷下的排放情況進行研究[4]；Miloslaw J，Scott A．Miers等在柴油乘用車中研究了丁醇和柴油混合燃料的燃燒及排放特性[5-6]；張全長等人在一臺改造的單缸柴油機上研究了柴油中添加不同體積比例正丁醇燃料在不同進氣壓力和EGR率下的燃燒、排放特性[7]；周庭波等研究了柴油中摻燒大比例丁醇(丁醇比例為40%)對柴油機燃燒和排放性能的影響[8]。柴油機燃料的噴霧特性，如噴霧貫穿距離、噴霧錐角等對柴油機的經濟性和排放有著重要影響，因此，進行柴油-正丁醇混合燃料噴霧特性的研究對認識其燃燒機理，改善其排放特性有重要的理論意義和應用價值。本研究通過高壓共軌燃油噴霧試驗臺對柴油-正丁醇混合燃料的噴霧特性進行了研究，分析了不同背壓和共軌壓力下混合燃料的噴霧貫穿距及噴霧錐角宏觀參數(shù)的變化規(guī)律。

1 試驗裝置和試驗方法

試驗用高壓共軌燃油噴霧試驗臺采用BOSCH高壓共軌供油系統(tǒng)。試驗裝置見圖1，主要包括低壓燃油供給系統(tǒng)、高壓油泵、共軌管、定容燃燒彈、電控噴油器、紋影系統(tǒng)和高速攝像機等，其中噴油器是BOSCH電磁閥式單孔噴油器，噴孔直徑為0.13 mm，噴嘴孔長度為0.65 mm。

試驗研究了噴油壓力及背壓對柴油-正丁醇混合燃料噴霧特性的影響，其中正丁醇的體積比例為0%，5%，10%，20%，分別記為D100，B5，B10，B20；定容彈內的背壓通過注入氮氣來形成，背壓分別取1 MPa，2 MPa，3 MPa；噴射壓力分別取70 MPa，80 MPa，90 MPa，110 MPa，120 MPa，130 MPa；高速攝像機以10 000 幀/s的速度對噴霧過程進行拍攝，圖片分辨率為384×288，并通過Matlab軟件對圖片進行處理，在相同條件下的噴霧貫穿距、噴霧錐角是通過圖像邊緣檢測同條件下多次噴霧過程的噴霧貫穿距、噴霧錐角求平均值得到。Chang對噴霧特性相關參數(shù)的定義作了詳細介紹[9]，本研究采用取某時刻噴霧貫穿距的60%為測量基準的方法來計算噴霧錐角[10]。噴霧參數(shù)定義見圖2。表1示出了柴油與正丁醇的部分物理和化學特性參數(shù)。

表1 柴油與正丁醇的部分物理化學特性參數(shù)

2 試驗結果及分析

2.1 噴霧形態(tài)分析

燃料B20在共軌壓力為90 MPa，背壓為1 MPa，2 MPa，3 MPa下的噴霧形態(tài)見圖3。從圖中明顯看出，當噴射壓力相同時，隨著背壓的增大，噴霧油束中心區(qū)域的燃料密度逐漸增大，在同一時刻，噴霧的貫穿距減小，油束形態(tài)由細長變?yōu)槎糖邑S滿。在小背壓時，油束頂端發(fā)展速度較快，燃油密度較小；在大背壓時，油束頂端的燃油密度明顯較大。這主要是由于背壓變化對噴霧的初速度影響不大，而對介質密度的變化影響大。背壓增大，介質密度變大，使得霧粒與介質間動量交換增加，造成噴注的動能損失增加，迎風阻力增大，使得貫穿距減小。

圖4示出了混合燃料B20在環(huán)境背壓為2 MPa，共軌壓力為70 MPa，80 MPa和90 MPa時的噴霧形態(tài)。由圖可以看出，隨著共軌壓力的增大，噴霧貫穿距逐漸增加，且在同一噴霧時刻下噴油量也略有增加，共軌壓力越大，油束霧化效果越好，尤其在燃油噴射后期，油束前端與介質氣體卷吸強烈，與氣體混合效果好。對比共軌壓力為90 MPa與70 MPa的油束圖，前者油束前端出現(xiàn)較多的“坑洼”或“褶皺”，這主要是由于在相同背壓下，噴射壓力越高噴孔處的壓力差就越大，使得噴注的初速度和動能越大，最終燃油周圍更強的氣流擾動和油束內部的湍流運動促進了霧化，形成了更多細小的液滴，這有助于油氣充分混合；90 MPa和70 MPa相比油束中過濃的區(qū)域減少，這將會減小燃料的不完全燃燒區(qū)域，降低CO和炭煙的排放。

2.2 環(huán)境背壓對噴霧特性的影響

圖5與圖6示出了B20在環(huán)境背壓為1 MPa，2 MPa，3 MPa下的噴霧特性曲線。由圖5a可以看出，當共軌壓力為90 MPa時，背壓為1 MPa的噴霧末期的貫穿距比背壓為3 MPa時的大19 mm，可見背壓對噴霧貫穿距的影響較大。隨著背壓的增大，貫穿距逐漸減小，且這一趨勢在噴霧后期更加明顯。這是由于隨著背壓的增大，環(huán)境介質的密度增加，使得噴霧沿著噴射方向的阻力增大；噴霧初始時的液滴較大且速度較快，所受到介質阻力的影響相對較小，相反，越接近噴霧末期，受到介質阻力的影響就越大[11]。圖5b中環(huán)境背壓對貫穿距的影響趨勢同圖5a，但隨著共軌壓力的提高，環(huán)境背壓對貫穿距的影響相對減弱。

圖6示出了B20在不同環(huán)境背壓下噴霧錐角的變化曲線。從圖中看出，在一定的共軌壓力下，噴霧錐角隨背壓的增大而增大，且在圖6b中這一趨勢更為明顯。這是因為在相同條件下，貫穿距較大時，其橫向平均直徑就會相應減小。當共軌壓力為130 MPa時，噴油嘴兩端的壓力差大，噴油初始速度快，背壓增加使環(huán)境介質密度增加，噴霧液滴與周圍環(huán)境氣體之間的相互作用增強，使得油束的外邊緣產生越來越強的卷吸作用，因此，噴霧錐角隨背壓的增加而增大的趨勢更加明顯[12]。

2.3 共軌壓力對噴霧特性的影響

圖7示出了背壓為1 MPa時，B20混合燃油的貫穿距隨著共軌壓力的變化情況。由圖7a可知，隨著共軌壓力的增加，噴霧貫穿距增大且變化趨勢基本一致；但由圖7b看出，當共軌壓力增大到一定程度后，噴霧貫穿距基本保持不變。這主要是由于在一定的范圍內，隨著共軌壓力的增加，噴油初始速度提高，此時環(huán)境介質影響較弱，噴霧貫穿距增大；當共軌壓力增加到一定范圍后，噴油初始速度較高，油束與周圍環(huán)境氣體之間的動量交換增加，此時環(huán)境介質的影響增強，從而減緩了貫穿距的增加[13]。

圖8示出了背壓為1 MPa時，噴霧錐角隨共軌壓力的變化情況。在圖8a中，噴霧錐角隨著共軌壓力的增加而增大。在圖8b中，噴霧錐角隨著共軌壓力的增加先增加，但共軌壓力增大到120 MPa和130 MPa時，噴霧前期二者錐角基本一致，噴霧后期130 MPa的錐角略大于120 MPa時。這主要是由于較高噴射壓力引起噴射速度增加，導致在相同的背壓下氣液間的相對速度變大，加強了霧化效果，錐角增大；但當共軌壓力增大到一定程度后，油束邊緣產生的卷吸作用進一步增強，霧化質量進一步提高的同時，液滴索特平均直徑減小，液滴容易蒸發(fā)，使得噴霧錐角增加不大[14-15]。

2.4 摻混比例對噴霧特性的影響

圖9示出了不同摻混比例的燃料在環(huán)境背壓為2 MPa，共軌壓力為90 MPa和130 MPa時的噴霧特性對比曲線。

對于不同燃料，噴霧特性的差異主要取決于各種燃料物性參數(shù)的差異，包括燃料密度、表面張力、黏度和揮發(fā)性等。由圖9可知，隨著正丁醇比例的增加，噴霧貫穿距和噴霧錐角均增大。由于3種混合燃料的密度相差較小，由此導致的貫穿距變化也很小。從表1中看出，柴油的運動黏度比正丁醇的運動黏度大，隨著正丁醇比例的增加，混合燃料的運動黏度逐漸減小，使得燃料在噴孔內的流動阻力降低，初始噴射速度增大，相同時間內的貫穿距離也隨之增加，因此噴霧貫穿距隨正丁醇比例的增加而增大。同時隨著正丁醇的增加，運動黏度逐漸減小，燃料液滴更容易破碎，與周圍氣體的混合更好，因此噴霧錐角增大[16]。噴霧面積是噴霧貫穿距和噴霧錐角的綜合體現(xiàn)，通過對噴霧貫穿距和噴霧錐角的分析可知，在一定的摻混比例范圍內，隨著正丁醇比例的增大，噴霧面積將逐漸增加，油束與周圍氣體的混合更好，說明在柴油中混合一定比例的正丁醇可以有效提高燃料的霧化質量。

3 結論

a) 環(huán)境背壓對B20霧化特性的影響較大，在同一共軌壓力下，隨著背壓的增加，B20的噴霧錐角逐漸增大，噴霧貫穿距逐漸減小；

b) 相同背壓下，B20的噴霧貫穿距、噴霧錐角先隨著共軌壓力的增加逐漸增大，但當共軌壓力增大到110 MPa后，噴霧貫穿距、噴霧錐角增幅極小；

c) 一定的摻混比例范圍內，隨著正丁醇摻混比例的增加，噴霧貫穿距和噴霧錐角都逐漸增大，說明在柴油中混合一定比例的正丁醇可以有效提高燃料的霧化質量。

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[編輯： 姜曉博]

Macroscopic Spray Characteristics of Diesel and n-Butanol Blends

WU Fengying, WANG Zhancheng, WU Jian, ZHU Lili

(College of Vehicle & Traffic Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， China)

The spray test of diesel mixed with 0%, 5%, 10% and 20% n-butanol respectively was conducted on a high-pressure common rail spray test bench. The results show that the spray cone angle increases and the penetration decreases with the increase of ambient pressure under the same injection pressure. Under the same back pressure, the penetration and the spray cone angle increase, but will stop increasing when the common rail pressure reaches 110 MPa. The penetration and spray cone angle increase with the increase of n-butanol mixing proportion under the same back pressure and common rail pressure, which proves the possibility of improving fuel spray quality with n-butanol.

diesel; n-butanol; blended fuel; back pressure; common rail pressure; penetration; spray cone angle

2014-12-24；

2015-01-30

河南省自然科學基金項目(092300410125)；河南省重點攻關基金項目(092102210013)

吳鳳英(1979—)，女，講師，碩士，主要研究方向為發(fā)動機排放控制；xiaowufengying@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.006

TK421.43

B

1001-2222(2015)03-0027-05