松油與柴油宏觀噴霧特性的對比試驗研究?

黃豪中，史 程，張新赟，朱 贊，王慶新，劉慶生

(1.廣西大學機械工程學院，南寧 530004； 2.廣西玉柴機器股份有限公司，玉林 537005)

松油與柴油宏觀噴霧特性的對比試驗研究?

黃豪中1，史 程1，張新赟1，朱 贊2，王慶新1，劉慶生1

(1.廣西大學機械工程學院，南寧 530004； 2.廣西玉柴機器股份有限公司，玉林 537005)

利用高速攝影技術對松油與柴油在不同試驗工況下的噴霧錐角、貫穿距離和油束面積進行對比。結果表明：兩種燃料的噴霧特性接近，噴霧錐角隨噴油壓力和背壓的升高而變大，且背壓對錐角的影響更為顯著；貫穿距離和油束面積隨噴油壓力的升高而增大，隨背壓的增加而減?。慌c噴霧錐角相比，貫穿距離對油束面積的影響更大；相同工況下松油的貫穿距離、噴霧錐角和油束面積均比柴油略大，霧化質(zhì)量更好。試驗結果為松油作為替代燃料的可行性研究提供參考。

柴油；松油；噴霧特性；噴霧錐角；貫穿距離

前言

清潔替代燃料是解決不可再生能源日趨枯竭、生態(tài)環(huán)境逐漸惡化的有效途徑之一[1-2]。作為一種可應用于發(fā)動機的生物質(zhì)含氧燃料，松油以其來源廣泛、低十六烷值和與柴油互溶性強等[3]突出優(yōu)勢引起普遍關注。文獻[3]中研究表明，松油可提供與柴油相當?shù)臒嶂担谙嗤r下，隨著松油摻混比增加，發(fā)動機的功率、有效熱效率和最大放熱率均隨之升高。文獻[4]中研究發(fā)現(xiàn)，松油摻混燃料(50%)在全負荷下可提供與純柴油相當?shù)膭恿π?。文獻[5]中利用尿素SCR和催化轉(zhuǎn)化器對降低柴油/松油混合燃料尾氣排放進行了研究，結果表明：摻混50%松油的柴油，其Soot，CO，HC和NOx的排放較純柴油分別降低70.1%，67.5%，58.6%和15%。

上述相關研究主要集中在燃料的燃燒和排放特性，而對于燃油霧化的研究還未見報道。缸內(nèi)燃油的噴射霧化和油氣混合對發(fā)動機燃燒過程和排放性能起到至關重要的作用[6]，而燃油自身的物化屬性更是影響霧化質(zhì)量的關鍵因素。據(jù)此，本文中基于可視化噴霧試驗臺架，在不同噴油壓力和背壓下，利用高速攝影技術對松油和柴油的噴霧發(fā)展過程進行圖像采集，對比分析兩種燃料噴霧特性的變化規(guī)律，為今后松油作為柴油機替代燃料的可行性研究奠定基礎。

1 試驗裝置與方案

試驗裝置如圖1所示。自行搭建的試驗臺架主要由定容燃燒彈、高壓共軌系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成。自主研發(fā)設計的定容燃燒彈是一個能夠耐高溫高壓的、并在彈體3個側(cè)面附帶直徑110mm透明視窗用以拍攝內(nèi)部噴霧和燃燒的金屬箱體，能較好地觀察缸內(nèi)燃燒室的情況，同時定量研究環(huán)境背壓、溫度等邊界條件的改變對燃油噴霧和燃燒特性的影響。高壓共軌噴油系統(tǒng)采用Bosch第3代高壓共軌噴射試驗臺，可靈活準確地控制噴射壓力和噴油脈寬等參數(shù)，噴油嘴采用國內(nèi)某噴油器公司定制的單孔P型噴油嘴。圖像采集系統(tǒng)包括Photron SA7型CCD高速相機(帶Tokina微距鏡頭)和布置在兩側(cè)視窗外提供背景照明的鹵鎢燈。

圖1 試驗裝置示意

整個測試過程在常溫(25℃)黑暗條件下進行。先通過注入高壓氮氣提供試驗所需環(huán)境背壓，定容燃燒彈內(nèi)的壓力和溫度利用布置在可拆卸頂蓋上的Kistler缸壓傳感器和熱電偶采集和顯示。設置高壓共軌試驗臺相關噴油參數(shù)，啟動電機和高壓泵，共軌噴油器噴油的同時電控單元(ECU)經(jīng)濾波板向高速相機發(fā)出TTL5V的觸發(fā)信號，利用高速相機和在背景光源輔助下同步采集噴霧圖像。試驗主要參數(shù)設置如表1所示。在得到燃油噴霧圖像之后利用MATLAB軟件自編程序進行去除背景、閾值分割、邊界提取和曲線擬合等后處理，從而得到噴霧錐角和貫穿距等宏觀參數(shù)。為避免噴霧前鋒的不規(guī)則形狀對噴霧錐角的影響以及湍流在近噴射流場區(qū)域引起的表面擾動[7]，為方便噴霧參數(shù)的定義，圖2示出噴霧油束在通過噴霧軸線平面上投影的輪廓線。貫穿距離是指從噴油器油嘴尖端處到油束前鋒橫截面的軸向距離；噴霧錐角定義為面積與截至貫穿距離一半處的上游油束投影面積相等、高度相同的等腰三角形兩條斜邊之間的夾角，見式(1)；油束發(fā)展面積則是整個噴霧油束的投影面積[8]。

表1 試驗參數(shù)

式中：Aus為上游油束投影面積，見圖2灰色區(qū)域；S為貫穿距離。

圖2 噴霧油束投影輪廓線圖與參數(shù)定義示意

2 松油的理化性質(zhì)

松油源自于松樹分泌的一種天然樹脂(松脂)，松脂經(jīng)蒸餾提取出的松節(jié)油再進行水合反應得到淺黃色的松油(圖3)。松油主要由萜烯醇(C10H18O)和萜烯(C10H16)組成[3]。試驗所用松油由國內(nèi)某化學公司提供，選取市售0＃柴油作為對比燃料。表2給出了松油與柴油的部分理化特性參數(shù)。松油的理化參數(shù)源于廣州能源檢測研究院樣品檢驗報告。

圖3 松油的制備

表2 松油與柴油的理化特性比較

3 試驗結果與分析

3.1 宏觀霧化形態(tài)

設置高速相機的拍攝速率為10 000fps，單幀像素數(shù)為512×512，針對每一組試驗，從噴油嘴出口處開始有油束噴出到噴油器停止噴油截止，一共分析了19張圖片，第一張時刻為0.2ms(受噴射延遲及燃料屬性等[8]原因造成0.1ms時刻無噴霧或噴霧較小)，以后每兩張圖片的時間間隔為0.1ms，到最后一張時刻為2.0ms。為減小試驗結果的隨機誤差，在保證相同試驗條件下，每組試驗經(jīng)5次噴霧過程，再求平均值得到相應結果。圖4和圖5為噴油壓力為90MPa、環(huán)境背壓為5MPa條件下，高速相機拍攝的松油與柴油在穩(wěn)定后不同時刻的霧化形態(tài)圖像。由圖可見：松油的噴霧錐角和油束發(fā)展面積較柴油的略大；而兩種燃料的噴霧貫穿距離差別不大。另外，從圖中可以看出燃油濃度場的分布情況，松油噴霧的主體區(qū)域較為飽滿，顏色較深，并且外輪廓較光滑；而柴油的流場濃度較松油的稀疏，噴霧前端突出，兩側(cè)錐面相對粗糙，部分燃油液滴與彈內(nèi)氣體發(fā)生相互作用。

圖4 松油宏觀霧化形態(tài)

圖5 柴油宏觀霧化形態(tài)

3.2 噴霧貫穿距離

不同噴油壓力和背壓下，松油和柴油的噴霧貫穿距離隨噴霧時刻變化的曲線分別如圖6和圖7所示。圖8對比了兩種燃料最終(2 000μs)的噴霧貫穿距離。從整個噴霧過程看出，松油與柴油的噴霧貫穿距離的變化趨勢是一致的，都是在噴射的前期呈現(xiàn)類似線性增長，待噴霧穩(wěn)定后增長幅度逐漸減小。

圖6 不同噴油壓力和背壓下松油的貫穿距離

燃油的宏觀噴霧特性受噴油壓力和背壓的共同作用，可引入無量綱空化數(shù)CN來表征霧化情況[9]：

式中：pinj為噴油壓力；pa為環(huán)境背壓；pv為液體飽和蒸汽壓。由圖6和圖7可見，在同一背壓下，噴油壓力從60提升至120MPa，兩種燃料的貫穿距離均有不同程度的增長，噴霧前期的增幅為2～5mm，趨于穩(wěn)定后的噴霧貫穿距離則增大8～14mm。分析原因：噴油壓力增加，空化數(shù)變大導致空化作用漸為劇烈，射流內(nèi)部壓力梯度增大，加快了燃油的流動速度，燃油從噴孔噴出后的動能勢必要增大，這就需要更長的距離與環(huán)境介質(zhì)進行充分的能量交換，使油束更易于霧化破碎[10]，故貫穿距離變大。此外，相同噴油壓力時，兩種燃料在背壓為5MPa時的貫穿距離曲線的斜率均小于背壓為3和4MPa的斜率，這說明較高的環(huán)境背壓會阻礙噴霧貫穿距離的發(fā)展，背壓越高，貫穿距離增長幅度越小。這是由于當背壓升高時，環(huán)境氣體密度隨之變大，油束在向前運動的過程中與環(huán)境介質(zhì)的卷吸作用[11]加劇，動能損失和背壓都增大，空化數(shù)相對變小，噴孔內(nèi)部的空化流動受到抑制，燃油在噴油嘴出口處獲得的初始流動速度降低，從而使燃油的噴霧貫穿距離減小。

圖7 不同噴油壓力和背壓下柴油的貫穿距離

圖8 松油與柴油的最終噴霧貫穿距離比較

燃油的破碎和霧化過程除與噴油規(guī)律和油束氣液邊緣的氣動干擾有關外，燃油的物化屬性也會影響射流的發(fā)展，而雷諾數(shù)和韋伯數(shù)通常是表征不同液體破碎霧化的重要無量綱參數(shù)。雷諾數(shù)是慣性力與動力黏度之比，韋伯數(shù)是慣性力與表面張力之比，兩者數(shù)值越大，表征液體霧化效果就越好[12]。本文中對部分試驗工況下松油與柴油的雷諾數(shù)和韋伯數(shù)進行了計算，結果如圖9所示。與柴油相比，松油具有較小的運動黏度和較大的表面張力，而兩者密度差別不大(表2)，這就導致松油的雷諾數(shù)較大，韋伯數(shù)較小。由圖8可見，松油的噴霧貫穿距離均略大于同工況下的柴油，這表明雷諾數(shù)對噴霧的貫穿距離影響要大于韋伯數(shù)的影響，因此在油束的空間發(fā)展過程中燃油的黏性力對其噴霧特性起主導作用。柴油的運動黏度是松油的1.8倍，而黏性力較小的液滴不易粘連在一起，導致射流的初始速度較大，較有利于油束的破碎霧化，這與文獻[13]中提到的不考慮混合過程的蒸發(fā)作用、被卷吸的空氣量和噴油量的比值與燃油黏度的平方根和噴孔直徑成反比的結論一致，因此松油的最終噴霧貫穿距離較長。

圖9 松油與柴油的雷諾數(shù)和韋伯數(shù)

3.3 噴霧錐角

圖10 噴油壓力為60MPa時松油與柴油的噴霧錐角

圖10 和圖11為噴油壓力和背壓對松油和柴油噴霧錐角的影響。由圖可見，松油與柴油噴霧錐角的變化趨勢大致相同，均是在噴霧初期達到一個峰值，然后逐漸減小并保持在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值區(qū)間，整個噴霧過程錐角的變化不大，平均在3°左右。圖12為不同試驗工況下全程噴霧錐角θ的平均值，圖中計算值為按文獻[14]中提出的經(jīng)驗公式(見式(3))計算的結果。

式中：L/D為噴油嘴長徑比；D0為壓力室直徑；ρa為環(huán)境密度；ρl為燃料密度。

圖11 噴油壓力為120MPa時松油與柴油的噴霧錐角

圖12 平均噴霧錐角的試驗值與計算值

由圖可見，按式(3)計算的數(shù)值與試驗數(shù)據(jù)相比，不僅松油與柴油噴霧錐角的大小關系相反，而且計算值都偏大，最大偏差接近30%。主要原因是公式未考慮燃料的運動黏度，而在本文中的試驗工況下，黏度對燃油噴霧又有顯著影響。此外，直接影響噴霧特性和霧化效果的噴油壓力、噴霧時間[15]等噴射參數(shù)在經(jīng)驗公式中亦沒有體現(xiàn)，從而使得計算值與試驗值存在較大差距。

比較不同工況下松油與柴油的平均噴霧錐角可以看出，噴霧錐角的變化與噴油壓力有密切的聯(lián)系。在同一環(huán)境密度下，隨著噴油壓力的升高，兩種燃料的噴霧錐角均體現(xiàn)出不同程度的增大趨勢，且松油的增幅略大。出現(xiàn)這樣的變化須深入了解直接影響錐角大小的原因，高壓共軌燃油噴霧的發(fā)展極大程度上取決于噴孔內(nèi)流和初始流動條件[16]，而射流在噴油嘴出口處的徑向湍流速度正是形成噴霧錐角的原因。根據(jù)噴霧錐角θ的試驗結果，利用式(4)計算燃油的徑向湍流脈動速度v，結果如圖13所示。

式中u為湍流速度，由伯努利方程求得。由圖可見，升高噴油壓力可顯著加快射流的徑向脈動速度，這是因為噴油壓力的增加直接造成噴孔內(nèi)部的空化作用增強，空化氣泡在噴孔出口處潰滅，湍流能變大，從而導致噴霧錐角變大[17]。另外，與柴油相比，松油的湍流脈動速度更快一些。由于松油的雷諾數(shù)較大而黏度較低，在噴孔內(nèi)流阻的損失較小，導致形成空化所需的射流速度較小，致使徑向的湍流脈動速度較大，從而增大噴霧錐角。

在本文中試驗的噴油壓力和背壓范圍內(nèi)，噴霧錐角的平均增幅分別為5.2%和13.2%，與噴油壓力相比，升高環(huán)境背壓對噴霧錐角的影響更為明顯。其中，背壓從3增加到5MPa時，松油噴霧錐角平均增大12.4%，而相同噴射條件下柴油噴霧錐角的平均增幅為14%，說明背壓的升高對柴油的影響較大。由于背壓增加，環(huán)境氣體密度提高，一方面會造成空氣阻力增加，致使噴霧發(fā)展速度降低；另一方面會增大氣體對油束在軸向的剪切作用，有利于油束向徑向運動，兩側(cè)錐面與周圍環(huán)境介質(zhì)之間的相互卷吸更加劇烈[13]，噴霧邊緣的擴散變強，因此噴霧錐角變大。另外，在相同背壓下，松油的平均噴霧錐角均大于柴油。這是由于雷諾數(shù)較大可以明顯提高燃油的流動性[12]，油束在運動過程中更易于從大體積形態(tài)向小體積形態(tài)的轉(zhuǎn)化，促進與彈內(nèi)氣體產(chǎn)生動量交換，從而改善破碎的效果；松油的徑向湍流脈動速度亦大于柴油，徑向擴散加快，故松油的噴霧錐角更大(圖13)。

3.4 油束發(fā)展面積

圖14為燃油的最終噴霧油束發(fā)展面積。由圖可以看出，噴油壓力與背壓對燃料的油束面積影響不同，環(huán)境背壓升高，油束面積減?。粐娪蛪毫υ黾?，油束面積增大。

油束發(fā)展面積是燃油霧化效果的直觀體現(xiàn)[18]，而貫穿距離和噴霧錐角又對其有重要影響。為對比二者對油束發(fā)展面積的影響程度，本文中在圖8和圖12的試驗工況下，對平均噴霧錐角變化率和最終噴霧貫穿距離變化率作比較分析，選取背壓為3MPa時的平均噴霧錐角(最終噴霧貫穿距離)為基準，計算4和5MPa時松油與柴油的平均噴霧錐角和最終貫穿距離隨背壓升高的變化率曲線(見圖15和圖16)。可以看出，在同一噴油壓力下，當背壓增加時，噴霧貫穿距離減小的幅度明顯大于噴霧錐角增大幅度，盡管背壓的升高會使噴霧錐角有一定程度的增大，但是噴霧的貫穿距離才是對油束面積的發(fā)展起主導作用，因此進一步驗證了油束發(fā)展面積和噴霧貫穿距離在不同試驗工況下的變化規(guī)律是相同的。

圖13 燃油的徑向湍流脈動速度

圖14 松油與柴油的最終油束發(fā)展面積

圖15 松油噴霧錐角及貫穿距離變化率

圖16 柴油噴霧錐角及貫穿距離變化率

此外，由圖15和圖16可知，隨著試驗工況的改變，松油的噴霧特性參數(shù)的變化幅度不如柴油顯著，表明松油液滴的空氣動力穩(wěn)定性[19]較好。同時在同一試驗工況下，松油的霧化面積幾乎都大于柴油的霧化面積，這說明與柴油相比，松油液滴的破碎霧化程度更充分，油霧邊緣與周圍環(huán)境氣體的混合更好。

4 結論

(1)松油與柴油的噴霧參數(shù)隨時間變化的趨勢一致，貫穿距離在噴霧發(fā)展初期呈現(xiàn)一定程度的線性增長，然后增長幅度隨之逐漸減?。粐婌F錐角呈先減小再保持在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值趨勢，但噴霧全程錐角變化不大。

(2)兩種燃料宏觀噴霧特性大致相同，隨著噴油壓力的增加，噴霧錐角、貫穿距離和油束面積均不同程度地增大；背壓升高，噴霧錐角增大的同時，貫穿距離和油束面積相應地減小。

(3)在研究的工況范圍內(nèi)，雷諾數(shù)直接影響兩種燃料的霧化情況，而韋伯數(shù)無顯著影響，說明對燃油噴霧特性起主導作用的是黏性力。

(4)松油與柴油的噴霧貫穿距離對油束面積的發(fā)展起到至關重要的作用，而噴霧錐角對油束面積無顯著影響。

(5)無論是噴霧錐角、貫穿距離還是油束面積，同工況下，松油的變化規(guī)律與柴油大致相同，且霧化的效果較好。說明將松油應用于柴油機不僅無需任何改動，還可進一步提升燃油的霧化質(zhì)量。

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A Comparative Experimental Study on the Macroscopic Spray Characteristics of Pine Oil and Diesel Fuel

Huang Haozhong1，Shi Cheng1，Zhang Xinyun1，Zhu Zan2，W ang Qingxin1＆Liu Qingsheng1
1.College ofMechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004； 2.Guangxi Yuchai Machinery Co.，Ltd.，Yulin 537005

High-speed photography technology is utilized to compare the spray cone angle，penetration distance and spray projected area of pine oil and diesel fuel in different test conditions.The results show that the spraying characteristics of two fuels are close：spray cone angles increase with the rise in injection pressure and back pressure with the effects of back pressure on cone angle beingmore apparent，and penetration distances and spray projected areas increase with the rise of injection pressure and reducewith the rise in back pressure.Compared with spray cone angle，the effects of penetration distance on spray projected areas aremore obvious.Under same condition，the spray cone angle，penetration distance and spray projected area of pine oil all slightly larger than those of diesel fuel with better atomizing quality.The test results provide references for the feasibility study for pine oil as alternative fuel.

diesel fuel；pine oil；spray characteristics；spray cone angle；penetration distance

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.015

?國家自然科學基金面上項目(51076033)、廣西科學研究與技術開發(fā)計劃(桂科攻1598007-44和桂科攻1598007-45)和廣西高等學校優(yōu)秀中青年骨干老師培養(yǎng)工程項目(桂教人(2013)16號)資助。

原稿收到日期為2016年5月27日，修改稿收到日期為2016年8月11日。

黃豪中，教授，博士，E-mail：hhz421＠gxu.edu.cn。