碰撞角度對燃油霧化性能的影響研究

彭暢，戴仁杰，武奎，劉德鋒，曹建明

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碰撞角度對燃油霧化性能的影響研究

彭暢，戴仁杰，武奎，劉德鋒，曹建明

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

試驗采用馬爾文激光粒度分析儀對無碰撞噴射和不同碰撞噴射角度的霧化質量進行了試驗研究，以尺寸分布情況、平均直徑、特征直徑以及尺寸發散情況為對比參數進行比較，結果表明碰撞噴射有助于液滴的細化，并且在某一碰撞噴射角度下達到最佳霧化效果。

馬爾文；碰撞噴射；霧化質量

引言

發動機的性能直接受燃燒室噴霧特性的影響，在國家對排放法規日益嚴格的今天，如何兼顧發動機經濟性能、動力性能和排放標準顯得尤為重要，燃油的噴霧特性研究由此得到廣泛的重視。本試驗在噴霧質量分析系統試驗臺上，利用馬爾文Spraytec粒度分析儀，測得無碰撞和不同碰撞噴射角度下的噴霧尺寸分布，獲取索特平均直徑[1]，分析計算各特征直徑及發散度，通過分析各工況下的霧化效果得出最佳碰撞噴射角。

1 噴霧特性試驗

試驗選用兩個完全一樣的特制單孔噴嘴，噴油壓力為21MPa。本實驗采用馬爾文法[2]從微觀角度研究霧化液滴尺寸分布，分析不同碰撞噴射角度下柴油的霧化質量。測試系統如圖1所示。測試系統主要由馬爾文激光粒度儀、裝有馬爾文控制軟件的計算機和噴射系統組成。馬爾文粒度分析儀，采用激光衍射技術對噴入激光束中的粒子進行采集，并測量霧場中粒子的直徑，具有操作簡便，測試可靠、精度高，重復性好，快速實時的特點。對發動機噴霧的測量多采用750mm透鏡，測量范圍為2~2000μm，可以滿足本實驗要求。噴射系統噴射油霧粒子，馬爾文控制軟件控制激光粒度儀發射激光束，接收噴入激光束的粒子，由計算機分析計算出粒子的尺寸數目分布和索特平均直徑。

圖1 微觀噴霧特性測試系統

2 實驗結果分析

2.1 霧化油滴的尺寸數目分布及累積體積分布

圖2 尺寸數目分布

圖2給出了不同工況下燃油霧化獲取的尺寸數目分布，較碰撞后獲取的尺寸數目分布而言，無碰撞的PDFN曲線峰值所對應的尺寸較大，但四者峰值大小相差不大，均為10%~12%，結果表明，碰撞有助于液滴粒徑細化。對比17度、30度、35度碰撞夾角結果可知，在尺寸為0~4 μm之間，35度碰撞夾角占比>30度碰撞夾角占比>17度碰撞夾角占比，表明大碰撞夾角更有助于細小顆粒的形成。

圖3 累積體積分布

圖3給出了霧化油滴在不同工況下的累積體積分布，大粒徑液滴占比對Vc影響較大，在尺寸為0~10μm之間時，四者基本上沒有差別，在尺寸為10~100μm之間時，17度碰撞夾角結果明顯在其它三種工況左上側，30度碰撞夾角與35度碰撞夾角結果差別較小，但均位于無碰撞結果左上側，結果表明碰撞可以降低大粒徑液滴的出現頻率。

綜合圖2、圖3可知，碰撞有助于液滴的細化，減少大液滴粒徑的出現頻率；不同碰撞夾角結果表明，隨著碰撞夾角的增加，小粒徑占比增多，但大粒徑液滴的出現頻率也有一定的增多，綜合結果表明，17度碰撞夾角的結果最佳。

2.2 霧化油滴的平均直徑、特征直徑及發散情況

噴霧液滴平均直徑的概念是由 Mugele 和 Eyans 提出的概念[3]，其中索特平均直徑是最常用的指標，表示霧化油滴的體積與面積之比。霧化油滴的尺寸發散表示油滴從最小直徑到最大直徑的范圍，一般平均直徑越小，液滴的尺寸范圍也越小，尺寸分布的曲線窄而尖。發散可以用均勻度[4]、相對尺寸范圍、發散度、發散邊界等指標來評價。相對尺寸范圍和發散邊界是表示液滴尺寸發散最常用的指標。試驗獲取各指標大小如表1所示。

表1 霧化油滴的平均直徑、特征直徑及發散度

由表1數據可知，無碰撞時的索特平均直徑明顯大于經由碰撞后的索特平均直徑，且索特平均直徑隨碰撞夾角的增加而增加；四者的發散情況之間沒有明顯的關系，但17度碰撞夾角時，各指標均小于無碰撞時，表明17度碰撞夾角時霧化獲取的粒徑的均勻度較高。

3 結論

（1）碰撞噴射有助于液滴的細化，可以降低大粒徑液滴的出現頻率。

（2）隨著碰撞夾角的增加，小粒徑占比增多，但大粒徑液滴的出現頻率也有一定的增多，在某一碰撞噴射角度下達到最佳霧化效果。

[1] 曹建明.液體噴霧學[M].北京:北京大學出版社.2013.7.

[2] 武奎,李雯霖,張葉娟,等.純柴油噴霧特性試驗研究[J].汽車實用技術.2017, (12): 212-213.

[3] Mugele R,Evans H D.Droplet Size Distributions in Sprays[J]. Ind. Eng. Chem, 1951, 43 (6) :1371-1324.

[4] Tate R W.Some problems associated with the accurate representation of drop-size distributions.Madison:Proc.of the 2nd International Conference on Liquid Atomization and Sprays.1982:341-351.

Study on the Influence of Collision Angle on Fuel Atomization Performance

Peng Chang, Dai Renjie, Wu Kui, Liu Defeng, Cao Jianming

（Automobile Faculty, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064）

The atomization quality of pure diesel oil at different collision injection angles was studied by using Malvern laser particle size analyzer. The size distribution, mean diameter, characteristic diameter and dimensional divergence were compared. The results show that the collision injection is helpful to refine the droplets, and the best atomization quality can be achieved at a certain collision injection Angle.

Malvern;collision injection; atomization quality

B

1671-7988(2019)05-92-02

U467

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1671-7988(2019)05-92-02

U467

彭暢，就讀于長安大學。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.027