柴油、生物柴油、戊醇混合燃料噴霧特性的實(shí)驗(yàn)

李 莉，李雁飛，秦 頌

（1. 西安交通大學(xué) 城市學(xué)院 機(jī)械工程系，西安710018，中國；2. 汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)，北京100084，中國）

生物柴油和醇類是目前在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用較廣泛的可再生清潔替代燃料，是可通過藻類或木質(zhì)纖維素等生產(chǎn)獲得的全生命周期的碳中和燃料[1-3]。生物柴油是一種碳中性含氧燃料，基本不含硫和芳烴，十六烷值與柴油接近甚至更高，可與柴油以任意比例混合。研究表明： 生物柴油由于較高的粘度、密度和沸點(diǎn)，具有比柴油更長的貫穿距、較小的噴霧錐角[4-6]；且在大氣條件下，生物柴油噴霧的Sauter平均直徑（Sauter mean diameter，SMD） 較柴油略有增加[7-8]。柴油摻混生物柴油后可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物（particulate matter，PM） 、一氧化碳（CO） 及總碳?xì)浠衔铮╰otal hydrocarbon， THC） 排放[9-12]，且有效熱效率與原機(jī)相比變化不大或稍有改善[13-14]。

戊醇作為新一代的可再生碳中性燃料，在內(nèi)燃機(jī)上具有廣闊的應(yīng)用前景和環(huán)境友好性，與低碳醇（含有4個(gè)碳以下）相比，戊醇具有更高的能量密度、粘度和十六烷值，采用柴油-戊醇混合燃料可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的CO、氮氧化物NOx和碳煙（soot） 排放[15-16]。在不采用廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR） 的條件下，燃用純戊醇燃料且采用壓燃模式可實(shí)現(xiàn)NOx和soot排放的同時(shí)降低并保持較高的熱效率[17]。

燃料的霧化質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性。近年來，基于燃料理化特性差異設(shè)計(jì)的多組分混合燃料由于其優(yōu)良的噴霧和燃燒性能引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[18]。LIU Yanju等[19]研究發(fā)現(xiàn)：摻混正丁醚可有效改善柴油-生物柴油的噴霧質(zhì)量，且隨著摻混比例的增加，混合燃料的噴霧貫穿距略有減小，噴霧錐角增大，Sauter平均直徑降低。MO Jun等[20]對(duì)比分析了生物柴油添加丁醇后噴霧特性，結(jié)果表明：低粘度丁醇可降低生物柴油的SMD，改善噴霧的均勻度。S. J. M.Algayyim等[21]研究發(fā)現(xiàn)：低粘度的丁醇-丙酮混合物的添加可增加生物柴油的噴霧投影面積，改善油氣混合度。LI Fengyu等[22]對(duì)比分析了不同比例的生物柴油-戊醇混合燃料，發(fā)現(xiàn)隨著戊醇摻混比例的增加，混合燃料的動(dòng)力粘度和密度降低，最終造成液相貫穿距和噴霧尖端峰值速度的減少。

利用碳中性生物柴油及醇類燃料理化特性的差異可實(shí)現(xiàn)其混合燃料的物性設(shè)計(jì)，從而在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)良好噴霧和低碳燃燒，探究不同碳中和燃料的噴霧特性對(duì)建立基于需求的燃料改質(zhì)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)燃料與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文基于定容燃燒彈噴霧試驗(yàn)平臺(tái)，采用高速攝影和相位Doppler粒子測(cè)試技術(shù)，對(duì)比分析了柴油、生物柴油、戊醇3種基準(zhǔn)燃料和一種混合燃料 （40%柴油+30%生物柴油+30%戊醇） 的宏觀及微觀噴霧特性，對(duì)比分析了燃料物性、噴射壓力（最高120 MPa） ，環(huán)境背壓、環(huán)境溫度（最高830 K）等對(duì)貫穿距，噴霧錐角及SMD等特征參數(shù)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試方法

1.1 常溫高壓試驗(yàn)系統(tǒng)

常溫相位Doppler粒子測(cè)試技術(shù)（phase Doppler particle analyzer， PDPA） 的噴霧試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示，包括定容燃燒彈系統(tǒng)，PDPA和高速攝影系統(tǒng)等，主要完成常溫下噴霧貫穿距、噴霧錐角和Sauter平均直徑的測(cè)試。

常溫噴霧試驗(yàn)的定容燃燒彈系統(tǒng)主要由定容燃燒彈、高壓供氣裝置、高壓噴油系統(tǒng)3部分組成，其中定容燃燒彈是專為噴霧測(cè)試設(shè)計(jì)，最大許用壓力為6.0 MPa，定容燃燒彈的側(cè)面設(shè)計(jì)有2個(gè)夾角為110°的石英視窗，以保證PDPA測(cè)得的信號(hào)具有最高的信噪比。噴射壓力由高壓共軌系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)，采用的是噴孔直徑為0.14 mm的單孔噴油器，最高噴射壓力為150 MPa。

PDPA是Dantec公司制造的相位Doppler粒子分析儀，采用的是Coherent公司的Innova 70C氬離子激光器，可發(fā)射3種波長共6束激光，本文僅采用其中波長為514.5 nm的2束激光測(cè)量油滴沿噴霧軸線方向的速度及油滴粒徑大小。該2束激光從發(fā)射探頭射出，通過焦距為310 mm的透鏡并匯聚一點(diǎn)，形成干涉條紋，該位置即為測(cè)量區(qū)域。油滴經(jīng)過測(cè)量區(qū)域時(shí)的散射光由接收探頭接收后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)被采集，根據(jù)信號(hào)處理器篩選出有效信號(hào)來計(jì)算油滴的運(yùn)動(dòng)速度、粒徑分布等基本信息。

高速攝影系統(tǒng)采用的是Photron SA X2高速相機(jī)，其曝光時(shí)間為6.25μs，拍攝速率為4萬幀/s，圖片像素為256×768，空間分辨率為107μm/像素。試驗(yàn)時(shí)，布置在定容燃燒彈一側(cè)的發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED） 燈光透過視窗照亮噴霧，噴霧形態(tài)發(fā)展的全過程則由布置在另一側(cè)視窗處的高速相機(jī)捕捉。通過電控單元（electronic control unit，ECU） 和信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)對(duì)PDPA、高速相機(jī)、噴油器以及供油系統(tǒng)的控制與同步。

1.2 高溫高壓試驗(yàn)系統(tǒng)

高溫噴霧特性試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)試系統(tǒng)的組成如圖2所示，主要有高溫定容燃燒彈系統(tǒng)、高壓供油系統(tǒng)、高壓供氣系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)等組成。主要用于完成高溫條件下燃料噴霧的形態(tài)、液相貫穿距、投影面積等的測(cè)試。

高溫定容燃燒彈的內(nèi)腔容積為170 mL，設(shè)計(jì)的最高工作壓力為6 MPa，前后左右均布4個(gè)厚度為70 mm，直徑為100 mm的石英玻璃視窗作為光學(xué)通道，噴油器布置在定容燃燒彈的頂部中間。定容燃燒彈內(nèi)腔底部的電熱絲加熱模塊的最高加熱溫度為900 K，加熱完成后使用壓縮空氣向定容燃燒彈內(nèi)充氣建立工作壓力，以模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)附近時(shí)的溫度壓力條件。定容燃燒彈內(nèi)的溫度和壓力信息通過布置在頂部的四個(gè)熱電偶和一個(gè)壓力傳感器實(shí)時(shí)采集。

1.3 燃料理化特性及測(cè)試條件

試驗(yàn)采用柴油（D100） 、生物柴油（B100） 、 戊醇（P100） 3種基礎(chǔ)燃料以及一種混合燃料D40B30P30（40%柴油+30%生物柴油+30%戊醇）。燃料的主要理化指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用柴油、生物柴油和戊醇及混合燃料的主要指標(biāo)

不同燃料分子結(jié)構(gòu)的不同造成理化指標(biāo)的差異，理化指標(biāo)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的霧化質(zhì)量和燃燒特性。燃料的蒸發(fā)和汽化特性與餾程相關(guān)，沸點(diǎn)越低，燃料越容易汽化；液滴的穩(wěn)定主要取決于液體的表面張力，粘度和表面張力越小，霧化所需的最小能量就越低，燃油噴入氣缸時(shí)越容易破碎成細(xì)小的液滴，即越易于霧化和混合。利用不同燃料理化特性的耦合改善霧化質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)清潔燃燒的重要手段。

試驗(yàn)所用的3種基礎(chǔ)燃料中，生物柴油的粘度、密度和表面張力最大，沸點(diǎn)最高，而戊醇燃料的粘度、密度和表面張力最小，沸點(diǎn)最低，柴油的特性介于兩者之間，3種燃料之間具有良好的互溶性。作者前期利用基礎(chǔ)燃料的物性差異，通過生物柴油和戊醇燃料的配比混合得到燃料D40B30P30，具有和柴油相近的物性，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，混合燃料可獲得更佳的燃燒和排放特性[23]。

由于PDPA測(cè)試方法的限制，近噴嘴處噴霧濃度較大難以獲得有效數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中測(cè)量點(diǎn)的選取如圖3所示，分別位于距噴嘴頂端30、40、50 mm的平面內(nèi)，測(cè)量點(diǎn)之間的徑向間距為1 mm。測(cè)量時(shí)間為5.0 ms。

如圖4所示，噴霧貫穿距定義為噴油器的噴嘴出口到燃油油束前端的距離L；噴霧錐角的定義按照Naber等提出的方法[24]，將噴霧油束投影的上半?yún)^(qū)域視為一個(gè)等腰三角形，該三角形的高即為貫穿距的1/2，其頂角等于噴霧錐角θ。噴霧投影面積是指噴霧沿噴射方向的外輪廓線所包圍的投影區(qū)域總面積。

表2 給出了常溫（298 K）、高溫（830 K）下定容燃燒彈的試驗(yàn)條件（噴射壓力pinj、背壓pamb、環(huán)境氣體密度ρ、噴油脈寬Δtj）。定容燃燒彈內(nèi)的試驗(yàn)工況是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在上止點(diǎn)附近時(shí)氣缸內(nèi)的溫度和壓力狀況，噴油器采用單孔電磁閥噴油器，且采用單次噴射策略，噴油脈寬固定為1.5 ms。定容燃燒彈內(nèi)充入的是高壓純氮?dú)庖员苊飧邷叵聡娙肴加妥匀肌?/p>

表2 常溫和高溫下定容燃燒彈試驗(yàn)條件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常溫高壓下的噴霧特性

2.1.1 噴霧貫穿距和噴霧錐角

噴霧油束的形態(tài)、貫穿距L和錐角θ是評(píng)價(jià)宏觀噴霧特性的主要指標(biāo)。圖5給出了環(huán)境溫度為298 K，背壓為1.8 MPa，噴油壓力為80 MPa時(shí)，4種燃料在噴射后0.3、1.2、1.8 ms時(shí)刻的噴霧發(fā)展歷程。常溫下各種燃油噴霧的邊緣相對(duì)清晰，前鋒形狀較寬大，且從內(nèi)向外噴霧濃度降低，呈絮條狀結(jié)構(gòu)。

圖6 為相同工況下不同燃料的貫穿距L和噴霧錐角θ變化規(guī)律曲線。由圖6可見：噴射初中期（0～300μs）燃料的液相貫穿距迅速增加，噴霧錐角迅速減??；噴射中期（0.3～1.2 ms）變化都逐漸變緩，直至噴射后期（1.2 ms以后）貫穿距和噴霧錐角趨于穩(wěn)定，這是由于初期燃油在較高的噴射壓力下高速噴出，湍流動(dòng)能較大引起噴霧貫穿距急劇增加，隨著噴霧的進(jìn)展，液滴與環(huán)境氣體的摩擦使得液體動(dòng)能逐漸減弱，貫穿距曲線的變化趨于穩(wěn)定。

燃油的密度、粘性、表面張力等物性是影響噴霧特性的重要因素。由于生物柴油的粘度、密度和表面張力最大，其液相貫穿距最長，對(duì)應(yīng)的噴霧錐角最小，油滴大部分集中于噴霧軸線附近。而戊醇的粘度、密度和表面張力最小，相應(yīng)液相貫穿距最短，噴霧錐角最大，沿程破碎蒸發(fā)較多，徑向擴(kuò)散相對(duì)較強(qiáng)?；旌先剂系呢灤┚嗯c柴油差別不大，略低于生物柴油；而錐角略大于柴油，明顯大于生物柴油，說明添加易揮發(fā)、低粘度的戊醇燃料中和了生物柴油不易揮發(fā)及霧化的特性，改善了混合燃料理化特性，有利于燃料的霧化和蒸發(fā)。

圖7 是背壓為1.8 MPa時(shí)不同噴射壓力下燃料的噴霧貫穿距。

由圖7可見：當(dāng)噴射壓力從40 MPa增大到120 MPa，柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料的貫穿距分別增加了26.8%、24%、25%和23%。且當(dāng)噴射壓力增大到80 MPa之后，破碎過程的影響大于動(dòng)量增加的影響，貫穿距增大的趨勢(shì)漸緩。這是因?yàn)樯淞魉俣鹊脑龃?，提高了液滴與環(huán)境氣體之間的相對(duì)速度，同時(shí)導(dǎo)致摩擦力增加，燃油表面的振蕩促使其破碎成較小的液滴，使貫穿距出現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖8 是噴射壓力為80 MPa時(shí)不同背壓下的噴霧錐角。

由圖8可知：環(huán)境背壓直接影響燃油的徑向和軸向擴(kuò)散作用，噴射壓力一定時(shí)，隨著背壓的增大，噴射壓力與背壓之差減小，噴霧受到的阻力增大，徑向擴(kuò)散增強(qiáng)，噴霧錐角變大。4種燃油的在常溫下的噴霧錐角基本在13°～20°之間，隨著背壓從1.2 MPa增加到2.5 MPa，柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料的噴霧錐角平均增加了19%、21%、18%和17%。

總體來說，常溫條件下相同工況下各種燃油的噴霧貫穿距差別不大；密度、粘度和表面張力越大，貫穿距相應(yīng)越大，錐角越小。低密度、低粘度的戊醇燃料可有效提高生物柴油的揮發(fā)性和霧化特性，改善混合燃料的霧化質(zhì)量。

2.1.2 Sauter平均直徑SMD

Sauter平均直徑（SMD）能夠反映噴霧的微觀霧化程度，進(jìn)而影響液滴群的蒸發(fā)速率和化學(xué)反應(yīng)速率。試驗(yàn)通過對(duì)噴射觸發(fā)后5.0 ms內(nèi)測(cè)得的所有油滴的直徑D進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得，其中Di為第i個(gè)油滴的直徑：

圖9 給出了4種燃油在不同噴射壓力和背壓條件下SMD的變化規(guī)律。

由圖9a可見：背壓一定時(shí)，隨著噴射壓力的增加，燃油SMD均呈逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)噴射壓力從40 MPa提高到120 MPa時(shí)，四種燃料柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料D40B30P30的SMD平均降幅分別為7.6%、6%、8.2%和10.8%，這是因?yàn)閲娚鋲毫Φ奶岣吣軌蛟鰪?qiáng)燃油流動(dòng)的湍流速度，加劇油滴與空氣的相互作用，促進(jìn)破碎。

由圖9b可見：當(dāng)噴射壓力一定，不同燃油的SMD隨著背壓的增大明顯增加。當(dāng)背壓從1.2 MPa提高到2.5 MPa時(shí)，四種燃料柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料D40B30P30的SMD平均增幅分別為24%、28%、24.8%和27.5%；環(huán)境背壓的提高一方面增強(qiáng)了噴霧與空氣之間的相互作用，有利于油滴的破碎，但另一方面，隨著背壓的增加，空氣阻力增大，噴霧貫穿距降低，使得單位體積內(nèi)的液滴數(shù)量增多，增加了油滴間相互碰撞而發(fā)生聚合的幾率，最終油滴的聚合占據(jù)優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致了SMD的升高。

燃料物性對(duì)微觀噴霧特性有同樣重要的影響，工況一定時(shí)，4種燃料的SMD從大到小依次為B100、D100、D40B30P30、P100，生物柴油的粘度、密度和表面張力最大，其SMD明顯高于柴油、戊醇和混合燃料；與生物柴油相比，戊醇的SMD平均降幅為10%，這主要是由于燃油粘度和表面張力的降低將使雷諾數(shù)增加，加速湍流的發(fā)展，促進(jìn)燃油的破碎，減小液滴的粒徑。所以通過向柴油-生物柴油混合燃料中添加戊醇，可減小燃料分子的內(nèi)聚力和分子間的粘性力，提高噴霧液滴的細(xì)度，改善燃油顆粒與空氣的接觸表面積，促進(jìn)混合氣形成。

2.2 高溫高壓噴霧特性對(duì)比

2.2.1 液相穩(wěn)定長度

圖10 給出了80 MPa噴射壓力、4 MPa背壓、830 K高溫工況下，4種燃油在噴射后0.2、0.4、0.8 ms時(shí)刻的噴霧發(fā)展過程。由圖10可見，高溫下燃料的蒸發(fā)效應(yīng)增強(qiáng)，液相貫穿距迅速變短；且燃料的粘性和表面張力隨溫度升高而降低，加速了液滴的破碎和霧化。當(dāng)噴霧的液相長度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（0.8 ms），由燃料物性差異引起的噴霧宏觀特征的差異更為明顯，生物柴油的液相貫穿距較大；而戊醇燃料較低的粘度、密度、表面張力和較高的揮發(fā)性更易于霧化和蒸發(fā)，導(dǎo)致液相貫穿距最短。

圖11 給出了830 K高溫，4 MPa背壓，80 MPa噴射壓力條件下不同燃料的液相貫穿距隨時(shí)間的變化過程。高溫下各個(gè)燃油由于物性不同而導(dǎo)致液相穩(wěn)定長度明顯不同，生物柴油的液相貫穿距相比柴油增加18%，戊醇的液相貫穿距離相比柴油降低了27%；混合燃料的液相貫穿距與柴油接近。戊醇與生物柴油和柴油混合后改善了混合燃料理化特性，在提高混合燃料含氧量的同時(shí)保證了良好的霧化特性。

圖12 為830 K、3.0 MPa背壓下，4種燃料噴霧的液相穩(wěn)定長度隨噴射壓力、環(huán)境背壓的變化規(guī)律。

由圖12a可見：隨著噴射壓力提高，油滴運(yùn)動(dòng)速度加快，貫穿距增大，但同時(shí)粒徑的減少也加快了蒸發(fā)過程，兩種不同效應(yīng)相互制約，最終導(dǎo)致燃料的液相長度隨噴射壓力變化不大。由圖12b可見：隨著背壓提高，燃料的液相穩(wěn)定長度明顯下降，因?yàn)楸硥旱奶岣叽龠M(jìn)噴霧周邊氣體的卷吸作用和噴霧的徑向擴(kuò)散，燃料在較短噴射距離就能吸收足夠能量進(jìn)行蒸發(fā)。

2.2.2 噴霧投影面積

圖13 為830 K、80 MPa噴射壓力下，4種燃料的噴霧投影面積隨不同環(huán)境背壓的變化規(guī)律。相同工況下戊醇P100噴霧投影面積最小，生物柴油的噴霧投影面積最大，混合燃料的噴霧投影面積介于柴油和戊醇之間。

隨著環(huán)境背壓增大，4種燃料的噴霧投影面積都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)背壓為3.0 MPa時(shí)，燃料噴射時(shí)受到的空氣阻力最小，有利于噴霧沿徑向和軸向的發(fā)展，噴霧投影面積最大。隨著環(huán)境背壓的提高到5.0 MPa時(shí)，噴霧受到的阻力增加，貫穿距減小，同時(shí)徑向發(fā)展受限，噴霧投影面積明顯減小。噴霧軸向貫穿距及沿徑向發(fā)展距離直接影響噴霧投影面積的大小，噴霧投影面積越大，表征噴霧與空氣接觸面積越大，二者相互作用加強(qiáng)。

3 結(jié) 論

應(yīng)用高速攝影和PDPA對(duì)比研究了不同工況條件、不同燃料的理化特性對(duì)噴霧特性的影響，主要結(jié)論如下：

1） 降低燃料的粘度、密度、表面張力等物性及提高燃料揮發(fā)性，有助于減小液相貫穿距，增大噴霧錐角，促進(jìn)蒸發(fā)混合，改善霧化質(zhì)量。且高溫工況下（830 K）燃料物性對(duì)噴霧的液相貫穿距、投影面積的影響更為顯著。

2） 噴射壓力越大，燃料的噴霧錐角越小，貫穿距就越大。噴霧貫穿長度和液滴速度均隨環(huán)境背壓增大而減少，噴霧錐角隨背壓的增大而增大；噴霧投影面積隨著環(huán)境背壓的增大明顯減小。

3） 燃油的SMD隨噴射壓力的提高而逐漸降低，隨環(huán)境背壓的增加而明顯增加。生物柴油的SMD大于柴油，而戊醇的摻混可有效降低混合燃料的SMD。