松油與柴油宏觀噴霧特性的對(duì)比試驗(yàn)研究?

黃豪中，史 程，張新赟，朱 贊，王慶新，劉慶生

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004； 2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537005)

松油與柴油宏觀噴霧特性的對(duì)比試驗(yàn)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004； 2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537005)

利用高速攝影技術(shù)對(duì)松油與柴油在不同試驗(yàn)工況下的噴霧錐角、貫穿距離和油束面積進(jìn)行對(duì)比。結(jié)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(duì)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??；與噴霧錐角相比，貫穿距離對(duì)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(yàn)結(jié)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(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的生物質(zhì)含氧燃料，松油以其來(lái)源廣泛、低十六烷值和與柴油互溶性強(qiáng)等[3]突出優(yōu)勢(shì)引起普遍關(guān)注。文獻(xiàn)[3]中研究表明，松油可提供與柴油相當(dāng)?shù)臒嶂担谙嗤r下，隨著松油摻混比增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、有效熱效率和最大放熱率均隨之升高。文獻(xiàn)[4]中研究發(fā)現(xiàn)，松油摻混燃料(50%)在全負(fù)荷下可提供與純柴油相當(dāng)?shù)膭?dòng)力性。文獻(xiàn)[5]中利用尿素SCR和催化轉(zhuǎn)化器對(duì)降低柴油/松油混合燃料尾氣排放進(jìn)行了研究，結(jié)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(guān)研究主要集中在燃料的燃燒和排放特性，而對(duì)于燃油霧化的研究還未見(jiàn)報(bào)道。缸內(nèi)燃油的噴射霧化和油氣混合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程和排放性能起到至關(guān)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(guān)鍵因素。據(jù)此，本文中基于可視化噴霧試驗(yàn)臺(tái)架，在不同噴油壓力和背壓下，利用高速攝影技術(shù)對(duì)松油和柴油的噴霧發(fā)展過(guò)程進(jìn)行圖像采集，對(duì)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(jī)替代燃料的可行性研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置與方案

試驗(yàn)裝置如圖1所示。自行搭建的試驗(yàn)臺(tái)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(shè)計(jì)的定容燃燒彈是一個(gè)能夠耐高溫高壓的、并在彈體3個(gè)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(shí)定量研究環(huán)境背壓、溫度等邊界條件的改變對(duì)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(yàn)臺(tái)，可靈活準(zhǔn)確地控制噴射壓力和噴油脈寬等參數(shù)，噴油嘴采用國(guó)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(jī)(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(yàn)裝置示意

整個(gè)測(cè)試過(guò)程在常溫(25℃)黑暗條件下進(jìn)行。先通過(guò)注入高壓氮?dú)馓峁┰囼?yàn)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(shè)置高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)相關(guān)噴油參數(shù)，啟動(dòng)電機(jī)和高壓泵，共軌噴油器噴油的同時(shí)電控單元(ECU)經(jīng)濾波板向高速相機(jī)發(fā)出TTL5V的觸發(fā)信號(hào)，利用高速相機(jī)和在背景光源輔助下同步采集噴霧圖像。試驗(yàn)主要參數(shù)設(shè)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(jìn)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(duì)噴霧錐角的影響以及湍流在近噴射流場(chǎng)區(qū)域引起的表面擾動(dòng)[7]，為方便噴霧參數(shù)的定義，圖2示出噴霧油束在通過(guò)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(jiàn)式(1)；油束發(fā)展面積則是整個(gè)噴霧油束的投影面積[8]。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

式中：Aus為上游油束投影面積，見(jiàn)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(shù)分泌的一種天然樹(shù)脂(松脂)，松脂經(jīng)蒸餾提取出的松節(jié)油再進(jìn)行水合反應(yīng)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(yàn)所用松油由國(guó)內(nèi)某化學(xué)公司提供，選取市售0＃柴油作為對(duì)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(cè)研究院樣品檢驗(yàn)報(bào)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(yàn)結(jié)果與分析

3.1 宏觀霧化形態(tài)

設(shè)置高速相機(jī)的拍攝速率為10 000fps，單幀像素?cái)?shù)為512×512，針對(duì)每一組試驗(yàn)，從噴油嘴出口處開(kāi)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(shí)刻為0.2ms(受噴射延遲及燃料屬性等[8]原因造成0.1ms時(shí)刻無(wú)噴霧或噴霧較小)，以后每?jī)蓮垐D片的時(shí)間間隔為0.1ms，到最后一張時(shí)刻為2.0ms。為減小試驗(yàn)結(jié)果的隨機(jī)誤差，在保證相同試驗(yàn)條件下，每組試驗(yàn)經(jīng)5次噴霧過(guò)程，再求平均值得到相應(yīng)結(jié)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(jī)拍攝的松油與柴油在穩(wěn)定后不同時(shí)刻的霧化形態(tài)圖像。由圖可見(jiàn)：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(chǎng)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(chǎng)濃度較松油的稀疏，噴霧前端突出，兩側(cè)錐面相對(duì)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(shí)刻變化的曲線分別如圖6和圖7所示。圖8對(duì)比了兩種燃料最終(2 000μs)的噴霧貫穿距離。從整個(gè)噴霧過(guò)程看出，松油與柴油的噴霧貫穿距離的變化趨勢(shì)是一致的，都是在噴射的前期呈現(xiàn)類似線性增長(zhǎng)，待噴霧穩(wěn)定后增長(zhǎng)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(wú)量綱空化數(shù)CN來(lái)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(jiàn)，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(zhǎng)，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(dǎo)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(dòng)速度，燃油從噴孔噴出后的動(dòng)能勢(shì)必要增大，這就需要更長(zhǎng)的距離與環(huán)境介質(zhì)進(jìn)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(shí)，兩種燃料在背壓為5MPa時(shí)的貫穿距離曲線的斜率均小于背壓為3和4MPa的斜率，這說(shuō)明較高的環(huán)境背壓會(huì)阻礙噴霧貫穿距離的發(fā)展，背壓越高，貫穿距離增長(zhǎng)幅度越小。這是由于當(dāng)背壓升高時(shí)，環(huán)境氣體密度隨之變大，油束在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中與環(huán)境介質(zhì)的卷吸作用[11]加劇，動(dòng)能損失和背壓都增大，空化數(shù)相對(duì)變小，噴孔內(nèi)部的空化流動(dòng)受到抑制，燃油在噴油嘴出口處獲得的初始流動(dòng)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(guò)程除與噴油規(guī)律和油束氣液邊緣的氣動(dòng)干擾有關(guān)外，燃油的物化屬性也會(huì)影響射流的發(fā)展，而雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)通常是表征不同液體破碎霧化的重要無(wú)量綱參數(shù)。雷諾數(shù)是慣性力與動(dòng)力黏度之比，韋伯?dāng)?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(duì)部分試驗(yàn)工況下松油與柴油的雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖9所示。與柴油相比，松油具有較小的運(yùn)動(dòng)黏度和較大的表面張力，而兩者密度差別不大(表2)，這就導(dǎo)致松油的雷諾數(shù)較大，韋伯?dāng)?shù)較小。由圖8可見(jiàn)，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(duì)噴霧的貫穿距離影響要大于韋伯?dāng)?shù)的影響，因此在油束的空間發(fā)展過(guò)程中燃油的黏性力對(duì)其噴霧特性起主導(dǎo)作用。柴油的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)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(xiàn)[13]中提到的不考慮混合過(guò)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(jié)論一致，因此松油的最終噴霧貫穿距離較長(zhǎng)。

圖9 松油與柴油的雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)

3.3 噴霧錐角

圖10 噴油壓力為60MPa時(shí)松油與柴油的噴霧錐角

圖10 和圖11為噴油壓力和背壓對(duì)松油和柴油噴霧錐角的影響。由圖可見(jiàn)，松油與柴油噴霧錐角的變化趨勢(shì)大致相同，均是在噴霧初期達(dá)到一個(gè)峰值，然后逐漸減小并保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值區(qū)間，整個(gè)噴霧過(guò)程錐角的變化不大，平均在3°左右。圖12為不同試驗(yàn)工況下全程噴霧錐角θ的平均值，圖中計(jì)算值為按文獻(xiàn)[14]中提出的經(jīng)驗(yàn)公式(見(jiàn)式(3))計(jì)算的結(jié)果。

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

圖11 噴油壓力為120MPa時(shí)松油與柴油的噴霧錐角

圖12 平均噴霧錐角的試驗(yàn)值與計(jì)算值

由圖可見(jiàn)，按式(3)計(jì)算的數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，不僅松油與柴油噴霧錐角的大小關(guān)系相反，而且計(jì)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(yùn)動(dòng)黏度，而在本文中的試驗(yàn)工況下，黏度對(duì)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(shí)間[15]等噴射參數(shù)在經(jīng)驗(yàn)公式中亦沒(méi)有體現(xiàn)，從而使得計(jì)算值與試驗(yàn)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(shì)，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(dòng)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(yàn)結(jié)果，利用式(4)計(jì)算燃油的徑向湍流脈動(dòng)速度v，結(jié)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(jiàn)，升高噴油壓力可顯著加快射流的徑向脈動(dòng)速度，這是因?yàn)閲娪蛪毫Φ脑黾又苯釉斐蓢娍變?nèi)部的空化作用增強(qiáng)，空化氣泡在噴孔出口處潰滅，湍流能變大，從而導(dǎo)致噴霧錐角變大[17]。另外，與柴油相比，松油的湍流脈動(dòng)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(dǎo)致形成空化所需的射流速度較小，致使徑向的湍流脈動(dòng)速度較大，從而增大噴霧錐角。

在本文中試驗(yàn)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(duì)噴霧錐角的影響更為明顯。其中，背壓從3增加到5MPa時(shí)，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(shuō)明背壓的升高對(duì)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(huì)造成空氣阻力增加，致使噴霧發(fā)展速度降低；另一方面會(huì)增大氣體對(duì)油束在軸向的剪切作用，有利于油束向徑向運(yùn)動(dòng)，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(kuò)散變強(qiáng)，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(dòng)性[12]，油束在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jìn)與彈內(nèi)氣體產(chǎn)生動(dòng)量交換，從而改善破碎的效果；松油的徑向湍流脈動(dòng)速度亦大于柴油，徑向擴(kuò)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(duì)燃料的油束面積影響不同，環(huán)境背壓升高，油束面積減??；噴油壓力增加，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(duì)其有重要影響。為對(duì)比二者對(duì)油束發(fā)展面積的影響程度，本文中在圖8和圖12的試驗(yàn)工況下，對(duì)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(shí)的平均噴霧錐角(最終噴霧貫穿距離)為基準(zhǔn)，計(jì)算4和5MPa時(shí)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(jiàn)圖15和圖16)?？梢钥闯觯谕粐娪蛪毫ο?，當(dāng)背壓增加時(shí)，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(huì)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(duì)油束面積的發(fā)展起主導(dǎo)作用，因此進(jìn)一步驗(yàn)證了油束發(fā)展面積和噴霧貫穿距離在不同試驗(yàn)工況下的變化規(guī)律是相同的。

圖13 燃油的徑向湍流脈動(dòng)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(yàn)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(dòng)力穩(wěn)定性[19]較好。同時(shí)在同一試驗(yàn)工況下，松油的霧化面積幾乎都大于柴油的霧化面積，這說(shuō)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(jié)論

(1)松油與柴油的噴霧參數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)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(zhǎng)，然后增長(zhǎng)幅度隨之逐漸減?。粐婌F錐角呈先減小再保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值趨勢(shì)，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(shí)，貫穿距離和油束面積相應(yīng)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?dāng)?shù)無(wú)顯著影響，說(shuō)明對(duì)燃油噴霧特性起主導(dǎo)作用的是黏性力。

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

(5)無(wú)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(shuō)明將松油應(yīng)用于柴油機(jī)不僅無(wú)需任何改動(dòng)，還可進(jìn)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51076033)、廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃(桂科攻1598007-44和桂科攻1598007-45)和廣西高等學(xué)校優(yōu)秀中青年骨干老師培養(yǎng)工程項(xiàng)目(桂教人(2013)16號(hào))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。