柴油微觀噴霧特性試驗研究

舒力，董德磊，王德超，曹建明

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

柴油微觀噴霧特性試驗研究

舒力，董德磊，王德超，曹建明

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

為了研究噴油壓力對柴油霧化質量的影響，采用馬爾文法分別在20MPa、24MPa和28MPa噴油壓力下對柴油的微觀噴霧特性進行了試驗研究。結果表明：隨著噴油壓力的逐漸增大，霧化油滴索特平均直徑逐漸減小，柴油的尺寸數(shù)目分布曲線和累積體積分布曲線均向小尺寸方向偏移，霧化油滴的發(fā)散邊界逐漸減小，小尺寸油滴增多，大尺寸油滴減少，說明增大噴油壓力可以提高柴油的霧化質量；28MPa 時索特平均直徑雖然較小，但相對尺寸范圍較大，霧化油滴分布均勻性較差，說明有時平均直徑雖小，但霧化油滴分布均勻性可能較差。

微觀噴霧特性；索特平均直徑；尺寸分布；霧化質量

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-28-03

引言

燃料燃燒是否充分對內燃機的動力性、經(jīng)濟性、排放性等有著非常重大的影響。燃料的燃燒主要用燃燒特性評價，然而燃料霧化質量又是燃燒特性的重要影響因素，因此研究燃料的噴霧特性對于研究燃料的燃燒特性進而預測內燃機性能至關重要。其中噴油壓力是燃料霧化質量的重要影響因素，朱浩月[1]等人采用高速攝影法利用高壓共軌試驗系統(tǒng)對生物柴油進行了試驗研究，結果表明，隨著噴油壓力的增大，生物柴油噴霧錐角逐漸增大，貫穿距離逐漸變長，說明提高噴油壓力可改善燃料的霧化質量。吳鳳英[2]等人使用高壓共軌系統(tǒng)對柴油-正丁醇混合燃料的宏觀噴霧特性進行了試驗研究，結果表明，隨著噴油壓力的增大燃料噴霧錐角和貫穿距離都增大，說明提高噴油壓力可提高燃料的霧化質量。Wang[3]使用高壓產(chǎn)生器在100MPa-300MPa噴油壓力下對柴油和生物柴油的噴霧特性進行了試驗研究，分析了兩者之間的差別。由此可知研究噴油壓力對柴油霧化質量的影響意義重大。本試驗利用機械噴油系統(tǒng)，采用馬爾文法從微觀角度對不同噴油壓力下柴油的微觀噴霧特性進行了試驗研究，從而分析噴油壓力對柴油霧化質量的影響。

1 微觀噴霧特性試驗

本試驗的目的是從微觀噴霧特性角度研究噴油壓力對柴油霧化質量的影響。試驗采用馬爾文法檢測霧化油滴的索特平均直徑、油滴尺寸數(shù)目分布、累積體積分布并求得相對尺寸范圍和發(fā)散邊界等微觀噴霧特性參數(shù)，分析噴油壓力對柴油霧化質量的影響。

測試系統(tǒng)如圖1所示，測試系統(tǒng)主要由馬爾文激光粒度分析儀和裝有馬爾文控制軟件的計算和噴射系統(tǒng)組成。馬爾文激光粒度分析儀由英國馬爾文儀器有限公司制造，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的粒子直徑。本試驗所用機械噴油系統(tǒng)，主要由機械噴油泵、高壓油管和噴油器組成；其中噴油器為德國博世公司生產(chǎn)的道依茨BF6M1013柴油發(fā)動機噴油器6孔噴油嘴，噴孔直徑為0.28mm。

圖1 微觀噴霧特性系統(tǒng)

試驗選擇在常溫常壓下將柴油噴入大氣環(huán)境中，分別在20MPa、24MPa和28MPa噴油壓力下測量柴油的微觀噴霧特性參數(shù)。試驗由噴射系統(tǒng)噴射柴油，馬爾文控制軟件控制馬爾文激光粒度分析儀發(fā)射出激光，馬爾文激光接收端接收噴入激光中的粒子，經(jīng)計算機進行分析計算獲得噴霧場中粒子的微觀噴霧特性參數(shù)。

2 試驗結果與分析

2.1 霧化油滴的索特平均直徑

利用馬爾文激光粒度分析儀測得不同噴油壓力下的霧化油滴粒徑，記錄霧化油滴的索特平均直徑如表1所示。從表中可以看出，隨著噴油壓力的增大，霧化油滴的索特平均直徑逐漸減小，小粒徑油滴增多，大粒徑油滴減少，柴油霧化質量改善，說明在試驗壓力范圍內提高噴油壓力可提高柴油的霧化質量。

表1 霧化油滴的索特平均直徑

2.2 尺寸數(shù)目分布

圖2給出了柴油在不同噴油壓力下的尺寸數(shù)目分布，由圖可以看出，圖中三條曲線的變化趨勢大體相似，都是先上升到某一最高點然后下降最后逐漸趨于平緩。油滴尺寸數(shù)目分布三條曲線峰值均位于5μm以內，在此區(qū)間油滴數(shù)量占比較大，說明小尺寸油滴數(shù)量較多。直徑在35μm以上的油滴已經(jīng)非常少，當?shù)竭_45μm時油滴數(shù)量幾乎趨近于零。曲線峰值隨噴油壓力的升高逐漸升高，曲線向左偏移即向小尺寸方向偏移。說明隨著噴油壓力的提高，小尺寸油滴增多，大尺寸油滴減少，柴油的霧化質量得到改善，可見提高噴油壓力可有效提高柴油的霧化質量。

圖2 尺寸數(shù)目分布

2.3 累積體積分布

圖3 累積體積分布

圖3給出了柴油在不同噴油壓力下的累積體積分布，由圖可以看，出圖中三條曲線總是單調遞增的，隨著噴油壓力的增大曲線向左偏移，即向小尺寸方向偏移，小尺寸油滴增多，大尺寸油滴減少，表明提高噴油壓力可減小霧化油滴粒徑，有效提高柴油的霧化質量；從圖中還可看出，隨著噴油壓力的提高，曲線向左的偏移量并不均勻，因此隨著噴油壓力的提高，柴油的霧化質量的改善量是非線性變化的，隨著噴油壓力的提高曲線偏移量逐漸減小，說明在試驗壓力范圍內，隨著噴油壓力的提高，柴油霧化質量的改善量逐漸減小。由前文所述柴油霧化油滴在5μm以內數(shù)量占比較大，但從累積體積分布圖可以看出，在此區(qū)間內的油滴所占體積非常小，因此在累積體積分布中，少數(shù)大粒徑油滴對累積體積分布的影響要遠大于數(shù)量較多的小粒徑油滴。

2.3 霧化油滴的特征直徑和發(fā)散度

通常對燃料霧化質量的研究，研究索特平均直徑、尺寸數(shù)目分布和累積體積分布即可，但要想做更深入詳細的研究就需要對噴霧液滴的特征直徑和發(fā)散度進行分析。特征直徑是指在液滴尺寸累積體積分布曲線中，某一直徑以下的所有液滴的體積占全部液滴總體積的百分比[4]。表2給出了不同噴油壓力下的特征直徑，根據(jù)特征直徑可求得霧化油滴的相對尺寸范圍和發(fā)散邊界，如表3所示。相對尺寸范圍△s的表達式為：

發(fā)散邊界△b表示液滴最大直徑相對于質量中值直徑的發(fā)散程度。其表達式為：

從表2可以看出，同一特征直徑下隨著噴油壓力的增大特征直徑逐漸減小，說明油滴尺寸隨著噴油壓力的增大逐漸減小。小顆粒徑油滴增多，大顆粒徑油滴減少，柴油的霧化質量提高。

表2 不同噴油壓力下的特征直徑

注：D0.1表示小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的10%時所對應的特征直徑。

從表3可以看出，隨著噴油壓力的增大，霧化油滴的發(fā)散邊界逐漸減小，表明油滴的發(fā)散程度在逐漸減小，大粒徑油滴較少；在28 MPa時霧化油滴的相對尺寸范圍最大，20 MPa次之，24 MPa時最小，結合表1可知，雖然在28 MPa時索特平均直徑最小，但由于相對尺寸范圍較大，霧化油滴分布沒有后者均勻，表明有時平均直徑和特征直徑雖小，但油滴發(fā)散度可能較大，油滴分布并不均勻。

表3 不同噴油壓力下的相對尺寸范圍和發(fā)散邊界

3 結束語

本試驗采用馬爾文法研究了柴油的微觀噴霧特性，得出如下結論：隨著噴油壓力的增大，霧化油滴的索特平均直徑逐漸減小，柴油的尺寸數(shù)目分布曲線和累積體積分布曲線均向小尺寸方向偏移，霧化油滴的發(fā)散邊界逐漸減小，小尺寸油滴增多，大尺寸油滴減少，柴油的霧化質量得到改善，說明提高噴油壓力可有效提高柴油的霧化質量；28MPa時平均直徑雖然較小，但相對尺寸范圍較大，霧化油滴分布均勻性較差。

[1] 朱浩月,方俊華,張武高等. 生物柴油高壓共軌特性的試驗研究[J].工程熱物理學報, 2011, (32) 10∶ 1785-1788.

[2] 吳鳳英,王站成,吳健等. 柴油-正丁醇混合燃料的宏觀噴霧特性試驗研究[J]. 車用發(fā)動機, 2015, 3∶ 27-31.

[3] Wang Xiangang, Huang Zuohua, Kuti O A, et al. Experimental and Analytical Study on Bio-diesel and Diesel Spray Characteristics Under Ultra-High Injection Pressure [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2010, 31∶ 659-666.

[4] 曹建明. 液體噴霧學[M]. 北京∶ 北京大學出版社, 2013.

Experimental Study on Micro spray Characteristics of Diesel

Shu Li, Dong Delei, Wang Dechao, Cao Jianming
( Automobile Faculty,Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064）

In order to study on the effect of injection pressure at the atomization quality of diesel. The micro-spray characteristics of diesel were tested at 20MPa, 24MPa and 28MPa injection pressure respectively by using the Malvern laser particle size analyzer. The results show that with the increase of the injection pressure, the Sauter average diameter of the atomized diesel droplet decreases gradually. Curves of diesel droplet size number distribution and cumulative droplet size distribution based on volume move towards small diameters. The smaller size of the diesel droplets increased, large size diesel droplets decreased. Indicating that increasing the injection pressure can improve the atomization of diesel quality. When 28MPa the average diameter of Sauter is smaller. But the relative size range, atomization diesel droplet distribution uniformity is poor. Indicating that the average diameter is small, the distribution of atomized diesel droplets may be poor.

micro-spray characteristics; Sauter average diameter; size distribution; atomization quality

U467

A

1671-7988 (2017)13-28-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.009

舒力，(1992-)，男，長安大學碩士研究生，就讀于長安大學，主要研究方向為流體機械及工程。