清凈添加劑對柴油霧化液滴特性的影響

鐘 亮

(1.中國石化銷售股份有限公司華北分公司，天津 300384；2.天津中石化悅泰科技有限公司)

全球圍繞汽車節(jié)能減排開展了大量的研究，其中燃油清凈添加劑(清凈劑)已發(fā)展成為一個重要的研究方向。絕大部分燃油清凈劑的作用機理都已被人們所熟知[1-2]，因此目前對清凈劑的研究主要集中于其對發(fā)動機的積炭、功率輸出、扭矩變化、燃油經(jīng)濟性的影響，以及其對尾氣中CO，HC(碳氫化合物)，NOx，PM(顆粒物)等排放量的影響[3-5]。為了探究清凈劑對發(fā)動機內(nèi)部燃燒過程的具體作用，蔡銳彬等[6]利用高速攝影技術分析了其對汽油機中汽油燃燒穩(wěn)定性、燃燒速度、燃燒持續(xù)期的影響，并確定了在純氧環(huán)境下清凈劑對燃燒過程的中間產(chǎn)物組分的影響。但是，對發(fā)動機而言，燃油霧化特性優(yōu)劣直接決定燃料燃燒效率的高低，有必要深入探究清凈劑是否會對燃油的霧化特性帶來影響，從而為燃燒試驗的結(jié)果和發(fā)動機應用試驗的結(jié)果分析提供重要的理論依據(jù)。

針對廣泛使用的車用柴油，還沒有發(fā)現(xiàn)從燃油霧化角度出發(fā)開展清凈劑在改善燃油霧化特性方面的微觀研究。本課題以市售0號柴油作為研究對象，采用三維激光粒子動態(tài)分析儀(PDA)，探究不同清凈劑添加量下柴油霧化的微觀表現(xiàn)，并通過發(fā)動機臺架試驗考察霧化特性變化對柴油排放性能的宏觀影響。

1 實 驗

1.1 燃油供給系統(tǒng)及霧化室

柴油噴嘴霧化試驗裝置示意見圖1。燃油供給系統(tǒng)主要由油箱、低壓油泵、高壓油泵、變頻器、中高壓油路、油濾、噴油器以及控制模塊和上位機構成。通過上位機控制變頻器轉(zhuǎn)速(0～1 500 rmin)可以實現(xiàn)油源出口壓力在0～160 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)(中壓油路壓力為0～7 MPa，高壓油路壓力為4～160 MPa)，該壓力由壓電式壓力傳感器實時采集并顯示于上位機上。燃油噴油器選用電控頂針式單孔直噴噴嘴[7]，噴嘴出口直徑為0.16 mm，單次噴射持續(xù)時長為1～5 ms，噴射時間間隔為50～1 000 ms。霧化室內(nèi)腔為圓形，壁厚為3 mm，內(nèi)徑為122 mm，高度為552.5 mm，在霧化室圓周方向布置4個石英玻璃窗(其中，2個玻璃窗尺寸為80 mm×338 mm，另2個玻璃窗尺寸為40 mm×338 mm)，用于PDA光路測量。試驗過程中內(nèi)部壓力為0.1 MPa，溫度為293.15 K。在測量過程中，為消除懸浮液滴對測量光路產(chǎn)生的干擾，在霧化室末端加裝離心風機及時抽出試驗結(jié)束的懸浮液滴，提高測量精度。

圖1 柴油噴嘴霧化試驗裝置示意 —供油線; —信號線; —回油線; —激光線。1—激光器； 2—分光器； 3—發(fā)射器； 4—霧化室； 5—離心風機； 6—噴嘴； 7—油濾； 8—高壓油源出口； 9—高壓油路； 10—高壓泵； 11—低壓油路； 12—低壓泵； 13—油箱； 14—安全閥； 15—變頻器； 16—操控臺； 17—上位機； 18—接收器； 19—光電轉(zhuǎn)換器； 20—BSA處理器； 21—計算機注：中壓油路及光路調(diào)節(jié)工具未標出

1.2 PDA測量系統(tǒng)

噴嘴噴射脈沖的時間間隔為50 ms，每次噴射脈沖持續(xù)時長為5 ms。采用PDA測量霧化液滴的粒徑和速度，其測量光路如圖1中綠色線條所示。在噴嘴軸向位置布置2個測量點，2個測量點距離噴孔出口的軸向距離分別為0 mm和12 mm。為最大限度減少隨機誤差，每個測量點的采樣時間為20 s，且每個測量點重復測量3次。

1.3 試驗介質(zhì)

柴油噴嘴霧化試驗和發(fā)動機臺架試驗所用清凈劑由聚異丁烯酰亞胺(PIBASI)和芳烴溶劑油(S1500)按質(zhì)量比為6∶4混合而成。為了考察清凈劑加入量對柴油霧化特性的影響，在0號柴油中分別添加體積分數(shù)為0，500，1 000 μLL的清凈劑，配制成3種試驗介質(zhì)(分別記作柴油1、柴油2和柴油3)，其性質(zhì)如表1所示。由表1可以看出，上述3種清凈劑加入量下所得試驗介質(zhì)的性質(zhì)差別極小。

表1 3種試驗介質(zhì)的性質(zhì)

1.4 柴油流動機制及表征方法

在直壓式噴嘴內(nèi)部，由于柴油進入噴嘴入口處時流道突然收縮，柴油流速突然增大，因而壓力急劇降低，當局部壓力降低到柴油飽和蒸氣壓以下時，柴油發(fā)生汽化，在噴嘴內(nèi)部形成氣泡，從而使噴嘴內(nèi)部的柴油流動機制由單相流動轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上嗟目栈鲃覽8]。而空化流動產(chǎn)生的氣泡擠占本該柴油存在的空間，將使噴嘴內(nèi)部柴油流道進一步收縮變窄，阻塞柴油流動，進而導致柴油在噴嘴出口的質(zhì)量流量降低。不同的內(nèi)部流動機制直接決定柴油的霧化液滴出口速度、液滴初始直徑以及霧化角等特性參數(shù)[9]。

由于直觀判斷噴嘴內(nèi)部流動機制往往較為困難，因此Nurick[10]提出可依據(jù)柴油在噴嘴處的流出系數(shù)Cd來區(qū)分不同的流動機制。Cd的計算式為：

(1)

式中：Cd為柴油在噴嘴處的流出系數(shù)，無量綱；p1為噴嘴上游壓力，Pa；p2為噴嘴下游壓力，Pa；ρl為柴油液相密度(20 ℃)，kgm3；A為噴嘴出口截面積，m2；meff為穩(wěn)定狀態(tài)下柴油在噴嘴處的質(zhì)量流量，kgh。

當柴油在噴嘴內(nèi)部的流動變?yōu)榭栈鲃訒r，流出系數(shù)顯著降低，流出系數(shù)Cd的計算式為：

(2)

式中：Cc為流動收縮系數(shù)，由式(3)計算；K為柴油的空化系數(shù)，由式(4)計算。

(3)

(4)

式中：Cct是由翻轉(zhuǎn)流動分析得到的理論常數(shù)0.611；R為噴嘴入口拐角處曲率半徑，mm；D為噴嘴噴孔直徑，mm；pv為柴油液體的飽和蒸氣壓。

此外，噴嘴內(nèi)部流動機制開始轉(zhuǎn)變?yōu)榭栈鲃訒r的柴油空化系數(shù)稱為臨界空化系數(shù)Kcrit。通過對比空化系數(shù)K的相對大小可以判斷柴油流動機制，為后續(xù)試驗測得的柴油霧化液滴的分布結(jié)果提供理論依據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 清凈劑添加量對柴油霧化液滴軸向分布的影響

以噴油嘴出口噴射壓力為20 MPa下的柴油霧化試驗為例，分別考察霧化室軸向距離為0 mm和12 mm處，清凈劑添加量對柴油霧化液滴軸向分布的影響。

2.1.1 霧化室軸向距離0 mm處在霧化室軸向距離為0 mm處，不同清凈劑添加量(體積分數(shù)0，500，1 000 μLL)下柴油霧化液滴的流速-粒徑分布如圖2所示。

圖2 霧化室軸向位置0 mm處不同清凈劑添加量下柴油霧化液滴的流速-粒徑分布

在20 MPa壓力下，根據(jù)Soteriou等的理論[11]，各種清凈劑添加量下柴油的空化系數(shù)均大于Kcrit，噴嘴內(nèi)部流動為單相流動，并且由于3種試驗介質(zhì)的性質(zhì)差別極小，故噴嘴出口處霧化液滴流速-粒徑分布的差別也應微乎其微。但是，由圖2可以看出，隨著清凈劑添加量的提高，噴嘴出口處霧化液滴趨向分布于高速、小粒徑區(qū)，而粒徑較大的液滴分布減少，這可能是由于清凈劑的加入使得此壓力下柴油在噴嘴內(nèi)部的流動機制已經(jīng)逐漸向空化流動過渡，并使得噴嘴出口等效直徑略有降低，出口射流湍流度略有增強，射流表面Kelvin-Helmholtz擾動波增加，進而導致表面脫落得到的霧化液滴呈現(xiàn)出流速明顯增加、大粒徑數(shù)量略有減少的趨勢。

為了更直觀表達清凈劑添加量對柴油霧化液滴粒徑分布的影響，將每個采樣周期內(nèi)數(shù)據(jù)進行處理，得到不同清凈劑添加量下柴油霧化液滴的數(shù)量分率、質(zhì)量分率與粒徑分布的關系，結(jié)果分別見圖3和圖4。由3和圖4可以看出，隨著清凈劑添加量的增加，柴油在噴嘴出口處霧化形成的大液滴(粒徑大于40 μm)所占的數(shù)量和質(zhì)量分率逐漸減小，小液滴(粒徑不大于40 μm)所占的數(shù)量分率和質(zhì)量分率逐漸增大，這可能源于清凈劑使得柴油在噴嘴內(nèi)部的流動機制由單相流動逐漸向空化流動過渡，在一定程度上改善了柴油的霧化效果。

圖3 霧化室軸向位置0 mm處不同清凈劑添加量下柴油霧化液滴的數(shù)量分率-粒徑分布

圖4 霧化室軸向位置0 mm處不同清凈劑添加量下柴油霧化液滴的質(zhì)量分率-粒徑分布

2.1.2 霧化室軸向距離12 mm處在霧化室軸向距離為12 mm處，不同清凈劑添加量(體積分數(shù)0，500，1 000 μLL)下柴油霧化液滴的流速-粒徑分布如圖5所示。

圖5 霧化室軸向位置12 mm處不同清凈劑添加量下柴油霧化液滴的流速-粒徑分布

由圖5可以看出，在該軸向位置處，各種清凈劑添加量下霧化液滴流速均較不添加清凈劑時出現(xiàn)不同程度的衰減。根據(jù)主導的碰撞機制[12]，可解釋為：在兩個液滴彼此間有較大相對速度的情況下，它們碰撞之后，二者之間氣體薄層的氣壓迅速升高，液滴受到擠壓發(fā)生較大的變形，最終聚合為一個較大的液滴，導致試驗結(jié)果表現(xiàn)為霧化液滴朝著低速、大粒徑方向發(fā)展。

不同清凈劑添加量下柴油霧化液滴的數(shù)量分率、質(zhì)量分率與粒徑分布的關系分別如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可以看出，伴隨著含清凈劑柴油霧化液滴流速的快速衰減以及液滴的進一步聚合，在該軸向位置處，不同清凈劑添加量下柴油間的霧化液滴在各粒徑區(qū)間內(nèi)的數(shù)量分率分布和質(zhì)量分率分布趨于一致，但含清凈劑柴油霧化小液滴所占個數(shù)和質(zhì)量分率仍略高于不含清凈劑柴油。

圖6 霧化室軸向位置12 mm處不同清凈劑添加量下柴油霧化液滴的數(shù)量分率-粒徑分布

圖7 霧化室軸向位置12 mm處不同清凈劑添加量下柴油霧化液滴的質(zhì)量分率-粒徑分布

以上結(jié)果表明：隨著清凈劑添加量的增加，柴油霧化液滴的流速迅速衰減；對于不含清凈劑的柴油，隨著霧化室軸向距離的增加，霧化液滴中的部分大液滴持續(xù)變形破碎為小液滴，大液滴數(shù)量減少顯著，至軸向距離為12 mm處，霧化液滴流速仍未出現(xiàn)明顯的衰減跡象；對于含清凈劑的柴油，霧化液滴流速出現(xiàn)衰減，這可能是由于清凈劑的平均相對分子質(zhì)量是柴油的5倍之多，其分子間作用力更強，加速了液滴之間的碰撞、聚合，導致液滴在噴嘴下游朝著低速、大粒徑方向發(fā)展。但是，含清凈劑柴油在噴嘴下游的液滴流速衰減并沒有導致過多的劇烈碰撞、聚合，液滴在大粒徑區(qū)間內(nèi)的分布始終很少，并且在總體上小粒徑的液滴數(shù)量、質(zhì)量分率和流速都遠高于不含清凈劑劑的空白柴油，也就是說含清凈劑柴油的霧性指標更好，添加清凈劑更有利于燃料和空氣的快速摻混，改善發(fā)動機噴嘴出口的點火性能以及下游燃料的燃燒性能。

2.2 清凈劑添加量對柴油使用性能的影響

依據(jù)歐洲標準《柴油機噴嘴結(jié)焦試驗方法》(CEC F-23-A-01)(ESC循環(huán))和國家標準《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ階段)》(GB 17691—2005)(ETC循環(huán))，在1臺XUD-9型發(fā)動機臺架上和2臺Q23-115E50型發(fā)動機臺架上(未裝后處理系統(tǒng))，以柴油1和柴油3為試驗介質(zhì)，分別測試了柴油發(fā)動機噴油嘴空氣流量損失率和200 h耐久性試驗后發(fā)動機排氣閥出口污染物排放量(簡稱原機污染物排放量)，結(jié)果如表2所示。

表2 柴油發(fā)動機臺架試驗噴油嘴空氣流量損失率及200 h耐久性試驗后的原機污染物排放量

上述試驗中，柴油介質(zhì)(體現(xiàn)在清凈劑添加量上)是全過程中唯一變量，即發(fā)動機噴油嘴、潤滑油及負荷等其他參數(shù)完全一樣。由表2可以看出：與不含清凈劑的柴油相比，以含清凈劑柴油為試驗介質(zhì)時，柴油發(fā)動機噴油嘴平均空氣流量損失率(針閥升程0.1 mm)下降56百分點；200 h耐久試驗后的原機污染物排放量方面，以含清凈劑柴油為試驗介質(zhì)時，ESC、ETC兩種循環(huán)工況下，CO排放量分別減少14.2%和17.1%，HC排放量分別減少15.6%和13.4%，NOx排放量均略有增長，PM排放量分別減少21.1%和14.3%，說明柴油霧化液滴特性變好后發(fā)動機的排放性能也發(fā)生了有利的變化。

結(jié)合表1來看，在0號柴油中添加清凈劑前后，可能引起柴油霧化性能變化的指標，如密度、黏度和表面張力等[13]并無太大差異，因此這些宏觀指標還不能解釋同種基礎柴油加入清凈劑后霧化過程中粒徑和流速的微觀變化。清凈劑中的大分子化合物與柴油液滴之間如何相互作用而改變了柴油的霧化特性，進而改善了柴油在發(fā)動機上的使用性能，其真正的原因還需要開展更加深入的研究。

3 結(jié) 論

(1)隨著柴油中清凈劑添加量的增加，發(fā)動機噴嘴出口處柴油霧化液滴趨向分布于高流速、小粒徑區(qū)，并且大液滴(粒徑大于40 μm)所占的數(shù)量分率和質(zhì)量分率逐步減少，小液滴(粒徑不大于40 μm)所占的數(shù)量分率和質(zhì)量分率隨著清凈劑添加量的增加而增大。

(2)隨著霧化室軸向距離的增加，無論是否添加清凈劑，柴油霧化液滴的流速均出現(xiàn)明顯衰減，液滴發(fā)生聚合，并朝著低流速、大粒徑方向發(fā)展，并且清凈劑添加量越大，霧化液滴流速衰減越明顯，但液滴在大粒徑區(qū)間內(nèi)的分布始終極少。

(3)綜合考慮霧化室軸向距離為0 mm和12 mm處霧化液滴的分布，含清凈劑柴油在軸向位置為0 mm處的初始霧化性能更加出色，總體上其小粒徑的液滴數(shù)量分率、質(zhì)量分率和流速分布均優(yōu)于不含清凈劑的柴油。

(4)含清凈劑柴油可以有效降低柴油發(fā)動機中污染物HC，CO，PM的排放量，并顯著降低發(fā)動機噴油嘴空氣流量損失率。