清凈劑對柴油霧化液滴空間分布的影響

鐘 亮， 朱 民

(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，天津 300384；3.清華大學(xué) 能源與動力工程系，北京 100084)

發(fā)展新型燃油添加劑已成為發(fā)動機節(jié)能減排的重要研究方向之一，燃油添加劑為在燃油中添加的小劑量的化學(xué)物質(zhì)，以期獲得燃油性能(比如降磨損、提升辛烷值)或者發(fā)動機性能(比如清積炭、助減排)的改善。目前，燃油清凈劑的研究主要集中在對發(fā)動機的沉積物、功率輸出、扭矩變化、燃油經(jīng)濟性的影響以及對發(fā)動機尾氣排放的影響。Silambarasan等[1]發(fā)現(xiàn)，抗氧化添加劑對控制柴油機氮氧化物(NOx)的排放量是有效的，對NOx的減少率最優(yōu)達到25%；Devarajan等[2]指出，癸醇(n-D)和二叔丁基過氧化物(DTBP)混合物的添加劑可以優(yōu)化柴油發(fā)動機的排放、燃燒和性能；Gad等[3]研究表明，消凈劑引入汽油作為添加劑后，柴油機的一氧化碳(CO)、總碳氫化合物(THC)、NOx和煙度(SE)排放均降低了20%以上。柴油霧化的研究主要集中在霧化后的燃燒性能，Chen等[4]在直噴柴油機中證實了霧化后橫向渦流燃燒過程的存在；Ramazan等[5]發(fā)現(xiàn)改變噴射角度和壓力后優(yōu)化了柴油霧滴流體運動，可以改善燃燒過程；Taghavifar等[6]設(shè)計了幾何模型，模擬了不同柴油霧化模型對燃燒和排放的影響。

目前，還未發(fā)現(xiàn)對清凈添加劑是否影響車用柴油霧化性能開展系統(tǒng)性研究的報道。霧化液滴在空間上的分布規(guī)律是影響燃料和空氣摻混過程的重要因素，小液滴蒸發(fā)速率快，摻混時間短，穿透深度適中，決定點火和燃燒過程；大液滴蒸發(fā)速率慢，穿透深度大，可能對燃燒效率及污染物排放有重要影響。

筆者針對市場上普遍使用的主流聚異丁烯酰胺類柴油清凈添加劑，采用三維激光粒子動態(tài)分析儀(PDA)，測量添加清凈劑的0#車用柴油在不同軸向位置處霧化液滴空間分布情況，分析清凈劑含量對液滴粒徑和速度分布的影響規(guī)律，并分析相同軸向位置處壓力對粒徑和速度的影響，最后對加劑前后柴油的霧炬發(fā)展過程進行了考察。

1 實驗部分

1.1 實驗系統(tǒng)

柴油霧化及測量實驗系統(tǒng)主要由燃油供給系統(tǒng)、霧化室和測量設(shè)備組成，實驗流程見圖1。

1—Laser; 2—Optical splitter; 3—Emitter; 4—Atomizing chamber; 5—Centrifugal fan; 6—Nozzle; 7—Diesel filter;8—High pressure diesel outlet; 9—High pressure diesel line; 10—High pressure pump; 11—Low pressure diesel line;12—Low pressure pump; 13—Fuel tank; 14—Safety valve; 15—Frequency converter; 16—Control panel;17—Upper computer; 18—Receptor; 19—Photoelectric converter; 20—BSA processor; 21—Computer圖1 柴油霧化及測量實驗系統(tǒng)流程圖Fig.1 The experimental flow chart of diesel atomizing and measuring system

燃油供給系統(tǒng)主要由油箱、低壓油泵、高壓油泵、變頻器、中壓油路、高壓油路、油濾、噴油器以及控制模塊和上位機構(gòu)成。通過上位機控制變頻器轉(zhuǎn)速(0～1500 r/min)可以實現(xiàn)油源出口壓力在0～160 MPa 的壓力范圍調(diào)節(jié)(中壓油路0～7 MPa，高壓油路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，燃油噴油器采用電控頂針式單孔直噴噴嘴，噴嘴出口直徑0.16 mm，單次噴射持續(xù)期 1～5 ms，噴射時間間隔50～1000 ms。

霧化室內(nèi)腔為圓形，壁厚3 mm，內(nèi)徑122 mm，高度552.5 mm，在霧化室圓周方向布置4個石英玻璃窗(2個為80 mm×338 mm，2個為40 mm×338 mm)，用于PDA光路測量，實驗過程中霧化室壓力為0.1 MPa，溫度為293.15 K，在測量過程中，為消除霧化室存在的懸浮液滴對測量光路產(chǎn)生干擾，在霧化室末端加裝離心風(fēng)機，在不影響實驗霧炬的情況下，將測量空間內(nèi)的懸浮液滴及時抽出，提高測量精度。

測量設(shè)備為丹麥丹迪動態(tài)公司生產(chǎn)的三維激光粒子動態(tài)分析儀(PDA)，該儀器主要由激光器、發(fā)射器、接收器、光電轉(zhuǎn)換器及BSA處理器組成，其測量光路見圖1。霧化實驗過程中，噴嘴噴射脈沖的時間間隔設(shè)為50 ms，每次噴射脈沖持續(xù)期設(shè)為5 ms，為測量霧化液滴的粒徑、速度分布情況，在噴嘴軸向位置等距離布置4個測量點，距離噴嘴出口的軸向距離分別為0、3、6和12 mm，并且為最大限度減少測量隨機誤差，每個測量點PDA的采樣時間設(shè)為20 s，可采集30000多個有效樣本，并且每個測量點重復(fù)測量3次。

1.2 柴油物化參數(shù)

霧化實驗所用清凈劑為巴斯夫公司生產(chǎn)的聚異丁烯酰亞胺(PIBASI，主要由聚異丁烯丁二酰亞胺組成)和市售的芳烴溶劑油(S1500，主要由三甲苯和四甲苯及其異構(gòu)體組成)按質(zhì)量比6∶4混合而成，清凈劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、500和1000 μg/g的0#中國石化市售車用柴油物化參數(shù)見表1。由表1看到，加劑后柴油的十六烷值、密度、表面張力和黏度均變化不大。

表1 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)清凈劑的0#柴油的物化參數(shù)Table 1 The physical and chemical parameters of 0# diesel with different mass fractions of detergent

1.3 柴油流動機制計算

對于直壓式噴嘴內(nèi)部的流動，由于燃油進入噴嘴入口處時流道突然收縮，速度增加，壓力急劇降低，當(dāng)局部壓力降低到燃油的飽和蒸汽壓以下時，燃油發(fā)生汽化，在噴嘴內(nèi)部形成氣泡，噴嘴內(nèi)部的流動由單相流動轉(zhuǎn)為氣液兩相的空化流動，不同的內(nèi)部流動機制將直接影響霧炬出口速度、液滴初始直徑以及霧化角等特性參數(shù)，由于通過直觀判斷噴嘴內(nèi)部流動機制往往較為困難，而空化流動將導(dǎo)致噴嘴內(nèi)部流道縮小，進而導(dǎo)致噴嘴出口質(zhì)量流量降低。由于噴嘴內(nèi)部流動機制沒有完備的理論體系，區(qū)分不同的流動機制只能依靠經(jīng)驗公式，較為常用的是采用Nurick[7]提出的空化系數(shù)K來判斷：

(1)

式中：p1為噴嘴上游壓力，Pa；p2為噴嘴下游壓力，Pa；pv為液體飽和蒸汽壓，Pa。

單相流動的臨界空化系數(shù)Kincep和翻轉(zhuǎn)流動的臨界空化系數(shù)Kcrit計算公式見式(2)和(3)：

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中：ρl為液體密度(20 ℃)，kg/m3；μ為液體黏度(20 ℃)，mm2/s；Reh為雷諾系數(shù)；d為噴嘴直徑，mm；r為噴嘴入口拐角處曲率半徑，mm；L為噴嘴長度，mm。

Soteriou等[8]認(rèn)為，當(dāng)Kcrit≤K≤Kincep時，噴嘴內(nèi)部流動為空化流動，當(dāng)K≤Kcrit時，噴嘴內(nèi)部流動為翻轉(zhuǎn)流動，而當(dāng)K≥Kincep時，噴嘴內(nèi)部流動為單相流動。

2 結(jié)果與討論

2.1 清凈劑含量對霧化液滴分布的影響

以燃油壓力為20 MPa，軸向位置0 mm處的霧化實驗結(jié)果為例進行分析說明。壓力為20 MPa、軸向位置為0 mm處不同清凈添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對柴油霧化液滴速度和粒徑分布的影響結(jié)果見圖2。該壓力下，根據(jù)Soteriou等[8]的理論，各種工況下的空化系數(shù)K大于Kincep，噴嘴內(nèi)部流動為單相流動。由于3種工況下加劑柴油物性差別極小，噴嘴出口處霧化液滴速度和粒徑差別也應(yīng)微乎其微，但是從圖2結(jié)果可知，在噴嘴出口處，隨著添加劑含量增加，霧化形成的液滴趨向分布于高速、小粒徑區(qū)，并且粒徑較大處液滴分布減少。這可能由于添加劑的加入使得柴油在該壓力下噴嘴內(nèi)部的流動機制已經(jīng)輕微地向空化流動過渡，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[9]擾動波增加，進而導(dǎo)致射流表面脫落得到的霧化液滴表現(xiàn)為速度略有增加，大粒徑數(shù)量略有減少。

圖2 軸向位置為0 mm處添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)清凈劑的0#柴油霧化液滴速度-粒徑分布Fig.2 Distribution of the velocity and particle size ofatomized droplets for 0# diesel with different massfractions of detergent at axial position of 0 mmw(Detergent)/(μg·g-1): (a) 0; (b) 500; (c) 1000p=20 MPa

2.2 壓力對霧化液滴分布的影響

軸向位置0 mm處、柴油中清凈劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0和1000 μg/g時，霧化室壓力對霧化液滴粒徑和速度分布的影響結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 軸向位置為0 mm處不同壓力工況下無添加清凈劑的0#柴油霧化液滴速度-粒徑分布Fig.3 Distribution of the velocity and particle size of theatomized droplets for 0# diesel with no detergent underdifferent pressures (p) at axial position of 0 mmp/MPa: (a) 20; (b) 50; (c) 80

圖3結(jié)果表明，隨著壓力升高，不含清凈劑柴油霧化液滴速度略有增加，但液滴粒徑逐漸往大粒徑方向發(fā)展。

圖4結(jié)果表明，在噴嘴出口處，隨著壓力升高，含清凈劑的柴油霧化液滴速度顯著增大，且液滴粒徑往小粒徑方向發(fā)展迅速。這可能是因為壓力為20 MPa 時，空化系數(shù)K大于Kcrit，柴油在噴嘴內(nèi)部的流動為單相流動；當(dāng)壓力達到50 MPa時，空化系數(shù)K小于Kcrit，流動機制已過渡為空化流動[10]；當(dāng)壓力達到80 MPa時，空化流動更加劇烈，而空化流動將導(dǎo)致噴嘴質(zhì)量流量顯著降低，流出系數(shù)降低，出口射流湍流度增強，有助于射流表面脫落得到的霧化液滴速度增加。因此，隨著壓力升高，空化流動的增強，含劑柴油霧化液滴彼此之間相對速度較小，碰撞概率較低，從而導(dǎo)致液滴粒徑往小粒徑方向發(fā)展。

圖4 軸向位置為0 mm處不同壓力工況下添加清凈劑的0#柴油霧化液滴速度-粒徑分布Fig.4 Distribution of the velocity and particle size of theatomized droplets for 0# diesel with detergent underdifferent pressures (p) at axial position of 0 mmp/MPa: (a) 20; (b) 50; (c) 80w(Detergent)=1000 μg/g

2.3 清凈劑含量對霧炬發(fā)展過程的影響

為分析不同清凈劑含量的柴油霧炬的發(fā)展過程，以燃油壓力為20 MPa、柴油中清凈劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0和1000 μg/g時的霧炬發(fā)展過程為例進行說明，結(jié)果分別見圖5和圖6。

圖5結(jié)果表明，隨著噴嘴軸向距離的增大，不加清凈劑柴油的部分霧化液滴速度逐步增大，在12 mm 處速度有一定衰減，但仍有不少液滴始終停留在高速區(qū)間，并且更多的液滴粒徑向小粒徑區(qū)間發(fā)展，少部分液滴粒徑向大粒徑區(qū)間發(fā)展。

圖6結(jié)果表明，隨著噴嘴軸向距離的增大，含清凈劑柴油的霧化液滴速度整體上呈衰減態(tài)勢，導(dǎo)致軸向距離12 mm處液滴在高速區(qū)間分布很少，液滴粒徑明顯向大粒徑區(qū)間發(fā)展。

上述霧炬發(fā)展規(guī)律可解釋為：柴油在噴嘴內(nèi)部初始的高湍流狀態(tài)，使得柴油由噴嘴高速噴出后形成霧炬；由于液相和氣相之間較大的相對速度，引起部分大液滴表面Kelvin-Helmholtz擾動波的持續(xù)增強，導(dǎo)致子液滴從大液滴脫落，大液滴數(shù)量減少；由于液滴脫落消耗部分動能用以克服表面張力，使得液滴速度發(fā)生衰減，而速度衰減將導(dǎo)致液滴之間碰撞概率增加，從而使得大液滴重新增多；隨著軸向距離的增加，液滴之間的碰撞進一步消耗動能，使得液滴的速度進一步衰減，繼而伴隨著液滴之間更大概率的碰撞、聚合，大液滴的分布繼續(xù)增多，液滴繼續(xù)朝著低速、大粒徑區(qū)間發(fā)展。不加清凈劑柴油霧化液滴隨著軸向距離的增加，部分大液滴持續(xù)變形破碎為小液滴，大液滴數(shù)目減少顯著，到軸向位置12 mm處，霧炬液滴速度仍未出現(xiàn)明顯的衰減跡象。而加清凈劑柴油霧化液滴速度則出現(xiàn)明顯的衰減過程，導(dǎo)致液滴之間彼此碰撞聚合幾率增大，在噴嘴下游，液滴朝著低速、大粒徑區(qū)間發(fā)展的速度比不加清凈劑柴油更快。

3 結(jié) 論

(1)清凈劑含量能夠顯著影響柴油在噴嘴出口位置的霧化分布，即清凈劑添加量越大，柴油霧化液滴速度更快、粒徑越小。

(2)在更高的噴射壓力下，添加清凈劑的柴油要比不加清凈劑柴油有更好的霧化效果。

(3)在噴嘴下游區(qū)域，添加清凈劑的柴油的霧化液滴速度衰減比不加清凈劑柴油更快。

圖5 未添加清凈劑的0#柴油霧化液滴在不同軸向位置處速度-粒徑分布Fig.5 Distribution of the velocity and particle size of the atomized droplets for 0# diesel with no detergent at different axial positionsAxial position/mm: (a) 0; (b) 3; (c) 6; (d) 12p=20 MPa

圖6 添加清凈劑的0#柴油霧化液滴在不同軸向位置處速度-粒徑分布圖Fig.6 Distribution of the velocity and particle size of the atomized droplets for 0# diesel with detergent at different axial positionsAxial position/mm: (a) 0; (b) 3; (c) 6; (d) 12p=20 MPa; w(Detergent)=1000 μg/g