燃油種類對(duì)重型柴油機(jī)噴霧特性的影響規(guī)律

李耀宗， 胡澤祥， 白洪林， 張曉琴， 張世堂， 王占廣

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081; 2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所, 天津 300400; 3.解放軍92228部隊(duì)，北京 100072)

為特種車輛動(dòng)力系統(tǒng)匹配多種燃料可避免因?qū)Ｓ萌剂瞎?yīng)補(bǔ)給鏈中斷而影響軍事行動(dòng)、工程搶險(xiǎn)、消防救援等任務(wù)的執(zhí)行，大幅提高特種車輛的后勤保障與應(yīng)急能力[1]。此外，當(dāng)特種車輛在環(huán)境溫度為-30～-40 ℃工作時(shí)，重型柴油機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)變得十分困難[2-3]。在不改變柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，利用現(xiàn)有燃油，最大限度保證特種車輛的機(jī)動(dòng)性，是目前急需解決的問題。多燃料策略是應(yīng)對(duì)燃料供給和冷啟動(dòng)問題的有效方法[4-7]，研究具有不同理化特性燃料的噴霧特性是驗(yàn)證多燃料混策略的重要理論支撐，學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究[8-16]。王憲成等[1]基于定容燃燒彈研究了煤油、柴油的噴霧特性，發(fā)現(xiàn)煤油因粘度低、揮發(fā)性略高，表現(xiàn)出比柴油更大的噴霧錐角和更小的貫穿距離。Ojeda等[8]的研究表明，燃料的T90(90%餾出溫度)越低則揮發(fā)性越好，促進(jìn)了燃油噴霧破碎及霧化進(jìn)而改善了混合過程。Lefebvre[9]認(rèn)為粘度較大的燃料噴霧穩(wěn)定性較好，阻礙了破碎霧化過程。而較大的表面張力也會(huì)阻礙液體燃料破碎成小的液滴。Park等[10]系統(tǒng)研究了寬餾分燃料的物理特性及其對(duì)排放的影響。其結(jié)果表明，在柴油中摻入較為輕質(zhì)的汽油會(huì)導(dǎo)致混合燃料噴霧粒徑整體減小，液滴數(shù)量增加；Han等[11]在定容彈上研究了汽柴油混合燃料噴射率、噴霧發(fā)展過程及噴霧粒徑。結(jié)果表明，提高汽油的摻混比例會(huì)導(dǎo)致噴霧貫穿距略有減小，但噴霧錐角增大，意味著混合燃料噴霧破碎及霧化過程更好。楊文昭等[12]對(duì)比研究了柴油、丁醇和碳酸二甲酯等含氧燃料的噴霧特性與外界環(huán)境的關(guān)系，獲得了不同燃料噴霧的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，結(jié)果表明：貫穿距隨噴油壓力的提高、噴孔直徑增大及環(huán)境密度的減小均有所增加；不同燃料噴霧速度場(chǎng)高速區(qū)域面積隨環(huán)境密度的減小而增大；不同燃料噴霧液相高濃度區(qū)域隨著環(huán)境溫度的升高明顯減小甚至消失。吳晗等[13]研究表明，柴油/煤油混合燃料液相噴霧貫穿距離隨著煤油摻混比、溫度和密度的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。液相噴霧錐角隨著煤油摻混比和環(huán)境密度的增加分別呈現(xiàn)減小和增大的趨勢(shì)，而對(duì)環(huán)境溫度的變化不敏感。耿莉敏等[14]比較研究了物理性質(zhì)對(duì)生物柴油與柴油噴霧特性的影響，生物柴油的噴霧錐角小于柴油，而貫穿距離大于柴油，生物柴油的索特平均直徑和特征直徑增大，說明生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差。替代燃料仍處于理論研究階段，在實(shí)際執(zhí)行任務(wù)過程，特種車輛的燃料來(lái)源仍以各種形式的軍用及普通柴油為主，研究商用燃油的噴霧特性更具實(shí)際意義。

本研究選取餾程范圍和理化特性不同的3種柴油(2種商用柴油，一種軍用柴油)為研究對(duì)象，在定容燃燒彈中采用高速攝影法對(duì)其噴霧特性進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比了這3種燃料在燃料噴霧特性方面的差異，為分析發(fā)動(dòng)機(jī)燃用這3種不同燃油時(shí)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及缸內(nèi)燃燒放熱特性提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)燃料種類

本文選取3種燃料：2種商用燃料(TYRL柴油、MGP5柴油)及一種軍用燃料(-10號(hào)軍用柴油)，商用柴油為市面上容易購(gòu)買到的輕質(zhì)柴油，3種柴油適應(yīng)環(huán)境主要是常溫及低溫，對(duì)于極寒條件下需要使用更高標(biāo)號(hào)的柴油，不涉及本文研究?jī)?nèi)容。對(duì)其主要理化指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示：50%餾出溫度反映了燃料中的輕質(zhì)餾分含量，90%餾出溫度反映了燃料中難揮發(fā)的重質(zhì)成分含量。由表可知，相對(duì)于其他2種商用柴油，-10號(hào)軍用柴油的餾程溫度范圍更寬，燃料密度和運(yùn)動(dòng)粘度均高于商用柴油。

表1 3種燃料的主要理化指標(biāo)

2 試驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

試驗(yàn)用定容燃燒彈示意圖如圖1所示，系統(tǒng)由高溫高壓容彈、燃油噴射系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。本文采用背光法對(duì)燃油噴霧的發(fā)展過程進(jìn)行記錄，由計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)同時(shí)傳輸給燃油噴射系統(tǒng)的ECU和高速相機(jī)。為避免多束燃油噴霧的相互干擾，噴霧特性試驗(yàn)中采用的是單孔噴嘴，孔徑為0.40 mm。

圖1 燃料噴霧特性試驗(yàn)裝置示意

同時(shí)為確保試驗(yàn)過程中的噴油量與目標(biāo)機(jī)型標(biāo)定點(diǎn)的噴油量一致，需要確定單孔噴油器噴油量與控制脈寬間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖2為噴油量標(biāo)定試驗(yàn)裝置，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓油泵工作向共軌管供油，通過軌壓傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)燃油壓力，ECU根據(jù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的指令來(lái)控制噴油器的開閉。噴油器出口處連接有消霧器，將燃油噴霧重新聚集成油滴，燃油經(jīng)由導(dǎo)流管進(jìn)入量筒后進(jìn)行測(cè)量。噴油信號(hào)由示波器監(jiān)控。

圖2 噴油量標(biāo)定試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)過程中按照目標(biāo)機(jī)型對(duì)試驗(yàn)裝置的供油壓力及循環(huán)油量的平均值進(jìn)行標(biāo)定，設(shè)定的主要控制參數(shù)如表2所示。噴射壓力為80 MPa，噴油脈寬為0.6～0.8 ms，以0.05 ms為步長(zhǎng)設(shè)置試驗(yàn)工況點(diǎn)，以覆蓋目標(biāo)機(jī)型試驗(yàn)中最大的單次噴油量。每個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行1 000次噴射后，記錄量筒內(nèi)的燃油量，每個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)重復(fù)3次，取平均值后進(jìn)行分析。

表2 噴油量標(biāo)定試驗(yàn)中的主要控制參數(shù)

3種燃料單次噴油量時(shí)間變化曲線如圖3所示。由圖可知，3種燃料的單循環(huán)噴射量與控制脈寬均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，但在數(shù)值上略有差異。2種商業(yè)柴油TYRL和MGP5的單循環(huán)噴射量基本相同，-10號(hào)軍用柴油的單循環(huán)噴油量在小噴射脈寬時(shí)略低于另2種燃料，而在大噴射脈寬時(shí)則略高于另2種燃料。

圖3 3種燃料的單次噴油量對(duì)比

這主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)燃油噴射量靠噴油器精密配合偶件配合運(yùn)動(dòng)完成，但是存在不同程度的泄漏。噴射控制脈寬小時(shí)，燃油泄漏時(shí)間少，燃油密度和運(yùn)動(dòng)粘度對(duì)燃油泄漏量影響不大。餾程溫度越低，餾分密度越低，燃油可壓縮率較大，單次吸油量越大。因此，餾程溫段最低的燃料MGP5的單次循環(huán)油量最大。大控制脈寬時(shí)，2種小密度、低運(yùn)動(dòng)粘度的燃油泄漏量遠(yuǎn)超-10號(hào)柴油泄漏量，而密度低、吸油量多的優(yōu)點(diǎn)無(wú)法平衡泄漏超出量，導(dǎo)致單循環(huán)噴射量下降。

根據(jù)單缸機(jī)標(biāo)定點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出了3種燃料在標(biāo)定點(diǎn)工況時(shí)的循環(huán)噴油量，之后依據(jù)3種燃料單次噴油量隨噴油控制脈寬的變化規(guī)律擬合出的線性方程，計(jì)算出噴霧特性試驗(yàn)中3種燃料的噴油控制脈寬，計(jì)算結(jié)果及涉及到的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 計(jì)算噴油控制脈寬的相關(guān)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 背壓、背溫對(duì)噴霧貫穿距的影響

圖4～6為試驗(yàn)測(cè)得的3種燃料噴霧貫穿距離隨噴霧背壓的變化規(guī)律。

圖4 背壓對(duì)-10號(hào)軍用柴油噴霧貫穿距的影響

圖5 背壓對(duì)MGP5燃油噴霧貫穿距的影響

由圖可知，對(duì)于3種燃料的噴霧貫穿距均隨背壓的變化規(guī)律呈現(xiàn)高度一致性。由于背溫僅有300 ℃，所有噴射油束的貫穿距都足夠長(zhǎng)，接觸到壁面，因此無(wú)法以蒸發(fā)時(shí)的最遠(yuǎn)距離作比較。因此，以噴射后相同時(shí)刻為參照，隨著背壓的增大，噴霧貫穿距減小。隨著背壓的提高，定容彈內(nèi)環(huán)境介質(zhì)的密度不斷增大，其對(duì)燃油噴霧發(fā)展的阻力作用增加，燃油射流整體速度降低，進(jìn)而使貫穿距離減小。

此外，小背壓工況下，油束發(fā)展時(shí)間短，并首先觸壁；大背壓工況下，雖然油束發(fā)展較慢，燃油液滴也能被噴射到缸壁上。由此可知，該種工況下，3種燃料的油束貫穿距均過長(zhǎng)，背壓越小，油束速度越高，噴射在壁面上的燃油越多，導(dǎo)致壁面油膜過厚不易蒸發(fā)，燃料燃燒不完全，形成積碳。因此，噴霧貫穿距的長(zhǎng)度應(yīng)與燃燒室的尺寸相匹配。

圖6 背壓對(duì)TYRL燃油噴霧貫穿距的影響

圖7～9為試驗(yàn)測(cè)得的3種燃料噴霧貫穿距離隨噴霧背溫的變化規(guī)律，試驗(yàn)選取固定背壓為6 MPa。由圖可知，隨著背溫的增加，貫穿距離呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)背溫由300 K升至500 K，定容彈內(nèi)工質(zhì)密度減小，噴霧運(yùn)動(dòng)阻力減小，噴霧貫穿距呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)；當(dāng)背溫繼續(xù)升高至600 K和700 K，環(huán)境介質(zhì)對(duì)燃油的加熱效果更加顯著，燃油的蒸發(fā)量會(huì)明顯增大，因此噴霧貫穿距在這個(gè)階段隨背溫的升高而減小。此外，當(dāng)背溫為700 K時(shí)，遠(yuǎn)高于3種燃料的最高餾出溫度，噴油后期的貫穿距離基本穩(wěn)定在30 mm左右，說明在該時(shí)刻油束得到的燃油補(bǔ)充與燃油蒸發(fā)量達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖7 背溫對(duì)-10號(hào)軍用柴油噴霧貫穿距的影響

3.2 背壓、背溫對(duì)噴霧錐角的影響

圖10～12為3種燃料噴霧錐角隨噴霧背壓的變化規(guī)律。由圖可知，3種燃料噴霧錐角均隨噴霧背壓的增大而增加。隨著容彈內(nèi)環(huán)境壓力升高，介質(zhì)密度增加，燃油射流所受阻力增大，在降低燃油射流前進(jìn)速度的同時(shí)會(huì)迫使燃油油滴改變初始的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而呈現(xiàn)出向外側(cè)擴(kuò)散的趨勢(shì)，所以噴霧錐角會(huì)隨環(huán)境壓力的提高，會(huì)出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

圖8 背溫對(duì)MGP5燃油噴霧貫穿距的影響

圖9 背溫對(duì)TYRL燃油噴霧貫穿距的影響

圖10 背壓對(duì)-10號(hào)軍用柴油柴油噴霧錐角的影響

圖11 背壓對(duì)MGP5燃油噴霧錐角的影響

圖12 背壓對(duì)TYRL燃油噴霧錐角的影響

噴霧錐角增加，油束中的油滴粒子密集度更為松散，不容易發(fā)生碰撞粘合，油滴顆粒周圍的空氣與油滴混合更充分，有利于空氣卷吸作用和增加油滴蒸發(fā)面積，有助于燃油與空氣的充分混合。

圖13～15為試驗(yàn)測(cè)得的3種燃料噴霧錐角隨噴霧背溫的變化規(guī)律。由圖可知，噴霧錐角隨背溫的增加而減小。背溫增加會(huì)導(dǎo)致噴霧邊緣區(qū)域的燃油蒸發(fā)速率增加，液相高濃度區(qū)減小甚至消失，進(jìn)而使得液相燃油的噴霧錐角變小。

圖13 背溫對(duì)-10號(hào)軍用柴油噴霧錐角的影響

環(huán)境溫度可以通過影響噴霧的速度場(chǎng)和相濃度場(chǎng)而影響噴霧錐角，尤其是相濃度場(chǎng)對(duì)噴霧錐角的影響十分顯著，隨著環(huán)境溫度的提升，高濃度區(qū)域明顯減小甚至消失，并且這種現(xiàn)象在噴油后期更加明顯。溫度的提升增加了噴霧和環(huán)境氣體的熱動(dòng)能，加速了氣化噴霧的擴(kuò)散[12]，燃油蒸發(fā)霧化速度加快，高溫下燃料粘度和表面張力的下降也有利于液滴的破碎細(xì)化，促進(jìn)液滴的蒸發(fā)。

圖14 背溫對(duì)MGP5燃油噴霧錐角的影響

圖15 背溫對(duì)TYRL燃油噴霧錐角的影響

3.3 3種燃料噴霧特性對(duì)比研究

圖16～圖21分別顯示了小背壓低背溫和大背壓高背溫兩種特定工況下3種燃料的噴霧發(fā)展歷程。圖16～圖18所示為背溫300 K、背壓0.1 MPa時(shí)3種燃料的噴霧發(fā)展歷程，3種燃料的噴霧形態(tài)在各個(gè)時(shí)間段基本一致。由于背溫和背壓均較低，燃油噴霧液滴動(dòng)能較大，速度較高，因此在在噴射開始后0.5 ms時(shí)已經(jīng)超出了定容彈的可視范圍，發(fā)生撞壁。圖19～圖21所示為背溫700 K、背壓6 MPa時(shí)3種燃料的噴霧發(fā)展歷程。高背溫和背壓工況下，3種燃油的噴霧形態(tài)在各個(gè)時(shí)間段相對(duì)低背溫低背壓工況更細(xì)，噴霧油滴顆粒更小，噴霧發(fā)展時(shí)間歷程更長(zhǎng)，表明噴霧油滴的全局速度場(chǎng)更低。此外，3種燃油的噴霧貫穿距離均穩(wěn)定在定容彈可視范圍的中間區(qū)域，未發(fā)生撞壁現(xiàn)象。

對(duì)比圖16～圖21可知外界環(huán)境對(duì)燃油噴霧形態(tài)的影響非常大：隨著環(huán)境溫度的增加，環(huán)境介質(zhì)微觀運(yùn)動(dòng)加劇，液滴與之發(fā)生碰撞產(chǎn)生的能量交換變大，宏觀上即表現(xiàn)為背溫升高促進(jìn)了外圍油束的蒸發(fā)霧化，使得油束變細(xì)，高速區(qū)域也變細(xì)。環(huán)境壓力的提升，使得介質(zhì)氣體與液滴發(fā)生碰撞的頻率增加，能量交換加快，整體上表現(xiàn)為環(huán)境氣體對(duì)油束的阻力增加，使油束速度下降，噴霧發(fā)展歷程變慢。

圖16 背溫300 K、背壓0.1 MPa時(shí)-10號(hào)軍用柴油的噴霧圖像

圖17 背溫300 K、背壓0.1 MPa時(shí)MGP5燃油的噴霧圖像

圖18 背溫300 K、背壓0.1 MPa時(shí)TYRL燃油的噴霧圖像

圖19 背溫700 K、背壓6 MPa時(shí)-10號(hào)軍用柴油的噴霧圖像

圖20 背溫700 K、背壓6 MPa時(shí)MGP5燃油的噴霧圖像

圖21 背溫700 K、背壓6 MPa時(shí)TYRL燃油的噴霧圖像

MGP5燃料的餾程最窄，餾分最輕，其運(yùn)動(dòng)粘度與表面張力也最小，導(dǎo)致燃料液滴更容易破碎，油滴與氣體總接觸面積更大，因此油滴蒸發(fā)速率更高，受到的氣體阻力也更大，從而霧注貫穿距離相對(duì)較小。TYRL燃料和-10號(hào)軍用柴油的貫穿距離基本相同，TYRL燃料的噴霧貫穿距離與-10號(hào)軍用柴油的偏差平均為4.0%，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用TYRL燃料時(shí)需要對(duì)燃料的噴射時(shí)刻等參數(shù)進(jìn)行修正和優(yōu)化，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中的燃燒始點(diǎn)(CA10)、燃燒放熱重心(CA50)、燃燒持續(xù)期等燃燒放熱特征參數(shù)與原機(jī)狀態(tài)基本一致。

圖22和圖23分別定量對(duì)比了3種燃料噴霧在2種特定工況下的貫穿距和錐角。由圖22可知，在背溫為300 K、背壓為0.1 MPa時(shí)，3種燃料的貫穿距離高度一致，此結(jié)論與圖片顯示噴霧發(fā)展歷程得到的結(jié)論一致。由此可知，在小背壓低背溫工況下，燃料理化特性對(duì)噴霧形態(tài)的影響不大。當(dāng)背溫升高到700 K、同時(shí)背壓升高到6 MPa時(shí)，MGP5燃料的液體貫穿距最小，其他2種燃料的貫穿距長(zhǎng)度較為接近，均大于MGP5燃料。

圖22 3種燃料的貫穿距離對(duì)比

圖23 3種燃料的噴霧錐角對(duì)比

由圖23上方所示3種燃料噴霧錐角 隨時(shí)間變化對(duì)比圖可知，相同背溫背壓下，-10號(hào)軍用柴油的噴霧錐角均小于其他2種燃料。在噴霧初期0～0.4 ms內(nèi)，MGP5燃料和TYRL燃料的噴霧錐角在相同時(shí)刻下相比-10號(hào)軍用柴油，最大增幅分別達(dá)到12.2%和11.3%。隨著噴霧過程的發(fā)展，三者的噴霧錐角逐漸接近，相差在2%以內(nèi)。整個(gè)噴霧過程MGP5燃料和TYRL燃料的噴霧錐角與-10號(hào)軍用柴油的平均差值為4.3°和3.5°。

根據(jù)高希彥[16]提出的噴霧錐角計(jì)算公式：

(1)

噴霧錐角與燃油密度的0.25次方成反比。燃油密度越大，噴霧錐角越小。-10號(hào)軍用柴油餾程溫度高，餾分寬度大，燃料中難蒸發(fā)的重質(zhì)成分較多，燃料密度大，運(yùn)動(dòng)粘度高，因此其噴霧錐角較小。

噴霧錐角小，則油束中的油滴粒子密集，更容易發(fā)生碰撞粘合，形成大顆粒油滴，油滴蒸發(fā)面積變小，導(dǎo)致燃料的蒸發(fā)度和擴(kuò)散度下降，不利于燃油與空氣的充分混合，影響可燃混合氣的形成速度和燃燒速度。

4 結(jié)論

1)背溫為300 K、背壓為0.1 MPa時(shí)，3種燃料的貫穿距離區(qū)別不大，背溫為700 K、背壓為6 MPa時(shí)，輕質(zhì)MGP5燃料的噴霧貫穿距最小，TYRL燃料與-10號(hào)軍用柴油的噴霧貫穿距離較為接近，偏差平均為4.0%；

2)相同背溫背壓下，在噴霧初期-10號(hào)軍用柴油的噴霧錐角均小于其他2種燃料；隨著時(shí)間的推移，三者逐漸接近，相差在2%以內(nèi)；

3)小背壓低背溫工況下，燃料理化特性對(duì)噴霧形態(tài)的影響不大；大背壓高背溫工況下，不同燃油品種間的噴霧特性差別較為顯著，為保證特種車輛的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，在實(shí)際進(jìn)行多燃料互補(bǔ)時(shí)，應(yīng)根據(jù)需求噴射參數(shù)及點(diǎn)火時(shí)刻等控制參數(shù)進(jìn)行修正與優(yōu)化。