王振平，曹建明，郭廣祥，陳靜，宋凱

（1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，西安710064；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶401120；3.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林537005）

柴油霧化特性的定量研究

王振平1，曹建明1，郭廣祥1，陳靜2，宋凱3

（1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，西安710064；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶401120；3.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林537005）

采用激光衍射技術(shù)對不同啟噴壓力和孔徑噴嘴的燃油霧化情況進(jìn)行了定量研究，并對相關(guān)粒徑分布進(jìn)行了分析，給出了兩者對燃油霧化各項(xiàng)指標(biāo)的影響程度。結(jié)果表明，燃油霧化后，油滴的尺寸數(shù)目和體積分布曲線都呈雙峰趨。啟噴壓力的提高和噴孔直徑的減小都能促使霧化質(zhì)量變好，索特平均直徑D32降低，但降低的幅度并不相同。

柴油噴霧定量化粒徑分布

1 引言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展所帶來的環(huán)境問題越來越受到人們的關(guān)注，國家的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，如何提高燃油的霧化質(zhì)量，促使缸內(nèi)可燃混合氣能夠得到充分燃燒，減少發(fā)動機(jī)的排放已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)工作者們所要考慮的首要問題。燃油噴射裝置作為柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)的重要組成部分，其不僅擔(dān)負(fù)著將燃料定時定量地噴入氣缸內(nèi)，還要保證燃料在霧化后能夠與空氣充分混合，形成均勻的可燃混合氣，經(jīng)充分燃燒后，以滿足車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的要求。霧化質(zhì)量的好壞取決于噴嘴的噴射壓力、噴孔直徑及噴射環(huán)境壓力等因素，因此，如何定量化的給出這些因素對霧化質(zhì)量的影響就顯得尤為重要。

2 試驗(yàn)臺的布置與參數(shù)的設(shè)定

試驗(yàn)臺由燃油噴射系統(tǒng)、馬爾文粒度分析測量系統(tǒng)、控制臺等幾部分組成，試驗(yàn)臺布置如圖1所示。試驗(yàn)噴射燃料選用純柴油，柴油密度847 kg/m3，折射率1.47[1]。燃油噴射裝置為3個低慣量單孔特制噴嘴，噴孔直徑分別為0.26 mm、0.315 mm和0.366 mm。由于目前電控柴油機(jī)的啟噴壓力一般在18～20 MPa之間，啟噴壓力選用16 MPa、20MPa和24 MPa 3種壓力。測量在距噴嘴出口處30 cm進(jìn)行。試驗(yàn)時噴射所需壓力由油泵來提供，燃料油滴的粒徑分布情況由馬爾文粒度分析儀測得，觸發(fā)方式設(shè)置為穿透率降低到95%時自動觸發(fā)，以保證測量過程的精確性和同步性。

圖1 試驗(yàn)臺布置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 噴嘴孔徑和啟噴壓力對霧化油滴平均直徑的影響

噴霧液滴平均直徑的概念由Mugele和Evans提出，其定義為：假定用一個液滴尺寸完全均勻一致的噴霧場代替實(shí)際不均勻的噴霧場，這個假想的均勻噴霧場液滴直徑稱為平均直徑[2,3]。其定義式為：

式中，

N——直徑為D的液滴數(shù)目，通常取Dmin=0。

不同噴孔直徑和啟噴壓力下等到的索特（Sauter）平均直徑D32（μm）如表1所示。

表1 霧化油滴索特平均直徑D32

從表1中可以看出，在啟噴壓力一定的情況下，隨著噴孔直徑的減小，整個霧場的平均粒徑D32在逐漸減小，霧化質(zhì)量越來越好?？讖綇?.366 mm減小到0.26 mm，3個啟噴壓力下的索特平均直徑D32分別由37.67 μm下降到32.01 μm、35.29 μm下降到28.73 μm、34.29 μm下降到27.6 μm，降幅分別為15.0%、18.6%和19.7%。

在噴孔大小一定的情況下，隨著啟噴壓力的升高，D32同樣在減小，霧化質(zhì)量也在變好。啟噴壓力從16 MPa增加到24 MPa，索特平均直徑D32分別由32.01 μm下降到27.6 μm、34.28 μm下降到30.04 μm、37.67 μm下降到34.39 μm，降幅分別為13.8%、12.4%和8.7%。

由D32的定義式可知，在循環(huán)供油量相同的情況下，即一次噴射的燃油體積相同，D32越小，霧場油滴所具有的表面積就越大，這就意味著，在啟噴壓力相同的情況下，噴孔越小，一次噴霧過程霧場中所產(chǎn)生的小油滴數(shù)目占整個霧場油滴數(shù)目的比例在增加，而大顆粒油滴的數(shù)目所占比例在減小。這一點(diǎn)在油滴尺寸的數(shù)目分布中也得到了證實(shí)。在孔徑相同的情況下，提高啟噴壓力，效果與上述情況相同，在此不再累述。

3.2 噴嘴孔徑和啟噴壓力對霧化油滴的特征直徑的影響

通常，燃燒系統(tǒng)噴霧的油滴平均直徑D32越小，則霧化質(zhì)量越好，采用索特平均直徑進(jìn)行分析即可，但是對于一些具體情況，僅采用平均粒徑分析顯然是不夠的[3]。如低溫環(huán)境下，柴油機(jī)在冷起動時，要求氣缸內(nèi)有足夠量的細(xì)小油滴能夠與空氣迅速混合，形成可燃混合氣，保證發(fā)動機(jī)的順利起動；而在正常運(yùn)行狀態(tài)下，為避免所有油滴同時著火引起過高的壓力增長率和最高爆發(fā)壓力，柴油機(jī)的燃燒除需要有引燃用的細(xì)小油滴外，還要有隨后燃燒所需的較大油滴，以保證燃燒的穩(wěn)定性和柔順性。由于D0.1對起動點(diǎn)火影響較大，D0.9對燃燒穩(wěn)定性很重要，因此表2和表3分別給出了特征直徑D0.1（μm）和D0.9（μm）的相應(yīng)的變化情況。

表2 特征直徑D0.1

表3 特征直徑D0.9

從表2中可以看出，孔徑從0.366 mm減小到0.26 mm，3種啟噴壓力下的特征直徑D0.1分別由26.36 μm下降到21.56 μm、24.81 μm下降到19.56 μm、22.9 μm下降到17.84 μm，降幅分別為15.0%、21.2%和22.1%。啟噴壓力由16 MPa提高到24 MPa，3個噴嘴的特征直徑D0.1則分別由21.56 μm下降到17.84 μm、23.85 μm下降到20.56 μm、25.36 μm下降到22.9 μm，降幅分別為17.3%、15.1%和9.7%。

從表3中可以看出，孔徑從0.366 mm減小到0.26 mm，3個啟噴壓力下的特征直徑D0.9分別由85.49 μm下降到74.69 μm、81.71 μm下降到66.94 μm、75.57 μm下降到66.84 μm，降幅分別為12.6%、18.1%和11.5%。啟噴壓力由16 MPa提高到24 MPa，3個噴嘴的特征直徑D0.9則分別由74.69 μm下降到66.84 μm、75.5 μm下降到70.23 μm、85.49 μm下降到75.57 μm，降幅分別為10.5%、7.0%和11.6%。

3.3 噴嘴孔徑和啟噴壓力對霧化油滴尺寸數(shù)目、體積分布的影響

由于給出全部結(jié)果后圖中分布曲線疊加嚴(yán)重，不便于分析與說明，因此圖中僅給出0.26-16MPa、0.366-16MPa、0.26-24MPa 3個工況點(diǎn)結(jié)果。霧化油滴尺寸的數(shù)目、體積分布情況如圖2所示。

圖2 霧化油滴尺寸數(shù)目、體積分布

從圖2可以看出，油滴尺寸數(shù)目分布曲線呈雙峰趨勢，并且第1波峰陡峭、尖銳，分布范圍較窄，最大值出現(xiàn)在4 μm左右，第2波峰平緩，分為范圍較寬，極大值出現(xiàn)在30 μm左右，波谷極小值則出現(xiàn)在10 μm左右。這說明燃油碎裂后，大部分油滴粒徑分布在0～10 μm之間，較少一部分分布在10～90 μm，90 μm以上粒子數(shù)目極少。

油滴尺寸體積分布曲線同樣呈雙峰趨勢，但其第1波峰平緩，分布范圍僅在0～10 μm之間，極大值出現(xiàn)在4 μm左右，而第2波峰分布范圍主要集中在10～100 μm，最大值出現(xiàn)在50 μm左右。這意味著，霧場中的主要體積（質(zhì)量）集中在中間尺寸的油滴上。

比較0.26-16MPa和0.26-24MPa 2個工況點(diǎn)的數(shù)目和體積分布曲線，發(fā)現(xiàn)后者的數(shù)目和體積分布曲線偏左，說明在相同孔徑下，提高噴嘴的啟噴壓力，對于燃料的霧化有促進(jìn)作用，大顆粒油滴的數(shù)目和體積所占比例均相應(yīng)減少，并且最大油滴直徑D0.999由115.8 μm降低到103.4 μm。比較0.26-16MPa和0.366-16MPa 2個工況點(diǎn)的數(shù)目和體積分布曲線，發(fā)現(xiàn)后者數(shù)目和體積分布曲線雙雙向右移動。這說明在相同的啟噴壓力下，增大噴孔直徑將促使大顆粒油滴的數(shù)目和體積所占比例增加，最大油滴直徑D0.999由115.8 μm上升到133.2 μm，霧化質(zhì)量變差。此處也驗(yàn)證了對D32分析的正確性。

3.4 噴嘴孔徑和啟噴壓力對霧化油滴尺寸數(shù)目、體積累積分布的影響

霧化油滴的累積數(shù)目和體積分布曲線總是單調(diào)遞增[4]，從圖3中可以看出，直徑10 μm以下油滴累積數(shù)目占總油滴數(shù)目的比例高達(dá)90%，但其累積體積僅占總油滴體積的5%左右；直徑85 μm以上的油滴數(shù)目僅占總油滴數(shù)目的0.1%，其累積體積卻占到了總油滴體積的10%左右。由此可以得出，雖然大顆粒油滴和中間尺寸油滴的數(shù)目非常稀少，但其在體積分布和累積體積分布中所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小顆粒油滴的影響。同時，由于大顆粒油滴在缸內(nèi)不易完全燃燒，長時間處于高溫情況下，會裂解成碳煙和微粒等排放物，影響發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放。因此，大顆粒油滴產(chǎn)生的影響不容忽視。

圖3 霧化油滴尺寸累積數(shù)目、體積分布

4 結(jié)論

通過一系列的試驗(yàn)研究和對試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出如下結(jié)論：

（1）啟噴壓力的提高和噴嘴孔徑的減小都能夠促使D32減小，燃油的霧化變好，但噴嘴孔徑對噴霧影響的敏感程度較大。

（2）啟噴壓力和噴嘴孔徑同樣對特征直徑D0.1和D0.9有較大影響，兩者變化趨勢與D32變化類似，即噴嘴孔徑一定，隨啟噴壓力提高而減?。粏妷毫σ欢?，隨噴嘴孔徑減小而減小。

（3）霧化油滴的尺寸數(shù)目和體積分布曲線都為雙峰曲線。尺寸數(shù)目分布曲線第1峰陡峭，尖銳，其范圍內(nèi)油滴數(shù)目約占總油滴數(shù)目的90%左右；第2峰平緩，其范圍內(nèi)油滴數(shù)目僅占總油滴數(shù)目的10%左右。對于尺寸體積分布曲線而言，第1峰范圍內(nèi)油滴體積占總體積的5%左右，而油滴質(zhì)量則主要集中于其第2峰尺寸范圍內(nèi)，即霧場中的質(zhì)量大部分集中在中間尺寸油滴上。大顆粒油滴則極其稀少，但其霧化質(zhì)量的影響不容忽視。

1徐廣通，袁洪福，陸婉珍等．近紅外光譜技術(shù)快速測定柴油物理性質(zhì)[J].石油學(xué)報(bào)（石油加工），1999，15（5）：63-68．

2曹建明．噴霧學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

3侯凌云，侯曉春．噴嘴技術(shù)手冊[M]．北京：機(jī)械工業(yè)中國石化出版社，2007．

4曹建明，王磊，陳志偉等．柴油-生物柴油混合燃料噴霧特性試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2008（1）：32-35．

Quantitative Study on Spray Characteristics of Diesel Fuel

Wang Zhenping1,Cao Jianming1,Guo Guangxiang1,Chen Jing2,Song Kai3
（1.Automobile Faculty,Chang'an University,Xi'an 710064,China;2.Chongqing Chang'an Automobile Stock Co.Ltd.,Chongqing 401120,China;3.Guangxi Yuchai Machinery Co.Ltd.,Yulin 537005,China）

The quantitative study on the fuel atomization at different injection pressures and orifice diameter was made with laser diffraction technique.Through analyzing relevant particle size distribution,the degree of fuel atomization index affected by injection pressure and orifice diameter was given.The study results show that the size of oil droplets number curve and size distribution curve both have two wave crests. Increasing of the injection pressure and reducing the orifice diameter both will improve the quality of fuel atomization and reduce D32,but not in equal fall.

diesel,spray,quantization,particle size distribution

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.02.002

來稿日期：2012-03-22

王振平（1985-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒、噴霧過程方面的研究。