李 莉，李雁飛，秦 頌

（1. 西安交通大學 城市學院 機械工程系，西安710018，中國；2. 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，清華大學，北京100084，中國）

生物柴油和醇類是目前在發(fā)動機應用較廣泛的可再生清潔替代燃料，是可通過藻類或木質纖維素等生產獲得的全生命周期的碳中和燃料[1-3]。生物柴油是一種碳中性含氧燃料，基本不含硫和芳烴，十六烷值與柴油接近甚至更高，可與柴油以任意比例混合。研究表明： 生物柴油由于較高的粘度、密度和沸點，具有比柴油更長的貫穿距、較小的噴霧錐角[4-6]；且在大氣條件下，生物柴油噴霧的Sauter平均直徑（Sauter mean diameter，SMD） 較柴油略有增加[7-8]。柴油摻混生物柴油后可有效降低發(fā)動機的顆粒物（particulate matter，PM） 、一氧化碳（CO） 及總碳氫化合物（total hydrocarbon， THC） 排放[9-12]，且有效熱效率與原機相比變化不大或稍有改善[13-14]。

戊醇作為新一代的可再生碳中性燃料，在內燃機上具有廣闊的應用前景和環(huán)境友好性，與低碳醇（含有4個碳以下）相比，戊醇具有更高的能量密度、粘度和十六烷值，采用柴油-戊醇混合燃料可有效降低發(fā)動機的CO、氮氧化物NOx和碳煙（soot） 排放[15-16]。在不采用廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR） 的條件下，燃用純戊醇燃料且采用壓燃模式可實現NOx和soot排放的同時降低并保持較高的熱效率[17]。

燃料的霧化質量直接影響發(fā)動機燃燒和排放特性。近年來，基于燃料理化特性差異設計的多組分混合燃料由于其優(yōu)良的噴霧和燃燒性能引起了國內外學者的關注[18]。LIU Yanju等[19]研究發(fā)現：摻混正丁醚可有效改善柴油-生物柴油的噴霧質量，且隨著摻混比例的增加，混合燃料的噴霧貫穿距略有減小，噴霧錐角增大，Sauter平均直徑降低。MO Jun等[20]對比分析了生物柴油添加丁醇后噴霧特性，結果表明：低粘度丁醇可降低生物柴油的SMD，改善噴霧的均勻度。S. J. M.Algayyim等[21]研究發(fā)現：低粘度的丁醇-丙酮混合物的添加可增加生物柴油的噴霧投影面積，改善油氣混合度。LI Fengyu等[22]對比分析了不同比例的生物柴油-戊醇混合燃料，發(fā)現隨著戊醇摻混比例的增加，混合燃料的動力粘度和密度降低，最終造成液相貫穿距和噴霧尖端峰值速度的減少。

利用碳中性生物柴油及醇類燃料理化特性的差異可實現其混合燃料的物性設計，從而在不改變發(fā)動機原有結構的基礎上，實現良好噴霧和低碳燃燒，探究不同碳中和燃料的噴霧特性對建立基于需求的燃料改質技術體系，實現燃料與發(fā)動機協同優(yōu)化具有重要的現實意義。

本文基于定容燃燒彈噴霧試驗平臺，采用高速攝影和相位Doppler粒子測試技術，對比分析了柴油、生物柴油、戊醇3種基準燃料和一種混合燃料 （40%柴油+30%生物柴油+30%戊醇） 的宏觀及微觀噴霧特性，對比分析了燃料物性、噴射壓力（最高120 MPa） ，環(huán)境背壓、環(huán)境溫度（最高830 K）等對貫穿距，噴霧錐角及SMD等特征參數的影響規(guī)律。

1 試驗系統(tǒng)及測試方法

1.1 常溫高壓試驗系統(tǒng)

常溫相位Doppler粒子測試技術（phase Doppler particle analyzer， PDPA） 的噴霧試驗臺架如圖1所示，包括定容燃燒彈系統(tǒng)，PDPA和高速攝影系統(tǒng)等，主要完成常溫下噴霧貫穿距、噴霧錐角和Sauter平均直徑的測試。

常溫噴霧試驗的定容燃燒彈系統(tǒng)主要由定容燃燒彈、高壓供氣裝置、高壓噴油系統(tǒng)3部分組成，其中定容燃燒彈是專為噴霧測試設計，最大許用壓力為6.0 MPa，定容燃燒彈的側面設計有2個夾角為110°的石英視窗，以保證PDPA測得的信號具有最高的信噪比。噴射壓力由高壓共軌系統(tǒng)控制和調節(jié)，采用的是噴孔直徑為0.14 mm的單孔噴油器，最高噴射壓力為150 MPa。

PDPA是Dantec公司制造的相位Doppler粒子分析儀，采用的是Coherent公司的Innova 70C氬離子激光器，可發(fā)射3種波長共6束激光，本文僅采用其中波長為514.5 nm的2束激光測量油滴沿噴霧軸線方向的速度及油滴粒徑大小。該2束激光從發(fā)射探頭射出，通過焦距為310 mm的透鏡并匯聚一點，形成干涉條紋，該位置即為測量區(qū)域。油滴經過測量區(qū)域時的散射光由接收探頭接收后轉換為電信號被采集，根據信號處理器篩選出有效信號來計算油滴的運動速度、粒徑分布等基本信息。

高速攝影系統(tǒng)采用的是Photron SA X2高速相機，其曝光時間為6.25μs，拍攝速率為4萬幀/s，圖片像素為256×768，空間分辨率為107μm/像素。試驗時，布置在定容燃燒彈一側的發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED） 燈光透過視窗照亮噴霧，噴霧形態(tài)發(fā)展的全過程則由布置在另一側視窗處的高速相機捕捉。通過電控單元（electronic control unit，ECU） 和信號發(fā)生器實現對PDPA、高速相機、噴油器以及供油系統(tǒng)的控制與同步。

1.2 高溫高壓試驗系統(tǒng)

高溫噴霧特性試驗臺架及測試系統(tǒng)的組成如圖2所示，主要有高溫定容燃燒彈系統(tǒng)、高壓供油系統(tǒng)、高壓供氣系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)等組成。主要用于完成高溫條件下燃料噴霧的形態(tài)、液相貫穿距、投影面積等的測試。

高溫定容燃燒彈的內腔容積為170 mL，設計的最高工作壓力為6 MPa，前后左右均布4個厚度為70 mm，直徑為100 mm的石英玻璃視窗作為光學通道，噴油器布置在定容燃燒彈的頂部中間。定容燃燒彈內腔底部的電熱絲加熱模塊的最高加熱溫度為900 K，加熱完成后使用壓縮空氣向定容燃燒彈內充氣建立工作壓力，以模擬實際發(fā)動機氣缸內活塞運行到上止點附近時的溫度壓力條件。定容燃燒彈內的溫度和壓力信息通過布置在頂部的四個熱電偶和一個壓力傳感器實時采集。

1.3 燃料理化特性及測試條件

試驗采用柴油（D100） 、生物柴油（B100） 、 戊醇（P100） 3種基礎燃料以及一種混合燃料D40B30P30（40%柴油+30%生物柴油+30%戊醇）。燃料的主要理化指標如表1所示。

表1 試驗用柴油、生物柴油和戊醇及混合燃料的主要指標

不同燃料分子結構的不同造成理化指標的差異，理化指標直接影響到發(fā)動機的霧化質量和燃燒特性。燃料的蒸發(fā)和汽化特性與餾程相關，沸點越低，燃料越容易汽化；液滴的穩(wěn)定主要取決于液體的表面張力，粘度和表面張力越小，霧化所需的最小能量就越低，燃油噴入氣缸時越容易破碎成細小的液滴，即越易于霧化和混合。利用不同燃料理化特性的耦合改善霧化質量是實現清潔燃燒的重要手段。

試驗所用的3種基礎燃料中，生物柴油的粘度、密度和表面張力最大，沸點最高，而戊醇燃料的粘度、密度和表面張力最小，沸點最低，柴油的特性介于兩者之間，3種燃料之間具有良好的互溶性。作者前期利用基礎燃料的物性差異，通過生物柴油和戊醇燃料的配比混合得到燃料D40B30P30，具有和柴油相近的物性，臺架試驗結果表明：在不改變發(fā)動機原機結構和控制參數的基礎上，混合燃料可獲得更佳的燃燒和排放特性[23]。

由于PDPA測試方法的限制，近噴嘴處噴霧濃度較大難以獲得有效數據，試驗中測量點的選取如圖3所示，分別位于距噴嘴頂端30、40、50 mm的平面內，測量點之間的徑向間距為1 mm。測量時間為5.0 ms。

如圖4所示，噴霧貫穿距定義為噴油器的噴嘴出口到燃油油束前端的距離L；噴霧錐角的定義按照Naber等提出的方法[24]，將噴霧油束投影的上半區(qū)域視為一個等腰三角形，該三角形的高即為貫穿距的1/2，其頂角等于噴霧錐角θ。噴霧投影面積是指噴霧沿噴射方向的外輪廓線所包圍的投影區(qū)域總面積。

表2 給出了常溫（298 K）、高溫（830 K）下定容燃燒彈的試驗條件（噴射壓力pinj、背壓pamb、環(huán)境氣體密度ρ、噴油脈寬Δtj）。定容燃燒彈內的試驗工況是模擬發(fā)動機在上止點附近時氣缸內的溫度和壓力狀況，噴油器采用單孔電磁閥噴油器，且采用單次噴射策略，噴油脈寬固定為1.5 ms。定容燃燒彈內充入的是高壓純氮氣以避免高溫下噴入燃油自燃。

表2 常溫和高溫下定容燃燒彈試驗條件

2 試驗結果與分析

2.1 常溫高壓下的噴霧特性

2.1.1 噴霧貫穿距和噴霧錐角

噴霧油束的形態(tài)、貫穿距L和錐角θ是評價宏觀噴霧特性的主要指標。圖5給出了環(huán)境溫度為298 K，背壓為1.8 MPa，噴油壓力為80 MPa時，4種燃料在噴射后0.3、1.2、1.8 ms時刻的噴霧發(fā)展歷程。常溫下各種燃油噴霧的邊緣相對清晰，前鋒形狀較寬大，且從內向外噴霧濃度降低，呈絮條狀結構。

圖6 為相同工況下不同燃料的貫穿距L和噴霧錐角θ變化規(guī)律曲線。由圖6可見：噴射初中期（0～300μs）燃料的液相貫穿距迅速增加，噴霧錐角迅速減??；噴射中期（0.3～1.2 ms）變化都逐漸變緩，直至噴射后期（1.2 ms以后）貫穿距和噴霧錐角趨于穩(wěn)定，這是由于初期燃油在較高的噴射壓力下高速噴出，湍流動能較大引起噴霧貫穿距急劇增加，隨著噴霧的進展，液滴與環(huán)境氣體的摩擦使得液體動能逐漸減弱，貫穿距曲線的變化趨于穩(wěn)定。

燃油的密度、粘性、表面張力等物性是影響噴霧特性的重要因素。由于生物柴油的粘度、密度和表面張力最大，其液相貫穿距最長，對應的噴霧錐角最小，油滴大部分集中于噴霧軸線附近。而戊醇的粘度、密度和表面張力最小，相應液相貫穿距最短，噴霧錐角最大，沿程破碎蒸發(fā)較多，徑向擴散相對較強。混合燃料的貫穿距與柴油差別不大，略低于生物柴油；而錐角略大于柴油，明顯大于生物柴油，說明添加易揮發(fā)、低粘度的戊醇燃料中和了生物柴油不易揮發(fā)及霧化的特性，改善了混合燃料理化特性，有利于燃料的霧化和蒸發(fā)。

圖7 是背壓為1.8 MPa時不同噴射壓力下燃料的噴霧貫穿距。

由圖7可見：當噴射壓力從40 MPa增大到120 MPa，柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料的貫穿距分別增加了26.8%、24%、25%和23%。且當噴射壓力增大到80 MPa之后，破碎過程的影響大于動量增加的影響，貫穿距增大的趨勢漸緩。這是因為射流速度的增大，提高了液滴與環(huán)境氣體之間的相對速度，同時導致摩擦力增加，燃油表面的振蕩促使其破碎成較小的液滴，使貫穿距出現降低趨勢。

圖8 是噴射壓力為80 MPa時不同背壓下的噴霧錐角。

由圖8可知：環(huán)境背壓直接影響燃油的徑向和軸向擴散作用，噴射壓力一定時，隨著背壓的增大，噴射壓力與背壓之差減小，噴霧受到的阻力增大，徑向擴散增強，噴霧錐角變大。4種燃油的在常溫下的噴霧錐角基本在13°～20°之間，隨著背壓從1.2 MPa增加到2.5 MPa，柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料的噴霧錐角平均增加了19%、21%、18%和17%。

總體來說，常溫條件下相同工況下各種燃油的噴霧貫穿距差別不大；密度、粘度和表面張力越大，貫穿距相應越大，錐角越小。低密度、低粘度的戊醇燃料可有效提高生物柴油的揮發(fā)性和霧化特性，改善混合燃料的霧化質量。

2.1.2 Sauter平均直徑SMD

Sauter平均直徑（SMD）能夠反映噴霧的微觀霧化程度，進而影響液滴群的蒸發(fā)速率和化學反應速率。試驗通過對噴射觸發(fā)后5.0 ms內測得的所有油滴的直徑D進行統(tǒng)計得，其中Di為第i個油滴的直徑：

圖9 給出了4種燃油在不同噴射壓力和背壓條件下SMD的變化規(guī)律。

由圖9a可見：背壓一定時，隨著噴射壓力的增加，燃油SMD均呈逐漸降低的趨勢。當噴射壓力從40 MPa提高到120 MPa時，四種燃料柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料D40B30P30的SMD平均降幅分別為7.6%、6%、8.2%和10.8%，這是因為噴射壓力的提高能夠增強燃油流動的湍流速度，加劇油滴與空氣的相互作用，促進破碎。

由圖9b可見：當噴射壓力一定，不同燃油的SMD隨著背壓的增大明顯增加。當背壓從1.2 MPa提高到2.5 MPa時，四種燃料柴油、生物柴油、戊醇和混合燃料D40B30P30的SMD平均增幅分別為24%、28%、24.8%和27.5%；環(huán)境背壓的提高一方面增強了噴霧與空氣之間的相互作用，有利于油滴的破碎，但另一方面，隨著背壓的增加，空氣阻力增大，噴霧貫穿距降低，使得單位體積內的液滴數量增多，增加了油滴間相互碰撞而發(fā)生聚合的幾率，最終油滴的聚合占據優(yōu)勢，導致了SMD的升高。

燃料物性對微觀噴霧特性有同樣重要的影響，工況一定時，4種燃料的SMD從大到小依次為B100、D100、D40B30P30、P100，生物柴油的粘度、密度和表面張力最大，其SMD明顯高于柴油、戊醇和混合燃料；與生物柴油相比，戊醇的SMD平均降幅為10%，這主要是由于燃油粘度和表面張力的降低將使雷諾數增加，加速湍流的發(fā)展，促進燃油的破碎，減小液滴的粒徑。所以通過向柴油-生物柴油混合燃料中添加戊醇，可減小燃料分子的內聚力和分子間的粘性力，提高噴霧液滴的細度，改善燃油顆粒與空氣的接觸表面積，促進混合氣形成。

2.2 高溫高壓噴霧特性對比

2.2.1 液相穩(wěn)定長度

圖10 給出了80 MPa噴射壓力、4 MPa背壓、830 K高溫工況下，4種燃油在噴射后0.2、0.4、0.8 ms時刻的噴霧發(fā)展過程。由圖10可見，高溫下燃料的蒸發(fā)效應增強，液相貫穿距迅速變短；且燃料的粘性和表面張力隨溫度升高而降低，加速了液滴的破碎和霧化。當噴霧的液相長度達到穩(wěn)定狀態(tài)時（0.8 ms），由燃料物性差異引起的噴霧宏觀特征的差異更為明顯，生物柴油的液相貫穿距較大；而戊醇燃料較低的粘度、密度、表面張力和較高的揮發(fā)性更易于霧化和蒸發(fā)，導致液相貫穿距最短。

圖11 給出了830 K高溫，4 MPa背壓，80 MPa噴射壓力條件下不同燃料的液相貫穿距隨時間的變化過程。高溫下各個燃油由于物性不同而導致液相穩(wěn)定長度明顯不同，生物柴油的液相貫穿距相比柴油增加18%，戊醇的液相貫穿距離相比柴油降低了27%；混合燃料的液相貫穿距與柴油接近。戊醇與生物柴油和柴油混合后改善了混合燃料理化特性，在提高混合燃料含氧量的同時保證了良好的霧化特性。

圖12 為830 K、3.0 MPa背壓下，4種燃料噴霧的液相穩(wěn)定長度隨噴射壓力、環(huán)境背壓的變化規(guī)律。

由圖12a可見：隨著噴射壓力提高，油滴運動速度加快，貫穿距增大，但同時粒徑的減少也加快了蒸發(fā)過程，兩種不同效應相互制約，最終導致燃料的液相長度隨噴射壓力變化不大。由圖12b可見：隨著背壓提高，燃料的液相穩(wěn)定長度明顯下降，因為背壓的提高促進噴霧周邊氣體的卷吸作用和噴霧的徑向擴散，燃料在較短噴射距離就能吸收足夠能量進行蒸發(fā)。

2.2.2 噴霧投影面積

圖13 為830 K、80 MPa噴射壓力下，4種燃料的噴霧投影面積隨不同環(huán)境背壓的變化規(guī)律。相同工況下戊醇P100噴霧投影面積最小，生物柴油的噴霧投影面積最大，混合燃料的噴霧投影面積介于柴油和戊醇之間。

隨著環(huán)境背壓增大，4種燃料的噴霧投影面積都呈現下降趨勢，當背壓為3.0 MPa時，燃料噴射時受到的空氣阻力最小，有利于噴霧沿徑向和軸向的發(fā)展，噴霧投影面積最大。隨著環(huán)境背壓的提高到5.0 MPa時，噴霧受到的阻力增加，貫穿距減小，同時徑向發(fā)展受限，噴霧投影面積明顯減小。噴霧軸向貫穿距及沿徑向發(fā)展距離直接影響噴霧投影面積的大小，噴霧投影面積越大，表征噴霧與空氣接觸面積越大，二者相互作用加強。

3 結 論

應用高速攝影和PDPA對比研究了不同工況條件、不同燃料的理化特性對噴霧特性的影響，主要結論如下：

1） 降低燃料的粘度、密度、表面張力等物性及提高燃料揮發(fā)性，有助于減小液相貫穿距，增大噴霧錐角，促進蒸發(fā)混合，改善霧化質量。且高溫工況下（830 K）燃料物性對噴霧的液相貫穿距、投影面積的影響更為顯著。

2） 噴射壓力越大，燃料的噴霧錐角越小，貫穿距就越大。噴霧貫穿長度和液滴速度均隨環(huán)境背壓增大而減少，噴霧錐角隨背壓的增大而增大；噴霧投影面積隨著環(huán)境背壓的增大明顯減小。

3） 燃油的SMD隨噴射壓力的提高而逐漸降低，隨環(huán)境背壓的增加而明顯增加。生物柴油的SMD大于柴油，而戊醇的摻混可有效降低混合燃料的SMD。