謝冬和

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院 湖南 株洲 412001）

引言

加氫生物柴油與普通柴油的物理特性相差較大，使得加氫生物柴油的噴油特性和燃燒特性與普通柴油有很大差異[1]。早期對(duì)加氫生物柴油的研究主要集中在燃燒和排放特性上，后來，研究人員利用相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備及軟件對(duì)加氫生物柴油的噴油特性進(jìn)行了研究[2]。然而，這些研究主要集中在中、低噴油壓力條件下，對(duì)加氫生物柴油在高噴射壓力條件下的研究很少。本文在定容燃燒彈中進(jìn)行了高噴射壓力條件下加氫生物柴油與普通柴油的噴油特性試驗(yàn)，利用高速攝像機(jī)[3]對(duì)2 種燃油的噴油形態(tài)、噴霧錐角及油束貫穿距離等狀態(tài)進(jìn)行了拍攝，同時(shí)利用CFD軟件[4]對(duì)加氫生物柴油在不同參數(shù)條件下的噴油特性進(jìn)行了延伸研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用主要設(shè)備包括燃油噴射裝置、控制裝置、信號(hào)裝置、照明裝置及攝像機(jī)等。試驗(yàn)裝置如圖1所示。定容燃燒彈內(nèi)安裝有加熱及加壓裝置，表面開有一個(gè)用來觀察噴油狀況的窗口；燃油噴射裝置包括高壓共軌裝置及同步控制裝置，可根據(jù)測(cè)試過程中的情況對(duì)噴油壓力、噴油時(shí)間及噴油規(guī)律進(jìn)行靈活的調(diào)整和控制。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)時(shí)，分別進(jìn)行高噴射壓力條件下加氫生物柴油和普通柴油的冷態(tài)噴油情況測(cè)試。普通柴油標(biāo)記為A0，用菜籽油作為加氫生物柴油并記為A1；噴油器均采用孔徑為0.12 mm 的單孔噴油器，最高噴油壓力為100 MPa，噴油持續(xù)時(shí)間為1 ms，單次噴油量為8 μL，燃燒室內(nèi)氣體壓力為1.4 MPa。為保證噴油特性試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在測(cè)試過程中，每換一種燃油都對(duì)油路及供油裝置進(jìn)行清洗以保證油品間不會(huì)混合。2 種試驗(yàn)用燃油的物理特性參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用燃油的物理特性參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 噴油特性評(píng)價(jià)參數(shù)

試驗(yàn)過程中，規(guī)定油滴形態(tài)、噴霧錐角及油束貫穿距離等參數(shù)為噴油特性，其形態(tài)如圖2 所示。

圖2 噴油油滴結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)時(shí)，可按要求在試驗(yàn)設(shè)備中作好標(biāo)尺刻度以方便測(cè)量，并利用高速攝像機(jī)對(duì)整個(gè)測(cè)試過程進(jìn)行全程拍攝。在對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理時(shí)，可先使用E-rule 軟件量取圖像中的標(biāo)尺長(zhǎng)度和油束貫穿距離，再根據(jù)測(cè)得的標(biāo)尺實(shí)際長(zhǎng)度進(jìn)行換算。本文僅對(duì)噴霧遠(yuǎn)角和噴霧近角進(jìn)行描述：取油束貫穿距離在10～20 mm 之間的噴霧錐體截面積所在的最大夾角為噴霧近角，取油束貫穿距離在20 mm～最大距離之間的噴霧錐體截面所在的最大夾角為噴霧遠(yuǎn)角。測(cè)量時(shí)，對(duì)噴霧近角和噴霧遠(yuǎn)角各測(cè)量3 次，取平均值為試驗(yàn)的最終計(jì)算結(jié)果。

2.2 加氫生物柴油和普通柴油的油滴形狀和噴霧錐角

圖3 為使用高速攝像機(jī)拍攝到的加氫生物柴油（上面一排）和普通柴油（下面一排）的噴油情況圖。

圖3 加氫生物柴油與普通柴油噴油過程高速攝影結(jié)果對(duì)比

從圖3 可知：

1）在整個(gè)燃油噴射過程中，加氫生物柴油的油滴形狀和普通柴油差異不大。由于加氫生物柴油的黏度大于普通柴油，其油滴頭部形態(tài)更加圓潤(rùn)；加氫生物柴油的揮發(fā)性比普通柴油差，其油滴頭部受缸內(nèi)進(jìn)氣旋流的卷吸作用比普通柴油更嚴(yán)重。

2）加氫生物柴油的噴霧錐角比普通柴油小。原因在于加氫生物柴油的黏度比普通柴油大，噴射過程中形成的油-氣混合質(zhì)量比普通柴油差；其次，加氫生物柴油的揮發(fā)性比普通柴油差，噴射后燃油的橫向擴(kuò)散能力比普通柴油差。。

2.3 加氫生物柴油和普通柴油的油束貫穿距離

圖4 為加氫生物柴油和普通柴油的油束貫穿距離對(duì)比圖。

圖4 生物柴油和普通柴油油束貫穿距離的測(cè)試結(jié)果

從圖4 可以得出：在相同的燃油噴射壓力條件下，燃油噴射前期，由于加氫生物柴油的密度大于普通柴油，油束貫穿距離比普通柴油大；隨著噴油的持續(xù)及缸內(nèi)壓力升高，燃油與氣缸內(nèi)的高密度氣體發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，燃料的密度差對(duì)油束貫穿距離的影響逐漸降低，在燃油噴射后期，2 種燃料的油束貫穿距離逐漸接近。

3 模擬仿真及計(jì)算

3.1 模擬仿真模型及驗(yàn)證

利用CFD 仿真軟件建立計(jì)算模型，計(jì)算區(qū)域?yàn)椐?05 mm×105 mm 的圓柱體，以圓柱體上頂面的圓心為中心選取一個(gè)正方形區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化。最小網(wǎng)格尺寸為0.6×0.6 mm（噴孔直徑的5 倍），網(wǎng)格總數(shù)達(dá)48 000；噴嘴安裝在圓柱體上頂面圓心中央伸出長(zhǎng)度約1 mm。仿真計(jì)算時(shí)使用的模型名稱見表2。

表2 模擬仿真及計(jì)算用模型名稱

試驗(yàn)過程中，會(huì)不可避免地出現(xiàn)燃油噴射時(shí)刻和高速攝像機(jī)拍攝時(shí)刻的同步觸發(fā)誤差、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差及模擬仿真軟件的計(jì)算誤差等。因此，在試驗(yàn)過程中，要重點(diǎn)關(guān)注主噴油時(shí)段內(nèi)的誤差。

圖5 和圖6 分別為普通柴油和加氫生物柴油油束貫穿距離的試驗(yàn)及模擬仿真結(jié)果。

圖5 普通柴油油束貫穿距離的試驗(yàn)和模擬仿真結(jié)果

圖6 加氫生物柴油油束貫穿距離的試驗(yàn)和模擬仿真結(jié)果

從圖5 和圖6 可知，模擬仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本一致，主噴油時(shí)段內(nèi)，2 者的相對(duì)誤差不超過3.5%，在5%的允許范圍內(nèi)，從而保證了模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 加氫生物柴油與噴油壓力、缸內(nèi)氣體壓力和溫度的關(guān)系

圖7 為其他參數(shù)不變時(shí)，不同噴油壓力對(duì)加氫生物柴油油束貫穿距離的影響。

圖7 油束貫穿距離隨噴油壓力的變化曲線

從圖7 可知，噴油壓力提高，加氫生物柴油的油束貫穿距離增加。原因是：噴油壓力越高，燃油噴射速度越快，動(dòng)能越大，在相同的缸內(nèi)氣體阻力下，燃油的慣性動(dòng)能增大，使油束貫穿距離顯著增大。

圖8 為其他參數(shù)不變時(shí)，不同缸內(nèi)氣體壓力對(duì)加氫生物柴油油束貫穿距離的影響。

圖8 油束貫穿距離隨缸內(nèi)氣體壓力的變化曲線

從圖8 可知，隨著缸內(nèi)氣體壓力逐漸升高，油束貫穿距離逐漸增大。

圖9 為其他參數(shù)不變時(shí)，不同缸內(nèi)氣體溫度對(duì)加氫生物柴油油束貫穿距離的影響。

圖9 油束貫穿距離隨缸內(nèi)氣體溫度的變化曲線

從圖9 可知，當(dāng)t ＜0.6 ms 時(shí)，油束貫穿距離隨缸內(nèi)氣體溫度的上升而緩慢增加；當(dāng)t≥0.6 ms 時(shí)，隨著缸內(nèi)氣體溫度的上升，油束貫穿距離先增加后開始減小并出現(xiàn)小幅波動(dòng)。

3.3 缸內(nèi)氣體溫度的影響規(guī)律分析

圖10 為總噴油量相同而噴油時(shí)刻不同時(shí)，不同缸內(nèi)氣體溫度下，加氫生物柴油噴油質(zhì)量與蒸發(fā)量之差即剩余液態(tài)燃油質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線。

圖10 不同缸內(nèi)氣體溫度下加氫生物柴油剩余液態(tài)燃油質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線

從圖10 可知，當(dāng)t ＜0.2 ms 時(shí)，不同缸內(nèi)氣體溫度下，燃油蒸發(fā)速度幾乎相同；當(dāng)t≥0.2 ms 時(shí)，缸內(nèi)氣體溫度越高，燃油蒸發(fā)速度越快，同一時(shí)刻剩余的液態(tài)燃油僅為常溫下的10%。

由此可知，燃油一旦噴入高溫的定容燃燒彈中，會(huì)立即汽化。由于蒸發(fā)速度過快，使得沿噴油方向的油滴總量迅速減少，致使油束貫穿距離大幅減小。

4 結(jié)論

本文在定容燃燒彈中進(jìn)行了高噴射壓力條件下加氫生物柴油與普通柴油的噴油特性試驗(yàn)，利用高速攝像機(jī)對(duì)2 種燃油的噴油形態(tài)、噴霧錐角及油束貫穿距離等狀態(tài)進(jìn)行了拍攝，同時(shí)利用CFD 軟件對(duì)加氫生物柴油在不同參數(shù)條件下的噴油特性進(jìn)行了延伸研究，得出如下結(jié)論：

1）在整個(gè)燃油噴射過程中，加氫生物柴油的油滴形態(tài)與普通柴油相差不大；因加氫生物柴油的黏度大于普通柴油，加氫生物柴油的油滴形態(tài)比普通柴油圓潤(rùn)；加氫生物柴油的揮發(fā)性比普通柴油差，其油滴頭部與缸內(nèi)進(jìn)氣旋流產(chǎn)生強(qiáng)烈的卷吸作用，與空氣形成良好的混合氣體。

2）噴油初期，加氫生物柴油的油束貫穿距離比普通柴油大；到了噴油中后期，在缸內(nèi)高壓氣體的作用下，加氫生物柴油和普通柴油的油束貫穿距離差不多一樣大。

3）加氫生物柴油的噴霧錐角比普通柴油小。

4）使用模擬仿真軟件得到的結(jié)果表明：噴油壓力越高，加氫生物柴油的油束貫穿距離越大；加氫生物柴油的油束貫穿距離隨缸內(nèi)氣體的壓力升高而增大；隨著缸內(nèi)氣體溫度的升高，燃油的蒸發(fā)速度加快，油束貫穿距離減小。