高喷射压力条件下加氢生物柴油的喷油特性试验*

谢冬和

（湖南汽车工程职业学院 湖南 株洲 412001）

引言

加氢生物柴油与普通柴油的物理特性相差较大，使得加氢生物柴油的喷油特性和燃烧特性与普通柴油有很大差异[1]。早期对加氢生物柴油的研究主要集中在燃烧和排放特性上，后来，研究人员利用相关试验设备及软件对加氢生物柴油的喷油特性进行了研究[2]。然而，这些研究主要集中在中、低喷油压力条件下，对加氢生物柴油在高喷射压力条件下的研究很少。本文在定容燃烧弹中进行了高喷射压力条件下加氢生物柴油与普通柴油的喷油特性试验，利用高速摄像机[3]对2 种燃油的喷油形态、喷雾锥角及油束贯穿距离等状态进行了拍摄，同时利用CFD软件[4]对加氢生物柴油在不同参数条件下的喷油特性进行了延伸研究。

1 试验设备

试验所用主要设备包括燃油喷射装置、控制装置、信号装置、照明装置及摄像机等。试验装置如图1所示。定容燃烧弹内安装有加热及加压装置，表面开有一个用来观察喷油状况的窗口；燃油喷射装置包括高压共轨装置及同步控制装置，可根据测试过程中的情况对喷油压力、喷油时间及喷油规律进行灵活的调整和控制。

图1 试验装置示意图

试验时，分别进行高喷射压力条件下加氢生物柴油和普通柴油的冷态喷油情况测试。普通柴油标记为A0，用菜籽油作为加氢生物柴油并记为A1；喷油器均采用孔径为0.12 mm 的单孔喷油器，最高喷油压力为100 MPa，喷油持续时间为1 ms，单次喷油量为8 μL，燃烧室内气体压力为1.4 MPa。为保证喷油特性试验结果的准确性，在测试过程中，每换一种燃油都对油路及供油装置进行清洗以保证油品间不会混合。2 种试验用燃油的物理特性参数见表1。

表1 试验用燃油的物理特性参数

2 试验结果

2.1 喷油特性评价参数

试验过程中，规定油滴形态、喷雾锥角及油束贯穿距离等参数为喷油特性，其形态如图2 所示。

图2 喷油油滴结构示意图

试验时，可按要求在试验设备中作好标尺刻度以方便测量，并利用高速摄像机对整个测试过程进行全程拍摄。在对测试结果进行整理时，可先使用E-rule 软件量取图像中的标尺长度和油束贯穿距离，再根据测得的标尺实际长度进行换算。本文仅对喷雾远角和喷雾近角进行描述：取油束贯穿距离在10～20 mm 之间的喷雾锥体截面积所在的最大夹角为喷雾近角，取油束贯穿距离在20 mm～最大距离之间的喷雾锥体截面所在的最大夹角为喷雾远角。测量时，对喷雾近角和喷雾远角各测量3 次，取平均值为试验的最终计算结果。

2.2 加氢生物柴油和普通柴油的油滴形状和喷雾锥角

图3 为使用高速摄像机拍摄到的加氢生物柴油（上面一排）和普通柴油（下面一排）的喷油情况图。

图3 加氢生物柴油与普通柴油喷油过程高速摄影结果对比

从图3 可知：

1）在整个燃油喷射过程中，加氢生物柴油的油滴形状和普通柴油差异不大。由于加氢生物柴油的黏度大于普通柴油，其油滴头部形态更加圆润；加氢生物柴油的挥发性比普通柴油差，其油滴头部受缸内进气旋流的卷吸作用比普通柴油更严重。

2）加氢生物柴油的喷雾锥角比普通柴油小。原因在于加氢生物柴油的黏度比普通柴油大，喷射过程中形成的油-气混合质量比普通柴油差；其次，加氢生物柴油的挥发性比普通柴油差，喷射后燃油的横向扩散能力比普通柴油差。。

2.3 加氢生物柴油和普通柴油的油束贯穿距离

图4 为加氢生物柴油和普通柴油的油束贯穿距离对比图。

图4 生物柴油和普通柴油油束贯穿距离的测试结果

从图4 可以得出：在相同的燃油喷射压力条件下，燃油喷射前期，由于加氢生物柴油的密度大于普通柴油，油束贯穿距离比普通柴油大；随着喷油的持续及缸内压力升高，燃油与气缸内的高密度气体发生能量转换，燃料的密度差对油束贯穿距离的影响逐渐降低，在燃油喷射后期，2 种燃料的油束贯穿距离逐渐接近。

3 模拟仿真及计算

3.1 模拟仿真模型及验证

利用CFD 仿真软件建立计算模型，计算区域为Ф105 mm×105 mm 的圆柱体，以圆柱体上顶面的圆心为中心选取一个正方形区域并对其进行网格化。最小网格尺寸为0.6×0.6 mm（喷孔直径的5 倍），网格总数达48 000；喷嘴安装在圆柱体上顶面圆心中央伸出长度约1 mm。仿真计算时使用的模型名称见表2。

表2 模拟仿真及计算用模型名称

试验过程中，会不可避免地出现燃油喷射时刻和高速摄像机拍摄时刻的同步触发误差、试验数据的测量误差及模拟仿真软件的计算误差等。因此，在试验过程中，要重点关注主喷油时段内的误差。

图5 和图6 分别为普通柴油和加氢生物柴油油束贯穿距离的试验及模拟仿真结果。

图5 普通柴油油束贯穿距离的试验和模拟仿真结果

图6 加氢生物柴油油束贯穿距离的试验和模拟仿真结果

从图5 和图6 可知，模拟仿真结果与测试结果基本一致，主喷油时段内，2 者的相对误差不超过3.5%，在5%的允许范围内，从而保证了模拟仿真结果的准确性和可靠性。

3.2 加氢生物柴油与喷油压力、缸内气体压力和温度的关系

图7 为其他参数不变时，不同喷油压力对加氢生物柴油油束贯穿距离的影响。

图7 油束贯穿距离随喷油压力的变化曲线

从图7 可知，喷油压力提高，加氢生物柴油的油束贯穿距离增加。原因是：喷油压力越高，燃油喷射速度越快，动能越大，在相同的缸内气体阻力下，燃油的惯性动能增大，使油束贯穿距离显著增大。

图8 为其他参数不变时，不同缸内气体压力对加氢生物柴油油束贯穿距离的影响。

图8 油束贯穿距离随缸内气体压力的变化曲线

从图8 可知，随着缸内气体压力逐渐升高，油束贯穿距离逐渐增大。

图9 为其他参数不变时，不同缸内气体温度对加氢生物柴油油束贯穿距离的影响。

图9 油束贯穿距离随缸内气体温度的变化曲线

从图9 可知，当t ＜0.6 ms 时，油束贯穿距离随缸内气体温度的上升而缓慢增加；当t≥0.6 ms 时，随着缸内气体温度的上升，油束贯穿距离先增加后开始减小并出现小幅波动。

3.3 缸内气体温度的影响规律分析

图10 为总喷油量相同而喷油时刻不同时，不同缸内气体温度下，加氢生物柴油喷油质量与蒸发量之差即剩余液态燃油质量随时间的变化曲线。

图10 不同缸内气体温度下加氢生物柴油剩余液态燃油质量随时间的变化曲线

从图10 可知，当t ＜0.2 ms 时，不同缸内气体温度下，燃油蒸发速度几乎相同；当t≥0.2 ms 时，缸内气体温度越高，燃油蒸发速度越快，同一时刻剩余的液态燃油仅为常温下的10%。

由此可知，燃油一旦喷入高温的定容燃烧弹中，会立即汽化。由于蒸发速度过快，使得沿喷油方向的油滴总量迅速减少，致使油束贯穿距离大幅减小。

4 结论

本文在定容燃烧弹中进行了高喷射压力条件下加氢生物柴油与普通柴油的喷油特性试验，利用高速摄像机对2 种燃油的喷油形态、喷雾锥角及油束贯穿距离等状态进行了拍摄，同时利用CFD 软件对加氢生物柴油在不同参数条件下的喷油特性进行了延伸研究，得出如下结论：

1）在整个燃油喷射过程中，加氢生物柴油的油滴形态与普通柴油相差不大；因加氢生物柴油的黏度大于普通柴油，加氢生物柴油的油滴形态比普通柴油圆润；加氢生物柴油的挥发性比普通柴油差，其油滴头部与缸内进气旋流产生强烈的卷吸作用，与空气形成良好的混合气体。

2）喷油初期，加氢生物柴油的油束贯穿距离比普通柴油大；到了喷油中后期，在缸内高压气体的作用下，加氢生物柴油和普通柴油的油束贯穿距离差不多一样大。

3）加氢生物柴油的喷雾锥角比普通柴油小。

4）使用模拟仿真软件得到的结果表明：喷油压力越高，加氢生物柴油的油束贯穿距离越大；加氢生物柴油的油束贯穿距离随缸内气体的压力升高而增大；随着缸内气体温度的升高，燃油的蒸发速度加快，油束贯穿距离减小。