Atomization characteristics comparison between diesel and LPG/diesel dual fuel
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摘要: 采用高分辨率数码照相机对柴油与LPG/柴油混合喷雾特性进行了对比研究。结果表明, 随着LPG掺混比的增大, 喷雾油滴的平均直径减小, 油滴尺寸数目分布曲线向小颗粒方向偏移, 小颗粒油滴数目增多, 雾化质量提高, 使发动机碳烟排放大幅度降低; 大颗粒油滴尺寸变化不大, 小颗粒油滴尺寸变小, 相对尺寸范围和发散边界扩大。随着喷雾贯穿距离的增大, 柴油油滴的粒度增大; 混合燃料的油滴尺寸的数目分布向小颗粒偏移, 累积容积油滴直径则增大; 相对尺寸范围和发散边界呈减小趋势, 油滴容积分布在较大油滴的范围内渐趋均匀; 喷射距离较长, 油束射程总是等于油束到达燃烧室壁面的最大距离。Abstract: The comparison was analyzed by using high resolving power digital camera.Resultsshow that with LPG mixed ratio increasing, fuel droplet mean-diameters of the sprays decrease, the curve of fuel droplet size number distribution moves toward smaller diameters, and the small-size droplet number increases, spray quality goes well, and engine smoke reduces accordingly; large-size droplet diameters almost have no change, but small-size droplet diameters decrease, and relative size range and dispersion boundary of droplets increase; with penetrated distance of spray increasing, diesel droplet sizes increase, droplet sizes number distribution of the mixed fuel moves toward smaller diameters, and droplet diameters of cumulate volume increase. Both relative size range and dispersion boundary of fuel droplets have a decrease tendency; the volume distribution of fuel droplets goes to uniform gradually within larger-size range, because penetrated distance is large, spray shot distance always equal to the maximum distance that fuel can touch combustion chamber wall.
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气体燃料汽车的开发应用有利于降低汽车对石油液体燃料的依赖并减少大气污染, 液化石油气(LPG)是有效的车用代石油液体燃料之一。LPG/柴油双燃料发动机可以采取两种技术方案: 目前实际运行的LPG/柴油双燃料汽车仅有预混进气方式, 即是将LPG在气缸外汽化并与空气混合, 通过原柴油机燃油供给系统向气缸喷入高压柴油引燃; 混合喷射方式是将LPG以液态方式在储油罐中与柴油混合, 通过原喷油器将混合燃料直接喷入气缸。后一种方式目前还处于开发研究阶段。
众所周知, 燃油喷射和雾化特性影响柴油机的燃油经济性和排放性。发动机燃烧优劣主要取决于混合燃料的雾化质量。油滴的尺寸不仅受液体破裂的控制, 还取决于油滴的蒸发和碰撞, 油滴的蒸发和碰撞将造成油滴数目的减少, 平均直径的变动以及油滴尺寸的重新分布[1]。为了评价雾化质量及表示雾化特性, 通常采用液滴平均直径和能够表示不同液滴直径的数量、质量和容积的液滴尺寸分布来表述。本文主要对柴油与LPG/柴油双燃料混合喷雾的雾化特性进行对比研究。
1. 喷雾特性实验
实验的目的是对纯柴油和LPG质量掺混比为10%(E10)、30%(E30)混合燃料的喷雾特性进行对比研究。由于燃用E40的发动机热机起动困难, 因此实验所用混合燃料的最大掺混比定为30%。主要研究方法是测量燃料液滴的直径, 以比较雾化的质量。
实验所用的喷油器为PF68S19型, 4孔喷嘴, 孔径为0.32 mm。由于试验的目的是对纯柴油和混合燃料的喷雾特性进行比较研究, 并且喷嘴附近的油束紧密, 浓度太高, 无法得到分散的燃料颗粒图像, 因此方案选用燃料喷射进入大气环境中。
图 1所示为喷雾特性试验台的布置, 喷油器中燃料高压的建立是通过压动手压油泵手柄来实现, 启喷压力为19 MPa, 与原ZH1105W柴油机的相当。在进行柴油喷雾试验时, 柴油直接加注到手压油泵的储油筒中; 在进行LPG/柴油双燃料试验时, 将LPG与柴油在压力油罐中按不同质量比预先混合, 利用氮气瓶加压以保持LPG液化。油罐通过接头连接到手压油泵, 再通过高压油管与喷油器相连。
用摄影方法拍摄纯柴油和LPG/柴油双燃料混合喷射的喷雾场。成像采用3.1百万像素的柯达DC4800数码照相机, 可以通过调整照相机设置获取所需要的图像。拍摄时使用外置闪光灯, f 2.8的特写近拍模式, 照相机与背景之间的距离为41 cm。黑白成像, 背景采用黑色光滑平板, 以增大图片的反差, 便于读取微粒数据。
数码照相机拍摄便捷、可靠性高, 易于对拍摄位置和参数进行调整, 图像清晰, 试验成本低, 拍摄到的图片可以直接存入计算机中, 图片格式规范, 便于图片色差等的调整, 以及读片和数据处理。缺点是只能拍摄整个喷雾场的图像, 无法得到某一层面的粒子情况, 因此信息量受限。由于高清晰度数码照相机是近年来才开始普遍应用的成像手段, 因此还未见到用数码照相机进行喷雾研究的报道。
实验首先进行了标准丝的拍摄, 见图 2, 以便于对油滴粒子的直径进行比较判读, 标准丝直径为35μm。为了比较喷雾贯穿距离对油滴尺寸的影响, 分别在距喷嘴40 cm和60 cm位置对纯柴油、E10和E30的喷雾场进行了拍摄, 油滴粒子见图 3。为了研究喷嘴出口处的雾化情况和喷雾锥角, 分别拍摄了纯柴油和E30的油束, 如图 4、5所示。
获取的照片使用USB通用串行缆线从数码照相机传递到计算机中, 照片为JPG格式文件。在近300幅照片中为每种实验状况挑选了2幅照片进行判读, 取平均值进行分析。试验结果采用人工判读, 对纯柴油、E10和E30的照片在同一位置选取同样大小的区域进行对比分析。选定判读区域后, 先采用照片图像用Photoshop软件进行图片处理, 通过色阶处理, 增强对比度, 灰度拉伸等方法得到更加清晰、便于读取的微粒图像。再成倍放大, 用标准丝定标, 最后统计某一直径下粒子的数目和百分比分布。
2. 实验结果与分析
2.1 喷雾的空间形态
从图 4和图 5中可以看出, E30的油束更加松散, 油束下游的发散范围明显扩大。测量得到纯柴油喷射的喷雾锥角为θ=19.3°。E30喷射的喷雾锥角为θ=28.5°, E30的喷雾锥角明显比纯柴油的大。从图 5中还可以看出, 混有LPG的燃料喷出喷孔后, LPG很快汽化, 在油束中和油束的周围可以清晰地看到所形成的气团和气雾。两幅照片均可看出, 在油束的边缘处分布着离散的燃料液滴, 说明从油束中心越向外, 燃料越松散。
2.2 雾化油滴的平均直径
喷雾液滴平均直径的概念是由Mugele和Evans[2]提出的, 其定义是: 设想一个液滴尺寸完全均匀一致的喷雾场, 代替实际不均匀的喷雾场, 这个假想的均匀喷雾场的液滴直径称为平均直径。
试验处理了2组照片, 表 1列出了距喷嘴L=40 cm和L=60 cm处长度平均直径D10、容积平均直径D30和Sauter平均直径D32的处理结果。
表 1 雾化油滴平均直径的比较Table 1. Mean-diameters comparison of spray fuel droplets /μmL= 40 cm L=60 cm D10 D30 D32 D10 D30 D32 Diesel 30 32 34 36 40 43 E10 24 31 33 26 32 33 E30 23 27 30 26 31 32 可以看出, 对于同一种燃料, Sauter平均直径D32大于容积平均直径D30与长度平均直径D10; 混入的LPG越多, 平均直径越小, 而且喷雾的贯穿距离越大, 差异越明显, 说明混合燃料的雾化效果比纯柴油的要好, 这与喷雾空间形态的分析结果相同。
混合燃料的雾化效果好是因为LPG/柴油的溶气喷雾不同于柴油的雾化, 由于气体的减压沸腾效应, 使燃油中溶解的气体急骤汽化、析出, 发生气爆, 在发动机燃烧室中再次雾化。产生的气态膨胀力克服燃油的表面张力, 在较低的喷射压力下就能获得理想的雾化效果。
比较L=40 cm和L = 60 cm, 喷雾的贯穿距离越大, 颗粒越大, 说明随着时间的推移, 小颗粒的油滴挥发了, 而油滴相互碰撞的影响使粘合的油滴直径变大。
2.3 雾化油滴的尺寸分布
本研究作出了纯柴油、E10和E30喷雾的油滴尺寸数目分布P和累积容积分布Vc。图 6和7分别为纯柴油、E10、E30三种燃料在距喷嘴40 cm和60 cm处喷雾油滴尺寸数目分布的比较。从图 6中可以看出, 纯柴油与E10的雾化油滴分布曲线十分接近, 说明在LPG替代率低的情况下, 雾化效果与纯柴油的没有太大的区别; E30的尺寸分布向小颗粒偏移, 说明高替代率混合燃料的雾化效果要比纯柴油的好。在L=60 cm处, E10曲线与纯柴油曲线脱离, 尺寸分布明显向小颗粒偏移, 说明随着贯穿距离的增大, 混合燃料溶气喷雾和LPG挥发的作用愈加明显。
图 6 L=40 cm三种燃料油滴尺寸数目分布对比Figure 6. Droplets size number distribution comparison of three kinds of fuel at L=40 cm
图 7 L=60 cm三种燃料油滴尺寸数目分布对比Figure 7. Droplets size number distribution comparison of three kinds of fuel at L=60 cm图 8~13分别为纯柴油、E10和E30在距喷嘴40 cm和60 cm处雾化的比较情况。由油滴尺寸数目分布图可以看出, 随着贯穿距离的增大, 纯柴油的大颗粒数目增加, 说明油滴的碰撞粘合起作用; E10和E30的分布曲线则向小颗粒偏移, 说明混合燃料溶气喷雾和LPG挥发作用逐渐显现出来。
图 9 纯柴油油滴尺寸累积容积分布Figure 9. Accumulative fuel droplets size distribution of diesel based on volume
图 11 E10油滴尺寸累积容积分布Figure 11. Accumulative fuel droplets size distribution of E10 based on volume
图 13 E30油滴尺寸累积容积分布Figure 13. Accumulative fuel droplets size distribution of E30 based on volume由油滴尺寸累积容积分布图中可以看出, 60 μm以下的油滴的累积容积占油滴总容积的比例已达90%以上, 由于单个大颗粒油滴的容积远远大于小颗粒油滴, 说明60 μm以上的大颗粒油滴的数目非常稀少, 大于70 μm的油滴几乎不存在。累积容积分布曲线受大颗粒油滴的影响远远大于小颗粒的影响, L=40 cm曲线位于L=60 cm曲线的上方, 说明随着贯穿距离的增加, 达到某一累积容积的油滴直径增大; 虽然E10和E30的小颗粒油滴的数目增多, 但所占的容积比例却小, 而中间颗粒数目又较少, 因而累积容积的油滴直径增大主要是受了较大颗粒的影响。
2.4 雾化油滴的特征直径与发散度
分布曲线中的特征直径对于液滴尺寸发散度的探讨很有价值, 在液滴尺寸累积容积分布曲线中, 它们代表某一直径以下的所有液滴的容积占全部液滴总容积的百分比。
本研究的特征直径是根据油滴尺寸的累积容积分布曲线图得到的, 表 2列出了三种燃料在L=40 cm和L=60 cm处油滴尺寸累积容积分布的特征直径, 可以证实, 到达某一累积容积的油滴直径随贯穿距离的增加而增大。根据特征直径, 可以求出喷雾油滴的发散范围。
表 2 雾化油滴的特征直径Table 2. Representative diameters of spray fuel droplets/μm L=40 cm L=60 cm D0.1 D0.5 D0.9 D0.999 D0.1 D0.5 D0.9 D0.999 Diesel 24 33 51 59 31 44 58 65 E10 21 32 51 59 22 32 52 59 E30 18 31 49 59 24 44 59 65 表 3 雾化油滴的发散Table 3. Dispersion of spray fuel dropletsL=40 cm L=60 cm Δs Δb Δs Δb Diesel 0.82 0.79 0.61 0.48 E10 0.94 0.84 0.94 0.84 E30 1.00 0.90 0.80 0.48 表达液滴尺寸发散度最常用的指标是相对尺寸范围, 定义为
Δs=D0.9-D0.1D0.5 (1)
它提供了液滴直径相对于质量中值直径D0.5的范围。
为了评价最大液滴直径的发散程度, 定义了发散边界
Δb=D0.999-D0.5D0.5 (2)
显然, 它表示最大直径相对于质量中值直径D0.5的发散程度。
表 3分别给出了三种燃料在L=40 cm和L=60 cm处油滴的相对尺寸范围和发散边界。从中可以看出, 除L=60 cm的E30以外, 随着掺混比的增大, 相对尺寸范围和发散边界都增大, 说明油滴的发散程度在扩大, 结合表 2可以看出, 这主要是因为三种燃料雾化的大颗粒油滴尺寸变化不大, 而混合燃料的小颗粒油滴尺寸变小的缘故。在L=60 cm处, E30的相对尺寸范围和发散边界比E10的小, 而累积容积的油滴直径却较大, 这可能是因为随着时间的推移, 大掺混比的燃料挥发较多, 剩余的多为柴油油滴。
随着喷雾贯穿距离的增大, 三种燃料的相对尺寸范围和发散边界均减小或不变, 说明油滴容积分布在较大颗粒的范围内渐趋均匀。
3. 结语
(1) 由以上分析可知, 柴油中掺入LPG以后, 由于减压沸腾效应的影响, 喷雾锥角变大, 油束发散, 并伴有大量的气雾, 喷雾粒子变小, 雾化质量提高。随着LPG量的增加, 颗粒变小的趋势越明显, 使碳烟排放大幅度减小。由于大颗粒油滴尺寸变化不大, 而小颗粒油滴尺寸变小, 尺寸范围和发散边界扩大。
(2) 随着贯穿距离的增加, 由于油滴的碰撞粘合作用, 使柴油油滴的粒度增大; 对于混合燃料, 由于溶气喷雾和LPG挥发的作用, 使油滴尺寸的数目分布向小颗粒偏移; 由于小颗粒油滴对累积容积分布影响较小, 累积容积油滴直径则增大; 相对尺寸范围和发散边界呈减小趋势, 油滴容积分布在较大油滴的范围内渐趋均匀。而这些大颗粒油滴是造成碳烟排放的主要因素。
(3) 由于在距喷嘴60 cm处仍存在大量油滴, 而发动机燃烧室内的喷射距离远远小于60 cm, 由此可以推断, 即使是孔式喷嘴也必然会将燃油喷射到燃烧室壁面上, 因此油束射程总是等于喷嘴距油束能够到达的燃烧室壁面的最大距离。
(4) 采用高分辨率数码照相机对喷雾特性进行比较研究是简单、直观、可靠和有效的, 可以推广应用。但由于数码照相机成像所反映的信息量有限, 因此在条件具备的情况下, 可以采用激光多普勒粒子分析系统对喷雾特性进行全面的研究。
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图 6 L=40 cm三种燃料油滴尺寸数目分布对比
Figure 6. Droplets size number distribution comparison of three kinds of fuel at L=40 cm
图 7 L=60 cm三种燃料油滴尺寸数目分布对比
Figure 7. Droplets size number distribution comparison of three kinds of fuel at L=60 cm
图 9 纯柴油油滴尺寸累积容积分布
Figure 9. Accumulative fuel droplets size distribution of diesel based on volume
图 11 E10油滴尺寸累积容积分布
Figure 11. Accumulative fuel droplets size distribution of E10 based on volume
图 13 E30油滴尺寸累积容积分布
Figure 13. Accumulative fuel droplets size distribution of E30 based on volume
表 1 雾化油滴平均直径的比较
Table 1. Mean-diameters comparison of spray fuel droplets /μm
L= 40 cm L=60 cm D10 D30 D32 D10 D30 D32 Diesel 30 32 34 36 40 43 E10 24 31 33 26 32 33 E30 23 27 30 26 31 32 
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表 2 雾化油滴的特征直径
Table 2. Representative diameters of spray fuel droplets
/μm L=40 cm L=60 cm D0.1 D0.5 D0.9 D0.999 D0.1 D0.5 D0.9 D0.999 Diesel 24 33 51 59 31 44 58 65 E10 21 32 51 59 22 32 52 59 E30 18 31 49 59 24 44 59 65
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表 3 雾化油滴的发散
Table 3. Dispersion of spray fuel droplets
L=40 cm L=60 cm Δs Δb Δs Δb Diesel 0.82 0.79 0.61 0.48 E10 0.94 0.84 0.94 0.84 E30 1.00 0.90 0.80 0.48
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[1] Cao Jianming. On the theoretical prediction of fuel droplet size distributions in nonreactive diesel sprays[J]. ASME Journal of Fluids Engineering, 2002, 124(1): 182-185. [2] MugeleR, EvansH D. Droplet size distributions in sprays[J]. Ind. Eng. Chem., 1951, 43(6): 1324—1371. -
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