钟 亮

(1.中国石化销售股份有限公司华北分公司，天津 300384；2.天津中石化悦泰科技有限公司)

全球围绕汽车节能减排开展了大量的研究，其中燃油清净添加剂(清净剂)已发展成为一个重要的研究方向。绝大部分燃油清净剂的作用机理都已被人们所熟知[1-2]，因此目前对清净剂的研究主要集中于其对发动机的积炭、功率输出、扭矩变化、燃油经济性的影响，以及其对尾气中CO，HC(碳氢化合物)，NOx，PM(颗粒物)等排放量的影响[3-5]。为了探究清净剂对发动机内部燃烧过程的具体作用，蔡锐彬等[6]利用高速摄影技术分析了其对汽油机中汽油燃烧稳定性、燃烧速度、燃烧持续期的影响，并确定了在纯氧环境下清净剂对燃烧过程的中间产物组分的影响。但是，对发动机而言，燃油雾化特性优劣直接决定燃料燃烧效率的高低，有必要深入探究清净剂是否会对燃油的雾化特性带来影响，从而为燃烧试验的结果和发动机应用试验的结果分析提供重要的理论依据。

针对广泛使用的车用柴油，还没有发现从燃油雾化角度出发开展清净剂在改善燃油雾化特性方面的微观研究。本课题以市售0号柴油作为研究对象，采用三维激光粒子动态分析仪(PDA)，探究不同清净剂添加量下柴油雾化的微观表现，并通过发动机台架试验考察雾化特性变化对柴油排放性能的宏观影响。

1 实 验

1.1 燃油供给系统及雾化室

柴油喷嘴雾化试验装置示意见图1。燃油供给系统主要由油箱、低压油泵、高压油泵、变频器、中高压油路、油滤、喷油器以及控制模块和上位机构成。通过上位机控制变频器转速(0～1 500 rmin)可以实现油源出口压力在0～160 MPa范围内调节(中压油路压力为0～7 MPa，高压油路压力为4～160 MPa)，该压力由压电式压力传感器实时采集并显示于上位机上。燃油喷油器选用电控顶针式单孔直喷喷嘴[7]，喷嘴出口直径为0.16 mm，单次喷射持续时长为1～5 ms，喷射时间间隔为50～1 000 ms。雾化室内腔为圆形，壁厚为3 mm，内径为122 mm，高度为552.5 mm，在雾化室圆周方向布置4个石英玻璃窗(其中，2个玻璃窗尺寸为80 mm×338 mm，另2个玻璃窗尺寸为40 mm×338 mm)，用于PDA光路测量。试验过程中内部压力为0.1 MPa，温度为293.15 K。在测量过程中，为消除悬浮液滴对测量光路产生的干扰，在雾化室末端加装离心风机及时抽出试验结束的悬浮液滴，提高测量精度。

图1 柴油喷嘴雾化试验装置示意 —供油线; —信号线; —回油线; —激光线。1—激光器； 2—分光器； 3—发射器； 4—雾化室； 5—离心风机； 6—喷嘴； 7—油滤； 8—高压油源出口； 9—高压油路； 10—高压泵； 11—低压油路； 12—低压泵； 13—油箱； 14—安全阀； 15—变频器； 16—操控台； 17—上位机； 18—接收器； 19—光电转换器； 20—BSA处理器； 21—计算机注：中压油路及光路调节工具未标出

1.2 PDA测量系统

喷嘴喷射脉冲的时间间隔为50 ms，每次喷射脉冲持续时长为5 ms。采用PDA测量雾化液滴的粒径和速度，其测量光路如图1中绿色线条所示。在喷嘴轴向位置布置2个测量点，2个测量点距离喷孔出口的轴向距离分别为0 mm和12 mm。为最大限度减少随机误差，每个测量点的采样时间为20 s，且每个测量点重复测量3次。

1.3 试验介质

柴油喷嘴雾化试验和发动机台架试验所用清净剂由聚异丁烯酰亚胺(PIBASI)和芳烃溶剂油(S1500)按质量比为6∶4混合而成。为了考察清净剂加入量对柴油雾化特性的影响，在0号柴油中分别添加体积分数为0，500，1 000 μLL的清净剂，配制成3种试验介质(分别记作柴油1、柴油2和柴油3)，其性质如表1所示。由表1可以看出，上述3种清净剂加入量下所得试验介质的性质差别极小。

表1 3种试验介质的性质

1.4 柴油流动机制及表征方法

在直压式喷嘴内部，由于柴油进入喷嘴入口处时流道突然收缩，柴油流速突然增大，因而压力急剧降低，当局部压力降低到柴油饱和蒸气压以下时，柴油发生汽化，在喷嘴内部形成气泡，从而使喷嘴内部的柴油流动机制由单相流动转变为气液两相的空化流动[8]。而空化流动产生的气泡挤占本该柴油存在的空间，将使喷嘴内部柴油流道进一步收缩变窄，阻塞柴油流动，进而导致柴油在喷嘴出口的质量流量降低。不同的内部流动机制直接决定柴油的雾化液滴出口速度、液滴初始直径以及雾化角等特性参数[9]。

由于直观判断喷嘴内部流动机制往往较为困难，因此Nurick[10]提出可依据柴油在喷嘴处的流出系数Cd来区分不同的流动机制。Cd的计算式为：

(1)

式中：Cd为柴油在喷嘴处的流出系数，无量纲；p1为喷嘴上游压力，Pa；p2为喷嘴下游压力，Pa；ρl为柴油液相密度(20 ℃)，kgm3；A为喷嘴出口截面积，m2；meff为稳定状态下柴油在喷嘴处的质量流量，kgh。

当柴油在喷嘴内部的流动变为空化流动时，流出系数显著降低，流出系数Cd的计算式为：

(2)

式中：Cc为流动收缩系数，由式(3)计算；K为柴油的空化系数，由式(4)计算。

(3)

(4)

式中：Cct是由翻转流动分析得到的理论常数0.611；R为喷嘴入口拐角处曲率半径，mm；D为喷嘴喷孔直径，mm；pv为柴油液体的饱和蒸气压。

此外，喷嘴内部流动机制开始转变为空化流动时的柴油空化系数称为临界空化系数Kcrit。通过对比空化系数K的相对大小可以判断柴油流动机制，为后续试验测得的柴油雾化液滴的分布结果提供理论依据。

2 结果与讨论

2.1 清净剂添加量对柴油雾化液滴轴向分布的影响

以喷油嘴出口喷射压力为20 MPa下的柴油雾化试验为例，分别考察雾化室轴向距离为0 mm和12 mm处，清净剂添加量对柴油雾化液滴轴向分布的影响。

2.1.1 雾化室轴向距离0 mm处在雾化室轴向距离为0 mm处，不同清净剂添加量(体积分数0，500，1 000 μLL)下柴油雾化液滴的流速-粒径分布如图2所示。

图2 雾化室轴向位置0 mm处不同清净剂添加量下柴油雾化液滴的流速-粒径分布

在20 MPa压力下，根据Soteriou等的理论[11]，各种清净剂添加量下柴油的空化系数均大于Kcrit，喷嘴内部流动为单相流动，并且由于3种试验介质的性质差别极小，故喷嘴出口处雾化液滴流速-粒径分布的差别也应微乎其微。但是，由图2可以看出，随着清净剂添加量的提高，喷嘴出口处雾化液滴趋向分布于高速、小粒径区，而粒径较大的液滴分布减少，这可能是由于清净剂的加入使得此压力下柴油在喷嘴内部的流动机制已经逐渐向空化流动过渡，并使得喷嘴出口等效直径略有降低，出口射流湍流度略有增强，射流表面Kelvin-Helmholtz扰动波增加，进而导致表面脱落得到的雾化液滴呈现出流速明显增加、大粒径数量略有减少的趋势。

为了更直观表达清净剂添加量对柴油雾化液滴粒径分布的影响，将每个采样周期内数据进行处理，得到不同清净剂添加量下柴油雾化液滴的数量分率、质量分率与粒径分布的关系，结果分别见图3和图4。由3和图4可以看出，随着清净剂添加量的增加，柴油在喷嘴出口处雾化形成的大液滴(粒径大于40 μm)所占的数量和质量分率逐渐减小，小液滴(粒径不大于40 μm)所占的数量分率和质量分率逐渐增大，这可能源于清净剂使得柴油在喷嘴内部的流动机制由单相流动逐渐向空化流动过渡，在一定程度上改善了柴油的雾化效果。

图3 雾化室轴向位置0 mm处不同清净剂添加量下柴油雾化液滴的数量分率-粒径分布

图4 雾化室轴向位置0 mm处不同清净剂添加量下柴油雾化液滴的质量分率-粒径分布

2.1.2 雾化室轴向距离12 mm处在雾化室轴向距离为12 mm处，不同清净剂添加量(体积分数0，500，1 000 μLL)下柴油雾化液滴的流速-粒径分布如图5所示。

图5 雾化室轴向位置12 mm处不同清净剂添加量下柴油雾化液滴的流速-粒径分布

由图5可以看出，在该轴向位置处，各种清净剂添加量下雾化液滴流速均较不添加清净剂时出现不同程度的衰减。根据主导的碰撞机制[12]，可解释为：在两个液滴彼此间有较大相对速度的情况下，它们碰撞之后，二者之间气体薄层的气压迅速升高，液滴受到挤压发生较大的变形，最终聚合为一个较大的液滴，导致试验结果表现为雾化液滴朝着低速、大粒径方向发展。

不同清净剂添加量下柴油雾化液滴的数量分率、质量分率与粒径分布的关系分别如图6和图7所示。由图6和图7可以看出，伴随着含清净剂柴油雾化液滴流速的快速衰减以及液滴的进一步聚合，在该轴向位置处，不同清净剂添加量下柴油间的雾化液滴在各粒径区间内的数量分率分布和质量分率分布趋于一致，但含清净剂柴油雾化小液滴所占个数和质量分率仍略高于不含清净剂柴油。

图6 雾化室轴向位置12 mm处不同清净剂添加量下柴油雾化液滴的数量分率-粒径分布

图7 雾化室轴向位置12 mm处不同清净剂添加量下柴油雾化液滴的质量分率-粒径分布

以上结果表明：随着清净剂添加量的增加，柴油雾化液滴的流速迅速衰减；对于不含清净剂的柴油，随着雾化室轴向距离的增加，雾化液滴中的部分大液滴持续变形破碎为小液滴，大液滴数量减少显著，至轴向距离为12 mm处，雾化液滴流速仍未出现明显的衰减迹象；对于含清净剂的柴油，雾化液滴流速出现衰减，这可能是由于清净剂的平均相对分子质量是柴油的5倍之多，其分子间作用力更强，加速了液滴之间的碰撞、聚合，导致液滴在喷嘴下游朝着低速、大粒径方向发展。但是，含清净剂柴油在喷嘴下游的液滴流速衰减并没有导致过多的剧烈碰撞、聚合，液滴在大粒径区间内的分布始终很少，并且在总体上小粒径的液滴数量、质量分率和流速都远高于不含清净剂剂的空白柴油，也就是说含清净剂柴油的雾性指标更好，添加清净剂更有利于燃料和空气的快速掺混，改善发动机喷嘴出口的点火性能以及下游燃料的燃烧性能。

2.2 清净剂添加量对柴油使用性能的影响

依据欧洲标准《柴油机喷嘴结焦试验方法》(CEC F-23-A-01)(ESC循环)和国家标准《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ阶段)》(GB 17691—2005)(ETC循环)，在1台XUD-9型发动机台架上和2台Q23-115E50型发动机台架上(未装后处理系统)，以柴油1和柴油3为试验介质，分别测试了柴油发动机喷油嘴空气流量损失率和200 h耐久性试验后发动机排气阀出口污染物排放量(简称原机污染物排放量)，结果如表2所示。

表2 柴油发动机台架试验喷油嘴空气流量损失率及200 h耐久性试验后的原机污染物排放量

上述试验中，柴油介质(体现在清净剂添加量上)是全过程中唯一变量，即发动机喷油嘴、润滑油及负荷等其他参数完全一样。由表2可以看出：与不含清净剂的柴油相比，以含清净剂柴油为试验介质时，柴油发动机喷油嘴平均空气流量损失率(针阀升程0.1 mm)下降56百分点；200 h耐久试验后的原机污染物排放量方面，以含清净剂柴油为试验介质时，ESC、ETC两种循环工况下，CO排放量分别减少14.2%和17.1%，HC排放量分别减少15.6%和13.4%，NOx排放量均略有增长，PM排放量分别减少21.1%和14.3%，说明柴油雾化液滴特性变好后发动机的排放性能也发生了有利的变化。

结合表1来看，在0号柴油中添加清净剂前后，可能引起柴油雾化性能变化的指标，如密度、黏度和表面张力等[13]并无太大差异，因此这些宏观指标还不能解释同种基础柴油加入清净剂后雾化过程中粒径和流速的微观变化。清净剂中的大分子化合物与柴油液滴之间如何相互作用而改变了柴油的雾化特性，进而改善了柴油在发动机上的使用性能，其真正的原因还需要开展更加深入的研究。

3 结 论

(1)随着柴油中清净剂添加量的增加，发动机喷嘴出口处柴油雾化液滴趋向分布于高流速、小粒径区，并且大液滴(粒径大于40 μm)所占的数量分率和质量分率逐步减少，小液滴(粒径不大于40 μm)所占的数量分率和质量分率随着清净剂添加量的增加而增大。

(2)随着雾化室轴向距离的增加，无论是否添加清净剂，柴油雾化液滴的流速均出现明显衰减，液滴发生聚合，并朝着低流速、大粒径方向发展，并且清净剂添加量越大，雾化液滴流速衰减越明显，但液滴在大粒径区间内的分布始终极少。

(3)综合考虑雾化室轴向距离为0 mm和12 mm处雾化液滴的分布，含清净剂柴油在轴向位置为0 mm处的初始雾化性能更加出色，总体上其小粒径的液滴数量分率、质量分率和流速分布均优于不含清净剂的柴油。

(4)含清净剂柴油可以有效降低柴油发动机中污染物HC，CO，PM的排放量，并显著降低发动机喷油嘴空气流量损失率。