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Graduate School of Hanyang University, Seoul 133791, Republic of Korea

b School of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul 133791, Republic of Korea

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 21 June 2014 Accepted 3 June 2015

Available online 20 June 2015

Keywords:

Fuel injection

Fuel property measurement

Heavy fuel oil (HFO)

Marine diesel injector

Spray characteristics

a b s t r a c t

The present study was conducted to investigate the effects of fuel properties on the spray characteristics of a common-rail type marine diesel injector. Spray characteristics are highly influential in determining engine performance and emission characteristics in direct-injection engine systems containing marine diesel engines. Thus, the relationship between the physical properties of HFO fuel and its spray characteristics is investigated via an analysis of HFO and spray experiments. Data from physical property measurements (e.g., fuel density, dynamic viscosity, and surface tension) are used to derive empirical equations between fuel temperatures and physical properties, and the results follow the common tendencies of temperature–property curves for general liquid substances. In spray experiments, injection quantity measurements, injection rate profiles, and spray visualization were conducted under various injection pressures, energizing durations, and ambient pressures. The test temperatures of HFO were set from the results of physical property measurements.

Experimental data reveal that spray characteristics are affected by fuel properties in terms of injection delays, injection profiles, and spray development speed. The injection quantity increased proportionally with fuel densities and the onset of injection was delayed with increased dynamic viscosity. Spray tip penetration decreased with increased fuel temperature.

amp; 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

1. Introduction

Powertrain systems in large vessels are often equipped with mechanical diesel engines. Engine technologies adopted for automotive use have been developed significantly to maximize engine performance and satisfy environmental regulations such as the Euro and Tier series in order to address operation in transient conditions. Because large vessels navigate with a fixed speed in oceans, the engine driving conditions are primarily steady state. Conducting spray or combustion experiments in a laboratory using marine diesel engines is difficult due to the large scale and high cost of marine engine systems, subsequently, most research into marine diesel engines is conducted using computational analysis.

Exhaust emissions from large vessels are restricted today by the International Maritime Organization (IMO) (1997) and the U.S. and E.U. enacted Tier 2 and Stage IIIA, respectively. These regulations will be strengthened in the near future, as the next IMO proposal to limit vessel exhaust emissions is enacted in 2016.

Several alternatives can be adopted from automotive engine systems to satisfy the next generation of regulations on the sea. The exhaust gas recirculation (EGR) system was applied to the diesel automotive engine, resulting in a significant reduction in NO_x emissions (Sjoberg and Dec, 2009). The diesel particulate filter (DPF), selective catalytic reduction (SCR), and three-way catalyst have also produced outstanding improvements in emission reduction (Lopez et al., 2009). Common-rail and electronic controlled injection systems have led to technical advances in automotive injection and combustion strategies. Experimental and numerical approach on high pressure diesel injection was conducted to analyze atomization process in automotive diesel injector in precedent study (Payri et al., 1996; Park and Lee, 2002). The application of alternative fuels such as biodiesel, dimethyl ether (DME), and various fuel blending is also an active area of research (Suh and Lee, 2008; Park et al., 2009). It is reasonable to assume that the development of marine diesel engines will follow a path similar to that of the automotive engine.

Lin and Huang (2003) investigated the effects of fuel blending

ⁿ Correspondence to: School of Mechanical Engineering, Hanyang University, 17 Haengdang-dong, Seongdong-gu, Seoul 133 791, Republic of Korea.

Tel.: thorn;82 2 2220 0430; fax: thorn;82 2 2220 4588.

E-mail address: parks@hanyang.ac.kr (S. Park).

http://dx.doi.org/10.1016/j.oceaneng.2015.06.002 0029-8018/amp; 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

on engine performance and emission characteristics by mixing ethylene glycol monoacetate with diesel fuel using a four-cylinder marine diesel engine. They also considered the effects of inlet air temperature and humidity

parameters to understand the relationship between these parameters and combustion characteristics. They found that changing the inlet air temperature, air humidity, and blending ratio affected the brake specific fuel consumption (BSFC), CO₂, CO, and NO_x emissions, reducing exhaust emissions and increasing engine performance in terms of BSFC.

There are also efforts to reduce exhaust emission in marine diesel engines by applying after-treatment systems. Lin (2002) conducted an experimental study using a marine diesel engine and verified the effects of adopting catalyzed particulate filers to reduce particulate matter and gaseous emissions. A significant reduction in smoke and gaseous emission was achieved; CO emission in particular was remarkably reduced through CO₂ conversion.

In compression ignition engines, including marine diesel engines, fuel injection and spray development characteristics play an important role i

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海洋工程

燃料温度对柴油机共轨式燃油喷射系统中重质燃油喷雾特性的影响.

摘要：

本研究旨在调查燃料特性对共轨式柴油机喷嘴的喷雾特性的影响。喷雾特性对船用柴油机直喷式发动机系统中的发动机性能和排放性能有着很大的影响。因此, 通过分析 HFO 和喷雾试验，可以研究HFO 燃料的物理属性和其喷雾特性之间的关系。从物理性能的测量 (例如：燃油密度、 动态粘度和表面张力) 的数据用于导出燃料温度与物理性能之间遵循的经验公式，结果与一般的液体物质的温度特性曲线相符合. 在喷雾实验、 注射量测量、喷射速率、喷射可视化在各种喷射压力喷射持续时间和外部环境压力下进行的。HFO的试验温度是通过物理性质测量结果下设置的

实验数据表明，喷雾特性是由喷油延迟的燃料特效，注入剖面和喷雾发展速度所影响的。随着燃油年粘度的增加，喷射量和燃油密度的按比例增加，喷射开始延迟。喷嘴的渗透减少燃油温度的升高。

1、介绍

大型船舶动力总成系统通常配备机械柴油机。为了解决在动态条件下的操作，汽车用发动机采用技术以最大限度地提高发动机的性能和满足环境法规，如欧元和Tier系列。由于大型船舶在海洋中航行的一个固定的速度，发动机驱动条件主要是稳定的状态。在实验室使用船用柴油机进行喷雾或燃烧试验是很困难的，由于船舶发动机系统的大型和高成本，随后，船用柴油机的研究应用采用计算分析法。

大型船舶废气排放限制由国际海事组织 (海事组织) (1997 年) 和美国和欧盟分别制定的层 2 和阶段 IIIA。这些条例将加强在不久的将来，作为下一个海事组织限制船舶废气排放量的建议并在 2016 年颁布。

几个备选方案可以从汽车发动机系统被采用，以满足海上下一代的规定。废气再循环 (EGR) 系统被应用于柴油汽车发动机，使得NOx 排放量显著减少(舍贝里和 12 月，2009年)。此外，柴油微粒过滤器 (DPF)、 选择性催化还原 (SCR) 和三元催化转化器产生显著效果使得排放减少量 (洛佩兹 等，.2009年)。共轨式喷射系统和电子控制导致汽车的燃油喷射战略方面的技术进步。高压柴油机喷油试验及数值模拟在研究汽车柴油机对喷油器雾化过程中进行了分析 （Pyari等，1996;park和Lee，2002）。生物柴油、 二甲醚 (DME)，和各种燃料调合等替代燃料的应用也是研究的一个活跃领域(Suh and Lee, 2008; Park et al., 2009). 这是合理的假设，船用柴油机的发展将遵循的汽车发动机类似的道路。

林和黄 (2003) 研究了燃料混合参数以了解这些参数与燃烧特性之间的关系的影响。他们发现，改变入口空气温度、 空气湿度、 和混合比影响燃油消耗率( BSFC)、 CO2、 CO 和 NOx 的排放量，减少了废气排放，并在BSFC方面提高发动机的性能。

他们也有努力通过应用处理系统，降低在船用柴油发动机上的废气排放。林 (2002) 进行使用的船用柴油机的实验研究和验证通过催化微粒过滤器，以减少颗粒物和气态排放物的影响。烟雾和气体的排放量显著减少;特别是通过 CO2 转换显著降低 CO 排放。

在压燃式发动机中，包括柴油发动机、燃油喷射、喷雾发展特点确定在发动机性能和排放性能上起着重要的作用，因为在接近上止点（TDC）的直接燃料喷射导致喷雾显影和燃烧同时. 进一步了解喷雾特性，尤其是在压燃式发动机，可以提高发动机性能和排放性能。Kyriakides 等人 (2009 年) 进行数值分析，以了解 HFO 燃料特性对使用 KIVA 代码的喷雾和燃烧特性的影响，并比较了结果对柴油喷雾的影响。芬克等人 (2008 年) 进行喷雾可视化和 PDA (相位多普勒分析仪) 实验比较HFO 和柴油燃料之间的喷雾特性。在这项研究中，燃料特性测量进行了包括根据HFO各种燃料的温度燃料密度，动态粘度和表面张力，并根据结果进行了喷雾实验。在实验中使用了一个共轨式十二孔船用柴油机喷油器和燃油供给装置，喷油量和喷油速率测量的进行采用了博世法和喷雾可视化。在喷雾试验，注射压力、通电时间、燃油温度是对于喷雾特性的变量，并根据燃料特性测量的结果选择了燃油温度条件。

2、实验装置和条件

2.1.实验仪器

在本实验中，首先进行了燃料性能测试，因为温度变化改变了燃料的物理性质，并影响喷雾特性如喷射延迟，喷雾显影，和雾化过程。测量的物理性质包括在各种温度下燃料的密度，动力粘度和表面张力。HFO燃料表现出在室温下比汽油，柴油，以及在车辆中使用的大多数其它燃料较重的物理性质，虽然实质性的变化随着温度的变化发生。出于这些原因，HFO 燃料应提供给轮机系统后温度控制通过加热过程来改善雾化。在该实验中，一个比重计，一个波美型密度计，一个旋转型粘度计（布鲁克菲尔德），和表面张力计（ITOH，514-A），都被用一个燃料加热室，燃料加热室有大约5.0L空间被使用，来测量比重，动力粘度，和不同燃料温度下的表面张力。HFO 燃料在沸腾的柴油燃料加热，根据测量位置提高温度的的均匀性。燃料密度从HFO燃料的测量比重转换为在分析过程中使用。喷油器包含12个孔一排，船用柴油机喷油器的燃油质量、注入明显大于的汽车喷油器，以产生大型船舶所需的高功率。因此，两个气动泵 (哈斯) 和两个普通轨 (Denso) 被安排在一条线，加大燃料的供应。因为喷射器特有的的许多大直径喷嘴孔，从喷嘴喷射的燃料质量显著提高，比汽车系统拥有着较长激励时间的运行。加压燃油附加燃料室的成立，以维持稳定的注射。HFO 燃料之前被供应到喷油器前，由于其高的动力粘度，需在预加热室温度中加热。为防止燃料线的热损失，通过绝缘体和一个附加的带加热器被施加到喷射器体中，以调整实验条件所需的燃料温度。船用柴油机喷油器是电磁感应式，用0.48毫米的喷嘴直径和一个紧凑的RIO系统作为喷油器驱动提供给喷油器合适的电流分布。r

在这项研究中的喷雾可视实验是为了研究相对于燃料温度的宏观喷雾特性的进行。图 1 显示了喷油器、喷油器控制和喷雾可视化的操作系统。船用柴油机喷油器被装载了两个金属卤化物灯 (Photron，HVC SL)到可视化室封头被用作光源。仰视喷雾剂的图像以0.1毫秒的间隔通过高速摄像头（Photron，APX-RS）拍摄。喷射器操作信号被同时传送到喷射器和一个脉冲/延迟发生器（BNC，型号575），与喷射器和高速摄像机同步。可视化室被氮气用来迫使到压力到 2.0 MPa，探讨环境压力的影响。喷油器的安装位置由顶部的中心转移，以使更长的时间观察到喷雾。在图像的左侧的三个喷雾被用作测量的对象。。

在这项研究中使用博世的注入速率的测量方法。注射延迟定义为激励和喷油始点开始之间的时间，每个延迟被通过采集板电流和压力分布图。注射持续时间取决于燃料温度、 注射压力和活力持续时间进行测定。T测量系统由一个直径为16毫米和15米长的博世管，绝对压力传感器（奇石，4045A200），一个消音腔和一个安全阀组成。测得的喷射轮廓数据被同步到的电流信号，并在喷射信号基础和喷射量替代原始数据的累积后使用处理。 注射速度测量系统详细的示意图如图 2 所示。

2.2.实验条件

实验条件设定为调查燃料温度对HFO燃料的喷雾特性的影响.。重油燃料进行了测试，分析在温度从20到130 1C在10 1C区间倾向的温度依赖性。三个具有代表性的温度被选择来研究在喷射和喷雾发展方面的温度影响。在表 1 中列出了详细的实验条件。这项研究中，观察注射系统应用在船用柴油机的喷雾特性，分析了注射压力和活力持续时间对其的影响。通过试验和注入率测量的误差，博世管的背面的压力被设置为3兆帕，这个值是很合适的可以减少原料注入剖面的噪声并对喷射无显著影响，因为该值相对于注射压力是很小的。 在该试验中，通过注射压力、通电时间、温度和燃料的影响，对注入剖面的喷射延迟和持续时间进行研究。

由于光学窗口的大小，激励持续时间设置在喷雾可视化为2.0毫秒的一个较低的值

3. 结果与讨论

3.1. 燃料特性测量t

在燃油密度、 动态粘度和表面张力，各种温度条件下测定的燃料性能结果如表 2 所示。在这项研究中，实验结果通过回归分析得到的经验函数和功能未知的参数进行了确定，为该实验结果和经验函数之间的最小偏差值。首先，特定的重力测试的结果表明，燃料分子与燃料分子之间的距离随着温度的增加燃料密度的降低而线性增加。HFO在所有测试温度下拥有高的燃油密度，并且在室温下测得的密度为954公斤/立方米，平均变化率为0.65公斤/立方米。关于密度 - 温度的经验公式是从实验结果得出，实验结果遵循相同的密度 - 燃料关系。（如图 3）。

动力粘度的测量值表现出非线性趋势。动态粘度迅速下降近室温条件（低温区），虽然绝对值随温度降低。重油燃料即使在燃料温度高达120℃也具有较高的动态粘度，然而，由于所需的喷油器的工作温度范围，为安全起见，这120℃不在本实验该区域测定，HFO燃油在船用柴油机温度一般也是120℃。几个模型探索动态粘度和温度之间的关系，如指数和阿仑尼乌斯模型（Kanit等人，2006）。这些模型是基于分子动力学和通常遵循指数函数，虽然实际过程是相当复杂的。在该实验中，HFO燃料被发现显示出在低和高的温度区域之间的显著出不同的动态粘度，表明重油燃料在一般在室温附近，物理特性不遵循液体物质的动态粘度。因此，动态粘度的相关经验公式是来自测量这50个因素的实验结果，对实验结果进行相关协议的指数模型如图4所示。

众所周知，表面张力主要影响喷雾雾化过程。HFO 燃料的表面张力降低燃料温度，通过递减并不比由动态粘度测量中发现更大。据预计，在高温度燃料区域较低的表面张力，会促进重油燃料喷雾的发展。表面张力与温度相关的几个已被导出的经验公式，如厄缶和古根海姆–方山方程，该方程说明表面张力和温度之间的线性关系。在 HFO 燃料的情况下，表面张力与温度的曲线也适合的 Eotovos 方程，可以简化为线性关系燃料温度和表面张力。（图 5)。

3.2.喷射量和喷射率测量

60、 90 和 120 试验温度下被选为喷雾实验基于燃料性的能测试，结果和表 1 所示。特定燃料温度取决于在船用发动机的燃料，但是，温度变化，是为了调查喷雾特性作为燃料特性的函数视为实验条件中的一个。在喷雾实验中,喷射的稳定性是首要实验条件, 由于燃料的加压室的大小或高燃料粘度限制供会导致燃料量供给的不缺乏足。加压室的燃料需要足够的体积满足从多个大直径的喷嘴孔的每次喷射量。喷射率在燃料喷射量前测得，以确定喷射稳定性。关于注射速率术语的定义示于图3。

3.2.1.喷射压力的影响

图6显示注射压力的函数。注射压力被设置为40，80和120兆帕，以确定相关性。虽然注射波动扩大而压力增加，但他证实了燃料供给足够的最大注入压力为120 MPa和激励持续时间4.0 ms。注射率剖面与注射压力和瞬时最大注射率进行了比较，分析增加率和注射压力的作用。(如图 7) 根据裕方程，最大的注射速率与注射液与环境压力 (裕和荒井，1990年) 压差的平方根成正比。方程和实验结果之间被发现存在差异, 而高频振荡器的高动态粘度燃料可以降低喷嘴流流量系数。由于在喷射轮廓的变动，精确是比较困难的，;结果表明，重油燃料喷射的瞬时最大喷射率遵循裕康方程。在注射过程的长度缩短下，增加喷油压力的喷油延迟被发现没有具体的差异（图8）。

3.2.2.激励时间的影响

喷射量与激励持续时间是成正比的，只要通电持续时间足够长，使针便可完全解除。船用柴油发动机系统的激励持续时间足够长，以允许足够时间进行操作重型船舶系统生成。因此，通电时间条件设定为2.0，3.0和4.0毫秒; 从而增加注入持续时间并在这个实验中得到证实。。注射延迟是长于那些汽车喷射系统，可能是因为针阀上升过程中 HFO 燃料重属性和针的惯性造成的。虽然注射延迟被确定为取决于燃料温度，但整体注射开始被大大延迟于一般实验条件。注入剖面的初始部分必须与注射压力的条件下激励持续时间的函数保持一致。 在这个实验中，独立地进行了注射率剖面和注射量测量。测量的注入量被安排在注入剖面，并且十分符合。喷射持续时间与激励持续时间的增加说明满足了燃料的供给。

3.2.3.燃料温度的影响

注射率概况根据燃料温度如图 9 所示。作为一个功能的测试温度，可以观察到显着的差异，可以观察的配置有注射延迟，注射时间，和最大注入速率。如图所示，高燃油温度将导致更短的延迟注入和整体更大的注入剖面。 这一结果被表明影响喷油器燃油管路中的流动的燃料的特性变化。动力粘度是有关损失的粘性流动主要因素之一。有人表明，动力粘度对 HFO 燃料的影响是相当大的，因为动态是导致喷油延迟的原因，影响注射过程中的喷嘴流量和举针过程。在低温下，提高喷油剖面最大喷油率的原因之一是高的燃油密度。。

喷射提前在较低温度下完成，由于喷射开始晚，导致喷油持续时间在低粘度增加的燃料温度急剧下降。因此，动态粘度可以用温度为条件。由于这些现象的复杂结果，喷射量的减少可以提高燃料温度。注射压力、 活力持续时间和燃料温度对喷油量的影响图 10 所示。结果显示，实验变量的变化趋势基本一致。在整体条件下，喷射量成比例增加，注射压力被确认为遵循平方根和线性关系作为激励持续时间的函数。更高的燃油温度导致注射量的减少，可能是因为在每个温度条件下，燃料密度的差异下注射持续时间与燃料温度未被更改。虽然燃料的动态粘度影响喷射延迟，但喷射持续时间并不受燃料温度影响。

从底部视图图像测量喷嘴渗透，以将喷雾贯穿距转化为实际长度从而反映出油嘴的规模。喷嘴渗透性定义为喷雾的最远点和喷嘴尖端之间的距离。图11所示的左侧三个喷雾剂是测量的目标。喷雾发展的长度比光学窗口的可视化长。 喷雾剂的原始图像经过调整原始图像，这是因为HFO燃料喷雾显示具有光源散射少及HFO燃料其原有的深颜色和光吸收的特性。经过处理，后处理后,每个柱喷雾边界的测量和对原始的喷雾图像的确认结果。喷嘴渗透是以代码计算的，并定义为在喷嘴尖

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