自Choi等^[1]发现少量的纳米粒子即可以显著提高流体的导热率以来，将纳米粒子以一定方式加入柴油中配制而成的纳米燃油得到了研究者们的广泛关注. 在柴油中加入纳米粒子，不仅能通过其增强燃油导热能力的特性提高燃油的燃烧效率，某些具有催化氧化或还原功能的纳米粒子还能显著降低发动机的污染物排放量. 邬齐敏等^[2]在一台186FA柴油机上燃用了质量浓度分别为50、100和150 mg/L的CeO₂纳米燃油，结果表明，纳米燃油的压力峰值、压升率峰值和放热率峰值等比柴油均略有增加，燃油消耗率略微降低，污染物排放量呈现不同程度的下降，有效热效率提升和污染物排放量降低的效果随着纳米粒子质量浓度增加而更显著. Lenin等^[3]在柴油中分别添加100 mg/L的MnO和CuO纳米粒子，发现纳米粒子可以略微提高燃烧热效率，在全负荷时最为明显，可以使有效热效率提升4%，不同工况下2种纳米燃油均不同程度地降低了HC、NO_x和CO排放量，且MnO纳米燃油降低排放量的效果优于CuO纳米燃油.

目前关于纳米燃油的研究主要集中在燃油基本物性、润滑效果以及燃烧与排放等方面^[4-5]. 在加入纳米粒子后，燃油中除了原有液体分子之间的相互作用力，还出现了异质粒子与液体分子之间的范德华力和界面作用，混合燃油的密度、黏度和表面张力等热力学参数发生变化，进而影响其射流雾化特性. 而喷雾过程对于燃烧室内油气混合、空间分布以及后续燃烧等至关重要，根据燃油喷雾特性合理地设计燃烧室以及确定合适的喷油策略，是新型燃油在发动机上清洁高效应用的必要过程. 研究者们已开展了乳化油、生物柴油和醇类等燃料的喷雾特性研究^[6-7]，而较少涉及纳米燃油喷雾特性. 为了完善燃烧净化程度和提升燃烧效率，有必要对纳米燃油的喷雾特性进行研究与分析.

本文探索纳米粒子在柴油喷雾过程中的作用及影响，在可视化高压共轨喷雾试验台上，研究不同喷射压力与环境背压下纳米燃油与柴油等燃油的喷雾贯穿距、喷雾锥角等宏观特性参数，为其在发动机上的优化应用提供参照和基础数据.

选用适量的CeO₂纳米粒子加入柴油制备纳米燃油. CeO₂中的Ce在一定条件下可以实现Ce³⁺/Ce⁴⁺价态转换，并伴随着吸收和释放氧原子，因而具有优异的催化功能. 纳米尺度的CeO₂具有更卓越的催化性能，已成为目前应用广泛的催化剂^[8]. CeO₂纳米粒子购自北京德科岛金科技有限公司，其主要参数如表1所示.

悬浮液中的纳米粒子由于表面能高、范德华引力等因素有自发团聚、沉降的趋势^[9]，在悬浮液中添加表面活性剂，通过双静电层和空间位阻效应可以有效延缓纳米粒子的团聚^[10]. 选择油酸作为表面活性剂，同时考虑纳米燃油的稳定性，并消除表面活性剂对燃油喷雾的影响，在基液柴油及不同质量浓度的纳米燃油中，均加入0.6%的油酸^[11]. 在制备过程中，首先用微克天平称量制备50 mg/L与100 mg/L纳米燃油所需的CeO₂纳米粒子，与油酸及柴油基液共同进行机械搅拌，随后将初步分散的纳米燃油置于超声波振荡仪中进行超声振荡30 min，获得均匀稳定的纳米燃油Ce50和Ce100.

燃油的密度、黏度和表面张力对其喷雾特性影响最为明显，在深入探索纳米粒子对燃油喷雾特性的影响之前，采用奥地利DMA-4100高精度密度计、NDJ-5S旋转式黏度计和JC2000C1型接触角测量仪测量柴油 (Diesel) 与纳米燃油的密度、黏度和表面张力，测量结果如表2所示. 表中，ρ为密度，η为黏度，σ为表面张力. 从表2可以看出，随着燃油中纳米粒子质量浓度增加，纳米燃油的黏度相对于柴油的增幅加大，纳米燃油的密度与表面张力也略微大于柴油，但增加量较小.

采用法国EFS公司8400喷雾测试系统进行柴油和纳米燃油喷雾试验，该套装置主要包括燃油喷射系统、喷油器适配器、定容弹、背压控制单元、高速摄影机和同步控制系统等，如图1所示. 定容弹直径为110 mm，高110 mm，喷油器安装在顶盖中央，在定容弹底部和侧面安装有2个石英窗和高速相机，通过一个触发器使高速摄影机的拍摄与喷油器喷油过程同步，在控制器向喷油器发送喷油电信号的同时打开LED背景灯并让摄像机开始拍摄. 定容弹的设计压力为5.2 MPa，通过向定容弹内充入纯度大于98%的氮气来提供背景压力，通过调压阀来调节定容弹内的压力，并实现向定容弹内充气、排气功能.

在高压共轨喷雾试验台中，通过设定喷油器的驱动电流参数来控制电磁阀的开启及持续时间，从而控制喷油器喷油过程. 喷油器型号为博世CRI1-20六孔喷油器，喷孔直径为0.14 mm，该喷油器最大流量为655 mL/min，相对的2个喷孔之间的锥角为155°. 喷油持续期对于喷雾在达到稳定状态之后的宏观特性影响不大，控制喷油脉宽都为1.5 ms. 由于喷油器针阀开启和关闭需要一定的时间，实际喷油时间在1.9 ms左右.

由于共轨系统的电磁信号到针阀运动存在一定的液力延迟现象. 拍摄时刻从控制器发出喷油信号后300 μs开始，在300~800 μs，喷雾油束的贯穿距和喷雾锥角有较大变化，每隔50 μs拍摄一次；在800~2 000 μs，由于喷雾发展较为稳定，每隔100 μs拍摄一次. 为了提高数据处理精度，从油束长度明显超出喷雾图片中喷油器干扰区域的喷油时刻起开始计算贯穿距和喷雾锥角，油束碰壁以后的图像不作处理.

在喷雾试验中，各稳定工况下每次的喷雾油束形态基本一致，在每一工况下的多次喷雾中，依次序获取指定时刻的喷雾图像并按序排列，即相当于得到某一工况下同一次喷雾在不同喷雾油束发展时刻的图像. 在各工况下的每个时刻，拍摄3张喷雾图片并进行平均处理.

在环境温度为300 K的条件下，以喷射压力与环境背压为控制变量，设计喷雾试验方案如表3所示. 表中，p_s为喷射压力，p_b为背压.

本文喷雾的宏观特性主要由喷雾贯穿距和喷雾锥角2个参数来表征. 贯穿距的定义如下：从喷油器顶点到喷雾轮廓最远处的距离；喷雾锥角的定义如下：从喷油器顶点引2条直线，与喷雾油束60%贯穿距离处的外轮廓相切，2条直线之间的夹角即为喷雾锥角^[12]. 应用Matlab软件对喷雾图像进行处理，主要包括背景去除、喷雾油束增强、喷雾图片二值化和喷雾油束提取边界等过程，其中边界提取采用edge函数和canny算子^[13]. 使用ginput取点函数获得喷油器喷孔的中心坐标，通过喷孔夹角及空间几何关系等，获得喷雾贯穿距和喷雾锥角，并求取6个油束的喷雾特性参数的平均值，以减少误差. 图2展示了喷雾图片处理的过程，从图3可见，所提取的边界与喷雾轮廓吻合度高，又喷雾宏观特性的计算取决于提取的边界，说明喷雾宏观特性的测量具有较高的准确性.

在喷射压力为120 MPa、环境背压为2 MPa的条件下，柴油与Ce50和Ce100纳米燃油在不同喷雾时刻的喷雾图像分别如图4所示. 可以看出，在整个喷雾发展阶段，纳米燃油宏观喷雾形态与柴油差异较小，在相同的喷雾油束发展时刻，纳米燃油的贯穿距比柴油略长一些，且随着纳米粒子质量浓度增加，这种趋势更为明显，同时柴油喷雾前锋面开始发散的时刻略早于纳米燃油.

如图5所示为柴油在背压为2 MPa而喷射压力不同时贯穿距D随时间t的变化过程，可见喷射压力对燃油贯穿距的影响明显. 喷射压力越大，由伯努利方程知，燃油离开喷嘴的初始速度越大，射流的初始动能增大，在相同背压和环境温度条件下，喷雾贯穿距增加^[14]. 如图6所示为在2 MPa背压下喷射压力不同时柴油与纳米燃油的贯穿距D的对比. 与柴油相比，纳米燃油的贯穿距略有增加，Ce100的贯穿距略大于Ce50的贯穿距. 随着射流喷雾的发展，在空气阻力以及燃油与空气卷吸作用下，2种燃油的贯穿距增长速度都开始放缓. 纳米燃油的贯穿距始终大于柴油，且两者的差值随着射流发展缓慢增加.

纳米燃油贯穿距大于柴油的主要原因是纳米燃油的密度、黏度以及表面张力等均大于柴油，黏度及表面张力越大，燃油在射流过程中就越不易被破碎，较大液滴在喷雾场中的惯性动量较大，贯穿距更大，由此可知Ce100燃油贯穿距也大于Ce50燃油. 当喷射压力从80 MPa提高到120 和160 MPa时，与柴油相比，Ce50燃油的贯穿距分别增加了1.4、1.9 和2.4 mm，而Ce100燃油的贯穿距分别增加了2.1、2.9和3.7 mm. 从中也可以看出，在相同喷射压力下，粒子质量浓度高的纳米燃油的贯穿距的增幅更大.

随着喷雾的发展，油束与周围气体之间的作用开始加强，削弱了燃油物性（主要是黏度和表面张力等）和初期流动状态的影响，致使纳米燃油与柴油之间贯穿距的差距随时间的增长而缓慢增加，说明纳米燃油喷雾场中的二次破碎效果不如柴油. 原因可能是纳米燃油中除了液滴分子之间的吸引力，还存在着液粒之间的吸引力和表面作用能，导致液滴破碎更为困难.

如图7所示为柴油在背压为2 MPa而喷射压力不同时的喷雾锥角θ变化. 喷雾初期，燃油刚从喷孔喷出，发生初次雾化，油束较为集中，喷雾形态还未发展完全，与定容弹内气体的相互作用十分微弱，此时喷雾锥角较小. 随着射流发展，喷雾前锋面上燃油与定容弹内气体的卷吸作用开始加强，喷雾锥角迅速增大，在达到最大值后，喷雾锥角开始缓慢减小. 这是由于在喷雾油束的运动过程中，贯穿距不断增加，使喷雾锥角有减小的趋势，而喷雾前锋面的扩散使喷雾锥角有增加的趋势. 总体而言，贯穿距增加使喷雾锥角变小的作用效果比喷雾前锋面扩散使喷雾锥角变大的作用效果更明显.

喷射压力的提升会略微增大喷雾锥角，因为提高喷射压力会提升射流的初速度与湍流强度，使其在离开喷孔后具有较大的径向和轴向动能. 喷雾速度和湍流强度的提升，使得在定容弹内油束卷吸周边气体的作用更强，促使燃油向径向方向发展，从而使喷雾锥角略微增加，有利于提高初次雾化效果. 在喷雾中后期，由于喷射压力提高，喷雾油束贯穿距增加更明显，导致喷雾锥角相对变小.

如图8所示为在背压为2 MPa而喷射压力不同时柴油与纳米燃油的喷雾锥角θ的对比. 纳米燃油的黏度与表面张力均大于柴油，同时纳米粒子降低燃油喷孔内流动阻力的特性使纳米燃油射流在离开喷孔时的湍流强度降低，这两个原因导致纳米燃油初始破碎程度弱于柴油，喷雾沿轴向的运动发展更强烈，因而喷雾锥角小于柴油，Ce100燃油由于燃油黏度和表面张力更大，降低喷孔内湍流的效果更明显，其喷雾锥角也更小. 但是纳米燃油与柴油喷雾锥角之间的差异并不明显. 与提高喷射压力使纳米燃油的贯穿距增加更为明显类似，提高喷射压力也略微增大了纳米燃油相对于柴油喷雾锥角减小的幅度.

如图9所示为喷射压力保持120 MPa不变时不同背压下柴油的贯穿距D. 如图10所示为相同条件下柴油与纳米燃油贯穿距D的对比. 从中可以看出在相同喷射压力下，当背压升高时，柴油与纳米燃油的贯穿距都有所降低. 背压增加时，喷孔的内外压差变小，燃油射流喷孔出口初始速度降低，初动能随之减小. 同时，背压增加将导致定容弹内气体密度增加，燃油射流油束在发展过程中遇到更大的阻力，使喷雾油束与周边气体的卷吸作用增强，造成在相同条件下燃油贯穿距减小^[15]. 在不同背压下，纳米燃油的贯穿距仍然大于柴油，其机理与不同喷射压力时纳米燃油贯穿距大于柴油相同. 背压变化对于纳米燃油相对于柴油贯穿距的增加幅度有一定影响. 在喷射压力120 MPa的条件下，当背压分别为1、2和4 MPa时，与柴油相比，Ce50的喷雾贯穿距分别增加了2.1、1.4和0.9 mm，Ce100的喷雾贯穿距分别增加了3.4、2.4和1.8 mm. 可见，随着背压增加，纳米燃油与柴油在喷雾贯穿距上的差异在减少，这是由于背压增加造成定容弹内空气密度增加，强化了燃油在喷雾发展过程中与空气的作用，在一定程度上削弱了纳米粒子延长燃油喷雾贯穿距的作用.

背压增加对于柴油与纳米燃油喷雾锥角的改变也较为明显，如图11所示为喷射压力保持在120 MPa时，不同背压下柴油的喷雾锥角θ. 可见，随着背压增加，柴油和纳米燃油的喷雾锥角均有小幅增加，环境背压越大，喷雾锥角的差异越明显. 当背压增加时，定容弹内气体的密度也随之增加，燃油与空气的密度差减小，射流油束在运动过程中遇到的阻力明显增加，同时增强了油束与定容室内气体的卷吸作用，促使其往径向方向扩散，从而使喷雾锥角增加.

如图12所示为相同条件下，柴油与纳米燃油喷雾锥角 $\theta $的对比. 在不同背压下，纳米燃油喷雾锥角比柴油小，Ce100燃油的喷雾锥角小于Ce50燃油. 较高的背压会弱化纳米燃油与柴油喷雾锥角之间的差距，且背压越高，弱化效果越明显.

（1）纳米异质粒子改变了密度、黏度和表面张力等基础物性参数，与柴油相比，Ce50和Ce100纳米燃油的黏度增加2.1%和4.7%，密度和表面张力的增加幅度较小.

（2）在相同喷射压力下的不同喷雾发展时刻，纳米燃油的喷雾贯穿距大于柴油，喷雾锥角略小于柴油. 在背压为2 MPa、喷射压力分别为80、120和160 MPa时，与柴油相比，Ce50纳米燃油的喷雾贯穿距分别增加了1.4、1.9和2.4 mm，Ce100纳米燃油的贯穿距分别增加了2.9、2.9、3.7 mm. 随着喷射压力提高，纳米燃油相对于柴油的贯穿距和喷雾锥角的差异不断加大.

（3）在喷射压力为120 MPa、环境背压分别为1、2和4 MPa时，与柴油相比，Ce50纳米燃油的喷雾贯穿距分别增加了2.1、1.4和0.9 mm，Ce100纳米燃油的贯穿距分别增加了3.4、2.4和1.8 mm. 随着燃油喷射的背压增加，油束的贯穿距离缩短而喷雾锥角变大，纳米燃油相对于柴油的贯穿距和喷雾锥角的差异都有所减弱.