柴油/生物柴油混合燃料喷雾特性试验研究

2017-09-15束海波田茂盛邵毅明韩东鑫

制造业自动化 2017年8期

关键词：锥角柴油喷雾

束海波，田茂盛，邵毅明，韩东鑫

（1.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074）

柴油/生物柴油混合燃料喷雾特性试验研究

束海波1，田茂盛2，邵毅明2，韩东鑫1

（1.重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074）

为了揭示柴油/生物柴油混合燃料的喷雾特性，本试验重点研究了生物柴油在不同掺混比下的喷射与雾化性能。试验利用马尔文激光粒径检测仪分别测试了在燃油喷束200mm、300mm、400mm和500mm处的燃油喷雾索特直径（SMD）和粒径累积体积分布情况，同时还利用喷纸试验法对B0、B10、B20、B50和B100燃油喷束的喷雾锥角进行了测试。试验结果表明，随着生物柴油掺混比的增大，混合燃料的喷雾锥角逐渐减小，但燃油喷雾索特直径呈逐步增大的趋势。另外试验还发现，喷射燃油粒径累积体积分布随掺混比的增大向较大粒径方向移动，这表明燃油喷雾中大粒径液滴数量增多，燃油喷雾质量变差。

生物柴油；试验；喷雾特性；掺混比例

0 引言

生物柴油是一种性能优势明显的发动机代用燃料，它具有一些突出的优点：生物柴油含硫量低、不含芳香烃、不增加二氧化碳排放，具有优良的环保性；十六烷值高、含氧、燃烧性能和润滑性能好，具有良好的燃料性能[1]；其闪点高于石化柴油，生物降解率高；其挥发性较低、无毒性，不属于危险燃料，运输、储存与使用等方面都具有明显的安全性；能与石化柴油以任何比例相溶，可以方便地配置成混合燃料[2]。

当前，国内外针对生物柴油的性能做了大量的试验研究工作。研究发现，生物柴油和柴油的理化性能有着较大的差别，生物柴油在应用的过程中不能和柴油同等对待[3]。在20℃条件下，生物柴油运动粘度比柴油高出62.8%，密度比柴油的大4.6%，表面张力比柴油的大7.1%，而且生物柴油的蒸发性也比柴油更差，生物柴油的平均沸点比柴油的高出69℃，以上这些因素都会导致生物柴油以及添加了生物柴油的混合燃料的喷雾特性发生变化。而喷雾特性的变化，将影响到内燃机缸内混合气的组织以及燃烧过程，对内燃机的动力性、经济性以及排放产生很大的影响。因此，有必要对生物柴油的喷雾特性进行研究，明确其雾化机理。另外，研究生物柴油喷雾特性，可以帮助提高生物柴油的喷雾质量及其燃烧热效率，降低有害气体的排放，加快生物柴油作为替代燃料在汽车上的应用，以缓解我国能源矛盾和环境保护压力。

喷雾特性直接影响柴油机的性能[4]，而生物柴油作为柴油的替代燃料，其理化特性与柴油有一定的差异性，对燃料的喷射和雾化特性产生一定的影响，进而影响混合燃料的燃烧和排放特性[5]。为揭示生物柴油燃料潜在的喷雾特性，本文采用激光粒径试验法和喷纸试验法分别测试了生物柴油喷射过程粒径分布与喷射油束几何发展形状。

1 试验平台及方法

为了检测在不同掺混比条件下生物柴油燃料的喷雾特性，了解掺入不同比例生物柴油对喷射雾化的影响，本试验搭建了相应的试验台架，试验原理如图1所示。

图1 试验台架示意图

试验系统由手压油泵、马尔文激光粒度仪、喷油器、电脑及相关软件所组成。手压油泵试验台提供16-22MPa范围内的泵油压力，喷油器为PB2型轴针式喷油器，喷射压力为18MPa左右，利用马尔文激光粒度仪检测燃油喷雾的粒径分布，并将检测结果输入电脑进行分析和处理。

本试验主要检测生物柴油以及柴油中掺入不同比例生物柴油后对喷雾质量的影响。其中，生物柴油及柴油的相关物理性质如表1所示[6]，喷油器喷油压力为16MPa，并将燃油喷入大气环境中进行测量。

表1 生物柴油和柴油的理化性质

试验分别测试纯生物柴油（B100）、纯柴油（B0）、柴油中混入10%生物柴油（B10）、柴油中混入20%生物柴油（B20）、柴油中混入50%生物柴油（B50）这几种条件下的喷雾特性。同时，为了更详细、全面、准确地了解生物柴油对喷雾质量的影响，在B0、B10、B20、B50和B100喷雾试验过程中，利用马尔文激光粒径检测仪分别测试了在燃油喷束200mm、300mm、400mm和500mm处的燃油喷雾索特直径（SMD）和粒径累积体积分布情况。此外，还利用喷纸试验法对B0、B10、B20、B50和B100燃油喷束的喷雾锥角进行了测试。

2 试验结果与分析

2.1 喷雾锥角

为了对比柴油与生物柴油喷嘴出口的雾化情况和喷雾锥角的差别，用喷射白纸浸湿的方法测量了B0、B10、B20、B50和B100的喷雾锥角。测量方法是在喷孔下方垂直距离为300mm处放一张白色打印纸，然后压动手压油泵手柄，当燃油喷射到白色打印纸上时，喷雾会将白纸浸湿，立即测量白纸上湿润印记的直径，利用图2的试验示意图及其所对应的几何关系，经简单计算就可得到喷雾锥角(图中a为喷雾锥角)，计算结果如图3所示。

图2 喷雾锥角测量示意图及对应的几何关系

图3 不同掺混比混合燃料的喷雾锥角

燃油在较高压力下从喷嘴喷出以后，受气流扰动作用而碎裂。其喷雾特性受到液体的密度、粘度和表面张力等物理性质的作用。从图3中可以看出，随着掺混比例的增加，混合燃料的喷雾锥角逐渐减小，其减小幅度逐渐增大。这主要是由于生物柴油的运动粘度较大引起的[4]，液体的粘性通常会影响雾化质量，使之变差，当液体的粘度很高时，锥形液束可能会变成一条长长的直线，因而生物柴油较大的运动粘度致使燃油油滴的进一步碎裂更加困难，喷雾锥角变小。另外，生物柴油的挥发性较柴油差，增大掺混比会使喷雾锥角变小[7]。

2.2 雾化液滴的索特直径

对喷雾雾粒的统计平均直径的评价有很多方法，有算术统计平均直径，几何统计平均直径，最为常用的是索特平均直径（SMD）。其原理是将所有的雾粒用具有相同表面积和体积的均一直径的圆球来近似表示，这一圆球直径即为索特直径。索特直径是评价燃油喷雾质量很重要的一个指标，试验在大气环境中测量了B0、B10、B20、B50和B100在喷油器喷油压力为18MPa，燃油喷束分别为200mm、300mm、400mm和500mm处的燃油喷雾索特直径（SMD）。试验结果如图4所示。

由图4可以看出，随着生物柴油掺混比的增加，燃油喷雾索特直径呈逐步增大的趋势，在离喷嘴距离300mm范围内，各种掺混比生物柴油索特直径变化较小。当油束喷射距离超过300mm以后，各种掺混比生物柴油索特直径变化较大。同时，各种掺混比生物柴油喷雾的索特直径随着喷束距离的增加而呈增大的趋势，纯柴油B0以及B10、B20、B50和纯生物柴油B100燃油喷束500mm时的索特直径与200mm时相比，增加率分别为19.2%、40.1%、42.4%、28.8%和41.9%。这主要是由于喷雾刚离开喷嘴时，由于喷射压力较高，高速喷束在空气阻力作用下发生强烈的卷吸作用，使一部分液滴雾化。随着燃油喷束的发展，喷束动力降低，速度下降，空气的卷吸作用减弱。同时一部分细小的微粒雾化，只剩下一部分细小的微粒和较大的微粒继续向前运动，并继续碎裂成细小的液滴。同时，由于液滴的相互碰撞运动，也使一部分小液滴结合生成较大的液滴。因此，燃油喷雾的索特直径随着喷束距离的增加而增加，并且随着生物柴油掺混比的增加，索特直径增加幅度越大。这说明生物柴油与柴油混合后，喷雾液滴中大颗粒油滴的数目增多，混合燃料得雾化质量变差。

图4 生物柴油在不同测量距离时的索特直径

2.3 雾化液滴的尺寸分布

喷雾质量除了可用索特直径来评价之外，喷雾场中各种尺寸粒径的分布状况也是一种评价参数，因此，试验测试了喷雾粒径的累积体积分布。图5至图9为试验测试获得的B0、B10、B20、B50和B100不同掺混比生物柴油在喷束距离为500mm处的粒径累积体积分布图形。

图5 B0在喷束距离为500mm处的累积体积分布

图6 B10在喷束距离为500mm处的累积体积分布

图7 B20在喷束距离为500mm处的累积体积分布

图8 B50在喷束距离为500mm处的累积体积分布

图9 B100在喷束距离为500mm处的累积体积分布

试验结果可以发现，B0、B10、B20、B50和B100的Rosin Rammler直径分别为34.67μm、42.03μm、37.09μm、37.21μm和41.32μm。均匀性指数分别为2.03、1.89、2.17、1.93和1.97。因此，由试验结果可以看出，随着生物柴油掺混比的增加，累积体积分布曲线向着较大粒径方向移动，燃油喷雾中大粒径液滴数量增多。另外，燃油喷雾均匀性随掺混比的变化较复杂，液滴尺寸分布均匀度B20最高，B10最低，B0、B50和B100的尺寸分布均匀度较为接近。