生物柴油喷雾特性研究进展

陈旭博，耿莉敏，李士杰

（长安大学 陕西省交通新能源开发、应用与汽车节能重点实验室，陕西 西安 710064）

工艺装备

生物柴油喷雾特性研究进展

陈旭博，耿莉敏，李士杰

（长安大学 陕西省交通新能源开发、应用与汽车节能重点实验室，陕西 西安 710064）

文章通过总结前人研究成果，阐述了生物柴油喷雾特性研究进展，探索生物柴油喷雾特性进一步研究的方向。研究发现生物柴油的贯穿距离和索特平均直径比柴油大，喷雾锥角比柴油小，并且粘度对其雾化质量的影响最大；添加醇类和醚类可以明显改善生物柴油的雾化特性。指出开展生物柴油喷嘴内流动的仿真和试验研究具有重要意义。

生物柴油；喷雾特性；贯穿距离；喷雾锥角；索特平均直径

CLC NO.: U461.99 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-151-02

前言

现今，在能源紧缺和环境污染日趋严峻的形势下，生物柴油良好的环境效益、使用安全性和可再生性，使之成为世界各国新能源开发的热点[1]。燃料的雾化特性是影响燃烧的主要因素，因此改善其雾化特性是提高发动机的动力性、经济性和降低排放最为直接有效的方式之一[2]。

1 生物柴油的理化性质

在燃料的雾化过程中，液体的密度、粘度和表面张力极大地影响着燃料在喷嘴内的流动特性和雾化质量。朱思巍等人[3]将生物柴油主要理化性质参数与石化柴油进行对比，得到结果：两种燃料的动力粘度、表面张力、密度都随温度增大而减小；生物柴油的各参数值在一定范围内总是大于石化柴油；随着温度的升高，两者的动力粘度和密度相差不大，两者表面张力差值基本恒定。

C.E. Ejim等人[4]的研究表明，对生物柴油雾化质量影响最大的因素是运动粘度，SMD减小的90%取决于粘度，而密度对SMD的影响不到2%。这也与Subhash Lahane等人[5]的研究结论生物柴油的粘度是SMD的主要影响因素不谋而合。因此在替代燃料研究中，粘度应是首要考虑的物性参数。

2 改性生物柴油的喷雾特性

由于国家对发动机排放性能指标要求的日益严苛，单纯使用生物柴油难以推广。越来越多的学者开始着手探究添加剂对生物柴油雾化特性、燃烧特性的影响，并且已经取得一定的成果。

2.1 生物柴油添加正丁醚的喷雾特性

Li Guan等人[6]在高压共轨燃料喷射系统上进行了大豆生物柴油、正丁醚（DBE）/生物柴油混合物、0#柴油的喷雾特性研究。结果表明：随着DBE掺入生物柴油中，贯穿距离减小，喷雾锥角增加，并且混合燃料中DBE的体积分数达到30%时，贯穿距离，喷雾锥角与柴油相当。DBE混合到生物柴油中，使得SMD明显减小，这表明添加DBE可以促进生物柴油的雾化。

Chenglong Tang 等人[7]在同样的试验仪器上进行了近喷嘴处大豆生物柴油、正丁醚/生物柴油混合物、0#柴油的喷雾特性研究。结果表明，当生物柴油中加入30%的DBE时，喷雾锥角有所增加。

2.2 生物柴油添加正丁醇的喷雾特性研究

Jun Mo等人[8]在共轨燃料喷射系统中进行了添加正丁醇对大豆生物柴油喷雾特性影响的实验研究。试验比较了两种燃料，纯大豆生物柴油（B100）和生物柴油/正丁醇混合燃料（B80）的喷雾特性。结果表明，由于B100有较高的粘度和表面张力，与B80相比，B100有更长的贯穿距离和液滴直径。

因此，添加醇类和醚类可以明显的改善生物柴油的喷雾特性，进而改善燃用生物柴油发动机动力性、经济性以及排放性，为生物柴油在柴油机上的推广应用提供了理论支持。

3 喷射参数对生物柴油喷雾特性的影响

不同喷射参数对生物柴油喷雾特性的影响基本和一般液体燃料喷雾研究一样，随着喷射压力、燃料温度和环境温度的升高，雾化质量也相应提高。因此可以将柴油喷雾特性研究的部分成果应用于生物柴油喷雾研究，用已有的理论知识来指导正在或将要进行的科学研究。

4 结语

运动粘度是对生物柴油雾化特性影响最大的物性指标。由于生物柴油的粘度、密度、表面张力均比较大，往往在喷雾特性上表现出较大的贯穿距离、SMD和较小的喷雾锥角。添加醇类和醚类可以明显地改善生物柴油的喷雾特性。目前，国内外主要研究生物柴油出喷嘴后的雾化特性，受试验条件限制对喷嘴内流动特性研究甚少，可以在开展喷嘴内三维数值模拟的同时，通过喷嘴内流动特性试验验证数值模拟结果，进一步修正数值计算模型和参数，使仿真结果与试验结果拟合良好。

[1] Sorate KA, Bhale PV. Biodiesel properties and automotive system compatibility issues[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015, 41: 77-98.

[2] 曹建明.液体喷雾学[M] . 北京:北京大学出版社, 2013.

[3] 朱思巍,戴曦.基于多参数的生物柴油物理特性分析[J]. 中国水运,2014: 326-330.

[4] C.E. Ejim, B.A. Fleck. Analytical study for atomization of biodiesels and their blends in a typical injector: Surface tension and viscosity effects[J]. Fuel, 2007, 86: 1534-1544.

[5] Subhash Lahane, K.A. Subramanian. Impact of nozzle holes configuration on fuel spray, wall impingement and NOx emission of a diesel engine for biodiesel & diesel blend (B20)[J]. Applied Thermal Engineering , 2014, 64: 307-314.

[6] Li Guan, Chenglong Tang. Effect of di-n-butyl ether blending with soybean-biodiesel on spray and atomization characteristics in a common-rail fuel injection system[J]. Fuel, 2015, 140: 116-125.

[7] Chenglong Tang, Li Guan. Effect of di-n-butyl ether blending with soybean-biodiesel on the near-nozzle spray characteristics[J]. Fuel,2017, 191: 300-311.

[8] Jun Mo, Chenglong Tang. Experimental investigation on the effect of n-butanol blending on spray characteristics of soybean biodiesel in a common-rail fuel injection system[J]. Fuel, 2016, 182: 391-401.

Research progress in the spray characteristics of biodiesel

Chen Xubo, Geng Limin, Li Shijie
( Key Laboratory of Shaanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Chang’an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

The purpose of this paper was to understand the research progress and explore the new research direction about biodiesel spray characteristics through summarizing predecessors' research results. Available literatures show that the spray tip penetration(STP) and Sauter mean diameter(SMD) of biodiesel are larger than those of diesel, the cone angle of biodiesel is smaller than that of diesel, viscosity of the biodiesel has the most effect on atomization quality. Adding alcohols and ethers in biodiesel can greatly improve its atomization characteristics. Finally, this paper propose that it is important significance to develop simulation and experimental research on the biodiesel flow in the nozzle.

biodiesel; spray characteristics; spray tip penetration; cone angle; Sauter mean diameter

U461.99 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-151-02

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.051

陈旭博（1993-），硕士研究生，就读于长安大学，燃料喷射与雾化。

陕西省交通新能源开发、应用与汽车节能重点实验室开放课题资助项目（310822161121）；中央高校基本科研业务费资助项目（310822172203）。