生物柴油体积含量对表面张力影响的试验研究

2018-05-26张凯妹戴仁杰朱锡玉曹建明

汽车实用技术 2018年8期

张凯妹，戴仁杰，朱锡玉，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

引言

近年来，随着我国经济的快速发展，居民汽车保有量急剧增加，与此同时，汽车所带来的能源危机与环境问题也日益严重，寻求替代燃料，节省石油资源以及降低汽车尾气对环境的污染已成为汽车研究的重要内容，其中可再生生物质燃料生物柴油是目前研究的主要方向之一。目前上海公交公司已经试推行生物柴油公交车，但因为生物柴油具有高表面张力、高粘度、高冷滤点等缺点，现推广的只为体积含量为5%的B5掺混燃油。柴油机性能主要取决于燃烧室形状、缸内空气运动和喷油压力三者之间的配合[1]，同时也受到燃油雾化性能的影响，其中燃油的表面张力、密度和粘度是影响燃油雾化性能的重要因素[2]。常温下，生物柴油可与石化柴油以任意比例互溶，本试验通过测量不同掺混比燃油的表面张力系数，来得到掺混比对燃油表面张力的影响。

1 表面张力与生物柴油体积含量关系的试验

表面张力是指作用于液体表面，使液体表面缩小的力。表面张力的形成和处在液体表面薄层内的分子特殊受力状态密切相关。

如图1所示。表面张力的存在形成了很多日常生活中可以观察到的特殊现象，同样它也是评价燃油雾化性能的重要指标，对燃油在喷嘴附近的雾化过程有显著的影响。本试验的目的是研究不同体积含量的生物柴油对燃油表面张力的影响。

图2 表面张力测定台架示意图

图1 表面张力示意图

测量表面张力系数的方法有很多种，主要有悬滴法、最大气泡法、毛细管上升法等[3]。本试验利用毛细上升法的测定原理自主搭建表面张力测定台架，台架示意图如图2所示。试验过程中，以游标卡尺对尺寸进行定标，利用高清晰度CCD相机对试验结果进行取相，利用数字图像处理软件对获取图像进行处理，通过计算像素点的方法对玻璃毛细管的内径及待测液体在毛细管内受毛细作用力上升的高度进行测量，并利用公式1.1对各燃油的表面张力系数进行计算。

其中ρL为燃油密度；ρg为大气密度；g为当地重力加速度；r为毛细管内径；h为毛细管内燃油液面上升高度。

由公式1.1知，对燃油表面张力进行测定时，需先获取燃油密度，本试验利用石油产品密度计对20℃下纯柴油及纯生物柴油的密度进行测定，并利用公式1.2对各燃油的密度进行拟合，试验测得纯柴油密度为 825kg/L；纯生物柴油密度为878kg/L。

其中cB为生物柴油体积含量；ρB为生物柴油密度；ρD为柴油密度。

2 试验结果及分析

为了检验利用自主搭建试验台测量的可行性，对无水乙醇在20℃下的表面张力系数进行测定，测得无水乙醇的表面张力系数为0.0225 N/m，与NIST数据进行对比发现，此试验台具有较高的测量精度。本试验对B0、B20、B40、B60、B80、B100等6种燃油的表面张力进行测得，结果如图3所示，其中横坐标表示为燃油中生物柴油体积含量。

图3 生物柴油体积含量与表面张力系数的变化关系

结果表明，生物柴油的掺混量对燃油的表面张力系数有显著的影响，并且掺混燃油的表面张力系数随着燃油内生物柴油的体积含量而呈现近似线性的变化。王磊等人[4]通过对不同掺混燃油的喷雾特性进行试验并发现，燃油B24的雾化性能与 B0的雾化性能之间没有显著的区别，但生物柴油体积含量达到50%时则出现明显恶化，与本次试验数据进行对比发现，燃油表面张力系数在0.029～0.032N/m之间时，燃油的雾化性没有明显的区别，但燃油表面张力系数高出0.033N/m时，燃油的雾化性能则出现明显的恶化。