柴油和生物柴油喷雾特性研究

2018-06-01朱锡玉戴仁杰张凯妹武奎曹建明

汽车实用技术 2018年10期

朱锡玉，戴仁杰，张凯妹，武奎，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

引言

随着化石燃料的枯竭和排放法规的日益严格，寻找可再生的清洁能源成为有价值的研究课题。近年来对发动机“清洁代用燃料”的研究和开发，越来越受到人们的关注[1-2]。生物柴油是一种原料来源非常广泛的绿色环保可再生能源，可与柴油以一定比例混合后直接在柴油机上使用[3]。于是成为代替化石燃料的理想能源。燃料喷雾质量的优劣对发动机的燃烧和排放产生重要影响。燃烧技术的进步与喷雾技术密切相关，相互促进，共同提高[4]。柴油和生物柴油的组成成分和理化性质有很大不同，这导致它们的喷雾特性亦有较大差异，本论文将进行深入分析比较它们之间的差别。

本实验是在喷雾特性实验台上通过手压油泵将柴油和生物柴油喷到马尔文激光粒度分析仪上，来得到实验数据，并且计算喷雾特性数值比较得出结论。

1 喷雾特性试验

本实验选用特制单孔喷油器来进行喷雾实验，喷孔直径为0.366mm，喷射压力为21mpa。通过实验得到数据来计算柴油和生物柴油的索特平均直径、尺寸数目分布和累积体积分布等微观喷雾特性参数，进而来比较评价柴油和生物柴油的喷雾特性。

实验装置主要有喷射系统、马尔文激光粒度分析仪和装有处理软件的电脑组成。微观喷雾测试系统实验台示意图如图1所示。本实验采用的喷射系统由手压泵、高压油管和喷油器组成，操作简单。马尔文激光粒度分析仪由英国马尔文仪器有限公司制造，该分析仪的主要参数：常用测量范围为2μm～2000μm的微粒；采用750 mm透镜，光源为632.8 nm、5 mW氦氖激光器；最大采样速率为连续模式1 Hz；快速模式2.5 kHz；精确度为测量误差小于±1%。装有处理软件的电脑的能快速得到实验数据，准确可靠，为后续实验数据处理分析提供方便。

图1 微观喷雾测试系统实验台

2 实验结果与分析

2.1 油滴的索特平均直径

由于喷雾液滴的尺寸分布函数较为复杂，为方便起见，许多关于喷雾的研究都仅采用液滴的平均直径[5]。索特(Sauter)平均直径（SMD)的定义为：假定一次喷雾的液滴大小均相同，则液滴体积与表面积的比值称为索特(Sauter)平均直径。油滴的索特直径越小，雾化越好。

表1 油滴的索特平均直径

由表1可以看出生物柴油的索特平均直径大于柴油的索特平均半径，柴油的雾化质量好于生物柴油，这是因为生物柴油的密度、黏度和表面张力大于柴油，生物柴油喷雾油滴粒度较粗，油滴碰撞而粘合成较大油滴的概率增大，使喷雾场的油滴平均直径增大。

2.2 油滴的尺寸数目

本实验做出了柴油D100和生物柴油B100的喷雾油滴尺寸数目分布PDFN。

图2 油滴的尺寸分布

油滴的尺寸分布如图2所示，由图可以看出柴油和生物柴油的变化趋势大致相同，先上升达到一个峰值再下降，然后渐于平缓。两种油料的分布曲线峰值均位于4.20um附近，说明小颗粒的油滴较多。小颗粒的粒子越多，大颗粒的粒子越少，雾化质量越好。从图上可以看出生物柴油的峰值大于柴油的峰值，说明柴油的小尺寸颗粒数目多于生物柴油。由此可以看出在相同的喷射压力下，生物柴油的雾化质量比柴油差。

2.3 油滴的累计体积分布

如图3所示柴油D100和生物柴油B100的累计体积分布。在油滴的累积体积分布曲线中，它们代表某一直径以下的所有液滴的体积占全部液滴总体积的百分比。

由图可以看出两种燃料的曲线都是上升的。由图2和图3可以看出小尺寸的油滴数目很多，但是占的体积不大，说明大尺寸油滴的体积对体积分布曲线影响大。从图3还可以看出，56um以下的柴油油滴体积在总体积中的占比达到90%以上，64um的生物柴油油滴体积在总体积中的占比达到90%以上。这说明同一累计体积下对应生物柴油的油滴尺寸大于柴油的油滴尺寸，说明柴油的小油滴尺寸多于生物柴油的小油滴尺寸，进一步说明生物柴油的雾化质量比柴油差。

图3 油滴的累计体积分布

2.4 油滴尺寸的特征直径

在喷雾液滴尺寸分布更深入的研究中，有时不仅仅列出液滴的平均直径，也不单单给出分布函数，而是在分布曲线中再找出几个特征点进行分析。这些特征直径对于某些情况下液滴尺寸分布的探讨很有价值。在液滴尺寸分布曲线中，它们代表某一直径以下的所有液滴的体积占全部液滴总体积的百分比，并将此比值以符号下标的形式标出，以示区别。

其中D0，1——小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的。

D0.5——小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的50%，该直径左右侧体积分布曲线下的面积相等。

D0.9——小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的90%。

D0.999——一般为最大直径。

表2表示柴油和生物柴油在21MP起喷压力下的特征直径。生物柴油的特征直径均大于柴油的特征直径，说明生物柴油中大尺寸颗粒多余柴油的大尺寸颗粒，生物柴油的雾化质量比柴油差。