微气泡柴油燃料的蒸发特性研究

佟 默,时晓杰,吴卫明,王顺有

1.滁州学院机械与电气工程学院,安徽滁州，239000；

2.滁州嘉远微车科技有限公司,安徽滁州，239000

近年来，受到全球变暖、温室效应、能源紧缺等因素的影响，环境与能源问题越来越受到各国政府的重视。由于柴油发动机具有较高的热效率和相对清洁的排放特性[1]，所以得到了广泛使用。与此同时，为了应对更高级别，更加严苛的排放法规，进一步提升柴油机的燃烧效率，众研究学者提出了多种解决方案。如清洁柴油发动机技术(新型燃烧技术、柴油共轨燃料喷射技术、废气再循环技术等)和后处理技术(氧化催化还原技术、颗粒物捕捉技术、选择性催化还原技术等)[2]。同时，从燃烧源头入手，对燃料改善的研究也取得了一定的突破，如替代燃料的使用、燃料的预处理技术等。以生物柴油和乳化柴油燃料为代表性的研究结果表明，处理后的燃料燃烧更加充分，实现了高效清洁的目标[3]。然而，此类研究由于燃料制备环节复杂、制备成本高、制备燃料不稳定等问题，并未被完全普及。

微气泡的尺寸单位为μm，其基本直径在10～200 μm之间，特别是直径在50 μm以下的气泡都被统称为微气泡[4]。由于微气泡具有尺寸小、上升速度缓慢、表面积大、丰富的气体含量、表面负电荷和压缩微爆等特征，被广泛应用于医疗、能源、环保、农业、生活等多领域[5]。其中日本学者Yasuhito等[6]采用喷射式气泡生成设备向柴油燃料中打入微气泡，制备出微气泡燃料柴油，并利用高压共轨燃油喷射系统，将微气泡柴油燃料喷入燃烧室进行燃烧，实验结果表明：多负荷工况下，燃油消耗量平均减少了3.2%，最大减少6.2%，充气效率、排气温度、碳烟和NOX排放量最大也有1%程度的改善。但这种改善型的微气泡燃料柴油的基本物理特性学术界未见报道，故本文借鉴Yasuhito等学者的研究成果，制备出具有气泡存活时间长、气体含量丰富、压缩产生微爆现象的改善型燃料——微气泡燃料柴油，并对其基本物理特性进行了研究，着重研究了它的蒸发特性，以验证微气泡的加入可以促进燃料的蒸发，进而改善燃料的燃烧效果。

1 主要实验设备

为了在燃料内部生成微米级别的气泡，考虑到成本与今后装备便利性，本实验选择了涡流泵式微米气泡发生器(20B-250M，韩国SAM公司)，此装置是通过液体流动过程产生的紊流实现气泡生成的。当装置工作时，装置内部的诱导空气叶轮发生旋转，利用高速旋转产生的强大紊流，将压入的液体与空气进行充分混合与打碎，然后通过单孔管路输出设备，完成液体内部微米气泡的打入[7]。通过30 s气泡注入燃料清晰度对比照片可知，该设备制泡效果较优异。该设备制泡规格为7 L/min，生成气泡的尺寸范围为20～70 μm，主要生成的气泡尺寸为30～50 μm。满足实验所需微米级别气泡规格[8]。

2 实验方法

2.1 燃料的制备

利用气泡发生装置以10 min为单位，向柴油燃料中打入微气泡，共制备实验燃料9种(0～80 min)，并在常温25 ℃条件下，静置24 h。

2.2 蒸发实验

本研究使用大韩科学公司的热交换器(MaXtir-500H)对目标燃料液滴进行蒸发，利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度，不同折射率的变化表现为明暗差的纹影法[9](Schlieren method)，对蒸发过程进行可视化呈现，同时使用高速电子摄像机(FASTCAM-Ultima 512)对可视化过程进行拍摄。

实验是在标准大气压状态，室温25 ℃，加热板温度200 ℃、250 ℃条件下进行的。利用微量注射器将实验燃料20 μL，从距离蒸发界面30 mm位置自由滴落，液滴接触加热板瞬间，蒸发开始[10]。为减少实验数据误差，对各燃料(0，40，80 min)分别进行10次实验观察。同时，为了确认各燃料完全蒸发所需要的时间，将高速摄像机置于热交换器上方45o，按照可视化同等实验条件，对蒸发全过程进行拍摄记录。

2.3 辅助实验

(1)使用Lijima公司的MA-300G的饱和溶解氧含量测量仪对实验燃料的氧含量进行测量。

(2)使用CAS公司的CL-1“数显旋转式液体黏度测量仪”对实验燃料的黏度进行测量。

(3)使用CAS公司的CUX620H高精度质量测量仪和ILS公司的Microsyringes高密度注射器对实验燃料的质量与体积进行测量，进而计算出对应的液体密度。

3 实验数据分析

3.1 实验数据处理方法

利用数据处理软件(imageJ180)对可视化实验条件下拍摄的燃料蒸发面积进行计算。

首先，利用软件的“Set Scale”功能将拍摄区域对应每个像素点的实际尺寸进行计算(256×256个像素对应的实际面积为486.012 mm2，则每个像素点的面积为0.007 4 mm2)。其次，通过 “Threshold”功能将灰度图像转换为高对比度的黑白图像，并提取标注出蒸发区域范围；最后，使用“Area Measure”功能，对圈定范围进行像素计算，并换算为实际面积单位，从而得到某一时刻的蒸发面积[11]。打入微气泡的燃料在蒸发过程中，微爆现象较明显，通过imageJ180数据处理，微爆粒子的直径平均值为0.03 mm。

3.2 蒸发可视化实验结果

如图1所示，纵坐标分别为纯柴油(0#)、40 min气泡燃料(40#)、80 min气泡燃料(80#)三种实验燃料，横坐标为500 ms间隔，2 500 ms时间段内燃料蒸发现象的可视化照片。实验条件为：加热板温度200 ℃、 250 ℃，燃料温度25 ℃。

图1 蒸发可视化实验照片

图2是对图1可视化照片进行数据处理的结果。曲线①表示纯柴油燃料(0#)，曲线②表示40 min气泡燃料(40#)，曲线③表示80 min气泡燃料(80#)。结果表明，相同的蒸发条件下，相同时刻，打入微泡的时间越长，燃料的蒸发的面积越大，蒸发越活泼。此现象是燃料在受到高温加热时，液体内部空气首先受热膨胀、破裂所导致的，同时通过可视化照片可以看出，微气泡会产生明显的微爆现象，也将进一步加快燃料蒸发速度。

图2 蒸发可视化实验结果

3.3 燃料完全蒸发过程实验结果

图3为通过高速摄像机记录各燃料完全蒸发过程的实验照片。横坐标为燃料完全蒸发所需时间，纵坐标分别为纯柴油燃料、40 min气泡燃料、80 min气泡燃料。蒸发开始时刻以燃料液滴接触加热板时刻为准，蒸发结束时刻以燃料液滴无法明显辨认时刻为准。

图3 燃料完全蒸发记录实验照片

图4为针对各燃料完全蒸发所需时间处理的柱形图。实验结果表明，在相同蒸发温度条件下，随着燃料打入气泡时间的增加，完全蒸发所需时间呈缩短趋势。

图4 燃料完全蒸发记录实验结果

3.4 辅助实验结果

图5为9组实验燃料(0#-80#)的含氧量实验结果。横坐标为气泡打入时间，即对应9组燃料；左侧纵坐标为溶解氧含量，右侧纵坐标为空气量，空气量是通过大气中氧气所占比例通过计算出来的。实验结果表明，随着燃料中气泡打入时间的增加，溶解氧含量有6%程度的上升。

图5 燃料饱和氧含量实验结果

图6为9组实验燃料(0#-80#)的黏度和密度实验结果。横坐标为气泡打入时间，即对应9组燃料；左侧纵坐标为液体黏度，右侧纵坐标为液体密度；曲线①为燃料黏度变化曲线，曲线②为燃料密度变化曲线。实验结果表明，随着燃料中气泡打入时间的增加，燃料黏度有1%程度的下降，燃料密度有0.5%程度的下降。

图6 燃料黏度和密度实验结果

4 结 语

本实验是通过相关设备对微气泡柴油燃料中的饱和氧含量、黏度、密度等基础物理特性进行测量，同时利用科学计算的方法对气泡燃料的蒸发特性进行分析。实验条件为大气环境下，燃料温度25 ℃，加热板上方30 mm处自由下落20 μL燃料液滴，加热板温度分别为200 ℃和250 ℃，同时，为了保证误差在合理范围，每组实验分别进行10次。通过实验结果可得如下结论：

(1)随着气泡打入时间的增加，燃料的基础物理特性发生变化，即80 min条件下的饱和氧含量有6%程度的上升，黏度下降1%，密度减少0.5%。由此可知，微气泡的打入时间在一定程度上和燃料内部气体含量成正比，与燃料黏度、燃料密度变化成反比。

(2)通过燃料液滴的蒸发可视化实验结果可知，随着燃料中气泡打入时间的增加，相同时刻，燃料蒸发面积扩大，燃料完全蒸发所需时间减少。这是由于，燃料在受到加热蒸发时，燃料内部溶解空气首先受热膨胀破裂所导致，此结论与燃料氧含量实验结果相符。

(3)依据微气泡柴油燃料的黏度与密度降低的实验结果，结合其微爆现象和更活泼的蒸发特征，可以推断，当将其喷入燃烧室时，其特性的改变将会促进液体粒子的雾化。进而改善混合气的均匀性。同时，一定程度上也会提高燃烧过程中空气的利用率。