生物柴油噴霧特性研究進(jìn)展

陳旭博，耿莉敏，李士杰

（長安大學(xué) 陜西省交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

工藝裝備

生物柴油噴霧特性研究進(jìn)展

陳旭博，耿莉敏，李士杰

（長安大學(xué) 陜西省交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

文章通過總結(jié)前人研究成果，闡述了生物柴油噴霧特性研究進(jìn)展，探索生物柴油噴霧特性進(jìn)一步研究的方向。研究發(fā)現(xiàn)生物柴油的貫穿距離和索特平均直徑比柴油大，噴霧錐角比柴油小，并且粘度對其霧化質(zhì)量的影響最大；添加醇類和醚類可以明顯改善生物柴油的霧化特性。指出開展生物柴油噴嘴內(nèi)流動(dòng)的仿真和試驗(yàn)研究具有重要意義。

生物柴油；噴霧特性；貫穿距離；噴霧錐角；索特平均直徑

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

前言

現(xiàn)今，在能源緊缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻的形勢下，生物柴油良好的環(huán)境效益、使用安全性和可再生性，使之成為世界各國新能源開發(fā)的熱點(diǎn)[1]。燃料的霧化特性是影響燃燒的主要因素，因此改善其霧化特性是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低排放最為直接有效的方式之一[2]。

1 生物柴油的理化性質(zhì)

在燃料的霧化過程中，液體的密度、粘度和表面張力極大地影響著燃料在噴嘴內(nèi)的流動(dòng)特性和霧化質(zhì)量。朱思巍等人[3]將生物柴油主要理化性質(zhì)參數(shù)與石化柴油進(jìn)行對比，得到結(jié)果：兩種燃料的動(dòng)力粘度、表面張力、密度都隨溫度增大而減?。簧锊裼偷母鲄?shù)值在一定范圍內(nèi)總是大于石化柴油；隨著溫度的升高，兩者的動(dòng)力粘度和密度相差不大，兩者表面張力差值基本恒定。

C.E. Ejim等人[4]的研究表明，對生物柴油霧化質(zhì)量影響最大的因素是運(yùn)動(dòng)粘度，SMD減小的90%取決于粘度，而密度對SMD的影響不到2%。這也與Subhash Lahane等人[5]的研究結(jié)論生物柴油的粘度是SMD的主要影響因素不謀而合。因此在替代燃料研究中，粘度應(yīng)是首要考慮的物性參數(shù)。

2 改性生物柴油的噴霧特性

由于國家對發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能指標(biāo)要求的日益嚴(yán)苛，單純使用生物柴油難以推廣。越來越多的學(xué)者開始著手探究添加劑對生物柴油霧化特性、燃燒特性的影響，并且已經(jīng)取得一定的成果。

2.1 生物柴油添加正丁醚的噴霧特性

Li Guan等人[6]在高壓共軌燃料噴射系統(tǒng)上進(jìn)行了大豆生物柴油、正丁醚（DBE）/生物柴油混合物、0#柴油的噴霧特性研究。結(jié)果表明：隨著DBE摻入生物柴油中，貫穿距離減小，噴霧錐角增加，并且混合燃料中DBE的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，貫穿距離，噴霧錐角與柴油相當(dāng)。DBE混合到生物柴油中，使得SMD明顯減小，這表明添加DBE可以促進(jìn)生物柴油的霧化。

Chenglong Tang 等人[7]在同樣的試驗(yàn)儀器上進(jìn)行了近噴嘴處大豆生物柴油、正丁醚/生物柴油混合物、0#柴油的噴霧特性研究。結(jié)果表明，當(dāng)生物柴油中加入30%的DBE時(shí)，噴霧錐角有所增加。

2.2 生物柴油添加正丁醇的噴霧特性研究

Jun Mo等人[8]在共軌燃料噴射系統(tǒng)中進(jìn)行了添加正丁醇對大豆生物柴油噴霧特性影響的實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)比較了兩種燃料，純大豆生物柴油（B100）和生物柴油/正丁醇混合燃料（B80）的噴霧特性。結(jié)果表明，由于B100有較高的粘度和表面張力，與B80相比，B100有更長的貫穿距離和液滴直徑。

因此，添加醇類和醚類可以明顯的改善生物柴油的噴霧特性，進(jìn)而改善燃用生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性，為生物柴油在柴油機(jī)上的推廣應(yīng)用提供了理論支持。

3 噴射參數(shù)對生物柴油噴霧特性的影響

不同噴射參數(shù)對生物柴油噴霧特性的影響基本和一般液體燃料噴霧研究一樣，隨著噴射壓力、燃料溫度和環(huán)境溫度的升高，霧化質(zhì)量也相應(yīng)提高。因此可以將柴油噴霧特性研究的部分成果應(yīng)用于生物柴油噴霧研究，用已有的理論知識(shí)來指導(dǎo)正在或?qū)⒁M(jìn)行的科學(xué)研究。

4 結(jié)語

運(yùn)動(dòng)粘度是對生物柴油霧化特性影響最大的物性指標(biāo)。由于生物柴油的粘度、密度、表面張力均比較大，往往在噴霧特性上表現(xiàn)出較大的貫穿距離、SMD和較小的噴霧錐角。添加醇類和醚類可以明顯地改善生物柴油的噴霧特性。目前，國內(nèi)外主要研究生物柴油出噴嘴后的霧化特性，受試驗(yàn)條件限制對噴嘴內(nèi)流動(dòng)特性研究甚少，可以在開展噴嘴內(nèi)三維數(shù)值模擬的同時(shí)，通過噴嘴內(nèi)流動(dòng)特性試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)一步修正數(shù)值計(jì)算模型和參數(shù)，使仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果擬合良好。

[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.液體噴霧學(xué)[M] . 北京:北京大學(xué)出版社, 2013.

[3] 朱思巍,戴曦.基于多參數(shù)的生物柴油物理特性分析[J]. 中國水運(yùn),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 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)19-151-02

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.051

陳旭博（1993-），碩士研究生，就讀于長安大學(xué)，燃料噴射與霧化。

陜西省交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目（310822161121）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（310822172203）。