柴油和生物柴油噴霧特性研究

朱錫玉，戴仁杰，張凱妹，武奎，曹建明

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

隨著化石燃料的枯竭和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，尋找可再生的清潔能源成為有價(jià)值的研究課題。近年來對發(fā)動機(jī)“清潔代用燃料”的研究和開發(fā)，越來越受到人們的關(guān)注[1-2]。生物柴油是一種原料來源非常廣泛的綠色環(huán)?？稍偕茉矗膳c柴油以一定比例混合后直接在柴油機(jī)上使用[3]。于是成為代替化石燃料的理想能源。燃料噴霧質(zhì)量的優(yōu)劣對發(fā)動機(jī)的燃燒和排放產(chǎn)生重要影響。燃燒技術(shù)的進(jìn)步與噴霧技術(shù)密切相關(guān)，相互促進(jìn)，共同提高[4]。柴油和生物柴油的組成成分和理化性質(zhì)有很大不同，這導(dǎo)致它們的噴霧特性亦有較大差異，本論文將進(jìn)行深入分析比較它們之間的差別。

本實(shí)驗(yàn)是在噴霧特性實(shí)驗(yàn)臺上通過手壓油泵將柴油和生物柴油噴到馬爾文激光粒度分析儀上，來得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且計(jì)算噴霧特性數(shù)值比較得出結(jié)論。

1 噴霧特性試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選用特制單孔噴油器來進(jìn)行噴霧實(shí)驗(yàn)，噴孔直徑為0.366mm，噴射壓力為21mpa。通過實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)來計(jì)算柴油和生物柴油的索特平均直徑、尺寸數(shù)目分布和累積體積分布等微觀噴霧特性參數(shù)，進(jìn)而來比較評價(jià)柴油和生物柴油的噴霧特性。

實(shí)驗(yàn)裝置主要有噴射系統(tǒng)、馬爾文激光粒度分析儀和裝有處理軟件的電腦組成。微觀噴霧測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺示意圖如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)采用的噴射系統(tǒng)由手壓泵、高壓油管和噴油器組成，操作簡單。馬爾文激光粒度分析儀由英國馬爾文儀器有限公司制造，該分析儀的主要參數(shù)：常用測量范圍為2μm～2000μm的微粒；采用750 mm透鏡，光源為632.8 nm、5 mW氦氖激光器；最大采樣速率為連續(xù)模式1 Hz；快速模式2.5 kHz；精確度為測量誤差小于±1%。裝有處理軟件的電腦的能快速得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確可靠，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析提供方便。

圖1 微觀噴霧測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 油滴的索特平均直徑

由于噴霧液滴的尺寸分布函數(shù)較為復(fù)雜，為方便起見，許多關(guān)于噴霧的研究都僅采用液滴的平均直徑[5]。索特(Sauter)平均直徑（SMD)的定義為：假定一次噴霧的液滴大小均相同，則液滴體積與表面積的比值稱為索特(Sauter)平均直徑。油滴的索特直徑越小，霧化越好。

表1 油滴的索特平均直徑

由表1可以看出生物柴油的索特平均直徑大于柴油的索特平均半徑，柴油的霧化質(zhì)量好于生物柴油，這是因?yàn)樯锊裼偷拿芏?、黏度和表面張力大于柴油，生物柴油噴霧油滴粒度較粗，油滴碰撞而粘合成較大油滴的概率增大，使噴霧場的油滴平均直徑增大。

2.2 油滴的尺寸數(shù)目

本實(shí)驗(yàn)做出了柴油D100和生物柴油B100的噴霧油滴尺寸數(shù)目分布PDFN。

圖2 油滴的尺寸分布

油滴的尺寸分布如圖2所示，由圖可以看出柴油和生物柴油的變化趨勢大致相同，先上升達(dá)到一個峰值再下降，然后漸于平緩。兩種油料的分布曲線峰值均位于4.20um附近，說明小顆粒的油滴較多。小顆粒的粒子越多，大顆粒的粒子越少，霧化質(zhì)量越好。從圖上可以看出生物柴油的峰值大于柴油的峰值，說明柴油的小尺寸顆粒數(shù)目多于生物柴油。由此可以看出在相同的噴射壓力下，生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差。

2.3 油滴的累計(jì)體積分布

如圖3所示柴油D100和生物柴油B100的累計(jì)體積分布。在油滴的累積體積分布曲線中，它們代表某一直徑以下的所有液滴的體積占全部液滴總體積的百分比。

由圖可以看出兩種燃料的曲線都是上升的。由圖2和圖3可以看出小尺寸的油滴數(shù)目很多，但是占的體積不大，說明大尺寸油滴的體積對體積分布曲線影響大。從圖3還可以看出，56um以下的柴油油滴體積在總體積中的占比達(dá)到90%以上，64um的生物柴油油滴體積在總體積中的占比達(dá)到90%以上。這說明同一累計(jì)體積下對應(yīng)生物柴油的油滴尺寸大于柴油的油滴尺寸，說明柴油的小油滴尺寸多于生物柴油的小油滴尺寸，進(jìn)一步說明生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差。

圖3 油滴的累計(jì)體積分布

2.4 油滴尺寸的特征直徑

在噴霧液滴尺寸分布更深入的研究中，有時不僅僅列出液滴的平均直徑，也不單單給出分布函數(shù)，而是在分布曲線中再找出幾個特征點(diǎn)進(jìn)行分析。這些特征直徑對于某些情況下液滴尺寸分布的探討很有價(jià)值。在液滴尺寸分布曲線中，它們代表某一直徑以下的所有液滴的體積占全部液滴總體積的百分比，并將此比值以符號下標(biāo)的形式標(biāo)出，以示區(qū)別。

其中D0，1——小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的。

D0.5——小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的50%，該直徑左右側(cè)體積分布曲線下的面積相等。

D0.9——小于該直徑的所有液滴體積占全部液滴總體積的90%。

D0.999——一般為最大直徑。

表2表示柴油和生物柴油在21MP起噴壓力下的特征直徑。生物柴油的特征直徑均大于柴油的特征直徑，說明生物柴油中大尺寸顆粒多余柴油的大尺寸顆粒， 生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差。

表2 油滴的特征直徑

3 結(jié)論

（1）在同一噴射壓力下，生物柴油的索特平均直徑及各特值直徑均大于柴油，表明生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差。

（2）在同一噴射壓力下，生物柴油向大尺寸方向偏移，說明柴油的小尺寸微粒多余生物柴油，生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差。

[1] 張紅梅,徐國強(qiáng),王俊.生物質(zhì)燃油/柴油混合燃料燃燒特性 I JI.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006, 37 (3 )：31-34.

[2] 史紹熙,蘇萬華.內(nèi)燃機(jī)燃燒研究中的幾個前沿問題I JI.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),1990,8 (2 )：80～84.

[ 3] 司利增,邊耀璋,蔡永江.柴油機(jī)燃用生物柴油的特性[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2006.

[4] 曹建明.液體噴霧學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社.2013.7.

[5] 王磊.生物柴油/柴油混合燃料噴霧特性研究[D].西安,長安大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.11.