耿莉敏，汪月英，王 城，程清波，邱 坤，曹建明

(長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安710064)

0 引言

生物柴油是一種綠色環(huán)保的可再生能源，大力發(fā)展生物柴油對節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境具有重要意義［1-5］．作為一種優(yōu)良的石化柴油替代燃料，生物柴油的組成成分與柴油完全不同，因此兩種燃料的理化性能指標(biāo)有很大差異，這會影響到生物柴油噴霧的霧化質(zhì)量． 燃料霧化質(zhì)量變差會對柴油機(jī)的燃燒特性和排放特性造成影響，導(dǎo)致著火落后期延長，缸內(nèi)壓力升高率過大，燃料燃燒不完全，排放特性變差［6-10］． 筆者主要測定了影響生物柴油霧化蒸發(fā)性能的物理指標(biāo)——密度、運(yùn)動黏度、表面張力和餾程溫度，測試結(jié)果顯示生物柴油的上述霧化蒸發(fā)性能指標(biāo)均比柴油差． 為了研究燃料霧化蒸發(fā)性變差對柴油機(jī)噴霧特性的影響，采用高速攝像機(jī)測定了生物柴油與柴油的噴霧錐角和貫穿距離，對比分析使用生物柴油時噴霧油束在燃燒室中的空間分布與柴油的差異;首次采用馬爾文激光粒度分析儀測定了生物柴油與柴油的霧化液滴尺寸體積分布曲線、索特平均直徑、特征直徑和發(fā)散度等燃料霧化質(zhì)量評價指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果顯示在相同噴射條件下，與柴油相比生物柴油的噴霧液滴的尺寸體積分布曲線向大顆粒方向偏移，索特平均直徑和特征直徑增大，霧化油滴在大顆粒范圍內(nèi)分布較廣，說明生物柴油的噴霧質(zhì)量比柴油差． 對生物柴油及其與柴油混合燃料的霧化和蒸發(fā)性能進(jìn)行研究，對改善發(fā)動機(jī)的燃燒特性和排放特性具有重要意義． 筆者的研究結(jié)果對指導(dǎo)和優(yōu)化生物柴油在發(fā)動機(jī)上的合理應(yīng)用具有參考價值，使用生物柴油的過程中，在控制每循環(huán)噴油量的前提下，可以考慮綜合調(diào)節(jié)噴油器的啟噴壓力和噴孔直徑來改善生物柴油的霧化質(zhì)量，避免柴油機(jī)燃用生物柴油時工作粗暴，同時降低不完全燃燒產(chǎn)物排放．

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1．1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的生物柴油是以大豆毛油為原料制成的脂肪酸甲酯，柴油采用符合輕柴油國標(biāo)要求的0#柴油．

1．2 試驗(yàn)方法

把0#柴油與生物柴油以BD0，BD10，BD20，BD30，BD50，BD80，BD100 的比例進(jìn)行摻混，其中“BDXX”中“XX”代表生物柴油在混合燃料中所占的體積百分比．采用國標(biāo)方法分別測定不同摻混比混合燃料的密度、運(yùn)動黏度、表面張力和餾程溫度．

采用高速攝像機(jī)拍攝生物柴油和柴油的噴霧過程，測量和計(jì)算噴霧油束出噴嘴后不同時刻的噴霧錐角和貫穿距離，高速攝像測試系統(tǒng)的組成部件及布置方式如圖1 所示． 馬爾文測試系統(tǒng)布置如圖2 所示，馬爾文粒度分析儀利用激光衍射技術(shù)測量并計(jì)算霧化液滴的尺寸體積分布、索特平均直徑、特征直徑和發(fā)散度．

圖1 高速攝像測試系統(tǒng)Fig．1 Test system of high speed cameras

圖2 馬爾文測試系統(tǒng)Fig．2 Test system of Malvern particle size analyzer

2 生物柴油混合燃料與柴油的物理性質(zhì)對比

2．1 密度

燃料的密度對柴油機(jī)每循環(huán)的供油量和噴霧油束的射程都有影響．采用密度計(jì)測定了柴油與不同摻混比混合燃料20 ℃下的密度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示．由試驗(yàn)結(jié)果可知，生物柴油的密度比柴油大，隨著生物柴油摻混比的增大混合燃料的密度也逐漸增大．生物柴油的密度大會使噴霧油束的貫穿距增大，還會導(dǎo)致柴油機(jī)每循環(huán)的供油量增加．

圖3 不同摻混比混合燃料的密度Fig．3 Mixed fuel density of different mixing ratio

2．2 運(yùn)動黏度

燃料的運(yùn)動黏度影響噴霧的碎裂、蒸發(fā)和霧化，同時還會影響柴油機(jī)燃料供給系中噴油泵、噴油器和出油閥偶件的潤滑和密封． 采用國標(biāo)《石油產(chǎn)品運(yùn)動黏度測定法和動力黏度計(jì)算法》測定20 ℃下不同摻混比混合燃料的運(yùn)動黏度，試驗(yàn)結(jié)果見表1．由表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，生物柴油的黏度比柴油大，混合燃料的黏度隨生物柴油摻混比的增大而增大，生物柴油的黏度高不利于燃料的霧化和蒸發(fā)．

表1 不同摻混比混合燃料的運(yùn)動黏度Tab．1 Mixed fuel kinematic viscosity of different mixing ratio

2．3 表面張力

燃料的表面張力對柴油機(jī)缸內(nèi)的噴霧和燃燒有重要影響．噴霧油束碎裂成細(xì)小的油滴，表面張力會阻止油滴表面變形，噴霧過程中油滴的穩(wěn)定性主要取決于表面張力，霧化理論中最重要的量綱—參數(shù)韋伯?dāng)?shù)We也與表面張力有關(guān)． 燃料的表面張力與密度之間呈線性關(guān)系，密度越大則表面張力越大，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到20 ℃下不同摻混比混合燃料的表面張力如圖4 所示． 由圖可知，生物柴油的表面張力比柴油大，隨著生物柴油摻混比的增大混合燃料的表面張力也隨之增大．

圖4 不同摻混比混合燃料的表面張力Fig．4 Mixed fuel surface tension of different mixing ratio

2．4 餾程

燃料的餾程一般采用不同體積百分比的餾出溫度表示，50%的餾出溫度反映了燃料中的輕質(zhì)餾分的多少，90%的餾出溫度反映了燃料中難揮發(fā)的重質(zhì)成分較多． 采用國標(biāo)《石油產(chǎn)品蒸餾測定法》對不同摻混比混合燃料的餾程進(jìn)行測定，得到圖5 所示混合燃料的蒸餾曲線．

圖5 不同摻混比混合燃料的餾程曲線Fig．5 Mixed fuel distillation curve of different mixing ratio

由試驗(yàn)結(jié)果可知:柴油的初餾點(diǎn)在198 ℃，終餾點(diǎn)在350 ℃，餾分寬度達(dá)到152 ℃，其蒸餾曲線基本是一條直線;生物柴油的初餾點(diǎn)在310 ℃，終餾點(diǎn)在360 ℃，餾分寬度僅有50 ℃，其餾程曲線比較陡峭;當(dāng)蒸餾溫度超過330 ℃時，生物柴油的餾出率迅速增加;隨著生物柴油摻混比的增大，混合燃料的初餾溫度逐漸升高，蒸餾曲線逐漸向高溫方向移動．這說明生物柴油中難蒸發(fā)的重質(zhì)成分較多，燃料的霧化蒸發(fā)性能差會使燃料在缸內(nèi)的蒸發(fā)度和擴(kuò)散度下降，影響可燃混合氣的形成速度和燃燒速度．

3 生物柴油與柴油噴霧特性對比

3．1 噴霧錐角與貫穿距離

試驗(yàn)采用孔徑為0．366 mm 的單孔噴嘴，噴油器的啟噴壓力設(shè)定為16 MPa，采用高速攝像機(jī)在大氣環(huán)境中拍攝并測量生物柴油和柴油出噴嘴后不同時刻的噴霧錐角和貫穿距離，試驗(yàn)結(jié)果見表2．由試驗(yàn)結(jié)果可知:不同時刻生物柴油的噴霧錐角均小于柴油，而貫穿距離均大于柴油．生物柴油的噴霧錐角小主要是由于生物柴油運(yùn)動黏度高引起的;噴霧錐角小，油束中的油滴粒子密集，更容易發(fā)生碰撞粘合，形成大顆粒油滴，使油滴的蒸發(fā)面積變小，不利于燃油與空氣的充分混合．生物柴油的貫穿距離大主要是因?yàn)樯锊裼偷拿芏却螅剂系拿芏仍酱?，噴霧液滴運(yùn)動的動能越大，從而貫穿距離也越長;噴霧油束的貫穿距離會影響燃料在燃燒室內(nèi)的空間分布，貫穿距離的大小必須與燃燒室的尺寸相匹配，如果油束的貫穿距離過長，大部分燃料被噴射到氣缸壁面，會導(dǎo)致壁面油膜過厚不易蒸發(fā)，燃料燃燒不完全，容易在燃燒室內(nèi)形成積碳．

表2 生物柴油與柴油在不同時刻的噴霧錐角和貫穿距離Tab．2 Spray cone angle and penetration distance of biodiesel and diesel at different time

3．2 霧化油滴的尺寸體積分布和累計(jì)體積分布

采用馬爾文激光粒度分析儀測定了生物柴油和柴油的尺寸體積分布曲線、累積體積分布曲線，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 和圖7 所示． 由圖6 可知，使用0．366 mm的單孔噴嘴在16 MPa 的噴射壓力下，生物柴油霧化油滴的尺寸體積分布曲線明顯向大顆粒方向偏移，柴油的體積峰值直徑Dp為61 μm，而生物柴油的體積峰值直徑Dp為72 μm，生物柴油噴霧的大顆粒油滴數(shù)目及所占體積超過柴油的;由圖7 可知，達(dá)到某一累計(jì)體積時對應(yīng)的生物柴油霧化油滴直徑明顯大于柴油的，說明相同條件下柴油噴霧的油滴粒子直徑偏小而生物柴油噴霧的油滴粒子直徑偏大，生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差．

圖6 生物柴油與柴油霧化油滴的尺寸體積分布曲線Fig．6 Spray droplet size distribution curve of biodiesel and diesel

生物柴油霧化質(zhì)量較差的原因主要是因?yàn)樯锊裼偷倪\(yùn)動黏度和密度較大，噴霧錐角小，油束不夠疏松，油滴粒子質(zhì)量大，運(yùn)動速度快，容易發(fā)生碰撞、黏合，形成大顆粒油滴;另外，生物柴油的表面張力比柴油大，使油滴粒子不容易碎裂，霧化的細(xì)微度差，大粒徑的油滴數(shù)多，總油滴數(shù)變少，油滴蒸發(fā)的總表面積縮小，蒸發(fā)度變差;此外，生物柴油的餾程溫度高，重質(zhì)餾分多，不容易蒸發(fā)氣化，也是導(dǎo)致其霧化質(zhì)量較差的原因之一．

圖7 生物柴油與柴油的尺寸累積體積分布曲線Fig．7 Spray droplet accumulative volume distribution curve of biodiesel and diesel

3．3 霧化油滴的索特平均直徑

霧化液滴的索特平均直徑D32是燃料霧化質(zhì)量評價中最常用和最直觀的指標(biāo)之一． 利用馬爾文激光粒子分析儀測量計(jì)算出柴油的索特平均直徑為36． 76 μm，生物柴油的索特平均直徑為49．13 μm．生物柴油的索特平均直徑大于柴油主要是因?yàn)樯锊裼偷倪\(yùn)動黏度和表面張力較大，餾程溫度高，燃料不容易碎裂、蒸發(fā)和霧化．

3．4 霧化油滴的特征直徑和發(fā)散度

特征直徑是指某一直徑以下所有液滴的體積占全部液滴總體積的百分比，特征直徑的下標(biāo)數(shù)值即表示體積百分比． 特征直徑可以根據(jù)尺寸累計(jì)體積分布曲線求得，其中D0．5稱為質(zhì)量中值直徑，D0．999代表噴霧油滴粒子中最大油滴的直徑．在對燃燒系統(tǒng)的噴霧進(jìn)行深入分析時，常常要采用霧化油滴的特征直徑，它也是計(jì)算液滴尺寸發(fā)散程度的必要參數(shù);特征直徑D0．9和D0．999對評價發(fā)動機(jī)的HC 排放具有重要意義． 生物柴油與柴油霧化油滴的特征直徑見表3，從表3 的試驗(yàn)結(jié)果可知，生物柴油的各特征直徑均大于柴油的，噴霧油滴的特征直徑越大，則霧化質(zhì)量越差，越不容易蒸發(fā)混合．

表3 生物柴油與柴油的特征直徑Tab．3 Representative diameter of biodiesel and diesel

噴霧液滴尺寸的發(fā)散程度用來描述液滴尺寸的范圍，常用相對尺寸范圍Δs和發(fā)散邊界Δb來表示．相對尺寸范圍定義為

它表示液滴直徑相對于質(zhì)量中值直徑的分布范圍．發(fā)散邊界定義為

它表示最大液滴直徑相對于質(zhì)量中值直徑的發(fā)散度．從表4 的試驗(yàn)結(jié)果可知，生物柴油的相對尺寸范圍與柴油基本相當(dāng)，而發(fā)散邊界大于柴油，說明生物柴油霧化液滴的尺寸分布寬度與柴油基本相當(dāng)，但生物柴油噴霧液滴在大顆粒范圍內(nèi)分布較廣，說明生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差．

表4 霧化油滴的相對尺寸范圍Δs 和發(fā)散邊界ΔbTab．4 Relative size range and divergent boundary atomized oil droplets

4 結(jié)論

(1)生物柴油的密度、運(yùn)動黏度和表面張力均比柴油大，餾程溫度比柴油高，因此生物柴油的霧化蒸發(fā)性比柴油差．

(2)由于燃料物理性質(zhì)的差異，導(dǎo)致在相同噴射條件下生物柴油的噴霧錐角小于柴油的，而貫穿距離大于柴油的，會使生物柴油在燃燒室內(nèi)的空間分布發(fā)生變化．

(3)與柴油相比，生物柴油霧化油滴的尺寸體積分布曲線和累計(jì)體積分布曲線整體向大顆粒方向偏移;生物柴油霧化油滴的索特平均直徑和特征直徑均比柴油大;相對尺寸范圍與柴油相當(dāng)，而發(fā)散邊界大于柴油的． 說明生物柴油噴霧的大顆粒油滴數(shù)目較多，其霧化質(zhì)量比柴油差．

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