酸化油生物柴油碰壁試驗(yàn)研究

劉建新，鮑貫陽(yáng)，杜慧勇，王站成，徐 斌

（河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471003）

在現(xiàn)今石油短缺、排放法規(guī)日益嚴(yán)格的雙重壓力下，尋找綠色可再生的代用燃料成為內(nèi)燃機(jī)研究的重要方向。生物質(zhì)燃料以其環(huán)保、可再生等特點(diǎn)逐漸受到人們的重視。生物柴油，又名脂肪酸甲酯，是一種長(zhǎng)鏈脂肪酸單烷基酯，其主要原料有大豆、花生、棉籽、油菜籽等草本油料作物，以及動(dòng)物脂肪和回收廢油等。生物柴油十六烷值高，幾乎不含硫，可與柴油以任意比例混合，也可直接應(yīng)用于柴油機(jī)上［1］。酸化油是指對(duì)油脂精煉廠生產(chǎn)的副產(chǎn)品皂腳進(jìn)行酸化處理所得到的油，其碳鏈結(jié)構(gòu)與普通柴油極為相似，因此有必要對(duì)其進(jìn)行噴霧燃燒方面的研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)生物柴油噴霧霧化方面的研究主要集中于噴霧的貫穿距離和噴霧錐角、噴霧粒子的索特平均直徑、噴霧的高速攝影以及數(shù)值模擬等方面。

隨著柴油機(jī)向小型化和高壓化發(fā)展，燃油碰壁現(xiàn)象已不可避免。在某些燃燒方式中，噴霧碰壁已在燃油霧化和油氣混合過(guò)程中起到了主體作用［2］，并對(duì)燃燒過(guò)程和有害物排放有極大的影響［3］。對(duì)燃油碰壁現(xiàn)象加以利用，通過(guò)設(shè)置合理的碰壁位置和碰壁形狀，可以促進(jìn)碰壁油束與空氣的混合過(guò)程，進(jìn)而改善燃燒過(guò)程，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。柴油代用燃料應(yīng)用于柴油機(jī)上時(shí)也會(huì)出現(xiàn)碰壁現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)學(xué)者在對(duì)二甲醚、LPG等代用燃料碰壁現(xiàn)象研究后發(fā)現(xiàn)，這些代用燃料由于理化性質(zhì)與柴油不同，碰壁后油束形態(tài)、壁面擴(kuò)展度、油膜厚度等與柴油也有較大差別［4－7］。酸化油生物柴油理化性質(zhì)與柴油有較大差異，因此在將酸化油生物柴油應(yīng)用于柴油機(jī)之前，有必要對(duì)酸化油生物柴油的碰壁特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置

本研究所用試驗(yàn)裝置見圖1，該試驗(yàn)系統(tǒng)由高壓容器、高壓共軌系統(tǒng)、噴油控制系統(tǒng)（控制ECU）以及圖像采集及紋影系統(tǒng)等組成。

試驗(yàn)所用噴油器為電磁閥式單孔噴油器，噴孔徑長(zhǎng)比為0.13／0.65；試驗(yàn)過(guò)程中采用高壓氮?dú)馄肯蚋邏喝萜鲀?nèi)充氣，其值由壓力表讀出并通過(guò)減壓閥調(diào)節(jié)；高壓共軌系統(tǒng)產(chǎn)生并提供噴射所需的壓力；試驗(yàn)所用GX－8高速攝像機(jī)的拍攝速度為10 000幀／s，其電子快門速度為0.6μs，圖片大小為576×576。試驗(yàn)利用GX－8高速攝像機(jī)配合紋影儀對(duì)高壓容器箱內(nèi)的噴霧碰壁信息進(jìn)行采集；用Labview編寫的主控制程序配合MC9S12DG128單片機(jī)對(duì)燃油噴射和高速攝像機(jī)拍攝進(jìn)行同步控制。試驗(yàn)中，由主控制程序發(fā)送開始噴射指令，單片機(jī)在接到指令后發(fā)出攝像機(jī)啟動(dòng)脈沖，啟動(dòng)高速攝像機(jī)（高速攝像機(jī)的電子快門啟動(dòng)時(shí)間僅為0.6μs），隨后發(fā)送噴油啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)噴油器進(jìn)行拍攝，從而實(shí)現(xiàn)了高速攝像機(jī)和噴油器的同步工作。

2 試驗(yàn)方案及評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)中燃油噴射壓力為110MPa，試驗(yàn)溫度為室溫，環(huán)境背壓為2MPa。柴油和酸化油生物柴油理化特性分析見表1。從表中可以看出，酸化油生物柴油的密度、運(yùn)動(dòng)黏度和表面張力都比柴油大。噴霧碰壁的試驗(yàn)方案見表2，燃油噴霧碰壁評(píng)價(jià)參數(shù)見圖2。

表1 兩種燃料理化特性分析

表2 碰壁試驗(yàn)方案

本研究用Matlab軟件的圖像處理功能對(duì)6種試驗(yàn)方案下拍攝到的噴霧碰壁圖片進(jìn)行邊緣化處理，以實(shí)際測(cè)量的噴嘴外徑與圖片中測(cè)量到的噴嘴外徑之比為比例因子，該比例因子乘以圖片中所測(cè)數(shù)據(jù)即可得到噴霧體撞壁后的擴(kuò)散直徑、上游半徑、下游半徑、卷吸高度等評(píng)價(jià)指標(biāo)。垂直碰壁條件下擴(kuò)散直徑、卷吸高度和傾斜碰壁條件下上游半徑、下游半徑、卷吸高度等參數(shù)可以反映油束撞壁后的附壁燃油體積大小以及與空氣的卷吸程度。通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)方案下評(píng)價(jià)參數(shù)的對(duì)比分析，可以得出燃油噴霧撞壁的一般特性。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3示出了試驗(yàn)方案1下拍攝到的酸化油生物柴油碰壁形態(tài)隨時(shí)間發(fā)展的照片（以噴油開始時(shí)刻為0ms）。從圖3可以看出，撞壁前酸化油生物柴油的噴霧體霧注頭部發(fā)散，噴霧體前端出現(xiàn)了較明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，在噴霧體頭部邊緣出現(xiàn)一層“薄霧”。酸化油生物柴油噴霧體垂直撞壁后形成圓形的壁面擴(kuò)展區(qū)，隨時(shí)間推移，碰壁油霧外圍升起，中間部分凹陷，整體呈卷毯型。觀察發(fā)現(xiàn)，2.8ms后壁面油霧層外圍出現(xiàn)了較明顯的油霧稀薄區(qū)，且隨時(shí)間推移油霧稀薄區(qū)范圍變大。這是由于撞壁油束在壁面擴(kuò)展過(guò)程中受摩擦力及空氣阻力作用，并與空氣發(fā)生強(qiáng)烈卷吸摻混所致。

圖4示出了試驗(yàn)方案3下拍攝到的酸化油生物柴油碰壁形態(tài)隨時(shí)間發(fā)展的照片（以噴油開始時(shí)刻為0ms）。由圖可見，傾斜撞壁后噴霧體向下游鋪展，整體呈橢圓形，撞壁射流前端隆起。從2.2ms以后，撞壁射流下游前鋒出現(xiàn)較明顯的油霧稀薄區(qū)，且隨時(shí)間推移，油霧稀薄區(qū)范圍變大。對(duì)比傾斜撞壁和垂直撞壁可以發(fā)現(xiàn)，與垂直撞壁相比，酸化油生物柴油傾斜撞壁后的壁面擴(kuò)散距離較大。酸化油生物柴油的碰壁形態(tài)與柴油的碰壁形態(tài)相似［8－9］，即垂直撞壁后都形成圓形壁面擴(kuò)展區(qū)，傾斜撞壁后都形成橢圓形的壁面擴(kuò)展區(qū)，且霧化體前鋒都因空氣卷吸和摩擦力作用而體積增大呈翻卷狀。

圖5示出了試驗(yàn)方案1和試驗(yàn)方案5下酸化油生物柴油和柴油撞壁后形態(tài)參數(shù)對(duì)比。由圖5可以看出，垂直撞壁時(shí)，酸化油生物柴油的壁面擴(kuò)散直徑和卷吸高度都略大于柴油。

圖6示出了試驗(yàn)方案3和試驗(yàn)方案6下酸化油生物柴油和柴油碰壁參數(shù)對(duì)比。由圖6可以看出，傾斜碰壁時(shí)，酸化油生物柴油的上下游霧注半徑和上下游卷吸高度比柴油略大。這是因?yàn)樵谙嗤沫h(huán)境背壓和溫度條件下，酸化油生物柴油運(yùn)動(dòng)黏度大，因而破碎形成的液滴尺寸也較大。較大的液滴尺寸降低了液滴向前運(yùn)動(dòng)的迎風(fēng)面積，從而降低液滴的運(yùn)動(dòng)阻力，同時(shí)增加了液滴運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量［10－11］。由于酸化油生物柴油液滴的運(yùn)動(dòng)動(dòng)量較柴油液滴大，撞壁時(shí)的速度比同等條件下柴油大，從而撞壁后酸化油生物柴油的壁面擴(kuò)散距離和卷吸高度較柴油略大。

圖7示出了試驗(yàn)方案1和試驗(yàn)方案2下酸化油生物柴油撞壁后油束擴(kuò)散直徑和卷吸高度對(duì)比，從圖中可以看出，撞壁距離增加時(shí)，油束撞壁后的壁面擴(kuò)展直徑和卷吸高度都隨之減小。這是因?yàn)殡S撞壁距離的增加，油束到達(dá)壁面的時(shí)間也相應(yīng)增加，撞壁時(shí)的動(dòng)能減小，撞壁后壁面貫穿速度和反彈速度也相應(yīng)減小，從而撞壁油束的壁面擴(kuò)展直徑和翻卷高度也相應(yīng)減小，近壁區(qū)油氣卷吸運(yùn)動(dòng)也相應(yīng)減弱。

圖8示出了試驗(yàn)方案3和試驗(yàn)方案4條件下酸化油生物柴油傾斜碰壁時(shí)的霧注半徑和卷吸高度的對(duì)比。

從圖8a中可以看出，在相同的撞壁距離下，隨著撞壁傾角的增大，霧注上游半徑減小，下游半徑增大，近壁區(qū)油氣卷吸運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。這是因?yàn)閲婌F傾斜撞壁后，沿壁面下游方向的擴(kuò)散速度大于沿壁面上游的擴(kuò)散速度，并且隨著撞壁傾角的增大，這種差別更加明顯，故隨著撞壁傾角的增大，霧注上游半徑減小，下游半徑增大。從圖8b可以看出，撞壁霧注的卷吸高度隨撞壁傾角的增大變化不大，說(shuō)明在某一角度范圍內(nèi)，碰壁傾角對(duì)油束的卷吸高度影響較小。

4 結(jié)論

a）高背壓下，酸化油生物柴油碰壁后油束形態(tài)和柴油相似；在相同的碰壁條件下，酸化油生物柴油的壁面擴(kuò)散直徑和翻卷高度都較柴油略大；

b）隨碰壁入射角的增大，酸化油生物柴油噴霧體近壁區(qū)油氣卷吸運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，霧注上游半徑減小，下游半徑增大，卷吸高度變化不大；

c）隨著碰壁距離的增加，酸化油生物柴油噴霧體的擴(kuò)散直徑和卷吸高度有所減小，近壁區(qū)油氣卷吸運(yùn)動(dòng)減弱。

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