柴油和生物柴油微觀噴霧特性比較研究

李雯霖，武奎，張葉娟，董德磊，曹建明

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

柴油和生物柴油微觀噴霧特性比較研究

李雯霖，武奎，張葉娟，董德磊，曹建明

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

生物柴油與柴油的物理性質(zhì)的差異會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的噴霧特性，文章采用馬爾文法在大氣環(huán)境中測(cè)定柴油和生物柴油的微觀噴霧特性。結(jié)果表明：生物柴油的索特平均直徑和特征直徑均比柴油大，霧化油滴的尺寸數(shù)目分布曲線和累計(jì)體積分布曲線向大尺寸油滴方向偏移，說明生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差。

生物柴油；柴油；微觀噴霧特性

Abstract:The difference of the physical properties between biodiesel and diesel will affect the spray characteristics of the engine. In this paper, the microscopic spray characteristics of diesel and biodiesel are measured by Malvern method in atmospheric environment. The results show that the average diameter and characteristic diameter of biodiesel are larger than that of diesel, and the size distribution curve and the cumulative volume distribution curve of the atomized droplets are shifted to the larger droplet direction, indicating that the atomization quality of biodiesel is worse than that of diesel.

Keywords: biodiesel; diesel; micro-spray characteristics

CLC NO.: U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-04-03

引言

內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程是影響其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性的主要過程，而良好的燃料霧化質(zhì)量有助于改善內(nèi)燃機(jī)燃燒過程。其中，燃料的理化性質(zhì)是影響燃料霧化質(zhì)量的一個(gè)重要因素[1]。生物柴油是一種綠色可再生能源，對(duì)于節(jié)約能源和降低排放具有重要意義。生物柴油作為石化柴油的替代燃料之一，其組成成分和理化性質(zhì)與石化柴油有著較大差異[2]，這會(huì)影響到燃料的霧化質(zhì)量，從而影響到內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，改善燃料霧化質(zhì)量，組織良好的燃燒過程顯得愈發(fā)重要。本試驗(yàn)利用機(jī)械噴油泵噴霧質(zhì)量分析系統(tǒng)和馬爾文激光粒度分析儀，分別對(duì)柴油和生物柴油的微觀噴霧特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

1 噴霧特性試驗(yàn)

本試驗(yàn)選用將燃料噴射進(jìn)入大氣環(huán)境中的方案，采用馬爾文法[2]對(duì) 18MPa噴油壓力下柴油和生物柴油的霧化油滴的，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)行了檢測(cè)計(jì)算。測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)組要由馬爾文激光粒度分析儀、裝有馬爾文控制軟件的計(jì)算機(jī)、噴射系統(tǒng)組成。馬爾文激光粒度分析儀由英國馬爾文儀器有限公司開發(fā)制造，基于激光衍射原理對(duì)噴入激光束中的粒子數(shù)目和直徑進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量操作便捷可靠，精度高，能夠節(jié)省大量的時(shí)間和人力。裝有馬爾文控制軟件的計(jì)算機(jī)進(jìn)一步簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)的分析處理過程。噴射系統(tǒng)主要由機(jī)械噴油泵、高壓油管和噴油器組成，通過機(jī)械油泵手柄建立噴油壓力，增減墊片控制噴油壓力，試驗(yàn)中選用泗洪洪泵公司生產(chǎn)的 ZS4S1軸針式噴油器，孔徑 2mm。試驗(yàn)中由噴射系統(tǒng)分別將柴油、生物柴油噴入馬爾文粒度分析儀產(chǎn)生的激光束中，經(jīng)計(jì)算機(jī)采集計(jì)算得到油滴粒子的微觀特性參數(shù)。

圖1 微觀噴霧特性測(cè)試系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 霧化油滴的索特平均直徑

表1 霧化油滴的索特平均直徑

平均直徑（SMD）是由Mugele和Eyans提出的概念[4]，其中索特平均直徑是評(píng)價(jià)油滴霧化質(zhì)量最常用的指標(biāo)，是指霧化油滴的體積與表面積之比，索特平均直徑越小，油滴霧化質(zhì)量越好。利用馬爾文激光粒度儀測(cè)得的柴油和生物柴油的索特平均直徑如表1所示。由表1可知柴油的索特平均直徑小于生物柴油的索特平均直徑，這主要因?yàn)樯锊裼偷拿芏?、運(yùn)動(dòng)黏度、表面張力較大，油滴不易碎裂，大尺寸油滴較多。

2.2 霧化油滴的尺寸數(shù)目

圖2 油滴粒子尺寸數(shù)目分布

圖2給出了柴油和生物柴油在18MPa下霧化油滴的尺寸數(shù)目分布。從圖中可以看出，油滴的尺寸數(shù)目分布是不均勻的，柴油和生物柴油的油滴尺寸數(shù)目分布曲線趨勢(shì)大致相同，都是先在某一個(gè)粒子尺寸下粒子數(shù)目達(dá)到峰值，然后隨著粒子尺寸的增大，粒子數(shù)目減少，曲線漸趨平緩。由曲線可知，生物柴油的峰值直徑大于柴油的峰值直徑，生物柴油峰值直徑4.2μm，柴油的峰值直徑為2.8μm，并且在小尺寸范圍內(nèi)，柴油油滴數(shù)目較多，而在大尺寸范圍內(nèi)，生物柴油油滴數(shù)目較多。這主要是因?yàn)樯锊裼偷拿芏群宛ざ却笥诓裼?，在相同的噴射壓力下，霧化油滴不易碎裂，油滴質(zhì)量較大，油滴間較容易發(fā)生碰撞，形成大尺寸油滴。通過對(duì)油滴尺寸數(shù)目分布曲線的分析，可知，相同噴射條件下柴油的霧化質(zhì)量要優(yōu)于生物柴油的霧化質(zhì)量。

2.3 霧化油滴的累計(jì)體積分布

圖3給出了柴油和生物柴油在18MPa下霧化油滴的累積體積分布曲線。累積體積分布曲線總是單調(diào)遞增的，結(jié)合圖2和圖3可知小尺寸油滴的數(shù)目較多，但是所占體積比例均不大，而單個(gè)大尺寸油滴的體積很大，因此，大尺寸油滴對(duì)累積體積分布曲線的影響較大。從圖 3還可以看出，53μm以下的柴油油滴體積在總體積中的占比達(dá)到90%以上，67μm的生物柴油油滴體積在總體積中的占比達(dá)到90%以上。同一累積體積下對(duì)應(yīng)的生物柴油油滴直徑要大于柴油油滴直徑，說明生物柴油的大尺寸油滴比柴油的大尺寸油滴數(shù)目多，這與油滴尺寸數(shù)目分布曲線是一致的。

圖3 油滴粒子累積體積分布

2.4 霧化油滴尺寸的發(fā)散

霧化油滴尺寸的發(fā)散，即油滴尺寸的范圍，表示油滴從最小直徑到最大直徑的范圍。本文中采用相對(duì)尺寸范圍和發(fā)散邊界兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)油滴尺寸的發(fā)散。相對(duì)尺寸范圍提供了油滴直徑相對(duì)于質(zhì)量中值直徑D0.5的范圍，其定義為：

其中D0.1表示小于該直徑的所有油滴體積占油滴總體積的 10%，D0.5表示小于該直徑的所有油滴體積占油滴總體積的 50%，D0.9表示小于該直徑的所有油滴體積占油滴總體積的90%。

發(fā)散邊界用來評(píng)價(jià)最大油滴直徑的發(fā)散程度，表示最大直徑相對(duì)于質(zhì)量中值直徑的發(fā)散程度，其定義為：

其中 D0.999表示小于該直徑的所有油滴體積占油滴總體積的99.9%。

表2給出了柴油和生物柴油在噴射壓力為18MPa時(shí)的特征直徑。表3給出了相應(yīng)的相對(duì)尺寸范圍和發(fā)散邊界。由表2可知，生物柴油的各個(gè)特征直徑全都大于柴油，說明生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差。由表3可知，生物柴油的相對(duì)尺寸范圍和發(fā)散邊界也都大于柴油，表2 霧化油滴的特征直徑這說明生物柴油的霧化油滴的發(fā)散程度較大，霧化油滴尺寸分布均勻性比柴油差，并且在大尺寸范圍內(nèi)油滴分布較多，生物柴油霧化質(zhì)量較差。

表2 霧化油滴的特征直徑

表3 霧化油滴的相對(duì)尺寸范圍和發(fā)散邊界

3 結(jié)論

（1）同一噴射壓力下，生物柴油的索特平均直徑大于柴油的索特平均直徑，說明生物柴油的霧化質(zhì)量比柴油差。

（2）同一噴射壓力下，生物柴油的尺寸數(shù)目分布曲線和累積體積分布曲線向大尺寸方向偏移，大尺寸油滴數(shù)目較多，燃油霧化質(zhì)量較差。

（3）同一噴射壓力下，生物柴油的特征直徑、相對(duì)尺寸范圍和發(fā)散邊界均大于柴油，說明了生物柴油大顆粒油滴較多；霧化油滴的尺寸分均勻性比柴油差。

[1] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2010.8.

[2] 耿莉敏,汪月英,王城等. 燃料物理性質(zhì)差異對(duì)柴油機(jī)噴霧特性的影響[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào),2014,(35) 4：14-18.

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

[4] Mugele R, Evans H D. Droplet Size Distributions in Sprays[J]. Ind.Eng. Chem, 1951, 43 (6) :1371-1324.

Comparative Study on Micro - spray Characteristics of Diesel and Biodiesel

Li Wenlin, Wu Kui, Zhang Yejuan, Dong Delei, Cao Jianming
( Automobile Faculty, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064）

U465 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-04-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.002

李雯霖，（1993-），女，碩士研究生，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械及工程。