微氣泡柴油燃料的蒸發(fā)特性研究

佟 默,時曉杰,吳衛(wèi)明,王順有

1.滁州學院機械與電氣工程學院,安徽滁州，239000；

2.滁州嘉遠微車科技有限公司,安徽滁州，239000

近年來，受到全球變暖、溫室效應、能源緊缺等因素的影響，環(huán)境與能源問題越來越受到各國政府的重視。由于柴油發(fā)動機具有較高的熱效率和相對清潔的排放特性[1]，所以得到了廣泛使用。與此同時，為了應對更高級別，更加嚴苛的排放法規(guī)，進一步提升柴油機的燃燒效率，眾研究學者提出了多種解決方案。如清潔柴油發(fā)動機技術(新型燃燒技術、柴油共軌燃料噴射技術、廢氣再循環(huán)技術等)和后處理技術(氧化催化還原技術、顆粒物捕捉技術、選擇性催化還原技術等)[2]。同時，從燃燒源頭入手，對燃料改善的研究也取得了一定的突破，如替代燃料的使用、燃料的預處理技術等。以生物柴油和乳化柴油燃料為代表性的研究結(jié)果表明，處理后的燃料燃燒更加充分，實現(xiàn)了高效清潔的目標[3]。然而，此類研究由于燃料制備環(huán)節(jié)復雜、制備成本高、制備燃料不穩(wěn)定等問題，并未被完全普及。

微氣泡的尺寸單位為μm，其基本直徑在10～200 μm之間，特別是直徑在50 μm以下的氣泡都被統(tǒng)稱為微氣泡[4]。由于微氣泡具有尺寸小、上升速度緩慢、表面積大、豐富的氣體含量、表面負電荷和壓縮微爆等特征，被廣泛應用于醫(yī)療、能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、生活等多領域[5]。其中日本學者Yasuhito等[6]采用噴射式氣泡生成設備向柴油燃料中打入微氣泡，制備出微氣泡燃料柴油，并利用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，將微氣泡柴油燃料噴入燃燒室進行燃燒，實驗結(jié)果表明：多負荷工況下，燃油消耗量平均減少了3.2%，最大減少6.2%，充氣效率、排氣溫度、碳煙和NOX排放量最大也有1%程度的改善。但這種改善型的微氣泡燃料柴油的基本物理特性學術界未見報道，故本文借鑒Yasuhito等學者的研究成果，制備出具有氣泡存活時間長、氣體含量豐富、壓縮產(chǎn)生微爆現(xiàn)象的改善型燃料——微氣泡燃料柴油，并對其基本物理特性進行了研究，著重研究了它的蒸發(fā)特性，以驗證微氣泡的加入可以促進燃料的蒸發(fā)，進而改善燃料的燃燒效果。

1 主要實驗設備

為了在燃料內(nèi)部生成微米級別的氣泡，考慮到成本與今后裝備便利性，本實驗選擇了渦流泵式微米氣泡發(fā)生器(20B-250M，韓國SAM公司)，此裝置是通過液體流動過程產(chǎn)生的紊流實現(xiàn)氣泡生成的。當裝置工作時，裝置內(nèi)部的誘導空氣葉輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強大紊流，將壓入的液體與空氣進行充分混合與打碎，然后通過單孔管路輸出設備，完成液體內(nèi)部微米氣泡的打入[7]。通過30 s氣泡注入燃料清晰度對比照片可知，該設備制泡效果較優(yōu)異。該設備制泡規(guī)格為7 L/min，生成氣泡的尺寸范圍為20～70 μm，主要生成的氣泡尺寸為30～50 μm。滿足實驗所需微米級別氣泡規(guī)格[8]。

2 實驗方法

2.1 燃料的制備

利用氣泡發(fā)生裝置以10 min為單位，向柴油燃料中打入微氣泡，共制備實驗燃料9種(0～80 min)，并在常溫25 ℃條件下，靜置24 h。

2.2 蒸發(fā)實驗

本研究使用大韓科學公司的熱交換器(MaXtir-500H)對目標燃料液滴進行蒸發(fā)，利用光在被測流場中的折射率梯度正比于流場的氣流密度，不同折射率的變化表現(xiàn)為明暗差的紋影法[9](Schlieren method)，對蒸發(fā)過程進行可視化呈現(xiàn)，同時使用高速電子攝像機(FASTCAM-Ultima 512)對可視化過程進行拍攝。

實驗是在標準大氣壓狀態(tài)，室溫25 ℃，加熱板溫度200 ℃、250 ℃條件下進行的。利用微量注射器將實驗燃料20 μL，從距離蒸發(fā)界面30 mm位置自由滴落，液滴接觸加熱板瞬間，蒸發(fā)開始[10]。為減少實驗數(shù)據(jù)誤差，對各燃料(0，40，80 min)分別進行10次實驗觀察。同時，為了確認各燃料完全蒸發(fā)所需要的時間，將高速攝像機置于熱交換器上方45o，按照可視化同等實驗條件，對蒸發(fā)全過程進行拍攝記錄。

2.3 輔助實驗

(1)使用Lijima公司的MA-300G的飽和溶解氧含量測量儀對實驗燃料的氧含量進行測量。

(2)使用CAS公司的CL-1“數(shù)顯旋轉(zhuǎn)式液體黏度測量儀”對實驗燃料的黏度進行測量。

(3)使用CAS公司的CUX620H高精度質(zhì)量測量儀和ILS公司的Microsyringes高密度注射器對實驗燃料的質(zhì)量與體積進行測量，進而計算出對應的液體密度。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)處理方法

利用數(shù)據(jù)處理軟件(imageJ180)對可視化實驗條件下拍攝的燃料蒸發(fā)面積進行計算。

首先，利用軟件的“Set Scale”功能將拍攝區(qū)域?qū)總€像素點的實際尺寸進行計算(256×256個像素對應的實際面積為486.012 mm2，則每個像素點的面積為0.007 4 mm2)。其次，通過 “Threshold”功能將灰度圖像轉(zhuǎn)換為高對比度的黑白圖像，并提取標注出蒸發(fā)區(qū)域范圍；最后，使用“Area Measure”功能，對圈定范圍進行像素計算，并換算為實際面積單位，從而得到某一時刻的蒸發(fā)面積[11]。打入微氣泡的燃料在蒸發(fā)過程中，微爆現(xiàn)象較明顯，通過imageJ180數(shù)據(jù)處理，微爆粒子的直徑平均值為0.03 mm。

3.2 蒸發(fā)可視化實驗結(jié)果

如圖1所示，縱坐標分別為純柴油(0#)、40 min氣泡燃料(40#)、80 min氣泡燃料(80#)三種實驗燃料，橫坐標為500 ms間隔，2 500 ms時間段內(nèi)燃料蒸發(fā)現(xiàn)象的可視化照片。實驗條件為：加熱板溫度200 ℃、 250 ℃，燃料溫度25 ℃。

圖1 蒸發(fā)可視化實驗照片

圖2是對圖1可視化照片進行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。曲線①表示純柴油燃料(0#)，曲線②表示40 min氣泡燃料(40#)，曲線③表示80 min氣泡燃料(80#)。結(jié)果表明，相同的蒸發(fā)條件下，相同時刻，打入微泡的時間越長，燃料的蒸發(fā)的面積越大，蒸發(fā)越活潑。此現(xiàn)象是燃料在受到高溫加熱時，液體內(nèi)部空氣首先受熱膨脹、破裂所導致的，同時通過可視化照片可以看出，微氣泡會產(chǎn)生明顯的微爆現(xiàn)象，也將進一步加快燃料蒸發(fā)速度。

圖2 蒸發(fā)可視化實驗結(jié)果

3.3 燃料完全蒸發(fā)過程實驗結(jié)果

圖3為通過高速攝像機記錄各燃料完全蒸發(fā)過程的實驗照片。橫坐標為燃料完全蒸發(fā)所需時間，縱坐標分別為純柴油燃料、40 min氣泡燃料、80 min氣泡燃料。蒸發(fā)開始時刻以燃料液滴接觸加熱板時刻為準，蒸發(fā)結(jié)束時刻以燃料液滴無法明顯辨認時刻為準。

圖3 燃料完全蒸發(fā)記錄實驗照片

圖4為針對各燃料完全蒸發(fā)所需時間處理的柱形圖。實驗結(jié)果表明，在相同蒸發(fā)溫度條件下，隨著燃料打入氣泡時間的增加，完全蒸發(fā)所需時間呈縮短趨勢。

圖4 燃料完全蒸發(fā)記錄實驗結(jié)果

3.4 輔助實驗結(jié)果

圖5為9組實驗燃料(0#-80#)的含氧量實驗結(jié)果。橫坐標為氣泡打入時間，即對應9組燃料；左側(cè)縱坐標為溶解氧含量，右側(cè)縱坐標為空氣量，空氣量是通過大氣中氧氣所占比例通過計算出來的。實驗結(jié)果表明，隨著燃料中氣泡打入時間的增加，溶解氧含量有6%程度的上升。

圖5 燃料飽和氧含量實驗結(jié)果

圖6為9組實驗燃料(0#-80#)的黏度和密度實驗結(jié)果。橫坐標為氣泡打入時間，即對應9組燃料；左側(cè)縱坐標為液體黏度，右側(cè)縱坐標為液體密度；曲線①為燃料黏度變化曲線，曲線②為燃料密度變化曲線。實驗結(jié)果表明，隨著燃料中氣泡打入時間的增加，燃料黏度有1%程度的下降，燃料密度有0.5%程度的下降。

圖6 燃料黏度和密度實驗結(jié)果

4 結(jié) 語

本實驗是通過相關設備對微氣泡柴油燃料中的飽和氧含量、黏度、密度等基礎物理特性進行測量，同時利用科學計算的方法對氣泡燃料的蒸發(fā)特性進行分析。實驗條件為大氣環(huán)境下，燃料溫度25 ℃，加熱板上方30 mm處自由下落20 μL燃料液滴，加熱板溫度分別為200 ℃和250 ℃，同時，為了保證誤差在合理范圍，每組實驗分別進行10次。通過實驗結(jié)果可得如下結(jié)論：

(1)隨著氣泡打入時間的增加，燃料的基礎物理特性發(fā)生變化，即80 min條件下的飽和氧含量有6%程度的上升，黏度下降1%，密度減少0.5%。由此可知，微氣泡的打入時間在一定程度上和燃料內(nèi)部氣體含量成正比，與燃料黏度、燃料密度變化成反比。

(2)通過燃料液滴的蒸發(fā)可視化實驗結(jié)果可知，隨著燃料中氣泡打入時間的增加，相同時刻，燃料蒸發(fā)面積擴大，燃料完全蒸發(fā)所需時間減少。這是由于，燃料在受到加熱蒸發(fā)時，燃料內(nèi)部溶解空氣首先受熱膨脹破裂所導致，此結(jié)論與燃料氧含量實驗結(jié)果相符。

(3)依據(jù)微氣泡柴油燃料的黏度與密度降低的實驗結(jié)果，結(jié)合其微爆現(xiàn)象和更活潑的蒸發(fā)特征，可以推斷，當將其噴入燃燒室時，其特性的改變將會促進液體粒子的霧化。進而改善混合氣的均勻性。同時，一定程度上也會提高燃燒過程中空氣的利用率。