用于柴油機的柴油-FAME混合燃料噴霧特性研究

張義俊，朱 迪，劉圣勇

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 451450；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

1 引言

生物柴油由動植物脂肪與甲醇發(fā)生酯化反應(yīng)得到，它的主要成分是混合脂肪酸甲酯FAME[1]，是綠色可再生能源。鑒于其原材料和制備工藝的不同，F(xiàn)AME具有較高的運動粘度、密度和表面張力。FAME常與柴油按一定比例混合使用，為了達到國家燃料使用標(biāo)準(zhǔn)，必須選擇合適的混合比[2]。燃料的霧化是指大液柱或液膜變成小液滴，從液滴受力的角度分析，霧化過程可以看作是外力與液滴內(nèi)部粘性力共同作用的過程[3]。首先，液體表面外力迫使液柱分裂；其次，液體分子試圖保持其原始粘性形狀的引力；第三個因素是液體的表面張力迫使液滴保持球形，液體保持最小的表面能而產(chǎn)生一定的抗力。當(dāng)外力大于液體的表面張力和液體內(nèi)部的粘性力時，就會發(fā)生碎裂而霧化[3]。

本文研究了燃油質(zhì)量、噴油壓力、環(huán)境壓力和噴油嘴參數(shù)等因素對燃油分子內(nèi)外力的影響。分析了在不同環(huán)境壓力、噴射壓力、噴嘴直徑和不同混合比下的噴霧特性，為FAME的實際推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

2 材料

測試設(shè)備包括高壓泵、定容燃燒裝置、信號發(fā)生器控制器和高壓噴射器。測試系統(tǒng)的原理如圖1所示。定容燃燒模擬發(fā)動機氣缸。高壓氮氣控制內(nèi)部環(huán)境壓力。為了便于顯示色差，定容室相鄰兩側(cè)的內(nèi)壁采用了黑屏裝飾[4]。剩下的兩側(cè)面是壓力玻璃窗，一側(cè)用來透光，另一側(cè)用來照相。試驗燃料是來自廢油的生物柴油和0#柴油的混合物。

3 研究方法

3.1 宏觀研究

圖1 噴霧試驗裝置示意

圖2 噴霧貫穿距和噴霧錐角的定義

3.2 微觀分析

通過實驗，對不同比例的混合燃料噴霧液滴的大小和數(shù)量的變化進行分析。通過Matlab和Photoshop對圖像進行數(shù)據(jù)處理，可以得到更精確的微觀液滴分布，如圖3所示。

沿著噴嘴軸向，用快速攝像機拍攝了跨度為60°的非彈性T形線，確定長度與標(biāo)定像素之間的關(guān)系。液滴直徑將近似讀取[10]。標(biāo)準(zhǔn)線徑是通過photoshop軟件讀取的4個像素，所以長度和像素轉(zhuǎn)換系數(shù)是:

3.3 實驗方案設(shè)定

當(dāng)FAME摻混比大于60%時，通過測定，混合燃料的密度和粘度均不適合柴油機燃料國家標(biāo)準(zhǔn)[9]。為使實驗效果更加明顯，選取BD0、BD20、BD40、BD60和BD100樣品進行宏觀和微觀特征分析。這里，BD20表示FAME比率為20%，0號柴油比率為80%。

4 結(jié)論及分析

4.1 FAME含量對混合燃料宏觀噴霧特性的影響

實驗條件：噴嘴孔徑0.26 mm，噴射壓力90 MPa，定容室壓力為0.42 MPa。對4種比例的燃料霧化分布結(jié)構(gòu)和液滴直徑進行分析，如圖4和圖5所示。

結(jié)果表明，錐角越小，揚程在初始噴霧階段變化較快，中后期逐漸消散，氣相占主導(dǎo)；氣相擴散和液相蒸發(fā)使混合氣濃度越來越小。縱向分析，相同噴霧條件，初始FAME的含量越大，錐角越小，噴霧覆蓋范圍越小，混合燃料的噴霧穿透力大，且FAME含量越高，燃料束停留時間越長，這主要是由于FAME與柴油之間的運動粘度、密度和表面張力不同，導(dǎo)致FAME霧化性能較差。

圖3 噴霧場處理前后圖片對比

噴霧初始，流量大，噴霧角小，穿透力小。最大噴霧角55°；100%FAME含量混合燃料噴霧角度僅25°。如圖3所示，F(xiàn)AME含量增加促使混合燃料分子的擴散，降低液滴的蒸發(fā)和霧化能力。

BD0、BD30和BD100霧場顯微圖像如圖4所示，自上而下，軸向噴射。BD100大液滴含量大于BD0，從兩者外觀均勻性的差異來看，BD0大液滴破碎更徹底，噴霧效果更均勻，而純生物柴油噴霧的液滴大得多，并伴有液滴粘附。

如圖5統(tǒng)計圖中，粒徑17.5 μm液滴數(shù)最多。在小于32 μm范圍內(nèi)，BD0液滴數(shù)量最多，隨著FAME含量的增加，直徑大于35 μm的液滴增多，BD100的霧化質(zhì)量最差。大顆粒液滴的增多說明混合霧化變差。內(nèi)部粘性力很難被外部氣壓力破壞。

4.2 壓力對燃料噴霧的影響

實驗條件為：一定噴射量，0.25 mm噴嘴直徑。將噴射壓力設(shè)定為50MPa、70MPa、90MPa和110MPa。圖6不同比例混合燃料噴霧揚程和霧錐角的變化情況。隨著壓力增加，揚程增大，錐角減小。壓力越高，初始動能越大，軸向運動距離越長；壓力越低，初始動能越小，錐角越大。壓力的增大，霧滴揚程的增大速度加快。FAME含量越大，噴射壓力對霧滴揚程的影響越大。噴霧角度隨著FAME含量的增加而下降。BD30和BD20的變化趨勢相似。

BD30在1.8 ms時的統(tǒng)計分析如圖7所示。當(dāng)噴射壓力為30MPa時，大于40 μm的大液滴數(shù)量占41.5%。當(dāng)壓力達到90MPa時，以小于30 μm的小液滴為主，數(shù)量大于90%。因此，在燃燒室允許大壓力的條件下更有利于燃油霧化。

4.3 噴嘴孔徑對混合燃料霧化特性的影響

設(shè)定噴射壓力90MPa，定容室壓力4MPa，單次噴射量相同，噴嘴直徑選定0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm或0.3 mm。圖8是混合燃料不同直徑噴嘴在噴霧開始后1.8 ms的噴霧范圍變化情況。噴嘴直徑越大，噴霧范圍越大，噴霧錐角越小。主要原因是噴嘴直徑越大，阻力越小，使霧滴獲得的動能越大，速度越快，因此在有限的時間內(nèi)霧滴的輸送距離越大。此外，當(dāng)噴嘴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)減小，燃料擴散受限于周邊氣流，噴霧角減小時，噴嘴幾乎不發(fā)生霧化。

BD30在1.8 ms時，不同噴嘴孔徑液滴分布如圖9所示。噴嘴直徑越小，得到的液滴越小。噴嘴直徑為0.15 mm時，94%的液滴直徑小于30 μm。燃油噴霧效果良好。當(dāng)噴嘴直徑為0.3 mm時，30 μm液滴只占70%，由于較低的初始動能減緩了油束的發(fā)展，使其與周圍空氣接觸時間較長所致。

圖4 不同混合比霧形發(fā)展

圖5 不同噴嘴直徑混合燃料液滴分布

圖6 不同比例混合燃料噴霧揚程和霧錐角的變化

5 結(jié)論

影響混合燃料霧化特性的主要原因是燃料粘度和噴咀孔徑和噴霧壓力。混合燃料粘度大小取決于兩種成分的混合百分比，實驗結(jié)果表明，

圖7 噴霧壓力對BD30混合燃料的霧滴分布的影響

圖8 噴嘴直徑對混合燃料噴霧霧錐角和噴霧射程的影響

圖9 不同噴嘴直徑對 BD30燃料霧滴分布

(1)混合燃料的霧化結(jié)構(gòu)隨FAME含量的增加而改變，噴霧角度減小，穿透力逐漸增大。霧化性能逐漸降低，顯微液滴平均直徑是17.5 μm。

(2)隨著噴射壓力的增加，噴射角減小，穿透力增大，當(dāng)FAME含量小于或等于混合燃料的30%時，噴霧結(jié)構(gòu)的變化率小于高壓時的變化率。因此，在燃燒室結(jié)構(gòu)允許的情況下，增加噴油壓力更有利于燃油霧化。

(3)隨著噴嘴直徑的增大，噴霧范圍增大，噴霧錐角減小，大顆粒液滴增多，不利于均勻霧化。