麻瘋樹(shù)油甲酯噴霧特性試驗(yàn)

姜熠豪,姜根柱,張衍

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

化石燃料日益枯竭[1-5]使得各國(guó)開(kāi)始關(guān)注傳統(tǒng)能源的替代燃料。生物柴油作為一種可再生生物能源,受到了各國(guó)政府和科研人員的廣泛關(guān)注?？紤]到潛在燃料技術(shù)的成熟,生物柴油作為一種可再生燃料,可以從多種資源中提取,如食用或非食用的植物油和動(dòng)物脂肪,現(xiàn)在作為商業(yè)燃料廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。相比于化石燃料,生物柴油[6-8]具有十六烷值高、潤(rùn)滑性能好、燃點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)。因此近年來(lái),人們對(duì)生物柴油進(jìn)行了一些研究,麻瘋樹(shù)油甲酯(JME)作為生物柴油的一種,其優(yōu)點(diǎn)即是十六烷值高,作為替代燃料使用非常合適,但是JME的運(yùn)動(dòng)黏度相對(duì)石化柴油較高,不利于燃油霧化。而燃油噴霧霧化效果由其噴霧特性所決定,目前學(xué)者們針對(duì)JME在高壓條件下噴霧特性[9-10]的研究還不夠深入,因此展開(kāi)對(duì)JME的噴霧特性研究是十分必要的,對(duì)JME燃料在以后的工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

在柴油機(jī)實(shí)際工作中,除了燃油屬性對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程有影響外,背景壓力、噴射壓力、噴霧的持續(xù)時(shí)間等因素對(duì)柴油的噴霧特性也有較大的影響。Meshack Hawi等[11]研究了不同的噴射壓力和環(huán)境密度對(duì)柴油、十四烷(柴油替代品)和油酸甲酯(生物柴油替代品)燃料蒸發(fā)噴霧的影響。結(jié)果表明,噴射壓力和環(huán)境密度對(duì)噴霧特性有顯著影響,高噴射壓力對(duì)生物柴油噴霧錐角的影響最小。Li等[12]研究了生物柴油-戊醇共混物的噴霧特性,并與柴油進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,與柴油相比,生物柴油具有更強(qiáng)的噴霧尖端穿透力、更快的峰值尖端速度和更小的噴霧錐角。Fu等[13]研究了生物柴油與二正丁基醚(DBE)共混后的噴霧特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn),添加了DBE的生物柴油的噴霧尖端穿透率降低,噴霧錐角增大,噴霧寬度增大。雖然JME燃料的霧化特性研究國(guó)內(nèi)鮮見(jiàn),但在國(guó)際上已有不少。Boggavarapu等[14]在 50,100,150 MPa的噴射壓力下,將燃料通過(guò)200 μm直徑和70 μm入口半徑的單孔噴嘴噴射到噴霧室(帶光學(xué)通道)中進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明：內(nèi)噴嘴空化引起的噴霧霧化的改善能夠補(bǔ)償JME的劣質(zhì)霧化,盡管在放電系數(shù)方面有相關(guān)的損失。G. Lakshmi Narayana Rao等[15]研究了以JME、柴油及其混合物為燃料的直噴式柴油機(jī)的燃燒、性能和排放特性。結(jié)果表明,與柴油相比, JME及其混合物的點(diǎn)火延遲、最大熱釋放速率和燃燒持續(xù)時(shí)間較低。盡管燃用JME及其混合物的制動(dòng)熱效率較低,但與柴油相比,其尾氣排放量較低,氮氧化物除外。

基于以上分析,發(fā)現(xiàn)不同的試驗(yàn)工況對(duì)生物柴油的噴霧特性都有顯著的影響。本研究中的JME燃料目前尚未在高壓定容彈中進(jìn)行過(guò)噴霧特性研究,為了更好地理解JME燃料的噴霧特性,形成可靠的研究體系,因此在高壓噴射條件為100 MPa,噴射時(shí)間為4 ms前提下,通過(guò)改變環(huán)境溫度、氧氣濃度和環(huán)境壓力,對(duì)JME進(jìn)行噴霧試驗(yàn)。研究結(jié)果對(duì)于JME在實(shí)際燃燒裝置中的應(yīng)用以及優(yōu)化柴油機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 試驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示,試驗(yàn)裝置由定容燃燒室、高壓噴射系統(tǒng)和紋影光路系統(tǒng)組成。噴射過(guò)程在特殊設(shè)計(jì)的定容燃燒室中進(jìn)行,外部氮?dú)飧滋峁└邏旱獨(dú)?可承受高達(dá)15 MPa的壓力,底部裝有排泄閥。采用電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)控制噴射參數(shù)[16],可提供50～160 MPa的穩(wěn)定噴射壓力。電控噴油器安裝在定容燃燒室頂部中央,采用孔徑0.3 mm的單孔直噴噴嘴。腔室兩側(cè)安裝直徑80 mm的石英玻璃窗,用于紋影光的通過(guò)。

圖1 試驗(yàn)裝置

利用高壓共軌裝置進(jìn)行JME燃料的噴射試驗(yàn),在不同的試驗(yàn)工況下,對(duì)氣相噴霧貫穿距和噴霧錐角進(jìn)行測(cè)試和分析,試驗(yàn)中使用的JME為實(shí)驗(yàn)室通過(guò)榨油機(jī)制取的產(chǎn)品,其基本理化特性參數(shù)見(jiàn)表1。表中密度是用高精度電子天平和體積測(cè)量具所測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算得到,黏度是通過(guò)運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)量?jī)x所測(cè)得。如表2所示,在非燃燒條件(氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)下,定容燃燒彈內(nèi)使用的是氮?dú)?取100 MPa的噴射壓力,773 K,823 K的環(huán)境溫度,環(huán)境壓力變化對(duì)應(yīng)的環(huán)境密度分別取13 kg/m3,17 kg/m3和 21 kg/m3。在燃燒條件下,即氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,18%和21%,使用的是空氣以及空氣和氮?dú)饣旌蠚怏w,與非燃燒條件下采用相同的溫度和噴射壓力。為減小隨機(jī)誤差,在所有試驗(yàn)條件下進(jìn)行了5次重復(fù)試驗(yàn),并計(jì)算了5次試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差,以驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和重復(fù)性。

表1 JME特性

表2 初始試驗(yàn)條件

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

試驗(yàn)采用 SP-5000M-PMCL黑白CCD相機(jī)結(jié)合Pentax7528微焦鏡頭采集噴霧圖像,拍攝速率為60 000 張/s,分辨率為320×256。

圖2顯示了液相和氣體噴霧場(chǎng)的邊界獲取原理。紋影法的工作原理[17]是基于不同流場(chǎng)密度區(qū)域處光的折射率的差異。在進(jìn)行燃油噴霧試驗(yàn)時(shí),噴霧體與氣體流場(chǎng)背景之間密度不同,由于氣相噴霧的噴霧密度低于液相噴霧場(chǎng),因此紋影法可有效地測(cè)量整個(gè)噴霧體的邊界,還可測(cè)量液相與氣體噴霧場(chǎng)的邊界。

圖2 紋影法原理圖

試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)噴霧圖像進(jìn)行處理,主要分為三個(gè)步驟：步驟一為預(yù)處理,即對(duì)試驗(yàn)中拍攝的圖片進(jìn)行預(yù)處理,提升對(duì)比度,降低噪點(diǎn);步驟二為二值化處理[18],對(duì)之前預(yù)處理的圖像再進(jìn)行二值化處理,采用合適的二值化方法(局部閾值方法)提取前景噴霧目標(biāo)物;步驟三為形態(tài)學(xué)處理,采用形態(tài)學(xué)方法,對(duì)二值化處理過(guò)的區(qū)域進(jìn)行再次處理,獲得所需的區(qū)域,最后對(duì)該區(qū)域進(jìn)行計(jì)算,得到噴霧場(chǎng)的噴霧錐角和噴霧貫穿距等宏觀特性。數(shù)據(jù)處理的具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理步驟

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣相噴霧發(fā)展過(guò)程

對(duì)JME噴霧形態(tài)進(jìn)行研究,圖4示出在環(huán)境密度為13 kg/m3,溫度為823 K,噴射壓力為100 MPa工況下,JME在噴射過(guò)程中形態(tài)發(fā)展進(jìn)程。

圖4 噴霧發(fā)展圖

從圖4中可知,隨著時(shí)間的進(jìn)展,噴霧持續(xù)沿軸方向移動(dòng),直至穩(wěn)定到一定長(zhǎng)度。此時(shí),氣相噴霧已趨向飽和,并維持在此狀態(tài)不再改變。其原因?yàn)樵趪娚鋲毫σ欢ǖ臈l件下,氣相噴霧沿著軸向方向發(fā)展,隨著氣相貫穿速度逐漸降低,氣相噴霧也達(dá)到了末端,噴霧沿軸向發(fā)展也逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 氣相噴霧特性影響因素

2.2.1 氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)噴霧貫穿距的影響

圖5顯示了在不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,JME燃料的氣相噴霧貫穿距隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律,分析了環(huán)境溫度分別為773 K和823 K、環(huán)境密度為21 kg/m3和不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的工況。隨著噴射時(shí)間的增加,不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下JME燃料的氣相噴霧貫穿距先增大后趨于穩(wěn)定。從圖中可以看出,在氣相噴霧的發(fā)展階段,不同氧氣濃度下氣相噴霧貫穿距的發(fā)展基本相同。如圖5a所示,達(dá)到穩(wěn)定水平后,在環(huán)境溫度為773 K的工況下,氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的氣相噴霧貫穿距小于其他兩個(gè)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的值,而18%和21%氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的JME燃料氣相噴霧貫穿距發(fā)展趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于18%后其對(duì)于JME燃料的影響很小,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加,最終穩(wěn)定的氣相噴霧貫穿距不會(huì)有太大的改變。

圖5 不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下氣相噴霧貫穿距隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律

如圖5b所示,環(huán)境溫度為823 K與環(huán)境溫度為773 K工況下氣相噴霧貫穿距發(fā)展趨勢(shì)基本相同,燃料噴射后1～2 ms,氣相噴霧貫穿距呈快速增加的趨勢(shì),然后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。不同氧氣濃度下的氣相噴霧貫穿距發(fā)展趨勢(shì)基本相同,說(shuō)明在環(huán)境溫度為823 K時(shí),氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)JME燃料噴霧貫穿距的影響幾乎可以忽略不計(jì)。 故可知在高的環(huán)境溫度條件下,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)氣相噴霧貫穿距的影響可忽略不計(jì),環(huán)境溫度對(duì)氣相噴霧貫穿距的影響大于氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

2.2.2 環(huán)境密度對(duì)噴霧貫穿距的影響

圖6示出在不同環(huán)境密度下,JME燃料的氣相噴霧貫穿距隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律。在不同環(huán)境密度下,隨著噴射時(shí)間的增加,氣相噴霧貫穿距先增加后趨于平緩。如圖6a所示,在環(huán)境溫度為773 K工況下,噴射時(shí)間1～2 ms的發(fā)展階段中,環(huán)境密度為21 kg/m3時(shí)氣相噴霧貫穿距最小,其主要原因?yàn)?環(huán)境中的氣體對(duì)噴霧的發(fā)展起到了阻礙的作用,環(huán)境密度越大,其阻礙作用越大,噴霧的軸向貫穿距離和噴霧體積就越小,環(huán)境密度對(duì)氣相噴霧貫穿距影響相對(duì)較大。如圖6b所示,隨著環(huán)境溫度增加到823 K,相對(duì)于773 K,氣相噴霧貫穿距波動(dòng)更大。其主要原因是隨著環(huán)境溫度的升高,噴霧動(dòng)量也隨之增大,進(jìn)而導(dǎo)致了燃油噴射速度加快。雖然在發(fā)展階段氣相噴霧貫穿距曲線出現(xiàn)了部分交叉,但總體來(lái)說(shuō),氣相噴霧貫穿距還是在環(huán)境密度為21 kg/m3時(shí)達(dá)到最小。

圖6 不同環(huán)境密度下氣相噴霧貫穿距隨噴射時(shí)間的變化

在平穩(wěn)階段,環(huán)境溫度為773 K時(shí),環(huán)境密度為13 kg/m3和17 kg/m3條件下,氣相噴霧貫穿距相似,而環(huán)境密度為21 kg/m3時(shí)氣相噴霧貫穿距最大,不同環(huán)境密度下的氣相噴霧貫穿距的差距較小。在環(huán)境溫度為823 K時(shí),不同環(huán)境密度下氣相噴霧貫穿距的差距更小,近似趨于一致。隨著環(huán)境溫度的提升,燃油的噴霧蒸發(fā)速率加快,加快了氣體的混合,促進(jìn)了混合氣的形成,導(dǎo)致了氣相噴霧貫穿距的增大。然而,隨著環(huán)境溫度的提高,環(huán)境密度為21 kg/m3時(shí)氣相噴霧貫穿距最大,表明了環(huán)境溫度在噴射過(guò)程中對(duì)氣相噴霧貫穿距的影響小于環(huán)境密度。

2.2.3 氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)噴霧錐角的影響

圖7示出環(huán)境溫度為773 K和823 K,不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下噴霧錐角隨時(shí)間變化的規(guī)律。由圖可見(jiàn),在不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,隨著噴射時(shí)間的推移,噴霧錐角經(jīng)歷了幾次波動(dòng)后,逐漸趨于穩(wěn)定。如圖7a所示,在環(huán)境溫度為773 K的工況下,剛開(kāi)始前幾百微秒,不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下JME燃料的噴霧錐角各不相同,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%時(shí),初始噴霧錐角最小,而氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),初始噴霧錐角最大,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,初始噴霧錐角越小。從圖中還能看出,在相同的環(huán)境溫度,不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下JME燃料的穩(wěn)定噴霧錐角相差不大,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%時(shí),穩(wěn)定噴霧錐角最小,而氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%時(shí),穩(wěn)定噴霧錐角最大?？梢钥闯?氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于18%與21%之間時(shí)出現(xiàn)噴霧錐角最大值。另外,環(huán)境溫度為773 K時(shí),燃料開(kāi)始噴射后,噴霧錐角在2～4 ms之間達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài),為了搞清楚不同噴射條件對(duì)噴霧錐角的影響,計(jì)算得出穩(wěn)定的氣相噴霧錐角出現(xiàn)在3～4 ms之間。如圖7b所示,改變環(huán)境溫度,其他噴射條件不變,在不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,隨著噴霧時(shí)間的增加,環(huán)境溫度為823 K時(shí)氣相噴霧錐角與環(huán)境溫度為773 K時(shí)發(fā)展趨勢(shì)基本一致,先下降后增加,然后逐漸趨于平緩。與環(huán)境溫度為773 K工況相比,剛開(kāi)始前幾百微秒,氣相噴霧錐角是最大的,最后趨于穩(wěn)定值。

圖7 不同氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下噴霧錐角隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)比圖7a和圖7b可知,在平穩(wěn)階段,環(huán)境溫度越高,對(duì)噴霧錐角抑制越大。其原因是在定容燃燒彈內(nèi),隨著溫度提升,分子運(yùn)動(dòng)更加激烈,油氣噴霧邊緣的混合也更加激烈,環(huán)境阻力增大,進(jìn)而影響了噴霧錐角。

2.2.4 環(huán)境密度對(duì)噴霧錐角的影響

圖8示出在氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,環(huán)境溫度為773 K和823 K的條件下,不同環(huán)境密度工況下噴霧錐角隨時(shí)間的變化規(guī)律。如圖8a所示,在環(huán)境溫度為773 K工況下,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)達(dá)到燃燒條件,隨著噴射時(shí)間的增加,噴霧錐角經(jīng)歷了幾次波動(dòng)后,逐漸趨于穩(wěn)定。此時(shí),環(huán)境密度為21 kg/m3時(shí)噴霧錐角最大,環(huán)境密度為13 kg/m3時(shí)氣相噴霧錐角最小。其主要原因是,環(huán)境密度越大,定容燃燒彈中環(huán)境空氣阻力越大,當(dāng)燃料噴射時(shí),在軸向上的環(huán)境阻力越大,使得噴霧被反向壓縮,噴霧錐角越大。此外,隨著環(huán)境密度的增加,氣體的混合與擴(kuò)散得到了加強(qiáng),進(jìn)而氣相噴霧錐角變大。

圖8 不同環(huán)境密度下噴霧錐角隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律

如圖8b所示,環(huán)境溫度增加到823 K,其他條件保持不變,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)達(dá)到燃燒條件,氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)未達(dá)到燃燒條件。隨著噴射時(shí)間的增加,噴霧錐角出現(xiàn)了一些波動(dòng),然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。然而燃燒與未燃燒條件下的氣相噴霧錐角曲線波動(dòng)有些不同之處,未燃燒條件下的波動(dòng)較小,燃燒條件下的波動(dòng)較大,并且燃燒條件下的最終噴霧錐角比未燃燒條件下要大得多。在氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的非燃燒條件下,不同環(huán)境密度下JME燃料噴霧錐角發(fā)展趨勢(shì)基本一致。環(huán)境密度為21%時(shí)噴霧錐角最大,環(huán)境密度為13%時(shí)噴霧錐角最小,因此環(huán)境密度越大噴霧錐角越大。

由圖8可知,在不同環(huán)境密度下,與氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)的噴射環(huán)境相比,燃燒條件下進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),JME的噴霧錐角更大,是因?yàn)镴ME噴霧中的細(xì)小液滴吸收燃燒釋放的熱量,并且吸收的熱量越多,越有利于燃油的蒸發(fā)氣化,從而噴霧錐角增大。

3 結(jié)論

a) 在噴射壓力為100 MPa下,JME噴霧的氣相噴霧貫穿距隨噴射時(shí)間的變化可分為發(fā)展和穩(wěn)定階段;在穩(wěn)定階段,氣相噴霧形貌沿著軸向方向發(fā)展,隨著氣相貫穿速度逐漸降低,JME的氣相噴霧形貌趨于飽和并不再變化;

b) 在不同環(huán)境溫度、氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)和環(huán)境密度的條件下,隨噴射時(shí)間增加,JME燃料的噴霧貫穿距呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),且環(huán)境密度對(duì)其影響最大;

c) 在平穩(wěn)階段,環(huán)境溫度越高,對(duì)噴霧錐角抑制越大;在不同環(huán)境密度下,與氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%非燃燒條件時(shí)的噴射環(huán)境相比,燃燒條件下進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),JME的噴霧錐角更大。