柴油/生物柴油混合燃料噴霧特性試驗研究

束海波，田茂盛，邵毅明，韓東鑫

（1.重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074）

柴油/生物柴油混合燃料噴霧特性試驗研究

束海波1，田茂盛2，邵毅明2，韓東鑫1

（1.重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074）

為了揭示柴油/生物柴油混合燃料的噴霧特性，本試驗重點研究了生物柴油在不同摻混比下的噴射與霧化性能。試驗利用馬爾文激光粒徑檢測儀分別測試了在燃油噴束200mm、300mm、400mm和500mm處的燃油噴霧索特直徑（SMD）和粒徑累積體積分布情況，同時還利用噴紙試驗法對B0、B10、B20、B50和B100燃油噴束的噴霧錐角進行了測試。試驗結果表明，隨著生物柴油摻混比的增大，混合燃料的噴霧錐角逐漸減小，但燃油噴霧索特直徑呈逐步增大的趨勢。另外試驗還發現，噴射燃油粒徑累積體積分布隨摻混比的增大向較大粒徑方向移動，這表明燃油噴霧中大粒徑液滴數量增多，燃油噴霧質量變差。

生物柴油；試驗；噴霧特性；摻混比例

0 引言

生物柴油是一種性能優勢明顯的發動機代用燃料，它具有一些突出的優點：生物柴油含硫量低、不含芳香烴、不增加二氧化碳排放，具有優良的環保性；十六烷值高、含氧、燃燒性能和潤滑性能好，具有良好的燃料性能[1]；其閃點高于石化柴油，生物降解率高；其揮發性較低、無毒性，不屬于危險燃料，運輸、儲存與使用等方面都具有明顯的安全性；能與石化柴油以任何比例相溶，可以方便地配置成混合燃料[2]。

當前，國內外針對生物柴油的性能做了大量的試驗研究工作。研究發現，生物柴油和柴油的理化性能有著較大的差別，生物柴油在應用的過程中不能和柴油同等對待[3]。在20℃條件下，生物柴油運動粘度比柴油高出62.8%，密度比柴油的大4.6%，表面張力比柴油的大7.1%，而且生物柴油的蒸發性也比柴油更差，生物柴油的平均沸點比柴油的高出69℃，以上這些因素都會導致生物柴油以及添加了生物柴油的混合燃料的噴霧特性發生變化。而噴霧特性的變化，將影響到內燃機缸內混合氣的組織以及燃燒過程，對內燃機的動力性、經濟性以及排放產生很大的影響。因此，有必要對生物柴油的噴霧特性進行研究，明確其霧化機理。另外，研究生物柴油噴霧特性，可以幫助提高生物柴油的噴霧質量及其燃燒熱效率，降低有害氣體的排放，加快生物柴油作為替代燃料在汽車上的應用，以緩解我國能源矛盾和環境保護壓力。

噴霧特性直接影響柴油機的性能[4]，而生物柴油作為柴油的替代燃料，其理化特性與柴油有一定的差異性，對燃料的噴射和霧化特性產生一定的影響，進而影響混合燃料的燃燒和排放特性[5]。為揭示生物柴油燃料潛在的噴霧特性，本文采用激光粒徑試驗法和噴紙試驗法分別測試了生物柴油噴射過程粒徑分布與噴射油束幾何發展形狀。

1 試驗平臺及方法

為了檢測在不同摻混比條件下生物柴油燃料的噴霧特性，了解摻入不同比例生物柴油對噴射霧化的影響，本試驗搭建了相應的試驗臺架，試驗原理如圖1所示。

圖1 試驗臺架示意圖

試驗系統由手壓油泵、馬爾文激光粒度儀、噴油器、電腦及相關軟件所組成。手壓油泵試驗臺提供16-22MPa范圍內的泵油壓力，噴油器為PB2型軸針式噴油器，噴射壓力為18MPa左右，利用馬爾文激光粒度儀檢測燃油噴霧的粒徑分布，并將檢測結果輸入電腦進行分析和處理。

本試驗主要檢測生物柴油以及柴油中摻入不同比例生物柴油后對噴霧質量的影響。其中，生物柴油及柴油的相關物理性質如表1所示[6]，噴油器噴油壓力為16MPa，并將燃油噴入大氣環境中進行測量。

表1 生物柴油和柴油的理化性質

試驗分別測試純生物柴油（B100）、純柴油（B0）、柴油中混入10%生物柴油（B10）、柴油中混入20%生物柴油（B20）、柴油中混入50%生物柴油（B50）這幾種條件下的噴霧特性。同時，為了更詳細、全面、準確地了解生物柴油對噴霧質量的影響，在B0、B10、B20、B50和B100噴霧試驗過程中，利用馬爾文激光粒徑檢測儀分別測試了在燃油噴束200mm、300mm、400mm和500mm處的燃油噴霧索特直徑（SMD）和粒徑累積體積分布情況。此外，還利用噴紙試驗法對B0、B10、B20、B50和B100燃油噴束的噴霧錐角進行了測試。

2 試驗結果與分析

2.1 噴霧錐角

為了對比柴油與生物柴油噴嘴出口的霧化情況和噴霧錐角的差別，用噴射白紙浸濕的方法測量了B0、B10、B20、B50和B100的噴霧錐角。測量方法是在噴孔下方垂直距離為300mm處放一張白色打印紙，然后壓動手壓油泵手柄，當燃油噴射到白色打印紙上時，噴霧會將白紙浸濕，立即測量白紙上濕潤印記的直徑，利用圖2的試驗示意圖及其所對應的幾何關系，經簡單計算就可得到噴霧錐角(圖中a為噴霧錐角)，計算結果如圖3所示。

圖2 噴霧錐角測量示意圖及對應的幾何關系

圖3 不同摻混比混合燃料的噴霧錐角

燃油在較高壓力下從噴嘴噴出以后，受氣流擾動作用而碎裂。其噴霧特性受到液體的密度、粘度和表面張力等物理性質的作用。從圖3中可以看出，隨著摻混比例的增加，混合燃料的噴霧錐角逐漸減小，其減小幅度逐漸增大。這主要是由于生物柴油的運動粘度較大引起的[4]，液體的粘性通常會影響霧化質量，使之變差，當液體的粘度很高時，錐形液束可能會變成一條長長的直線，因而生物柴油較大的運動粘度致使燃油油滴的進一步碎裂更加困難，噴霧錐角變小。另外，生物柴油的揮發性較柴油差，增大摻混比會使噴霧錐角變小[7]。

2.2 霧化液滴的索特直徑

對噴霧霧粒的統計平均直徑的評價有很多方法，有算術統計平均直徑，幾何統計平均直徑，最為常用的是索特平均直徑（SMD）。其原理是將所有的霧粒用具有相同表面積和體積的均一直徑的圓球來近似表示，這一圓球直徑即為索特直徑。索特直徑是評價燃油噴霧質量很重要的一個指標，試驗在大氣環境中測量了B0、B10、B20、B50和B100在噴油器噴油壓力為18MPa，燃油噴束分別為200mm、300mm、400mm和500mm處的燃油噴霧索特直徑（SMD）。試驗結果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著生物柴油摻混比的增加，燃油噴霧索特直徑呈逐步增大的趨勢，在離噴嘴距離300mm范圍內，各種摻混比生物柴油索特直徑變化較小。當油束噴射距離超過300mm以后，各種摻混比生物柴油索特直徑變化較大。同時，各種摻混比生物柴油噴霧的索特直徑隨著噴束距離的增加而呈增大的趨勢，純柴油B0以及B10、B20、B50和純生物柴油B100燃油噴束500mm時的索特直徑與200mm時相比，增加率分別為19.2%、40.1%、42.4%、28.8%和41.9%。這主要是由于噴霧剛離開噴嘴時，由于噴射壓力較高，高速噴束在空氣阻力作用下發生強烈的卷吸作用，使一部分液滴霧化。隨著燃油噴束的發展，噴束動力降低，速度下降，空氣的卷吸作用減弱。同時一部分細小的微粒霧化，只剩下一部分細小的微粒和較大的微粒繼續向前運動，并繼續碎裂成細小的液滴。同時，由于液滴的相互碰撞運動，也使一部分小液滴結合生成較大的液滴。因此，燃油噴霧的索特直徑隨著噴束距離的增加而增加，并且隨著生物柴油摻混比的增加，索特直徑增加幅度越大。這說明生物柴油與柴油混合后，噴霧液滴中大顆粒油滴的數目增多，混合燃料得霧化質量變差。

圖4 生物柴油在不同測量距離時的索特直徑

2.3 霧化液滴的尺寸分布

噴霧質量除了可用索特直徑來評價之外，噴霧場中各種尺寸粒徑的分布狀況也是一種評價參數，因此，試驗測試了噴霧粒徑的累積體積分布。圖5至圖9為試驗測試獲得的B0、B10、B20、B50和B100不同摻混比生物柴油在噴束距離為500mm處的粒徑累積體積分布圖形。

圖5 B0在噴束距離為500mm處的累積體積分布

圖6 B10在噴束距離為500mm處的累積體積分布

圖7 B20在噴束距離為500mm處的累積體積分布

圖8 B50在噴束距離為500mm處的累積體積分布

圖9 B100在噴束距離為500mm處的累積體積分布

試驗結果可以發現，B0、B10、B20、B50和B100的Rosin Rammler直徑分別為34.67μm、42.03μm、37.09μm、37.21μm和41.32μm。均勻性指數分別為2.03、1.89、2.17、1.93和1.97。因此，由試驗結果可以看出，隨著生物柴油摻混比的增加，累積體積分布曲線向著較大粒徑方向移動，燃油噴霧中大粒徑液滴數量增多。另外，燃油噴霧均勻性隨摻混比的變化較復雜，液滴尺寸分布均勻度B20最高，B10最低，B0、B50和B100的尺寸分布均勻度較為接近。

4 結論

本文搭建了生物柴油噴霧測試平臺，采用激光粒徑試驗法測試了柴油噴射過程粒徑分布與液滴尺寸分布均勻度，同時利用噴紙試驗法測試了生物柴油噴射油束幾何發展形狀。主要研究發現如下：

1）摻混比對生物柴油噴射幾何形狀有著重要影響，隨著生物柴油摻混比的增大，混合燃料的噴霧錐角逐漸減小，其變化幅度逐漸增大。

2）在離噴嘴距離300mm范圍內，隨著生物柴油摻混比的增加，各種摻混比生物柴油索特直徑變化較小，在噴束距離300mm以后，各種摻混比生物柴油索特直徑變化較大。同時，各種摻混比生物柴油噴霧隨著噴束距離的增加，燃油噴霧的索特直徑呈增大的趨勢，

3）隨著生物柴油摻混比的增加，燃油噴霧質量變差，累積體積分布曲線朝著較大粒徑方向移動，燃油噴霧中大粒徑液滴數量增多。同時，液滴尺寸分布均勻度B20最高，B10最低，B0、B50和B100的尺寸分布均勻度較為接近。

[1] 何旭,鄭亮.生物柴油噴霧、著火和燃燒特性實驗研究[J].內燃機工程,2012,33(5)41-45.

[2] 張旭升,李理光.生物柴油噴霧特性的實驗研究[J].內燃機學報,2007,25(2)172-176.

[3] 劉志華.生物柴油噴霧數值模擬及應用研究[D].武漢:華中科技大學,2009.

[4] 趙校偉,韓秀坤,何超.生物柴油噴霧特性試驗研究[J].內燃機工程,2008,29(1):16-19.

[5] 耿莉敏,曹建明.生物柴油/柴油混合燃料噴霧特性[J].長安大學學報,2009,29(3)89-92.

[6] 趙陸明,何旭,鄭亮.高噴射壓力下生物柴油噴霧特性噴霧試驗與仿真[J].農業機械學報,2012,43(9)6-10.

[7] 曹建明,王磊.柴油-生物柴油混合燃料噴霧特性試驗研究[J].車用發動機,2008(1):32-35.

Experimental research on spray characteristics of the mixed fuel of diesel and biodiesel

SHU Hai-bo1, TIAN Mao-sheng2, SHAO Yi-ming2, HAN Dong-xin1

TH16；TK46+4

：A

：1009-0134(2017)08-0015-04

2017-04-25

重慶市教委科技項目（KJ120423）

束海波（1975 -），男，江蘇淮陰人，講師，碩士，研究方向為汽車節能與排放控制方面的研究。