生物柴油噴霧特性研究進展

陳旭博，耿莉敏，李士杰

（長安大學 陜西省交通新能源開發、應用與汽車節能重點實驗室，陜西 西安 710064）

工藝裝備

生物柴油噴霧特性研究進展

陳旭博，耿莉敏，李士杰

（長安大學 陜西省交通新能源開發、應用與汽車節能重點實驗室，陜西 西安 710064）

文章通過總結前人研究成果，闡述了生物柴油噴霧特性研究進展，探索生物柴油噴霧特性進一步研究的方向。研究發現生物柴油的貫穿距離和索特平均直徑比柴油大，噴霧錐角比柴油小，并且粘度對其霧化質量的影響最大；添加醇類和醚類可以明顯改善生物柴油的霧化特性。指出開展生物柴油噴嘴內流動的仿真和試驗研究具有重要意義。

生物柴油；噴霧特性；貫穿距離；噴霧錐角；索特平均直徑

CLC NO.: U461.99 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-151-02

前言

現今，在能源緊缺和環境污染日趨嚴峻的形勢下，生物柴油良好的環境效益、使用安全性和可再生性，使之成為世界各國新能源開發的熱點[1]。燃料的霧化特性是影響燃燒的主要因素，因此改善其霧化特性是提高發動機的動力性、經濟性和降低排放最為直接有效的方式之一[2]。

1 生物柴油的理化性質

在燃料的霧化過程中，液體的密度、粘度和表面張力極大地影響著燃料在噴嘴內的流動特性和霧化質量。朱思巍等人[3]將生物柴油主要理化性質參數與石化柴油進行對比，得到結果：兩種燃料的動力粘度、表面張力、密度都隨溫度增大而減小；生物柴油的各參數值在一定范圍內總是大于石化柴油；隨著溫度的升高，兩者的動力粘度和密度相差不大，兩者表面張力差值基本恒定。

C.E. Ejim等人[4]的研究表明，對生物柴油霧化質量影響最大的因素是運動粘度，SMD減小的90%取決于粘度，而密度對SMD的影響不到2%。這也與Subhash Lahane等人[5]的研究結論生物柴油的粘度是SMD的主要影響因素不謀而合。因此在替代燃料研究中，粘度應是首要考慮的物性參數。

2 改性生物柴油的噴霧特性

由于國家對發動機排放性能指標要求的日益嚴苛，單純使用生物柴油難以推廣。越來越多的學者開始著手探究添加劑對生物柴油霧化特性、燃燒特性的影響，并且已經取得一定的成果。

2.1 生物柴油添加正丁醚的噴霧特性

Li Guan等人[6]在高壓共軌燃料噴射系統上進行了大豆生物柴油、正丁醚（DBE）/生物柴油混合物、0#柴油的噴霧特性研究。結果表明：隨著DBE摻入生物柴油中，貫穿距離減小，噴霧錐角增加，并且混合燃料中DBE的體積分數達到30%時，貫穿距離，噴霧錐角與柴油相當。DBE混合到生物柴油中，使得SMD明顯減小，這表明添加DBE可以促進生物柴油的霧化。

Chenglong Tang 等人[7]在同樣的試驗儀器上進行了近噴嘴處大豆生物柴油、正丁醚/生物柴油混合物、0#柴油的噴霧特性研究。結果表明，當生物柴油中加入30%的DBE時，噴霧錐角有所增加。

2.2 生物柴油添加正丁醇的噴霧特性研究

Jun Mo等人[8]在共軌燃料噴射系統中進行了添加正丁醇對大豆生物柴油噴霧特性影響的實驗研究。試驗比較了兩種燃料，純大豆生物柴油（B100）和生物柴油/正丁醇混合燃料（B80）的噴霧特性。結果表明，由于B100有較高的粘度和表面張力，與B80相比，B100有更長的貫穿距離和液滴直徑。

因此，添加醇類和醚類可以明顯的改善生物柴油的噴霧特性，進而改善燃用生物柴油發動機動力性、經濟性以及排放性，為生物柴油在柴油機上的推廣應用提供了理論支持。

3 噴射參數對生物柴油噴霧特性的影響

不同噴射參數對生物柴油噴霧特性的影響基本和一般液體燃料噴霧研究一樣，隨著噴射壓力、燃料溫度和環境溫度的升高，霧化質量也相應提高。因此可以將柴油噴霧特性研究的部分成果應用于生物柴油噴霧研究，用已有的理論知識來指導正在或將要進行的科學研究。

4 結語

運動粘度是對生物柴油霧化特性影響最大的物性指標。由于生物柴油的粘度、密度、表面張力均比較大，往往在噴霧特性上表現出較大的貫穿距離、SMD和較小的噴霧錐角。添加醇類和醚類可以明顯地改善生物柴油的噴霧特性。目前，國內外主要研究生物柴油出噴嘴后的霧化特性，受試驗條件限制對噴嘴內流動特性研究甚少，可以在開展噴嘴內三維數值模擬的同時，通過噴嘴內流動特性試驗驗證數值模擬結果，進一步修正數值計算模型和參數，使仿真結果與試驗結果擬合良好。

[1] Sorate KA, Bhale PV. Biodiesel properties and automotive system compatibility issues[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015, 41: 77-98.

[2] 曹建明.液體噴霧學[M] . 北京:北京大學出版社, 2013.

[3] 朱思巍,戴曦.基于多參數的生物柴油物理特性分析[J]. 中國水運,2014: 326-330.

[4] C.E. Ejim, B.A. Fleck. Analytical study for atomization of biodiesels and their blends in a typical injector: Surface tension and viscosity effects[J]. Fuel, 2007, 86: 1534-1544.

[5] Subhash Lahane, K.A. Subramanian. Impact of nozzle holes configuration on fuel spray, wall impingement and NOx emission of a diesel engine for biodiesel & diesel blend (B20)[J]. Applied Thermal Engineering , 2014, 64: 307-314.

[6] Li Guan, Chenglong Tang. Effect of di-n-butyl ether blending with soybean-biodiesel on spray and atomization characteristics in a common-rail fuel injection system[J]. Fuel, 2015, 140: 116-125.

[7] Chenglong Tang, Li Guan. Effect of di-n-butyl ether blending with soybean-biodiesel on the near-nozzle spray characteristics[J]. Fuel,2017, 191: 300-311.

[8] Jun Mo, Chenglong Tang. Experimental investigation on the effect of n-butanol blending on spray characteristics of soybean biodiesel in a common-rail fuel injection system[J]. Fuel, 2016, 182: 391-401.

Research progress in the spray characteristics of biodiesel

Chen Xubo, Geng Limin, Li Shijie
( Key Laboratory of Shaanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Chang’an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

The purpose of this paper was to understand the research progress and explore the new research direction about biodiesel spray characteristics through summarizing predecessors' research results. Available literatures show that the spray tip penetration(STP) and Sauter mean diameter(SMD) of biodiesel are larger than those of diesel, the cone angle of biodiesel is smaller than that of diesel, viscosity of the biodiesel has the most effect on atomization quality. Adding alcohols and ethers in biodiesel can greatly improve its atomization characteristics. Finally, this paper propose that it is important significance to develop simulation and experimental research on the biodiesel flow in the nozzle.

biodiesel; spray characteristics; spray tip penetration; cone angle; Sauter mean diameter

U461.99 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-151-02

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.051

陳旭博（1993-），碩士研究生，就讀于長安大學，燃料噴射與霧化。

陜西省交通新能源開發、應用與汽車節能重點實驗室開放課題資助項目（310822161121）；中央高?；究蒲袠I務費資助項目（310822172203）。