生物柴油體積含量對表面張力影響的試驗研究

張凱妹，戴仁杰，朱錫玉，曹建明

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，居民汽車保有量急劇增加，與此同時，汽車所帶來的能源危機與環境問題也日益嚴重，尋求替代燃料，節省石油資源以及降低汽車尾氣對環境的污染已成為汽車研究的重要內容，其中可再生生物質燃料生物柴油是目前研究的主要方向之一。目前上海公交公司已經試推行生物柴油公交車，但因為生物柴油具有高表面張力、高粘度、高冷濾點等缺點，現推廣的只為體積含量為5%的B5摻混燃油。柴油機性能主要取決于燃燒室形狀、缸內空氣運動和噴油壓力三者之間的配合[1]，同時也受到燃油霧化性能的影響，其中燃油的表面張力、密度和粘度是影響燃油霧化性能的重要因素[2]。常溫下，生物柴油可與石化柴油以任意比例互溶，本試驗通過測量不同摻混比燃油的表面張力系數，來得到摻混比對燃油表面張力的影響。

1 表面張力與生物柴油體積含量關系的試驗

表面張力是指作用于液體表面，使液體表面縮小的力。表面張力的形成和處在液體表面薄層內的分子特殊受力狀態密切相關。

如圖1所示。表面張力的存在形成了很多日常生活中可以觀察到的特殊現象，同樣它也是評價燃油霧化性能的重要指標，對燃油在噴嘴附近的霧化過程有顯著的影響。本試驗的目的是研究不同體積含量的生物柴油對燃油表面張力的影響。

圖2 表面張力測定臺架示意圖

圖1 表面張力示意圖

測量表面張力系數的方法有很多種，主要有懸滴法、最大氣泡法、毛細管上升法等[3]。本試驗利用毛細上升法的測定原理自主搭建表面張力測定臺架，臺架示意圖如圖2所示。試驗過程中，以游標卡尺對尺寸進行定標，利用高清晰度CCD相機對試驗結果進行取相，利用數字圖像處理軟件對獲取圖像進行處理，通過計算像素點的方法對玻璃毛細管的內徑及待測液體在毛細管內受毛細作用力上升的高度進行測量，并利用公式1.1對各燃油的表面張力系數進行計算。

其中ρL為燃油密度；ρg為大氣密度；g為當地重力加速度；r為毛細管內徑；h為毛細管內燃油液面上升高度。

由公式1.1知，對燃油表面張力進行測定時，需先獲取燃油密度，本試驗利用石油產品密度計對20℃下純柴油及純生物柴油的密度進行測定，并利用公式1.2對各燃油的密度進行擬合，試驗測得純柴油密度為 825kg/L；純生物柴油密度為878kg/L。

其中cB為生物柴油體積含量；ρB為生物柴油密度；ρD為柴油密度。

2 試驗結果及分析

為了檢驗利用自主搭建試驗臺測量的可行性，對無水乙醇在20℃下的表面張力系數進行測定，測得無水乙醇的表面張力系數為0.0225 N/m，與NIST數據進行對比發現，此試驗臺具有較高的測量精度。本試驗對B0、B20、B40、B60、B80、B100等6種燃油的表面張力進行測得，結果如圖3所示，其中橫坐標表示為燃油中生物柴油體積含量。

圖3 生物柴油體積含量與表面張力系數的變化關系

結果表明，生物柴油的摻混量對燃油的表面張力系數有顯著的影響，并且摻混燃油的表面張力系數隨著燃油內生物柴油的體積含量而呈現近似線性的變化。王磊等人[4]通過對不同摻混燃油的噴霧特性進行試驗并發現，燃油B24的霧化性能與 B0的霧化性能之間沒有顯著的區別，但生物柴油體積含量達到50%時則出現明顯惡化，與本次試驗數據進行對比發現，燃油表面張力系數在0.029～0.032N/m之間時，燃油的霧化性沒有明顯的區別，但燃油表面張力系數高出0.033N/m時，燃油的霧化性能則出現明顯的惡化。

3 結束語

本試驗利用毛細上升法對6種不同體積含量生物柴油摻混燃油的表面張力系數進行測定，研究生物柴油體積含量對燃油表面張力系數的影響，并與BD燃油霧化性能相關研究進行對比研究。

（1）生物柴油摻混量對BD燃油的表面張力系數具有顯著的影響。

（2）BD燃油的表面張力系數隨生物柴油體積含量的增加而呈近線性增長。

（3）表面張力系數是影響燃油霧化性能的重要因素，其中燃油表面張力系數在0.029～0.032N/m之間時，燃油的霧化性能沒有明顯的區別，但超出0.033N/m時則出現明顯惡化。

參考文獻

[1] 曹建明.液體噴霧學[M].北京:北京大學出版社.2013, 7.

[2] 周龍保.內燃機學[M].北京:機械工業出版社.2010, 8.

[3] 趙貫甲,畢勝山,吳江濤,等.毛細上升法表面張力實驗系統改進[J].工程熱物理學報. 2011. V32(4): 546-548.

[4] 王磊.生物柴油/柴油混合燃料噴霧特性研究[D].西安:長安大學.2008.