植物油微乳化燃料噴霧特性研究

趙汶彬，丁曉倩，楊凱，祁東輝

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

近年來，汽車尾氣排放的有害氣體成為空氣污染的主要原因，探求節能環保、可持續發展的新能源技術及開發代用燃料成為當前汽車行業發展的核心目標[1,2]。使用植物油作為替代燃料，能夠改善燃燒過程[3]，可以直接在柴油發動機上作為燃料使用，而不需要對發動機的構造進行改動[4]。研究發現，直接使用植物油或者對植物油進行微乳化形成乳化燃料可以有效降低有害氣體的排放[5,6]，尤其可以使碳煙排放量降低40%[7,8]。

燃料的噴霧是燃料由噴嘴噴射到氣體介質中發生了碎裂，同時霧化成細小的液滴顆粒的過程，燃料的噴霧特性，研究燃料的噴霧特性就顯得至關重要。文中采用實驗的方法，以桐油和柴油為基礎油（TD），采用微乳化的方法配制不同比例的桐油-柴油-乙醇微乳化燃料，對微乳化燃料與柴油的宏觀噴霧特性和微觀噴霧特性進行對比研究。

1 實驗設備和方法

實驗把桐油與0#柴油按體積比例為3:7和5:5制備基礎油，再分別對兩種基礎油與乙醇按體積比7:3和6:4摻混，制備4種微乳化燃料，即PD30E20, PD30E40, PD50E20和PD50E40，用油酸作為表面活性劑、正丁醇作為助溶劑（油酸與正丁醇的體積比為7:3），對4種微乳化柴油和0#柴油進行噴霧研究，試驗中使用馬爾文Spraytec噴霧型激光粒度儀測定索特平均直徑、霧化液滴尺寸分布、霧化液滴特征直徑和發散度等微觀噴霧特性，利用 Photoshop對圖像進行曝光及測量處理。

2 結果與分析

2.1 霧化液滴尺寸分布

圖1為五種燃料霧化液滴尺寸體積分布圖，由圖可知，在噴霧過程中，尺寸體積分布的變化是先增加到一定的峰值，再減小，最后趨于平穩。所有霧化液滴尺寸都處于 0～180um之間，柴油是五種燃料中峰值出現最早的，在 40um處，TD50E40峰值出現在60um處，是峰值出現最遲的，其余三種燃料峰值都出現在50um處。可見，在一次噴射過程中，柴油霧化后的小尺寸液滴顆粒占其總比例更大，TD50E40霧化后的大尺寸液滴顆粒占其總比例更大。

圖1 五種燃料霧化液滴尺寸體積分布圖

2.2 霧化液滴的特征直徑

特征直徑在馬爾文Spraytec激光粒度儀中直接讀取，常選取D0.1、D0.5、D0.9和 D0.999四組特征直徑，表1是五種霧化燃料的特征直徑，可見四組微乳化燃料的各個特征直徑均大于柴油。在微乳化燃料中，乙醇所占比例增加時，微乳化燃料特征直徑基本一樣；增加基礎油中桐油的比例時，各組微乳化燃料的特征直徑也明顯增大。這說明，在微乳化燃料中，桐油占比越大，噴霧過程中產生的大顆粒液滴數目就越多、小顆粒液滴數目越少，霧化液滴的特征直徑增大。

表1 五種燃料霧化液滴特征直徑

2.3 霧化液滴的發散度

液滴的發散度常用燃料的相對尺寸范圍△s和發散邊界△b作為指標，

表2是五種燃料霧化液滴相對尺寸范圍△s和發散邊界△b，可見柴油的相對尺寸△s大于四組微乳化燃料、發散邊界△b小于四組微乳化燃料，說明柴油霧化液滴顆粒直徑在較小范圍內的發散度較大、微乳化燃料顆粒直徑在較大范圍內發散度較大。當微乳化燃料中桐油占比增加時，霧化燃料的相對尺寸范圍變小、發散邊界變大；當基礎油比例一定時，乙醇占比越大，霧化液滴相對尺寸范圍△s和發散邊界△b都增加。

表2 五種燃料霧化液滴相對尺寸范圍△s和發散邊界△b

3 結論

（1）隨著微乳化燃料中桐油含量的增加，霧化液滴的特征直徑增大，相對尺寸范圍變小、發散邊界變大，微乳化燃料的霧化質量變差。

（2）當微乳化燃料中乙醇占比增加時，噴霧錐角變大，貫穿距離變小，索特平均直徑變小，微乳化燃料特征直徑基本一樣，霧化液滴相對尺寸范圍△s和發散邊界△b都增加。

（3）試驗所用四組微乳化燃料的各個特征直徑均大于柴油，柴油霧化液滴顆粒直徑在較小范圍內的發散度較大、微乳化燃料顆粒直徑在較大范圍內發散度較大。