生物柴油及其混合燃料的噴油特性研究

侯軍興，張華陽，安曉東，宗曉晶

(鄭州航空工業(yè)管理學院航空工程學院，河南 鄭州 450046)

由于能源危機和環(huán)境污染日趨嚴重，壓燃發(fā)動機燃用清潔替代燃料成為人們的共識。生物柴油十六烷值較高，含氧，硫含量極低，不含芳香烴，潤滑性好，來源廣泛，資源不會枯竭，是一種性能優(yōu)異、可再生的清潔替代燃料。郭恒杰等[1]研究了棕櫚油生物柴油的噴霧特性，研究表明，提高噴油壓力可以促進油滴的破碎，提高環(huán)境背壓可以促進油滴的聚合。宋曉超等[2]研究了燃油溫度對生物柴油噴霧特性的影響，研究表明，提高燃油溫度，生物柴油的液相貫穿距離減小，索特平均直徑增大。楊康康等[3]研究了生物柴油摻混醇類燃料的噴霧特性，發(fā)現(xiàn)噴霧貫穿距離和噴霧錐角主要受噴油壓力和環(huán)境背壓的影響，高噴油壓力和環(huán)境背壓下，燃料對噴霧特性的影響減弱。此外，國內(nèi)外許多學者研究了生物柴油的燃燒和排放特性[4-6]，研究發(fā)現(xiàn)柴油機燃用生物柴油會導(dǎo)致NOx排放升高[7-8]。二甲醚也是一種清潔替代燃料，其十六烷值較高，含氧量大，NOx排放低，可實現(xiàn)零炭煙排放[9]。在生物柴油中摻混二甲醚，有利于改善生物柴油的霧化，迅速形成均勻混合氣，還有利于降低NOx排放[10-11]。目前針對生物柴油摻混二甲醚混合燃料的噴油特性研究較少，因此，本研究對純生物柴油、高比例生物柴油混合燃料和低比例生物柴油混合燃料在不同噴油壓力、不同噴油脈寬下的噴油速率、噴油器入口處嘴端油管壓力進行試驗研究，確定了噴油條件和生物柴油摻混比例對噴油速率、油管壓力和循環(huán)噴油能量的影響規(guī)律。

1 試驗裝置和試驗燃料

在噴油泵試驗臺上搭建共軌系統(tǒng)噴油試驗裝置(見圖1)。燃料罐中的燃料經(jīng)濾清器濾清、低壓泵加壓進入高壓泵，再經(jīng)高壓泵二次加壓后通向共軌，經(jīng)過電控噴油器進行噴油。噴油器安裝在長管法噴油速率儀上，噴油器噴嘴為7×0.17 mm，啟噴壓力為17 MPa。用壓力傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀采集噴油器入口處的油管壓力和長管內(nèi)噴油燃油的壓力波，采樣頻率為50 kHz。

圖1 噴油試驗裝置示意

生物柴油和二甲醚兩種燃料的主要理化特性見表1。試驗燃料有3種，分別為純生物柴油、高比例生物柴油混合燃料和低比例生物柴油混合燃料，燃料中生物柴油所占的質(zhì)量比例分別為100%，70%和30%，記為BD100、BD70和BD30。試驗時，噴油壓力分別為40 MPa和60 MPa，噴油脈寬分別為1.2 ms和1.6 ms。

表1 燃料的主要理化特性

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 純生物柴油噴油特性研究

圖2示出不同噴油壓力和噴油脈寬下，純生物柴油BD100的噴油速率。表2示出不同噴油壓力和不同噴油脈寬下的噴油速率參數(shù)。由圖2和表2可知，同一噴油壓力下，脈寬由1.2 ms增加為1.6 ms時，噴油始點相同，噴油初期噴油速率上升斜率、噴油末期噴油速率下降斜率、噴油持續(xù)階段的噴油速率均相同，噴油終點延后，噴油持續(xù)期明顯延長。當噴油壓力由40 MPa增加為60 MPa時，噴油速率在噴油初期上升和噴油末期下降曲線均變陡，最大噴油速率增加，噴油持續(xù)階段的噴油速率波動變大。噴油壓力升高，噴孔前后壓差變大，最大噴油速率增加；共軌內(nèi)和高壓油管內(nèi)油管壓力振蕩變大，影響針閥完全開啟后的噴油速率穩(wěn)定性，所以噴油持續(xù)階段的噴油速率抖動幅值變大。

圖2 不同噴射條件下純生物柴油的噴油速率

表2 純生物柴油的噴油速率特征參數(shù)

圖3示出不同噴油壓力和噴油脈寬下，BD100噴油器入口處的嘴端油管壓力(簡稱嘴端壓力)。由圖3可知，噴油器入口處的嘴端壓力波形相似，均為先下降形成第一波谷再上升，達到第一波峰(最高值)后開始波動，波峰隨時間逐漸衰減。噴油壓力由40 MPa增加為60 MPa時，噴油引起的嘴端壓力下降幅度變大，噴油結(jié)束后嘴端壓力各個波動幅值均變大，除第一波峰外，其余各個波峰的相位均提前。說明噴油壓力既影響嘴端壓力的大小，又影響其相位。噴油脈寬由1.2 ms增加為1.6 ms時，噴油引起的嘴端壓力下降幅度差別不明顯，但各個波峰的相位明顯延后，說明噴油脈寬對嘴端壓力大小影響不明顯，僅對嘴端壓力波峰的相位影響明顯。

圖3 純生物柴油在不同噴油條件下的嘴端壓力

2.2 混合燃料噴油特性研究

圖4示出不同噴油條件下，摻混比例對生物柴油-二甲醚混合燃料噴油速率的影響。表3示出混合燃料噴油速率特征參數(shù)。由表3和圖4a可知，噴油壓力60 MPa，噴油脈寬1.6 ms時，BD100、BD70和BD30這3種燃料的噴油始點相同，噴油初期噴油速率上升差別不大；摻入二甲醚后，在噴油持續(xù)階段，隨著生物柴油混合比例的減少，燃料噴油速率抖動變大，噴油終點延后，噴油持續(xù)期延長，尤其是純生物柴油BD100與混合燃料 BD70、BD30的噴油終點、噴油持續(xù)期差別較大；而兩種混合燃料BD70和BD30的噴油終點、噴油持續(xù)期差別不明顯。說明60 MPa噴油壓力下，高比例生物柴油混合燃料BD70和低比例生物柴油BD30的噴油速率特性差別不明顯。由表3和圖4b可知，噴油壓力40 MPa時，BD100、BD70和BD30的噴油始點相同，噴油初期噴油速率上升基本一致；在噴油持續(xù)階段，隨著生物柴油摻混比例的減少，噴油速率抖動變大，噴油終點延后，噴油持續(xù)期延長。純生物柴油BD100與混合燃料 BD70的噴油終點、噴油持續(xù)期接近，與混合燃料 BD30的噴油持續(xù)期、噴油終點差別較大。值得注意的是，3種燃料的噴油終點、噴油持續(xù)期等噴油特性在不同噴油壓力下表現(xiàn)不同。40 MPa噴油壓力下，純生物柴油BD100的噴油持續(xù)期、噴油終點與高比例生物柴油BD70接近，與低比例生物柴油的差別較大。60 MPa噴油壓力下，高比例生物柴油BD70的噴油終點、噴油持續(xù)期與低比例生物柴油BD30接近，與純生物柴油BD100的差別較大。

圖4 摻混比例對混合燃料噴油速率的影響

表3 混合燃料在不同條件下的噴油速率特征參數(shù)

圖5示出摻混比例對混合燃料嘴端壓力的影響。由圖5a可知，噴油壓力60 MPa，噴油脈寬1.6 ms時，隨著燃料中生物柴油比例的減少，噴油引起的嘴端壓力下降幅度變小，BD100、BD70和BD30的嘴端壓力第一波谷依次變淺，嘴端壓力第一波峰依次降低。隨著燃料中生物柴油比例的減少，3種燃料嘴端壓力的各個波峰呈現(xiàn)不同的特征。第一波峰特征是BD100的波峰最大，BD70的波峰居中，BD30的波峰最小；第二波峰特征和第三波峰特征一致，均為BD70的波峰最大，BD30的波峰居中，BD100的波峰最小；第四波峰特征是BD30的波峰最大，BD70的波峰居中，BD100的波峰最小。這是由于BD100、BD70和BD30的嘴端壓力聲速逐漸降低，導(dǎo)致波峰的衰減速度逐漸變慢。

圖5 摻混比例對混合燃料嘴端壓力的影響

由圖5b可知，40 MPa噴油壓力下?lián)交毂壤龑ι锊裼妥於藟毫Φ挠绊懸?guī)律與60 MPa噴油壓力下的影響規(guī)律一致。與60 MPa噴油壓力相比，40 MPa噴油壓力下BD100、BD70和BD30這3種燃料的嘴端壓力第一波谷變淺變寬，各個波動幅值變小，相位延后。對于同一燃料，40 MPa噴油壓力下油管壓力聲速比60 MPa噴油壓力下油管壓力聲速低，所以衰減速度變慢。

圖6示出不同噴射條件下，摻混比例對混合燃料循環(huán)噴油能量的影響。圖中循環(huán)噴油能量為燃料的循環(huán)噴油量(質(zhì)量)與燃料低熱值的乘積。由圖6可知，噴油壓力40 MPa和60 MPa下，3種燃料的循環(huán)噴油能量呈現(xiàn)相同的規(guī)律：均為BD70的循環(huán)噴油能量最大，BD100的循環(huán)噴油能量居中，BD30的循環(huán)噴油能量最小。這是由于循環(huán)噴油能量主要受低熱值和質(zhì)量循環(huán)噴油量的影響，低熱值與循環(huán)噴油量的乘積為循環(huán)噴油能量，因此在不同的噴油壓力和噴油脈寬下，3種燃料的循環(huán)噴油能量的規(guī)律相同，BD70、BD100和BD30的循環(huán)噴油能量依次降低。發(fā)動機燃用3種燃料時，需要根據(jù)摻混比例對噴油脈寬進行相應(yīng)調(diào)整，保證達到原機功率。

圖6 摻混比例對混合燃料循環(huán)噴油能量的影響

3 結(jié)論

a)相同噴油壓力下，當噴油脈寬增加時，噴油始點相同，噴油初期噴油速率上升斜率、噴油末期噴油速率下降斜率、噴油持續(xù)階段的噴油速率均不變，噴油終點延后，噴油持續(xù)期明顯延長；相同噴油脈寬下，噴油壓力增加，噴油初期噴油速率上升、噴油末期噴油速率下降均變陡，最大噴油速率增加，噴油持續(xù)階段的噴油速率波動幅值變大；

b)噴油壓力增加時，噴油引起的嘴端壓力下降幅度變大，噴油結(jié)束后嘴端壓力各個波動幅值均變大，除第一波峰外，其余各個波峰的相位均提前；噴油脈寬對嘴端壓力大小影響不明顯，僅對嘴端壓力波峰的相位影響明顯，噴油脈寬增加時，各個波峰的相位明顯延后；

c)40 MPa噴油壓力下，純生物柴油的噴油終點、噴油持續(xù)期與高比例生物柴油接近，與低比例生物柴油的差別較大；60 MPa噴油壓力下，高比例生物柴油的噴油終點、噴油持續(xù)期與低比例生物柴油接近，與純生物柴油的差別較大；

d)不同噴油條件下，摻混比例對生物柴油嘴端壓力的影響規(guī)律相同，隨著摻混比例的增加，噴油引起的嘴端壓力下降幅度變小，嘴端壓力第一波谷依次變淺，嘴端壓力第一波峰依次降低；

e)不同噴油條件下，3種燃料的循環(huán)噴油能量規(guī)律相同，均為高比例生物柴油混合燃料的循環(huán)噴油能量最大，純生物柴油的循環(huán)噴油能量居中，低比例生物柴油混合燃料的循環(huán)噴油能量最小。