麻瘋樹油甲酯噴霧特性試驗

姜熠豪,姜根柱,張衍

(江蘇科技大學機械工程學院,江蘇 鎮江 212003)

化石燃料日益枯竭[1-5]使得各國開始關注傳統能源的替代燃料。生物柴油作為一種可再生生物能源,受到了各國政府和科研人員的廣泛關注。考慮到潛在燃料技術的成熟,生物柴油作為一種可再生燃料,可以從多種資源中提取,如食用或非食用的植物油和動物脂肪,現在作為商業燃料廣泛應用于許多領域。相比于化石燃料,生物柴油[6-8]具有十六烷值高、潤滑性能好、燃點高等優點。因此近年來,人們對生物柴油進行了一些研究,麻瘋樹油甲酯(JME)作為生物柴油的一種,其優點即是十六烷值高,作為替代燃料使用非常合適,但是JME的運動黏度相對石化柴油較高,不利于燃油霧化。而燃油噴霧霧化效果由其噴霧特性所決定,目前學者們針對JME在高壓條件下噴霧特性[9-10]的研究還不夠深入,因此展開對JME的噴霧特性研究是十分必要的,對JME燃料在以后的工程應用具有一定的指導價值。

在柴油機實際工作中,除了燃油屬性對柴油機缸內燃燒過程有影響外,背景壓力、噴射壓力、噴霧的持續時間等因素對柴油的噴霧特性也有較大的影響。Meshack Hawi等[11]研究了不同的噴射壓力和環境密度對柴油、十四烷(柴油替代品)和油酸甲酯(生物柴油替代品)燃料蒸發噴霧的影響。結果表明,噴射壓力和環境密度對噴霧特性有顯著影響,高噴射壓力對生物柴油噴霧錐角的影響最小。Li等[12]研究了生物柴油-戊醇共混物的噴霧特性,并與柴油進行了比較。結果表明,與柴油相比,生物柴油具有更強的噴霧尖端穿透力、更快的峰值尖端速度和更小的噴霧錐角。Fu等[13]研究了生物柴油與二正丁基醚(DBE)共混后的噴霧特性,結果發現,添加了DBE的生物柴油的噴霧尖端穿透率降低,噴霧錐角增大,噴霧寬度增大。雖然JME燃料的霧化特性研究國內鮮見,但在國際上已有不少。Boggavarapu等[14]在 50,100,150 MPa的噴射壓力下,將燃料通過200 μm直徑和70 μm入口半徑的單孔噴嘴噴射到噴霧室(帶光學通道)中進行試驗,結果表明：內噴嘴空化引起的噴霧霧化的改善能夠補償JME的劣質霧化,盡管在放電系數方面有相關的損失。G. Lakshmi Narayana Rao等[15]研究了以JME、柴油及其混合物為燃料的直噴式柴油機的燃燒、性能和排放特性。結果表明,與柴油相比, JME及其混合物的點火延遲、最大熱釋放速率和燃燒持續時間較低。盡管燃用JME及其混合物的制動熱效率較低,但與柴油相比,其尾氣排放量較低,氮氧化物除外。

基于以上分析,發現不同的試驗工況對生物柴油的噴霧特性都有顯著的影響。本研究中的JME燃料目前尚未在高壓定容彈中進行過噴霧特性研究,為了更好地理解JME燃料的噴霧特性,形成可靠的研究體系,因此在高壓噴射條件為100 MPa,噴射時間為4 ms前提下,通過改變環境溫度、氧氣濃度和環境壓力,對JME進行噴霧試驗。研究結果對于JME在實際燃燒裝置中的應用以及優化柴油機的設計具有重要意義。

1 試驗裝置與數據處理

1.1 試驗裝置

如圖1所示,試驗裝置由定容燃燒室、高壓噴射系統和紋影光路系統組成。噴射過程在特殊設計的定容燃燒室中進行,外部氮氣缸提供高壓氮氣,可承受高達15 MPa的壓力,底部裝有排泄閥。采用電控高壓共軌燃油噴射系統控制噴射參數[16],可提供50～160 MPa的穩定噴射壓力。電控噴油器安裝在定容燃燒室頂部中央,采用孔徑0.3 mm的單孔直噴噴嘴。腔室兩側安裝直徑80 mm的石英玻璃窗,用于紋影光的通過。

圖1 試驗裝置

利用高壓共軌裝置進行JME燃料的噴射試驗,在不同的試驗工況下,對氣相噴霧貫穿距和噴霧錐角進行測試和分析,試驗中使用的JME為實驗室通過榨油機制取的產品,其基本理化特性參數見表1。表中密度是用高精度電子天平和體積測量具所測量的數據計算得到,黏度是通過運動黏度測量儀所測得。如表2所示,在非燃燒條件(氧質量分數為0%)下,定容燃燒彈內使用的是氮氣,取100 MPa的噴射壓力,773 K,823 K的環境溫度,環境壓力變化對應的環境密度分別取13 kg/m3,17 kg/m3和 21 kg/m3。在燃燒條件下,即氧質量分數為15%,18%和21%,使用的是空氣以及空氣和氮氣混合氣體,與非燃燒條件下采用相同的溫度和噴射壓力。為減小隨機誤差,在所有試驗條件下進行了5次重復試驗,并計算了5次試驗結果的標準差,以驗證試驗數據的可靠性和重復性。

表1 JME特性

表2 初始試驗條件

1.2 數據采集與處理

試驗采用 SP-5000M-PMCL黑白CCD相機結合Pentax7528微焦鏡頭采集噴霧圖像,拍攝速率為60 000 張/s,分辨率為320×256。

圖2顯示了液相和氣體噴霧場的邊界獲取原理。紋影法的工作原理[17]是基于不同流場密度區域處光的折射率的差異。在進行燃油噴霧試驗時,噴霧體與氣體流場背景之間密度不同,由于氣相噴霧的噴霧密度低于液相噴霧場,因此紋影法可有效地測量整個噴霧體的邊界,還可測量液相與氣體噴霧場的邊界。

圖2 紋影法原理圖

試驗的數據處理主要是對噴霧圖像進行處理,主要分為三個步驟：步驟一為預處理,即對試驗中拍攝的圖片進行預處理,提升對比度,降低噪點;步驟二為二值化處理[18],對之前預處理的圖像再進行二值化處理,采用合適的二值化方法(局部閾值方法)提取前景噴霧目標物;步驟三為形態學處理,采用形態學方法,對二值化處理過的區域進行再次處理,獲得所需的區域,最后對該區域進行計算,得到噴霧場的噴霧錐角和噴霧貫穿距等宏觀特性。數據處理的具體實現步驟如圖3所示。

圖3 試驗數據處理步驟

2 試驗結果與分析

2.1 氣相噴霧發展過程

對JME噴霧形態進行研究,圖4示出在環境密度為13 kg/m3,溫度為823 K,噴射壓力為100 MPa工況下,JME在噴射過程中形態發展進程。

圖4 噴霧發展圖

從圖4中可知,隨著時間的進展,噴霧持續沿軸方向移動,直至穩定到一定長度。此時,氣相噴霧已趨向飽和,并維持在此狀態不再改變。其原因為在噴射壓力一定的條件下,氣相噴霧沿著軸向方向發展,隨著氣相貫穿速度逐漸降低,氣相噴霧也達到了末端,噴霧沿軸向發展也逐漸趨于穩定。

2.2 氣相噴霧特性影響因素

2.2.1 氧質量分數對噴霧貫穿距的影響

圖5顯示了在不同氧質量分數下,JME燃料的氣相噴霧貫穿距隨噴射時間的變化規律,分析了環境溫度分別為773 K和823 K、環境密度為21 kg/m3和不同氧質量分數的工況。隨著噴射時間的增加,不同氧質量分數下JME燃料的氣相噴霧貫穿距先增大后趨于穩定。從圖中可以看出,在氣相噴霧的發展階段,不同氧氣濃度下氣相噴霧貫穿距的發展基本相同。如圖5a所示,達到穩定水平后,在環境溫度為773 K的工況下,氧氣質量分數為15%的氣相噴霧貫穿距小于其他兩個氧質量分數下的值,而18%和21%氧質量分數下的JME燃料氣相噴霧貫穿距發展趨勢基本一致,說明氧質量分數大于18%后其對于JME燃料的影響很小,氧質量分數繼續增加,最終穩定的氣相噴霧貫穿距不會有太大的改變。

圖5 不同氧質量分數下氣相噴霧貫穿距隨噴射時間的變化規律

如圖5b所示,環境溫度為823 K與環境溫度為773 K工況下氣相噴霧貫穿距發展趨勢基本相同,燃料噴射后1～2 ms,氣相噴霧貫穿距呈快速增加的趨勢,然后進入穩定狀態。不同氧氣濃度下的氣相噴霧貫穿距發展趨勢基本相同,說明在環境溫度為823 K時,氧質量分數對JME燃料噴霧貫穿距的影響幾乎可以忽略不計。 故可知在高的環境溫度條件下,氧質量分數對氣相噴霧貫穿距的影響可忽略不計,環境溫度對氣相噴霧貫穿距的影響大于氧質量分數的影響。

2.2.2 環境密度對噴霧貫穿距的影響

圖6示出在不同環境密度下,JME燃料的氣相噴霧貫穿距隨噴射時間的變化規律。在不同環境密度下,隨著噴射時間的增加,氣相噴霧貫穿距先增加后趨于平緩。如圖6a所示,在環境溫度為773 K工況下,噴射時間1～2 ms的發展階段中,環境密度為21 kg/m3時氣相噴霧貫穿距最小,其主要原因為,環境中的氣體對噴霧的發展起到了阻礙的作用,環境密度越大,其阻礙作用越大,噴霧的軸向貫穿距離和噴霧體積就越小,環境密度對氣相噴霧貫穿距影響相對較大。如圖6b所示,隨著環境溫度增加到823 K,相對于773 K,氣相噴霧貫穿距波動更大。其主要原因是隨著環境溫度的升高,噴霧動量也隨之增大,進而導致了燃油噴射速度加快。雖然在發展階段氣相噴霧貫穿距曲線出現了部分交叉,但總體來說,氣相噴霧貫穿距還是在環境密度為21 kg/m3時達到最小。

圖6 不同環境密度下氣相噴霧貫穿距隨噴射時間的變化

在平穩階段,環境溫度為773 K時,環境密度為13 kg/m3和17 kg/m3條件下,氣相噴霧貫穿距相似,而環境密度為21 kg/m3時氣相噴霧貫穿距最大,不同環境密度下的氣相噴霧貫穿距的差距較小。在環境溫度為823 K時,不同環境密度下氣相噴霧貫穿距的差距更小,近似趨于一致。隨著環境溫度的提升,燃油的噴霧蒸發速率加快,加快了氣體的混合,促進了混合氣的形成,導致了氣相噴霧貫穿距的增大。然而,隨著環境溫度的提高,環境密度為21 kg/m3時氣相噴霧貫穿距最大,表明了環境溫度在噴射過程中對氣相噴霧貫穿距的影響小于環境密度。

2.2.3 氧質量分數對噴霧錐角的影響

圖7示出環境溫度為773 K和823 K,不同氧質量分數下噴霧錐角隨時間變化的規律。由圖可見,在不同氧質量分數下,隨著噴射時間的推移,噴霧錐角經歷了幾次波動后,逐漸趨于穩定。如圖7a所示,在環境溫度為773 K的工況下,剛開始前幾百微秒,不同氧質量分數下JME燃料的噴霧錐角各不相同,氧質量分數為21%時,初始噴霧錐角最小,而氧質量分數為15%時,初始噴霧錐角最大,氧質量分數越大,初始噴霧錐角越小。從圖中還能看出,在相同的環境溫度,不同氧質量分數下JME燃料的穩定噴霧錐角相差不大,氧質量分數為21%時,穩定噴霧錐角最小,而氧質量分數為18%時,穩定噴霧錐角最大。可以看出,氧質量分數介于18%與21%之間時出現噴霧錐角最大值。另外,環境溫度為773 K時,燃料開始噴射后,噴霧錐角在2～4 ms之間達到了穩定狀態,為了搞清楚不同噴射條件對噴霧錐角的影響,計算得出穩定的氣相噴霧錐角出現在3～4 ms之間。如圖7b所示,改變環境溫度,其他噴射條件不變,在不同氧質量分數下,隨著噴霧時間的增加,環境溫度為823 K時氣相噴霧錐角與環境溫度為773 K時發展趨勢基本一致,先下降后增加,然后逐漸趨于平緩。與環境溫度為773 K工況相比,剛開始前幾百微秒,氣相噴霧錐角是最大的,最后趨于穩定值。

圖7 不同氧質量分數下噴霧錐角隨噴射時間的變化規律

通過對比圖7a和圖7b可知,在平穩階段,環境溫度越高,對噴霧錐角抑制越大。其原因是在定容燃燒彈內,隨著溫度提升,分子運動更加激烈,油氣噴霧邊緣的混合也更加激烈,環境阻力增大,進而影響了噴霧錐角。

2.2.4 環境密度對噴霧錐角的影響

圖8示出在氧質量分數為15%,環境溫度為773 K和823 K的條件下,不同環境密度工況下噴霧錐角隨時間的變化規律。如圖8a所示,在環境溫度為773 K工況下,氧質量分數為15%時達到燃燒條件,隨著噴射時間的增加,噴霧錐角經歷了幾次波動后,逐漸趨于穩定。此時,環境密度為21 kg/m3時噴霧錐角最大,環境密度為13 kg/m3時氣相噴霧錐角最小。其主要原因是,環境密度越大,定容燃燒彈中環境空氣阻力越大,當燃料噴射時,在軸向上的環境阻力越大,使得噴霧被反向壓縮,噴霧錐角越大。此外,隨著環境密度的增加,氣體的混合與擴散得到了加強,進而氣相噴霧錐角變大。

圖8 不同環境密度下噴霧錐角隨噴射時間的變化規律

如圖8b所示,環境溫度增加到823 K,其他條件保持不變,氧質量分數為15%時達到燃燒條件,氧質量分數為0%時未達到燃燒條件。隨著噴射時間的增加,噴霧錐角出現了一些波動,然后趨于穩定狀態。然而燃燒與未燃燒條件下的氣相噴霧錐角曲線波動有些不同之處,未燃燒條件下的波動較小,燃燒條件下的波動較大,并且燃燒條件下的最終噴霧錐角比未燃燒條件下要大得多。在氧質量分數為0%的非燃燒條件下,不同環境密度下JME燃料噴霧錐角發展趨勢基本一致。環境密度為21%時噴霧錐角最大,環境密度為13%時噴霧錐角最小,因此環境密度越大噴霧錐角越大。

由圖8可知,在不同環境密度下,與氧質量分數為0%時的噴射環境相比,燃燒條件下進入穩定狀態時,JME的噴霧錐角更大,是因為JME噴霧中的細小液滴吸收燃燒釋放的熱量,并且吸收的熱量越多,越有利于燃油的蒸發氣化,從而噴霧錐角增大。

3 結論

a) 在噴射壓力為100 MPa下,JME噴霧的氣相噴霧貫穿距隨噴射時間的變化可分為發展和穩定階段;在穩定階段,氣相噴霧形貌沿著軸向方向發展,隨著氣相貫穿速度逐漸降低,JME的氣相噴霧形貌趨于飽和并不再變化;

b) 在不同環境溫度、氧質量分數和環境密度的條件下,隨噴射時間增加,JME燃料的噴霧貫穿距呈現先增大后趨于穩定的趨勢,且環境密度對其影響最大;

c) 在平穩階段,環境溫度越高,對噴霧錐角抑制越大;在不同環境密度下,與氧質量分數為0%非燃燒條件時的噴射環境相比,燃燒條件下進入穩定狀態時,JME的噴霧錐角更大。