李智博，馬志豪，朱宇東，孫　俊

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

酸化油生物柴油噴霧特性試驗

李智博，馬志豪，朱宇東，孫俊

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

摘要：燃油的物理特性對噴霧過程有著重要的影響，本文利用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、定容彈(CVB)、紋影儀和高速攝像機(jī)，從貫穿距離和噴霧錐角等方面來探究酸化油生物柴油和普通柴油在高背壓下噴霧特性的不同。研究結(jié)果表明：噴射背壓為2 MPa時，相同噴油壓力下酸化油生物柴油的貫穿距離小于普通柴油；而在1 MPa背壓時，其大于普通柴油。酸化油的噴霧錐角在兩種背壓下均小于普通柴油，而噴霧頭部寬度大于普通柴油且相對較不規(guī)則。

關(guān)鍵詞：酸化油；噴霧特性；貫穿距離；噴霧錐角

基金項目：河南省自然科學(xué)基金項目(092300410125);汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室基金項目(KF11161)

通信作者

作者簡介：李智博(1989-),男,河南商丘人,碩士生;馬志豪(1965-),男,,回族,河南洛陽人,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)燃燒與污染物排放控制.

收稿日期：2014-09-01

文章編號：1672-6871(2015)02-0039-04

中圖分類號：TK464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：標(biāo)志碼：A

0引言

隨著化石柴油消耗的加劇，生物柴油越來越受到關(guān)注。由于良好的可再生性、CO、HC和顆粒物(PM)等排放低等優(yōu)點，生物柴油成為一種非常理想的替代燃料。在柴油機(jī)上推廣使用生物柴油，可大大減少對化石柴油的依賴并降低對環(huán)境的污染。相對于普通柴油，生物柴油主要的缺點是黏度較高、熱值較低、氮氧化物排放量可能增加[1]。

在柴油機(jī)上使用生物柴油要考慮其燃燒效率和排放特性，這兩個方面都與燃油噴射過程有關(guān)[2]。有必要對生物柴油的噴霧特性與柴油進(jìn)行對比研究，從而改善其燃燒和排放特性。對高壓定容彈內(nèi)的燃油噴射過程進(jìn)行高速攝影可以獲得噴射過程的宏觀特性，如貫穿距離和噴霧錐角等。文獻(xiàn)[3]研究了生物柴油的噴射特性，得到純菜籽油生物柴油的貫穿距離大于柴油的、噴霧錐角小于柴油的。文獻(xiàn)[4]研究了來源于廢色拉油的生物柴油的噴射特性，得出生物柴油的貫穿距離在開始階段小于柴油，而在末尾階段大于柴油；生物柴油會使噴霧錐角有所增大。酸化油生物柴油是油脂精煉廠生產(chǎn)的的副產(chǎn)品皂腳進(jìn)行酸化處理所得到的油，其本質(zhì)上是脂肪酸，碳鏈一般在12到24之間，其中以16到19為主，普通柴油主要成分的碳鏈以15～19為主，這兩者主要成分的碳鏈長度極為接近，是較好的替代燃料，而有關(guān)純酸化油的噴霧特性研究還很少。鑒于此，本文針對酸化油的噴霧特性進(jìn)行試驗研究，并分析與普通柴油噴霧特性的區(qū)別。

1試驗裝置及方案

1.1　試驗設(shè)備

噴霧試驗臺布置如圖 1所示。本試驗用高壓共軌試驗臺，采用BOSCH CR/CP1H3/R85/10-789S高壓共軌燃料供給系統(tǒng)；噴油器采用BOSCH電磁閥式單孔式噴油器(噴孔直徑為0.13 mm，噴孔長度為0.65 mm)；采用EFS公司的EFS8427單次噴射儀驅(qū)動箱驅(qū)動噴油器噴射，可自行調(diào)節(jié)噴油脈寬；采用kistler 4067C2000噴油壓力傳感器來獲得噴油壓力信號；采用NAC Memrecam GX-8高速攝像機(jī)與紋影儀來獲得噴霧圖像。紋影儀光源采用功率為240 W的鎢鹵燈，通過惰性氣體氮氣來調(diào)整高壓定容彈內(nèi)的壓力。試驗過程的環(huán)境溫度維持在25 ℃左右。所以，在試驗所需的大約3 ms內(nèi)可以不考慮燃料的蒸發(fā)對噴霧宏觀特性的影響。

1.油箱；2.濾清器；3.電機(jī)；4.噴油泵；5.噴油器；6.減壓閥；7.氮氣瓶；8.紋影系統(tǒng)；9.計算機(jī)；10.高速攝像機(jī)；11.定容燃燒彈；12.噴油控制單元；13.計算機(jī)。圖1　噴霧試驗臺示意圖

1.2　試驗用油和試驗方法

本試驗采用酸化油生物柴油和普通0號柴油，其理化特性運動黏度和表面張力經(jīng)河南省洛陽市黎明化工研究院化工新材料檢測中心檢測獲得，檢測環(huán)境壓力為常壓，溫度為25 ℃，環(huán)境氣體為空氣，檢測依據(jù)分別是GB 265—88和GB/T 22237—2008，密度用密度計測量得到。檢測結(jié)果見表1。

表1　酸化油與柴油的物性參數(shù)

使用氮氣瓶向定容彈內(nèi)充入氮氣，獲得1 MPa和2 MPa的環(huán)境背壓，選用70 MPa、90 MPa、110 MPa和130 MPa這4種不同噴油壓力。設(shè)定高速攝像機(jī)的拍攝速度為10 000幀/s，圖片大小為384×288 pixel。噴油脈寬設(shè)定為1 ms。采用下位機(jī)MC9S12DG128單片機(jī)實現(xiàn)高速攝像機(jī)與噴油器的同步啟動控制。

2試驗結(jié)果與分析

高速攝像機(jī)獲得的大量原始圖片，通過Matlab圖像處理程序可以自動批量獲得貫穿距離和噴霧錐角等宏觀參數(shù)。文獻(xiàn)[4-6]中對某一噴射時刻貫穿距離S的定義是明確的，即由噴嘴頂端到噴霧下游頂端的軸向距離，但是對錐角的定義并不明確。文獻(xiàn)[5]把從0到S不同位置處對應(yīng)的錐角取最大值作為該噴射時刻對應(yīng)的噴霧錐角。文獻(xiàn)[6]取S的60%處的錐角為噴霧錐角，而文獻(xiàn)[4]取的是S的1/3處。由于噴霧下游區(qū)燃油液滴索特平均直徑(SMD)相對上游區(qū)較小[7]以及邊緣燃油濃度較低，故下游區(qū)噴霧輪廓易受氣流影響而波動較大，采用整個噴霧區(qū)域的最大錐角為噴霧錐角易產(chǎn)生偶然偏差，使測量結(jié)果波動較大，也影響酸化油和柴油的對比。本文采用不同噴射時刻貫穿距離的1/3處的錐角作為該噴射時刻的噴霧錐角，如圖2所示。為進(jìn)一步減小輪廓凸凹不平對錐角測量的波動影響，需對S/3距離內(nèi)噴霧區(qū)域進(jìn)行邊緣提取，進(jìn)而利用最小二乘法將提取的左右兩邊緣曲線分別擬合成兩條直線，取其夾角作為噴霧錐角，此過程采用Matlab編程來完成。

圖2　噴霧貫穿距離和錐角示意圖

2.1　酸化油和柴油貫穿距離對比

圖3和圖4分別顯示了2 MPa和1 MPa噴油背壓下，130 MPa噴油壓力時，酸化油和柴油的貫穿距離及錐角隨噴射時間變化的曲線。噴射時間是以EFS8427噴油器驅(qū)動箱向噴油器發(fā)出驅(qū)動電壓信號為起點開始計時，由于噴油器的電液力延遲，導(dǎo)致經(jīng)過大約0.6 ms后才有油束噴出。從圖3中可以看出：2 MPa噴油背壓時，柴油的貫穿距離都大于酸化油。從圖4中可以看出：1 MPa噴油背壓時，柴油的貫穿距離都小于酸化油。70 MPa、90 MPa、110 MPa時試驗得出的曲線，與130 MPa時酸化油和柴油的相對變化一致，故不一一列出。由表1可知：酸化油的黏度為柴油的2.084倍，相對較高的黏度導(dǎo)致噴霧過程中酸化油與噴孔表面以及內(nèi)部油滴的摩擦增加。文獻(xiàn)[8]指出生物柴油的噴孔流出速度低于柴油主要是因為其黏度高，此外，黏度的增加也會導(dǎo)致油束錐體控制表面高剪切流產(chǎn)生的阻礙油束發(fā)展的剪切力增加，有使酸化油貫穿距離相對柴油減少的趨勢。而酸化油相對較大的黏度和表面張力使其液滴破碎較困難，SMD較大，受噴射環(huán)境中的氮氣的影響減弱，且酸化油大的密度使其擁有更大的動量，受環(huán)境氣體拖拽減速的程度相對較小，從而有使酸化油貫穿距離相對柴油增加的趨勢?？梢姡? MPa低噴油背壓下，后者為影響酸化油貫穿距離的主要因素。而在2 MPa較高噴油背壓下，前者為影響酸化油貫穿距離的主要因素，這與文獻(xiàn)[9-10]的結(jié)果相反。而文獻(xiàn)[4]得出了在噴霧前期生物柴油的貫穿距離小于柴油，在末期大于柴油。文獻(xiàn)[9]所用生物柴油的黏度為其所用柴油的1.671倍，文獻(xiàn)[10]的為1.459倍，文獻(xiàn)[4]的為1.807倍，均小于本文所用酸化油黏度相對于所用柴油黏度的倍數(shù)，削弱了前者對噴霧貫穿距離的影響。

圖3 2MPa噴油背壓時酸化油和柴油的貫穿距離以及噴霧錐角對比圖4 1MPa噴油背壓時酸化油和柴油的貫穿距離以及噴霧錐角對比

2.2　酸化油和柴油噴霧錐角及輪廓對比

從圖 3和圖 4中可以看出：相同噴射條件下酸化油的錐角都要小于柴油。酸化油高的黏度以及表面張力使其破碎困難，噴霧液滴沿噴霧結(jié)構(gòu)徑向速度較小，從而產(chǎn)生更小的噴霧錐角。文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果得出：生物柴油高的黏度導(dǎo)致噴霧中湍流減少，噴霧邊緣上與環(huán)境氣體的相互作用減少，消弱了湍流混合，產(chǎn)生更小的噴霧寬度(指距噴嘴軸向距離為1 mm處的寬度)。

圖5顯示了柴油和酸化油在1 MPa和2 MPa背壓下噴霧圖像的對比。由圖5可發(fā)現(xiàn)：酸化油和柴油的噴霧輪廓相似，背壓的增加會使貫穿距離減小而錐角增大。酸化油的噴霧頭部相比柴油較不規(guī)則且較寬，這是由于酸化油較大的黏度影響霧化均勻性，在環(huán)境氣體卷吸作用下致使頭部輪廓不規(guī)則，酸化油噴霧過程受環(huán)境氣體卷吸影響較柴油小，使頭部寬度有減小趨勢；但酸化油平均粒徑較柴油大，使頭部液滴沿霧注徑向擴(kuò)散速度受環(huán)境氣體影響減弱，對頭部寬度的影響大于前者，最終致使酸化油噴霧頭部較柴油寬。

圖5　1 MPa和2 MPa背壓下酸化油和柴油霧注形態(tài)對比

由圖3和圖4可看出：酸化油和柴油的噴霧錐角隨噴射時間變化趨勢一致，即噴射初期先增加，達(dá)到一峰值后再下降，最后趨于穩(wěn)定，而此時貫穿距離還在增加。文獻(xiàn)[11]指出貫穿距離在破碎時間之前正比于噴射時間，在破碎時間之后正比于噴射時間的0.5次方，即破碎時間是貫穿距離斜率的轉(zhuǎn)折點。圖3和圖4顯示出噴霧錐角是在破碎之后一段時間開始趨于穩(wěn)定的。在噴射開始階段，隨著噴油量增加，噴射液柱向外延伸更廣，錐角增大；當(dāng)破碎開始后，產(chǎn)生更小的油滴，慣性較小，受環(huán)境氣體的影響增加，油滴沿噴霧徑向擴(kuò)散能力減弱，導(dǎo)致噴霧錐角開始下降，最后達(dá)到動態(tài)平衡。由圖5可以看出：從噴孔開始有油束噴出到錐角達(dá)到最大值的時間間隔不超過0.4 ms，則破碎時間也不超過0.4 ms。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的破碎時間公式，可以算出酸化油的破碎時間相比柴油增加不超過0.026 ms。由于高速攝像機(jī)采集噴射圖片的時間間隔為0.1 ms，故從圖5中已看不出酸化油峰值噴霧錐角對應(yīng)的時間相對柴油有所滯后，即破碎時間從圖5中看不出有所增大。

3結(jié)論

柴油機(jī)的燃燒過程復(fù)雜，燃油在燃燒室內(nèi)的噴霧特性對混合氣的形成和燃燒有重要影響。因而，研究燃油的噴霧特性對改善燃燒性能、提高經(jīng)濟(jì)性和降低排放至關(guān)重要。本文通過高速攝影采集定容彈內(nèi)噴霧圖像，研究了替代燃料酸化油生物柴油噴霧特性和柴油的對比，獲得了貫穿距離和噴霧錐角數(shù)據(jù)，主要的結(jié)論如下：

(1)在相同噴射壓力下，1 MPa噴油背壓時酸化油的貫穿距離大于柴油，而在2 MPa噴油背壓時小于柴油。

(2)在相同噴射條件下，酸化油的噴霧錐角小于柴油,而噴霧頭部寬度大于柴油，且酸化油霧化不均勻，噴霧頭部較柴油不規(guī)則。

(3)鑒于酸化油的物性參數(shù)造成了噴霧特性與柴油不同，在柴油機(jī)上應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)對噴油系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，或者通過配制適當(dāng)比例的酸化油和柴油混合燃料來減小與柴油在噴霧特性上的差別，以獲得最佳應(yīng)用效果。

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