酸化油生物柴油碰壁試驗研究

劉建新，鮑貫陽，杜慧勇，王站成，徐 斌

（河南科技大學，河南 洛陽 471003）

在現今石油短缺、排放法規日益嚴格的雙重壓力下，尋找綠色可再生的代用燃料成為內燃機研究的重要方向。生物質燃料以其環保、可再生等特點逐漸受到人們的重視。生物柴油，又名脂肪酸甲酯，是一種長鏈脂肪酸單烷基酯，其主要原料有大豆、花生、棉籽、油菜籽等草本油料作物，以及動物脂肪和回收廢油等。生物柴油十六烷值高，幾乎不含硫，可與柴油以任意比例混合，也可直接應用于柴油機上［1］。酸化油是指對油脂精煉廠生產的副產品皂腳進行酸化處理所得到的油，其碳鏈結構與普通柴油極為相似，因此有必要對其進行噴霧燃燒方面的研究。目前，國內外對生物柴油噴霧霧化方面的研究主要集中于噴霧的貫穿距離和噴霧錐角、噴霧粒子的索特平均直徑、噴霧的高速攝影以及數值模擬等方面。

隨著柴油機向小型化和高壓化發展，燃油碰壁現象已不可避免。在某些燃燒方式中，噴霧碰壁已在燃油霧化和油氣混合過程中起到了主體作用［2］，并對燃燒過程和有害物排放有極大的影響［3］。對燃油碰壁現象加以利用，通過設置合理的碰壁位置和碰壁形狀，可以促進碰壁油束與空氣的混合過程，進而改善燃燒過程，提高燃油經濟性。柴油代用燃料應用于柴油機上時也會出現碰壁現象。國內學者在對二甲醚、LPG等代用燃料碰壁現象研究后發現，這些代用燃料由于理化性質與柴油不同，碰壁后油束形態、壁面擴展度、油膜厚度等與柴油也有較大差別［4－7］。酸化油生物柴油理化性質與柴油有較大差異，因此在將酸化油生物柴油應用于柴油機之前，有必要對酸化油生物柴油的碰壁特性進行試驗研究。

1 試驗裝置

本研究所用試驗裝置見圖1，該試驗系統由高壓容器、高壓共軌系統、噴油控制系統（控制ECU）以及圖像采集及紋影系統等組成。

試驗所用噴油器為電磁閥式單孔噴油器，噴孔徑長比為0.13／0.65；試驗過程中采用高壓氮氣瓶向高壓容器內充氣，其值由壓力表讀出并通過減壓閥調節；高壓共軌系統產生并提供噴射所需的壓力；試驗所用GX－8高速攝像機的拍攝速度為10 000幀／s，其電子快門速度為0.6μs，圖片大小為576×576。試驗利用GX－8高速攝像機配合紋影儀對高壓容器箱內的噴霧碰壁信息進行采集；用Labview編寫的主控制程序配合MC9S12DG128單片機對燃油噴射和高速攝像機拍攝進行同步控制。試驗中，由主控制程序發送開始噴射指令，單片機在接到指令后發出攝像機啟動脈沖，啟動高速攝像機（高速攝像機的電子快門啟動時間僅為0.6μs），隨后發送噴油啟動信號，啟動噴油器進行拍攝，從而實現了高速攝像機和噴油器的同步工作。

2 試驗方案及評價指標

試驗中燃油噴射壓力為110MPa，試驗溫度為室溫，環境背壓為2MPa。柴油和酸化油生物柴油理化特性分析見表1。從表中可以看出，酸化油生物柴油的密度、運動黏度和表面張力都比柴油大。噴霧碰壁的試驗方案見表2，燃油噴霧碰壁評價參數見圖2。

表1 兩種燃料理化特性分析

表2 碰壁試驗方案

本研究用Matlab軟件的圖像處理功能對6種試驗方案下拍攝到的噴霧碰壁圖片進行邊緣化處理，以實際測量的噴嘴外徑與圖片中測量到的噴嘴外徑之比為比例因子，該比例因子乘以圖片中所測數據即可得到噴霧體撞壁后的擴散直徑、上游半徑、下游半徑、卷吸高度等評價指標。垂直碰壁條件下擴散直徑、卷吸高度和傾斜碰壁條件下上游半徑、下游半徑、卷吸高度等參數可以反映油束撞壁后的附壁燃油體積大小以及與空氣的卷吸程度。通過對不同試驗方案下評價參數的對比分析，可以得出燃油噴霧撞壁的一般特性。

3 試驗結果及分析

圖3示出了試驗方案1下拍攝到的酸化油生物柴油碰壁形態隨時間發展的照片（以噴油開始時刻為0ms）。從圖3可以看出，撞壁前酸化油生物柴油的噴霧體霧注頭部發散，噴霧體前端出現了較明顯的擴散現象，在噴霧體頭部邊緣出現一層“薄霧”。酸化油生物柴油噴霧體垂直撞壁后形成圓形的壁面擴展區，隨時間推移，碰壁油霧外圍升起，中間部分凹陷，整體呈卷毯型。觀察發現，2.8ms后壁面油霧層外圍出現了較明顯的油霧稀薄區，且隨時間推移油霧稀薄區范圍變大。這是由于撞壁油束在壁面擴展過程中受摩擦力及空氣阻力作用，并與空氣發生強烈卷吸摻混所致。

圖4示出了試驗方案3下拍攝到的酸化油生物柴油碰壁形態隨時間發展的照片（以噴油開始時刻為0ms）。由圖可見，傾斜撞壁后噴霧體向下游鋪展，整體呈橢圓形，撞壁射流前端隆起。從2.2ms以后，撞壁射流下游前鋒出現較明顯的油霧稀薄區，且隨時間推移，油霧稀薄區范圍變大。對比傾斜撞壁和垂直撞壁可以發現，與垂直撞壁相比，酸化油生物柴油傾斜撞壁后的壁面擴散距離較大。酸化油生物柴油的碰壁形態與柴油的碰壁形態相似［8－9］，即垂直撞壁后都形成圓形壁面擴展區，傾斜撞壁后都形成橢圓形的壁面擴展區，且霧化體前鋒都因空氣卷吸和摩擦力作用而體積增大呈翻卷狀。

圖5示出了試驗方案1和試驗方案5下酸化油生物柴油和柴油撞壁后形態參數對比。由圖5可以看出，垂直撞壁時，酸化油生物柴油的壁面擴散直徑和卷吸高度都略大于柴油。

圖6示出了試驗方案3和試驗方案6下酸化油生物柴油和柴油碰壁參數對比。由圖6可以看出，傾斜碰壁時，酸化油生物柴油的上下游霧注半徑和上下游卷吸高度比柴油略大。這是因為在相同的環境背壓和溫度條件下，酸化油生物柴油運動黏度大，因而破碎形成的液滴尺寸也較大。較大的液滴尺寸降低了液滴向前運動的迎風面積，從而降低液滴的運動阻力，同時增加了液滴運動的動量［10－11］。由于酸化油生物柴油液滴的運動動量較柴油液滴大，撞壁時的速度比同等條件下柴油大，從而撞壁后酸化油生物柴油的壁面擴散距離和卷吸高度較柴油略大。

圖7示出了試驗方案1和試驗方案2下酸化油生物柴油撞壁后油束擴散直徑和卷吸高度對比，從圖中可以看出，撞壁距離增加時，油束撞壁后的壁面擴展直徑和卷吸高度都隨之減小。這是因為隨撞壁距離的增加，油束到達壁面的時間也相應增加，撞壁時的動能減小，撞壁后壁面貫穿速度和反彈速度也相應減小，從而撞壁油束的壁面擴展直徑和翻卷高度也相應減小，近壁區油氣卷吸運動也相應減弱。

圖8示出了試驗方案3和試驗方案4條件下酸化油生物柴油傾斜碰壁時的霧注半徑和卷吸高度的對比。

從圖8a中可以看出，在相同的撞壁距離下，隨著撞壁傾角的增大，霧注上游半徑減小，下游半徑增大，近壁區油氣卷吸運動加強。這是因為噴霧傾斜撞壁后，沿壁面下游方向的擴散速度大于沿壁面上游的擴散速度，并且隨著撞壁傾角的增大，這種差別更加明顯，故隨著撞壁傾角的增大，霧注上游半徑減小，下游半徑增大。從圖8b可以看出，撞壁霧注的卷吸高度隨撞壁傾角的增大變化不大，說明在某一角度范圍內，碰壁傾角對油束的卷吸高度影響較小。

4 結論

a）高背壓下，酸化油生物柴油碰壁后油束形態和柴油相似；在相同的碰壁條件下，酸化油生物柴油的壁面擴散直徑和翻卷高度都較柴油略大；

b）隨碰壁入射角的增大，酸化油生物柴油噴霧體近壁區油氣卷吸運動加強，霧注上游半徑減小，下游半徑增大，卷吸高度變化不大；

c）隨著碰壁距離的增加，酸化油生物柴油噴霧體的擴散直徑和卷吸高度有所減小，近壁區油氣卷吸運動減弱。

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