用于柴油機的柴油-FAME混合燃料噴霧特性研究

2020-11-05 05:26:42張義俊劉圣勇

綠色科技 2020年18期

張義俊，朱迪，劉圣勇

(1.河南農業職業學院機電工程學院，河南鄭州 451450；2.河南農業大學機電工程學院，河南鄭州 450046)

1 引言

生物柴油由動植物脂肪與甲醇發生酯化反應得到，它的主要成分是混合脂肪酸甲酯FAME[1]，是綠色可再生能源。鑒于其原材料和制備工藝的不同，FAME具有較高的運動粘度、密度和表面張力。FAME常與柴油按一定比例混合使用，為了達到國家燃料使用標準，必須選擇合適的混合比[2]。燃料的霧化是指大液柱或液膜變成小液滴，從液滴受力的角度分析，霧化過程可以看作是外力與液滴內部粘性力共同作用的過程[3]。首先，液體表面外力迫使液柱分裂；其次，液體分子試圖保持其原始粘性形狀的引力；第三個因素是液體的表面張力迫使液滴保持球形，液體保持最小的表面能而產生一定的抗力。當外力大于液體的表面張力和液體內部的粘性力時，就會發生碎裂而霧化[3]。

本文研究了燃油質量、噴油壓力、環境壓力和噴油嘴參數等因素對燃油分子內外力的影響。分析了在不同環境壓力、噴射壓力、噴嘴直徑和不同混合比下的噴霧特性，為FAME的實際推廣應用提供依據。

2 材料

測試設備包括高壓泵、定容燃燒裝置、信號發生器控制器和高壓噴射器。測試系統的原理如圖1所示。定容燃燒模擬發動機氣缸。高壓氮氣控制內部環境壓力。為了便于顯示色差，定容室相鄰兩側的內壁采用了黑屏裝飾[4]。剩下的兩側面是壓力玻璃窗，一側用來透光，另一側用來照相。試驗燃料是來自廢油的生物柴油和0#柴油的混合物。

3 研究方法

3.1 宏觀研究

圖1 噴霧試驗裝置示意

圖2 噴霧貫穿距和噴霧錐角的定義

3.2 微觀分析

通過實驗，對不同比例的混合燃料噴霧液滴的大小和數量的變化進行分析。通過Matlab和Photoshop對圖像進行數據處理，可以得到更精確的微觀液滴分布，如圖3所示。

沿著噴嘴軸向，用快速攝像機拍攝了跨度為60°的非彈性T形線，確定長度與標定像素之間的關系。液滴直徑將近似讀取[10]。標準線徑是通過photoshop軟件讀取的4個像素，所以長度和像素轉換系數是:

3.3 實驗方案設定

當FAME摻混比大于60%時，通過測定，混合燃料的密度和粘度均不適合柴油機燃料國家標準[9]。為使實驗效果更加明顯，選取BD0、BD20、BD40、BD60和BD100樣品進行宏觀和微觀特征分析。這里，BD20表示FAME比率為20%，0號柴油比率為80%。

4 結論及分析

4.1 FAME含量對混合燃料宏觀噴霧特性的影響

實驗條件：噴嘴孔徑0.26 mm，噴射壓力90 MPa，定容室壓力為0.42 MPa。對4種比例的燃料霧化分布結構和液滴直徑進行分析，如圖4和圖5所示。

結果表明，錐角越小，揚程在初始噴霧階段變化較快，中后期逐漸消散，氣相占主導；氣相擴散和液相蒸發使混合氣濃度越來越小?？v向分析，相同噴霧條件，初始FAME的含量越大，錐角越小，噴霧覆蓋范圍越小，混合燃料的噴霧穿透力大，且FAME含量越高，燃料束停留時間越長，這主要是由于FAME與柴油之間的運動粘度、密度和表面張力不同，導致FAME霧化性能較差。

圖3 噴霧場處理前后圖片對比

噴霧初始，流量大，噴霧角小，穿透力小。最大噴霧角55°；100%FAME含量混合燃料噴霧角度僅25°。如圖3所示，FAME含量增加促使混合燃料分子的擴散，降低液滴的蒸發和霧化能力。

BD0、BD30和BD100霧場顯微圖像如圖4所示，自上而下，軸向噴射。BD100大液滴含量大于BD0，從兩者外觀均勻性的差異來看，BD0大液滴破碎更徹底，噴霧效果更均勻，而純生物柴油噴霧的液滴大得多，并伴有液滴粘附。

如圖5統計圖中，粒徑17.5 μm液滴數最多。在小于32 μm范圍內，BD0液滴數量最多，隨著FAME含量的增加，直徑大于35 μm的液滴增多，BD100的霧化質量最差。大顆粒液滴的增多說明混合霧化變差。內部粘性力很難被外部氣壓力破壞。

4.2 壓力對燃料噴霧的影響

實驗條件為：一定噴射量，0.25 mm噴嘴直徑。將噴射壓力設定為50MPa、70MPa、90MPa和110MPa。圖6不同比例混合燃料噴霧揚程和霧錐角的變化情況。隨著壓力增加，揚程增大，錐角減小。壓力越高，初始動能越大，軸向運動距離越長；壓力越低，初始動能越小，錐角越大。壓力的增大，霧滴揚程的增大速度加快。FAME含量越大，噴射壓力對霧滴揚程的影響越大。噴霧角度隨著FAME含量的增加而下降。BD30和BD20的變化趨勢相似。

BD30在1.8 ms時的統計分析如圖7所示。當噴射壓力為30MPa時，大于40 μm的大液滴數量占41.5%。當壓力達到90MPa時，以小于30 μm的小液滴為主，數量大于90%。因此，在燃燒室允許大壓力的條件下更有利于燃油霧化。

4.3 噴嘴孔徑對混合燃料霧化特性的影響

設定噴射壓力90MPa，定容室壓力4MPa，單次噴射量相同，噴嘴直徑選定0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm或0.3 mm。圖8是混合燃料不同直徑噴嘴在噴霧開始后1.8 ms的噴霧范圍變化情況。噴嘴直徑越大，噴霧范圍越大，噴霧錐角越小。主要原因是噴嘴直徑越大，阻力越小，使霧滴獲得的動能越大，速度越快，因此在有限的時間內霧滴的輸送距離越大。此外，當噴嘴孔結構參數減小，燃料擴散受限于周邊氣流，噴霧角減小時，噴嘴幾乎不發生霧化。

BD30在1.8 ms時，不同噴嘴孔徑液滴分布如圖9所示。噴嘴直徑越小，得到的液滴越小。噴嘴直徑為0.15 mm時，94%的液滴直徑小于30 μm。燃油噴霧效果良好。當噴嘴直徑為0.3 mm時，30 μm液滴只占70%，由于較低的初始動能減緩了油束的發展，使其與周圍空氣接觸時間較長所致。