酸化油生物柴油碰壁试验研究

刘建新，鲍贯阳，杜慧勇，王站成，徐 斌

（河南科技大学，河南 洛阳 471003）

在现今石油短缺、排放法规日益严格的双重压力下，寻找绿色可再生的代用燃料成为内燃机研究的重要方向。生物质燃料以其环保、可再生等特点逐渐受到人们的重视。生物柴油，又名脂肪酸甲酯，是一种长链脂肪酸单烷基酯，其主要原料有大豆、花生、棉籽、油菜籽等草本油料作物，以及动物脂肪和回收废油等。生物柴油十六烷值高，几乎不含硫，可与柴油以任意比例混合，也可直接应用于柴油机上［1］。酸化油是指对油脂精炼厂生产的副产品皂脚进行酸化处理所得到的油，其碳链结构与普通柴油极为相似，因此有必要对其进行喷雾燃烧方面的研究。目前，国内外对生物柴油喷雾雾化方面的研究主要集中于喷雾的贯穿距离和喷雾锥角、喷雾粒子的索特平均直径、喷雾的高速摄影以及数值模拟等方面。

随着柴油机向小型化和高压化发展，燃油碰壁现象已不可避免。在某些燃烧方式中，喷雾碰壁已在燃油雾化和油气混合过程中起到了主体作用［2］，并对燃烧过程和有害物排放有极大的影响［3］。对燃油碰壁现象加以利用，通过设置合理的碰壁位置和碰壁形状，可以促进碰壁油束与空气的混合过程，进而改善燃烧过程，提高燃油经济性。柴油代用燃料应用于柴油机上时也会出现碰壁现象。国内学者在对二甲醚、LPG等代用燃料碰壁现象研究后发现，这些代用燃料由于理化性质与柴油不同，碰壁后油束形态、壁面扩展度、油膜厚度等与柴油也有较大差别［4－7］。酸化油生物柴油理化性质与柴油有较大差异，因此在将酸化油生物柴油应用于柴油机之前，有必要对酸化油生物柴油的碰壁特性进行试验研究。

1 试验装置

本研究所用试验装置见图1，该试验系统由高压容器、高压共轨系统、喷油控制系统（控制ECU）以及图像采集及纹影系统等组成。

试验所用喷油器为电磁阀式单孔喷油器，喷孔径长比为0.13／0.65；试验过程中采用高压氮气瓶向高压容器内充气，其值由压力表读出并通过减压阀调节；高压共轨系统产生并提供喷射所需的压力；试验所用GX－8高速摄像机的拍摄速度为10 000帧／s，其电子快门速度为0.6μs，图片大小为576×576。试验利用GX－8高速摄像机配合纹影仪对高压容器箱内的喷雾碰壁信息进行采集；用Labview编写的主控制程序配合MC9S12DG128单片机对燃油喷射和高速摄像机拍摄进行同步控制。试验中，由主控制程序发送开始喷射指令，单片机在接到指令后发出摄像机启动脉冲，启动高速摄像机（高速摄像机的电子快门启动时间仅为0.6μs），随后发送喷油启动信号，启动喷油器进行拍摄，从而实现了高速摄像机和喷油器的同步工作。

2 试验方案及评价指标

试验中燃油喷射压力为110MPa，试验温度为室温，环境背压为2MPa。柴油和酸化油生物柴油理化特性分析见表1。从表中可以看出，酸化油生物柴油的密度、运动黏度和表面张力都比柴油大。喷雾碰壁的试验方案见表2，燃油喷雾碰壁评价参数见图2。

表1 两种燃料理化特性分析

表2 碰壁试验方案

本研究用Matlab软件的图像处理功能对6种试验方案下拍摄到的喷雾碰壁图片进行边缘化处理，以实际测量的喷嘴外径与图片中测量到的喷嘴外径之比为比例因子，该比例因子乘以图片中所测数据即可得到喷雾体撞壁后的扩散直径、上游半径、下游半径、卷吸高度等评价指标。垂直碰壁条件下扩散直径、卷吸高度和倾斜碰壁条件下上游半径、下游半径、卷吸高度等参数可以反映油束撞壁后的附壁燃油体积大小以及与空气的卷吸程度。通过对不同试验方案下评价参数的对比分析，可以得出燃油喷雾撞壁的一般特性。

3 试验结果及分析

图3示出了试验方案1下拍摄到的酸化油生物柴油碰壁形态随时间发展的照片（以喷油开始时刻为0ms）。从图3可以看出，撞壁前酸化油生物柴油的喷雾体雾注头部发散，喷雾体前端出现了较明显的扩散现象，在喷雾体头部边缘出现一层“薄雾”。酸化油生物柴油喷雾体垂直撞壁后形成圆形的壁面扩展区，随时间推移，碰壁油雾外围升起，中间部分凹陷，整体呈卷毯型。观察发现，2.8ms后壁面油雾层外围出现了较明显的油雾稀薄区，且随时间推移油雾稀薄区范围变大。这是由于撞壁油束在壁面扩展过程中受摩擦力及空气阻力作用，并与空气发生强烈卷吸掺混所致。

图4示出了试验方案3下拍摄到的酸化油生物柴油碰壁形态随时间发展的照片（以喷油开始时刻为0ms）。由图可见，倾斜撞壁后喷雾体向下游铺展，整体呈椭圆形，撞壁射流前端隆起。从2.2ms以后，撞壁射流下游前锋出现较明显的油雾稀薄区，且随时间推移，油雾稀薄区范围变大。对比倾斜撞壁和垂直撞壁可以发现，与垂直撞壁相比，酸化油生物柴油倾斜撞壁后的壁面扩散距离较大。酸化油生物柴油的碰壁形态与柴油的碰壁形态相似［8－9］，即垂直撞壁后都形成圆形壁面扩展区，倾斜撞壁后都形成椭圆形的壁面扩展区，且雾化体前锋都因空气卷吸和摩擦力作用而体积增大呈翻卷状。

图5示出了试验方案1和试验方案5下酸化油生物柴油和柴油撞壁后形态参数对比。由图5可以看出，垂直撞壁时，酸化油生物柴油的壁面扩散直径和卷吸高度都略大于柴油。

图6示出了试验方案3和试验方案6下酸化油生物柴油和柴油碰壁参数对比。由图6可以看出，倾斜碰壁时，酸化油生物柴油的上下游雾注半径和上下游卷吸高度比柴油略大。这是因为在相同的环境背压和温度条件下，酸化油生物柴油运动黏度大，因而破碎形成的液滴尺寸也较大。较大的液滴尺寸降低了液滴向前运动的迎风面积，从而降低液滴的运动阻力，同时增加了液滴运动的动量［10－11］。由于酸化油生物柴油液滴的运动动量较柴油液滴大，撞壁时的速度比同等条件下柴油大，从而撞壁后酸化油生物柴油的壁面扩散距离和卷吸高度较柴油略大。

图7示出了试验方案1和试验方案2下酸化油生物柴油撞壁后油束扩散直径和卷吸高度对比，从图中可以看出，撞壁距离增加时，油束撞壁后的壁面扩展直径和卷吸高度都随之减小。这是因为随撞壁距离的增加，油束到达壁面的时间也相应增加，撞壁时的动能减小，撞壁后壁面贯穿速度和反弹速度也相应减小，从而撞壁油束的壁面扩展直径和翻卷高度也相应减小，近壁区油气卷吸运动也相应减弱。

图8示出了试验方案3和试验方案4条件下酸化油生物柴油倾斜碰壁时的雾注半径和卷吸高度的对比。

从图8a中可以看出，在相同的撞壁距离下，随着撞壁倾角的增大，雾注上游半径减小，下游半径增大，近壁区油气卷吸运动加强。这是因为喷雾倾斜撞壁后，沿壁面下游方向的扩散速度大于沿壁面上游的扩散速度，并且随着撞壁倾角的增大，这种差别更加明显，故随着撞壁倾角的增大，雾注上游半径减小，下游半径增大。从图8b可以看出，撞壁雾注的卷吸高度随撞壁倾角的增大变化不大，说明在某一角度范围内，碰壁倾角对油束的卷吸高度影响较小。

4 结论

a）高背压下，酸化油生物柴油碰壁后油束形态和柴油相似；在相同的碰壁条件下，酸化油生物柴油的壁面扩散直径和翻卷高度都较柴油略大；

b）随碰壁入射角的增大，酸化油生物柴油喷雾体近壁区油气卷吸运动加强，雾注上游半径减小，下游半径增大，卷吸高度变化不大；

c）随着碰壁距离的增加，酸化油生物柴油喷雾体的扩散直径和卷吸高度有所减小，近壁区油气卷吸运动减弱。

［1］ 崔心存.车用替代燃料与生物质能［M］.北京：中国石化出版社，2007.

［2］ Stanton D W，Rutland C J.Multidimensional modeling of thin liquid films and spray－wall interactions resulting from impinging sprays［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1998，41：3037－3054.

［3］ 乔信起，高希彦，陈家骅，等.柴油机喷雾碰壁的探讨［J］.车用发动机，1995（4）：45－48.

［4］ 魏明锐，文 华，张煜盛.二甲基醚喷雾碰壁实验研究［J］.华中科技大学学报，2005，33（10）：32－35.

［5］ 魏明锐，刘 斐，文 华，等.二甲基醚喷雾碰壁数值模拟与试验研究［J］.内燃机工程，2006，27（2）：5－10.

［6］ 尧命发，许斯都，郑尊清.二甲基醚（DME）碰壁喷雾特性和燃烧特性试验研究［J］.燃烧科学与技术，2002，8（2）：126－129.

［7］ 肖合林，魏明锐，张素英，等.LPG碰壁喷雾的试验及数值模拟研究［J］.内燃机工程，2009，30（2）：6－10.

［8］ 刘建新，韩 亮，杜慧勇，等.燃油喷雾碰壁的实验研究进展［J］.农机化研究，2011（8）：200－203.

［9］ 成晓北，黄荣华，邓元望，等.柴油机喷雾撞壁的研究［J］.车用发动机，2001（6）：1－6.

［10］ 曹建明.喷雾学［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［11］ Grimaldi C，Postrioti L.Experimental comparison between conventional and bio－derived fuels sprays from a common rail injection system ［C］.SAE Paper 2000－01－1252.