柴油和生物柴油微观喷雾特性比较研究

李雯霖，武奎，张叶娟，董德磊，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

柴油和生物柴油微观喷雾特性比较研究

李雯霖，武奎，张叶娟，董德磊，曹建明

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

生物柴油与柴油的物理性质的差异会影响到发动机的喷雾特性，文章采用马尔文法在大气环境中测定柴油和生物柴油的微观喷雾特性。结果表明：生物柴油的索特平均直径和特征直径均比柴油大，雾化油滴的尺寸数目分布曲线和累计体积分布曲线向大尺寸油滴方向偏移，说明生物柴油的雾化质量比柴油差。

生物柴油；柴油；微观喷雾特性

Abstract:The difference of the physical properties between biodiesel and diesel will affect the spray characteristics of the engine. In this paper, the microscopic spray characteristics of diesel and biodiesel are measured by Malvern method in atmospheric environment. The results show that the average diameter and characteristic diameter of biodiesel are larger than that of diesel, and the size distribution curve and the cumulative volume distribution curve of the atomized droplets are shifted to the larger droplet direction, indicating that the atomization quality of biodiesel is worse than that of diesel.

Keywords: biodiesel; diesel; micro-spray characteristics

CLC NO.: U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-04-03

引言

内燃机的燃烧过程是影响其动力性、经济性、排放性的主要过程，而良好的燃料雾化质量有助于改善内燃机燃烧过程。其中，燃料的理化性质是影响燃料雾化质量的一个重要因素[1]。生物柴油是一种绿色可再生能源，对于节约能源和降低排放具有重要意义。生物柴油作为石化柴油的替代燃料之一，其组成成分和理化性质与石化柴油有着较大差异[2]，这会影响到燃料的雾化质量，从而影响到内燃机的燃烧过程。随着排放法规的日益严格，改善燃料雾化质量，组织良好的燃烧过程显得愈发重要。本试验利用机械喷油泵喷雾质量分析系统和马尔文激光粒度分析仪，分别对柴油和生物柴油的微观喷雾特性进行了试验研究，并对试验结果进行了比较分析。

1 喷雾特性试验

本试验选用将燃料喷射进入大气环境中的方案，采用马尔文法[2]对 18MPa喷油压力下柴油和生物柴油的雾化油滴的，索特平均直径、尺寸数目分布和累积体积分布等微观喷雾特性参数进行了检测计算。测试系统如图1所示。测试系统组要由马尔文激光粒度分析仪、装有马尔文控制软件的计算机、喷射系统组成。马尔文激光粒度分析仪由英国马尔文仪器有限公司开发制造，基于激光衍射原理对喷入激光束中的粒子数目和直径进行检测，测量操作便捷可靠，精度高，能够节省大量的时间和人力。装有马尔文控制软件的计算机进一步简化了数据的分析处理过程。喷射系统主要由机械喷油泵、高压油管和喷油器组成，通过机械油泵手柄建立喷油压力，增减垫片控制喷油压力，试验中选用泗洪洪泵公司生产的 ZS4S1轴针式喷油器，孔径 2mm。试验中由喷射系统分别将柴油、生物柴油喷入马尔文粒度分析仪产生的激光束中，经计算机采集计算得到油滴粒子的微观特性参数。

图1 微观喷雾特性测试系统

2 实验结果分析

2.1 雾化油滴的索特平均直径

表1 雾化油滴的索特平均直径

平均直径（SMD）是由Mugele和Eyans提出的概念[4]，其中索特平均直径是评价油滴雾化质量最常用的指标，是指雾化油滴的体积与表面积之比，索特平均直径越小，油滴雾化质量越好。利用马尔文激光粒度仪测得的柴油和生物柴油的索特平均直径如表1所示。由表1可知柴油的索特平均直径小于生物柴油的索特平均直径，这主要因为生物柴油的密度、运动黏度、表面张力较大，油滴不易碎裂，大尺寸油滴较多。

2.2 雾化油滴的尺寸数目

图2 油滴粒子尺寸数目分布

图2给出了柴油和生物柴油在18MPa下雾化油滴的尺寸数目分布。从图中可以看出，油滴的尺寸数目分布是不均匀的，柴油和生物柴油的油滴尺寸数目分布曲线趋势大致相同，都是先在某一个粒子尺寸下粒子数目达到峰值，然后随着粒子尺寸的增大，粒子数目减少，曲线渐趋平缓。由曲线可知，生物柴油的峰值直径大于柴油的峰值直径，生物柴油峰值直径4.2μm，柴油的峰值直径为2.8μm，并且在小尺寸范围内，柴油油滴数目较多，而在大尺寸范围内，生物柴油油滴数目较多。这主要是因为生物柴油的密度和黏度大于柴油，在相同的喷射压力下，雾化油滴不易碎裂，油滴质量较大，油滴间较容易发生碰撞，形成大尺寸油滴。通过对油滴尺寸数目分布曲线的分析，可知，相同喷射条件下柴油的雾化质量要优于生物柴油的雾化质量。

2.3 雾化油滴的累计体积分布

图3给出了柴油和生物柴油在18MPa下雾化油滴的累积体积分布曲线。累积体积分布曲线总是单调递增的，结合图2和图3可知小尺寸油滴的数目较多，但是所占体积比例均不大，而单个大尺寸油滴的体积很大，因此，大尺寸油滴对累积体积分布曲线的影响较大。从图 3还可以看出，53μm以下的柴油油滴体积在总体积中的占比达到90%以上，67μm的生物柴油油滴体积在总体积中的占比达到90%以上。同一累积体积下对应的生物柴油油滴直径要大于柴油油滴直径，说明生物柴油的大尺寸油滴比柴油的大尺寸油滴数目多，这与油滴尺寸数目分布曲线是一致的。

图3 油滴粒子累积体积分布

2.4 雾化油滴尺寸的发散

雾化油滴尺寸的发散，即油滴尺寸的范围，表示油滴从最小直径到最大直径的范围。本文中采用相对尺寸范围和发散边界两个指标来评价油滴尺寸的发散。相对尺寸范围提供了油滴直径相对于质量中值直径D0.5的范围，其定义为：

其中D0.1表示小于该直径的所有油滴体积占油滴总体积的 10%，D0.5表示小于该直径的所有油滴体积占油滴总体积的 50%，D0.9表示小于该直径的所有油滴体积占油滴总体积的90%。

发散边界用来评价最大油滴直径的发散程度，表示最大直径相对于质量中值直径的发散程度，其定义为：

其中 D0.999表示小于该直径的所有油滴体积占油滴总体积的99.9%。

表2给出了柴油和生物柴油在喷射压力为18MPa时的特征直径。表3给出了相应的相对尺寸范围和发散边界。由表2可知，生物柴油的各个特征直径全都大于柴油，说明生物柴油的雾化质量比柴油差。由表3可知，生物柴油的相对尺寸范围和发散边界也都大于柴油，表2 雾化油滴的特征直径这说明生物柴油的雾化油滴的发散程度较大，雾化油滴尺寸分布均匀性比柴油差，并且在大尺寸范围内油滴分布较多，生物柴油雾化质量较差。

表2 雾化油滴的特征直径

表3 雾化油滴的相对尺寸范围和发散边界

3 结论

（1）同一喷射压力下，生物柴油的索特平均直径大于柴油的索特平均直径，说明生物柴油的雾化质量比柴油差。

（2）同一喷射压力下，生物柴油的尺寸数目分布曲线和累积体积分布曲线向大尺寸方向偏移，大尺寸油滴数目较多，燃油雾化质量较差。

（3）同一喷射压力下，生物柴油的特征直径、相对尺寸范围和发散边界均大于柴油，说明了生物柴油大颗粒油滴较多；雾化油滴的尺寸分均匀性比柴油差。

[1] 周龙保.内燃机学[M]. 北京:机械工业出版社.2010.8.

[2] 耿莉敏,汪月英,王城等. 燃料物理性质差异对柴油机喷雾特性的影响[J].郑州大学学报,2014,(35) 4：14-18.

[3] 曹建明.液体喷雾学[M].北京:北京大学出版社.2013.7.

[4] Mugele R, Evans H D. Droplet Size Distributions in Sprays[J]. Ind.Eng. Chem, 1951, 43 (6) :1371-1324.

Comparative Study on Micro - spray Characteristics of Diesel and Biodiesel

Li Wenlin, Wu Kui, Zhang Yejuan, Dong Delei, Cao Jianming
( Automobile Faculty, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064）

U465 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-04-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.002

李雯霖，（1993-），女，硕士研究生，就读于长安大学，主要研究方向为动力机械及工程。