煤油掺混乙醇燃料的喷雾特性试验研究

郭金晶，钱 勇，陶文操，吕兴才

煤油掺混乙醇燃料的喷雾特性试验研究

郭金晶，钱 勇，陶文操，吕兴才

(上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240)

燃料的喷雾特性对其燃烧及排放性能有重要影响．因此在定容弹中利用多孔喷油器试验研究了纯煤油及煤油掺混30%和50%乙醇混合燃料在环境温度为289.15K，环境压力为0.1MPa下，喷射压力分别为6MPa、8MPa和10MPa时的喷雾特性．结果表明：随乙醇比例增加，混合燃料的贯穿距变化不明显，喷雾锥角和喷雾面积均先增加后下降；随喷油压力升高，乙醇/煤油混合燃料的贯穿距和喷雾面积均增加，但喷雾锥角几乎不变．此外，喷射压力的增加对纯煤油喷雾特性的影响逐渐减小，却对乙醇/煤油混合燃料喷雾特性的影响逐渐增大．

喷雾特性；煤油；乙醇

世界航空事业不断发展，航空燃料的需求量也不断增加．目前全世界每年消耗约两亿吨航空煤油，而且正以每年5%的速率增长．航空燃料消耗量的增长逐渐成为化石燃料消耗的重要原因并且航空燃料的排放对空气的污染也引起人们的关注．因此，寻找清洁环保的替代燃料是应对石油危机和解决环境问题的有效途径之一[1-2]．

乙醇，作为一种清洁的可再生燃料，被认为是有前景的煤油替代燃料之一[3-4]．乙醇分子中含氧，有利于燃料充分燃烧，减少CO和HC的排放；其汽化潜热较高，可降低进气温度，提高充气效率，使最高燃烧温度降低，进而减少NO排放．因此，为了研究乙醇作为替代燃料的燃烧和排放性能，此前已有学者对其进行了研究．Huang等[5]在低温燃烧条件下，对乙醇-柴油混合燃料的喷雾、蒸发和燃烧过程进行了可视化研究．研究表明，不同的U形火焰结构说明添加乙醇和使用高EGR率可以在低温燃烧条件下实现燃料的扩散燃烧方式．Gao等[6]利用高速纹影拍摄技术分析了背压对纯汽油及汽油-乙醇混合燃料喷雾特性的影响．他们的研究结果显示，随着背压升高，汽油-乙醇混合燃料的喷雾锥角和贯穿距与纯汽油相比没有明显差异．只有在喷射初期，汽油-乙醇混合燃料的喷雾锥角略低于纯汽油．在Park等[7]研究中，生物柴油加入乙醇后，相同喷射条件下，产生直径更小的液滴，说明了乙醇的添加可以改善生物柴油的雾化性能；He等[8]的研究表明，生物柴油和柴油的喷雾形态差别不明显，但生物柴油的喷雾锥角比柴油大，贯穿距先略低于柴油后又高于柴油．

而对于航空煤油及其替代燃料的研究也一直在进行中．Khalil等[9]从燃烧模式入手，研究了分层燃烧中燃用气体和液体燃料(包括煤油/乙醇混合燃料)的燃烧和排放性能，通过分析发现了具有燃料灵活性的燃烧器外形，并且在一定程度上表明替代燃料的排放量较低．Burguburu等[10]在航空燃气轮机恒功率工作条件下研究了喷射煤油后氢的富集情况．研究表明，火焰稳定性受到含氢量的严重影响；而随着含氢量增加，贫燃极限降低，CO排放量减少，OH基团增加；龚景松等[11]在煤油燃料中掺混乙醇发现，混合燃料热解时形成的氢气浓度随乙醇含量的增加而增加；并且指出，对于在超燃冲压发动机中，采用在煤油中添加一定量的含氧燃料(如乙醇、甲醇等)来解决着火和稳定燃烧问题具有潜在优势．燃用煤油和纯植物油混合燃料的气体和颗粒物排放性能受Chiariello 等[12]关注，经过研究发现，燃用不同种类纯植物油和煤油混合物时，NO和CO排放差异不大，但煤油/菜籽油混合燃料和煤油/葵花籽油混合燃料的颗粒物排放量分别是纯煤油的3倍和50倍．Patra等[13]研究了在圆柱形喷雾燃烧器中燃用煤油和煤油/乙醇混合燃料的火焰特性和燃烧器性能．随乙醇掺混含量增加，由于火焰中碳烟含量减少，火焰亮度随之降低. Mendez等[14-15]在一台燃气涡轮发动机上研究分别掺混不同比例的乙醇和丁醇的煤油混合燃料的燃烧和排放性能．他们发现当燃用乙醇/煤油混合燃料后，发动机的工作推力较低但同时CO和NO的排放量减少．Song等[16]的研究说明，喷射压力和背压对煤油-乙醇混合燃料的雾化和燃烧有重要的影响，并且添加20%(体积分数)乙醇的混合燃料有较好的喷雾特性．

虽然此前已有学者对煤油掺混乙醇燃料进行了研究，但研究尚且不够全面．因此，为了之后能够更加充分研究乙醇作为航空煤油替代燃料的燃烧和排放性能，本文首先基于定容弹喷雾试验台架，利用高压多孔喷油器和高速相机研究了不同比例乙醇/煤油的混合燃料在喷射压力为6MPa、8MPa和10MPa时的贯穿距、喷雾锥角和喷雾面积等喷雾特性．

1 试验装置及燃料

研究乙醇/煤油混合燃料喷雾特性的试验装置如图1所示．该试验台架由氮气供压系统、定容弹、喷油控制系统和数据采集系统组成．高压氮气瓶、减压阀、蓄能器、压力表等组成氮气供压系统．定容弹内部空间呈球形，直径为20cm，有4个石英玻璃窗口，窗口直径为14cm．试验采用高压直喷多孔喷油器(GS-304053)，一方面有利于提高喷射压力，实现高压喷射；另一方面为后续研究高压喷射下燃用煤油掺混乙醇燃料的燃烧特性做准备．喷油器的具体参数如表1所示，喷孔布置形式如图2所示．为使每一次安装喷油器的角度保持一致，在定容弹顶部设计了特定的固定装置．为得到清晰的喷雾图像，喷雾试验中使用亮度可调的LED灯照明，光源紧贴容弹一侧且相对位置固定，保证了试验过程中光路与待测油束正交．喷油控制系统使用National Instrument公司的D9451喷油驱动器给多孔喷油器提供喷油信号．数据采集是利用Photron FASTCAM系列高速相机进行高速摄影，拍摄频率8000帧/s，图片像素为1024×256．图像处理时，帧率为8000帧/s，时间间隔定为0.125ms．进行图像处理时统一拾取图像中油束的最外侧，每一试验点的喷雾贯穿距，喷雾锥角和喷雾面积实验数值的大小均由统一的油束外侧轨迹确定，保证了数据的统一性，提高了数据的准确性以及分析的可靠性．

图1 试验台架布置

表1 多孔喷油器重要参数

Tab.1 Key parameters of multi-hole injector

图2 多孔喷油器喷孔布置形式

航空煤油RP-3是一种主要含C8～C16的多组分燃料．在试验中，按体积分数向航空煤油RP-3中分别添加30%和50%乙醇作为试验用的乙醇/煤油混合燃料，记为E30和E50．此外，用E0表示未添加乙醇的航空煤油RP-3燃料．表2对比了航空煤油RP-3和乙醇的物性参数．试验的重要参数见表3．

表2 航空煤油RP-3和乙醇物性参数

Tab.2 Physical parameters of aviation kerosene RP-3 and ethanol

表3 试验重要参数

Tab.3 Key parameters of experiment

2 结果与讨论

本文通过喷雾贯穿距、喷雾锥角及喷雾面积来研究乙醇/航空煤油混合燃料的喷雾特性．其中，喷雾贯穿距定义为沿油束方向，从喷孔到油束最远端的距离，用来反映油束贯穿能力的大小；以喷嘴为顶点沿喷雾方向做射线时，喷雾锥角取为在/2处最外沿的两条射线间夹角，用于反映油束的横向雾化程度；喷雾面积认为是喷雾最外沿包裹的投影区域面积，反映油束整体的雾化程度．如图3所示．

图3 喷雾特性参数的定义

2.1 燃料喷雾形态过程

燃料E0、E30和E50实际喷雾形态的图像通过高速相机拍摄获得．认为油束刚从喷孔喷出时为计时始点．表4为试验燃料在背压为常压，喷射压力为6MPa时喷雾形态演变过程．随喷射时间推进，各燃料油束形态变化相似，均逐渐变长变宽．通过对比同一时刻不同比例乙醇/煤油混合燃料的喷雾形态，可以发现，同一时刻下E30油束要略长于E0和E50，宏观上说明乙醇的添加可以改变煤油的喷雾特性．

2.2 乙醇比例对燃料喷雾特性的影响

图4展示了喷射压力为6MPa时煤油与不同比例的乙醇混合后喷雾特性的变化．由图4可以看出，乙醇/煤油混合燃料贯穿距与纯煤油相比变化差异较小；随乙醇比例增加，燃料的喷雾锥角整体上大小关系为：E30＞E50＞E0；在喷射初期，乙醇比例的变化对燃料的喷雾面积影响较小，但在喷射后期E30的喷雾面积明显增加．

综合分析喷射压力分别为6MPa、8MPa和10MPa时，喷雾特性随乙醇比例变化的试验数据(8MPa和10MPa时喷雾特性图未列出)，可以发现，随乙醇比例的增加，燃料贯穿距变化较小，但喷雾锥角和喷雾面积均先增大后减小．这是因为，随乙醇比例的增加，乙醇/煤油混合燃料的运动黏度和密度均逐渐减小[8]．当混合燃料中乙醇比例较小时，燃料运动黏度的减小是影响喷雾特性的主要因素．若认为喷孔直径和喷射速度不变，燃料运动黏度的减小使雷诺数(＝/＝/)增加，油束的湍流强度增强，油束更易于破碎雾化，导致乙醇/煤油混合燃料的喷雾锥角和喷雾面积增加．当燃料中的乙醇比例较大时，混合燃料密度的减小对喷雾特性产生主要影响.燃料密度减小使雷诺数减小，油束的湍流强度减弱，因此，E50的喷雾锥角和喷雾面积均小于E30．结合上述分析可以得出，存在一个最佳乙醇比例使乙醇/煤油混合燃料的雾化性能达到最佳．基于本文的试验数据，E30相比于E0和E50有更好的喷雾特性．

表4  燃料在喷射压力为6 MPa时的喷雾图像

Tab.4 Spray images of each fuel under injection pressure of 6 MPa

2.3 喷射压力对燃料喷雾特性的影响

为了进一步探究航空煤油及乙醇/煤油混合燃料的喷雾特性，在背压为常压，环境温度为289.15K时，试验研究了燃料的喷雾贯穿距、喷雾锥角及喷雾面积随喷射压力升高的变化规律．图5是E0的喷雾特性随喷射压力变化的示意图．随喷射压力增加，煤油的喷雾贯穿距随之增加；并且随喷射时间的推进，贯穿距增加的幅度也逐渐变大．0.25ms时喷射压力为8MPa和10MPa对应的喷射贯穿距相差0.2mm. 而1.125ms时，喷射压力为8MPa和10MPa对应的喷射贯穿距相差了3.6mm，如图5(a)所示．喷油压力的升高使喷孔内外压力差增加，油束的初始速度增加，初动能升高，贯穿能力增强，因此燃料的贯穿距逐渐增加．随着喷射时间的推进，喷射压力产生的影响更加显著．

从图5(b)可以看出，在各喷射压力下，E0的喷雾锥角随喷射时间的推进逐渐减小．在喷射初期，喷射压力的增加对燃料喷雾锥角几乎没有影响；之后，燃料的喷雾锥角随喷射压力的增加略有增大．在喷射过程中，油束外侧部分由于与空气充分接触摩擦形成了众多粒径较小的液滴，随喷射时间推进，这些细小液滴逐渐蒸发，使油束的喷雾锥角逐渐减小．喷射压力的增加有利于油束外侧形成更多细小的液滴. 因此在喷射后期，油束的喷雾锥角随喷射压力增加而略有增大．

E0的喷雾面积随喷射压力增加而逐渐增加，如图5(c)所示．随喷射压力增加，煤油液滴与空气的速度差增加，液滴破碎能力增强，与空气的卷吸作用增强．因此，油束的喷雾面积增加，油气混合质量得到改善．另外，结合图5(a)和(c)可以看出，油束的贯穿距和喷雾面积由喷射压力8MPa到10MPa变化幅度要小于由6MPa到8MPa变化的幅度，表明喷射压力的升高对航空煤油液滴雾化和卷吸现象的促进作用随喷射压力升高而逐渐减小．

通过分析乙醇比例对燃料喷雾特性的影响可知，在试验的喷射压力下，E30有较好的喷雾特性．因此通过图6来进一步分析喷射压力对E30燃料喷雾特性的影响．对比图5和图6可以看出，E30的贯穿距、喷雾锥角和喷雾面积随喷射压力变化的趋势与E0相似．然而，与E0喷雾特性不同的是，E30的贯穿距和喷雾面积由8MPa到10MPa变化幅度要明显大于由6MPa到8MPa的变化幅度．这是因为，喷油压力的增加使油束初始动量的增加量增大．初始动量增加的油束贯穿能力更强，与空气相互作用更易于破碎成细小的液滴．因此，E30贯穿距和喷雾面积的变化幅度随喷射压力增加而增大．

3 结 论

(1)不同比例的乙醇/煤油混合燃料的喷雾形态在相同的喷射压力和背压下略有不同．在相同喷射压力下，E30油束要略长于E0和E50．

(2)乙醇的添加可以改善煤油的喷雾特性．随乙醇比例增加，混合燃料的贯穿距变化不明显，喷雾锥角和喷雾面积先增加后下降．相同喷射压力下，E30燃料的喷雾特性要优于E0和E50．

(3)乙醇/煤油混合燃料的贯穿距和喷雾面积随喷射压力的增加而增加，而燃料的喷雾锥角在试验的压力范围内变化不明显．喷射压力的升高对纯煤油贯穿距和喷雾面积的影响逐渐减小，却对乙醇/煤油混合燃料贯穿距和喷雾面积的影响逐渐增大．

［1］ Kallio P，Pásztor A，Akhtar M K，et al. Renewable jet fuel[J].，2014，26：50-55.

［2］ Goldemberg J. Ethanol for a sustainable energy future[J].，2007，315(5813)：808-810.

［3］ Blakey S，Rye L，Wilson C W. Aviation gas turbine alternative fuels：A review[J].，2011，33(2)：2863-2885.

［4］ Hileman J I，Stratton R W. Alternative jet fuel feasibility[J].，2014，34：52-62.

［5］ Huang S，Deng P，Huang R，et al. Visualization research on spray atomization，evaporation and combustion processes of ethanol-diesel blend under LTC conditions[J].，2015，106：911-920.

［6］ Gao J，Jiang D，Huang Z. Spray properties of alternative fuels：A comparative analysis of ethanol-gasoline blends and gasoline[J].，2007，86(10/11)：1645-1650.

［7］ Park S H，Suh H K，Lee C S. Effect of bioethanol− biodiesel blending ratio on fuel spray behavior and atomization characteristics[J].，2009，23(8)：4092-4098.

［8］ He C，Ge Y，Tan J，et al. Spray properties of alternative fuels：A comparative analysis of biodiesel and diesel[J].，2008，32(14)：1329-1338.

［9］ Khalil A E E，Gupta A K. Fuel flexible distributed combustion for efficient and clean gas turbine engines[J].，2013，109：267-274.

［10］ Burguburu J，Cabot G，Renou B，et al. Effects of H2enrichment on flame stability and pollutant emissions for a kerosene/air swirled flame with an aeronautical fuel injector[J].，2011，33(2)：2927-2935.

［11］ 龚景松，杨庆涛，侯凌云，等. 乙醇煤油混合燃料热解特性实验研究[J]. 工程热物理学报，2009，30(9)：1617-1619.

Gong Jingsong，Yang Qingtao，Hou Lingyun，et al. Experimental study on pyrolysis characteristics of ethanol-kerosene blends[J].，2009，30(9)：1617-1619(in Chinese).

［12］ Chiariello F，Allouis C，Reale F，et al. Gaseous and particulate emissions of a micro gas turbine fuelled by straight vegetable oil-kerosene blends[J].，2014，56：16-22.

［13］ Patra J，Ghose P，Datta A，et al. Studies of combustion characteristics of kerosene ethanol blends in an axi-symmetric combustor[J].，2015，144：205-213.

［14］ Mendez C J，Parthasarathy R N，Gollahalli S R. Performance and emission characteristics of a small-scale gas turbine engine fueled with ethanol/Jet-A blends [C]//50. Nashville，Tennessee，2012，2012-AIAA-0522.

［15］ Mendez C J，Parthasarathy R N，Gollahalli S R. Performance and emission characteristics of butanol/Jet A blends in a gas turbine engine[J].，2014，118：135-140.

［16］ Song L，Liu T，Fu W，et al. Experimental study on spray characteristics of ethanol-aviation kerosene blended fuel with a high-pressure common rail injection system[J].，2018，91(2)：203-213.

［17］ Baeyens J，Kang Q，Appels L，et al. Challenges and opportunities in improving the production of bio-ethanol[J].，2015，47：60-88.

［18］ Zheng L E I，Changbo L U，Gaojun A N，et al. Comparative study on combustion and explosion characteristics of high flash point jet fuel[J].，2014，84：377-383.

［19］ Chen L，Ding S，Liu H，et al. Comparative study of combustion and emissions of kerosene(RP-3)，kerosene-pentanol blends and diesel in a compression ignition engine[J].，2017，203：91-100.

Experimental Study on Spray Characteristics of Kerosene Blended with Ethanol

Guo Jinjing，Qian Yong，Tao Wencao，Lü Xingcai

(Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

The spray characteristics of fuel have an important influence on its combustion and emission performances．In this paper，the spray characteristics of pure kerosene and kerosene blended with 30% and 50% ethanol were experimentally studied by means of a multi-hole injector in a constant-volume chamber under the ambient temperature of 289.15K，ambient pressure of 0.1MPa，and injection pressures of 6MPa，8MPa and 10MPa，respectively．Results show that the increasing ethanol ratio had a minor effect on the spray tip penetration of blended fuels．The spray cone angle and spray area both increased first and then decreased．With the increase in injection pressure，the spray tip penetration and spray area of kerosene blended with ethanol both increased，whereas the spray cone angle was almost constant．In addition，the increase in injection pressure had a decreasing effect on the spray characteristics of kerosene；however，its effect on the spray characteristics of kerosene blended with ethanol kept growing gradually．

spray characteristics；kerosene；ethanol

TK4

A

1006-8740(2019)05-0408-06

10.11715/rskxjs.R201812018

2018-11-12.

国家杰出青年基金资助项目(51425602).

郭金晶（1994—），女，硕士研究生，guojinjing@sjtu.edu.cn.

吕兴才，男，博士，教授，lyuxc@sjtu.edu.cn.