用于柴油机的柴油-FAME混合燃料喷雾特性研究

张义俊，朱 迪，刘圣勇

(1.河南农业职业学院 机电工程学院，河南 郑州 451450；2.河南农业大学 机电工程学院，河南 郑州 450046)

1 引言

生物柴油由动植物脂肪与甲醇发生酯化反应得到，它的主要成分是混合脂肪酸甲酯FAME[1]，是绿色可再生能源。鉴于其原材料和制备工艺的不同，FAME具有较高的运动粘度、密度和表面张力。FAME常与柴油按一定比例混合使用，为了达到国家燃料使用标准，必须选择合适的混合比[2]。燃料的雾化是指大液柱或液膜变成小液滴，从液滴受力的角度分析，雾化过程可以看作是外力与液滴内部粘性力共同作用的过程[3]。首先，液体表面外力迫使液柱分裂；其次，液体分子试图保持其原始粘性形状的引力；第三个因素是液体的表面张力迫使液滴保持球形，液体保持最小的表面能而产生一定的抗力。当外力大于液体的表面张力和液体内部的粘性力时，就会发生碎裂而雾化[3]。

本文研究了燃油质量、喷油压力、环境压力和喷油嘴参数等因素对燃油分子内外力的影响。分析了在不同环境压力、喷射压力、喷嘴直径和不同混合比下的喷雾特性，为FAME的实际推广应用提供依据。

2 材料

测试设备包括高压泵、定容燃烧装置、信号发生器控制器和高压喷射器。测试系统的原理如图1所示。定容燃烧模拟发动机气缸。高压氮气控制内部环境压力。为了便于显示色差，定容室相邻两侧的内壁采用了黑屏装饰[4]。剩下的两侧面是压力玻璃窗，一侧用来透光，另一侧用来照相。试验燃料是来自废油的生物柴油和0#柴油的混合物。

3 研究方法

3.1 宏观研究

图1 喷雾试验装置示意

图2 喷雾贯穿距和喷雾锥角的定义

3.2 微观分析

通过实验，对不同比例的混合燃料喷雾液滴的大小和数量的变化进行分析。通过Matlab和Photoshop对图像进行数据处理，可以得到更精确的微观液滴分布，如图3所示。

沿着喷嘴轴向，用快速摄像机拍摄了跨度为60°的非弹性T形线，确定长度与标定像素之间的关系。液滴直径将近似读取[10]。标准线径是通过photoshop软件读取的4个像素，所以长度和像素转换系数是:

3.3 实验方案设定

当FAME掺混比大于60%时，通过测定，混合燃料的密度和粘度均不适合柴油机燃料国家标准[9]。为使实验效果更加明显，选取BD0、BD20、BD40、BD60和BD100样品进行宏观和微观特征分析。这里，BD20表示FAME比率为20%，0号柴油比率为80%。

4 结论及分析

4.1 FAME含量对混合燃料宏观喷雾特性的影响

实验条件：喷嘴孔径0.26 mm，喷射压力90 MPa，定容室压力为0.42 MPa。对4种比例的燃料雾化分布结构和液滴直径进行分析，如图4和图5所示。

结果表明，锥角越小，扬程在初始喷雾阶段变化较快，中后期逐渐消散，气相占主导；气相扩散和液相蒸发使混合气浓度越来越小。纵向分析，相同喷雾条件，初始FAME的含量越大，锥角越小，喷雾覆盖范围越小，混合燃料的喷雾穿透力大，且FAME含量越高，燃料束停留时间越长，这主要是由于FAME与柴油之间的运动粘度、密度和表面张力不同，导致FAME雾化性能较差。

图3 喷雾场处理前后图片对比

喷雾初始，流量大，喷雾角小，穿透力小。最大喷雾角55°；100%FAME含量混合燃料喷雾角度仅25°。如图3所示，FAME含量增加促使混合燃料分子的扩散，降低液滴的蒸发和雾化能力。

BD0、BD30和BD100雾场显微图像如图4所示，自上而下，轴向喷射。BD100大液滴含量大于BD0，从两者外观均匀性的差异来看，BD0大液滴破碎更彻底，喷雾效果更均匀，而纯生物柴油喷雾的液滴大得多，并伴有液滴粘附。

如图5统计图中，粒径17.5 μm液滴数最多。在小于32 μm范围内，BD0液滴数量最多，随着FAME含量的增加，直径大于35 μm的液滴增多，BD100的雾化质量最差。大颗粒液滴的增多说明混合雾化变差。内部粘性力很难被外部气压力破坏。

4.2 压力对燃料喷雾的影响

实验条件为：一定喷射量，0.25 mm喷嘴直径。将喷射压力设定为50MPa、70MPa、90MPa和110MPa。图6不同比例混合燃料喷雾扬程和雾锥角的变化情况。随着压力增加，扬程增大，锥角减小。压力越高，初始动能越大，轴向运动距离越长；压力越低，初始动能越小，锥角越大。压力的增大，雾滴扬程的增大速度加快。FAME含量越大，喷射压力对雾滴扬程的影响越大。喷雾角度随着FAME含量的增加而下降。BD30和BD20的变化趋势相似。

BD30在1.8 ms时的统计分析如图7所示。当喷射压力为30MPa时，大于40 μm的大液滴数量占41.5%。当压力达到90MPa时，以小于30 μm的小液滴为主，数量大于90%。因此，在燃烧室允许大压力的条件下更有利于燃油雾化。

4.3 喷嘴孔径对混合燃料雾化特性的影响

设定喷射压力90MPa，定容室压力4MPa，单次喷射量相同，喷嘴直径选定0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm或0.3 mm。图8是混合燃料不同直径喷嘴在喷雾开始后1.8 ms的喷雾范围变化情况。喷嘴直径越大，喷雾范围越大，喷雾锥角越小。主要原因是喷嘴直径越大，阻力越小，使雾滴获得的动能越大，速度越快，因此在有限的时间内雾滴的输送距离越大。此外，当喷嘴孔结构参数减小，燃料扩散受限于周边气流，喷雾角减小时，喷嘴几乎不发生雾化。

BD30在1.8 ms时，不同喷嘴孔径液滴分布如图9所示。喷嘴直径越小，得到的液滴越小。喷嘴直径为0.15 mm时，94%的液滴直径小于30 μm。燃油喷雾效果良好。当喷嘴直径为0.3 mm时，30 μm液滴只占70%，由于较低的初始动能减缓了油束的发展，使其与周围空气接触时间较长所致。

图4 不同混合比雾形发展

图5 不同喷嘴直径混合燃料液滴分布

图6 不同比例混合燃料喷雾扬程和雾锥角的变化

5 结论

影响混合燃料雾化特性的主要原因是燃料粘度和喷咀孔径和喷雾压力。混合燃料粘度大小取决于两种成分的混合百分比，实验结果表明，

图7 喷雾压力对BD30混合燃料的雾滴分布的影响

图8 喷嘴直径对混合燃料喷雾雾锥角和喷雾射程的影响

图9 不同喷嘴直径对 BD30燃料雾滴分布

(1)混合燃料的雾化结构随FAME含量的增加而改变，喷雾角度减小，穿透力逐渐增大。雾化性能逐渐降低，显微液滴平均直径是17.5 μm。

(2)随着喷射压力的增加，喷射角减小，穿透力增大，当FAME含量小于或等于混合燃料的30%时，喷雾结构的变化率小于高压时的变化率。因此，在燃烧室结构允许的情况下，增加喷油压力更有利于燃油雾化。

(3)随着喷嘴直径的增大，喷雾范围增大，喷雾锥角减小，大颗粒液滴增多，不利于均匀雾化。