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SVO（麻风树），其生物柴油和混合物的宏观喷雾参数和燃料雾化行为的对比研究

摘 要

植物油及其衍生物具有较高的粘度、密度和汽化特性，其燃烧和排放特性与矿物柴油有较大的不同。这些特性影响着燃油喷射，影响着燃油喷射与燃烧室内空气的相互作用，因此分析燃油喷射的喷雾特性，如喷嘴穿透、喷雾锥角、喷雾面积和燃油雾化等具有重要意义。光学喷雾可视化技术和实时处理技术是分析这些燃料喷雾参数比较的有效手段。研究了相对于矿物柴油基准数据，气室压力对麻风树原植物油(J100)、共混物(J5,J20)和麻风树生物柴油(JB100)、共混物(JB5,JB20)喷雾特性的影响。在四种不同压力下(分别为1、4、7和9bar)，在定容喷雾可视化室(冷室)中对所有这些燃料/共混物进行了实验。结果表明，J100和JB100的喷雾头穿透率、锥角最高，喷雾区域依次为J20、J5、矿物柴油和JB20、JB5、矿物柴油，而J20、J5和JB20、JB5的雾化特性优于J100和JB100。在常压下，生物柴油共混物的锥角比原植物油共混物高，但当室压增加到9bar时，两种燃料的锥角几乎相等。喷淋副产物被发现是优良的矿物柴油，其次是麻疯树生物柴油和麻疯树油。结果表明，随着燃烧室压力的增大，燃料的雾化性能明显提高。

关键词：麻疯树油；喷雾特性；喷雾头穿透；喷雾锥角；喷雾面积；燃油雾化

Abstract

The combustion and emission characteristics of vegetable oils and derivatives are quite different from mineral diesel due to their relatively high viscosity, density, and vaporisation characteristics. These properties affect the fuel spray and the interaction of the spray with air in the combustion chamber therefore it is important to analyse the spray characteristics e. g. spray tip penetration, spray cone angle, spray area, and fuel atomization. Optical techniques for spray visualization and image processing are very efficient to analyse the comparative spray parameters for these fuels. Present research investigates the effect of chamber pressure on spray characteristics of jatropha straight vegetable oils (J100) – blends (J5, J20), and jatropha biodiesel (JB100) – blends (JB5, JB20) vis-agrave;-vis baseline data of mineral diesel. Experiments were performed for all these fuels/ blends injected in a constant volume spray visualisation chamber (cold chamber) at four different chamber pressure (1, 4, 7, and 9 bar, respectively). It was found that J100 and JB100 have thhighest spray tip penetration, cone angle, and the spray area followed by J20, J5, mineral diesel and JB20, JB5, mineral diesel, respectively, however J20, J5 and JB20, JB5 have better atomization characteristics as compared to J100 and JB100respectively. Cone angle was higher for biodiesel blends as compared to straight vegetable oils blends at atmospheric pressure however as the chamber pressure was increased to 9 bar, it became almost equal for both fuel types. Spray parameters are found to be excellent for mineral diesel followed by jatropha biodiesel and jatropha oil. It was found that atomization of fuel becomes superior with increasing chamber pressure.

Key words: jatropha oil； spray characterisation； spray tip penetration； spray cone angle； spray area； fuel atomization

介绍

内燃机中使用的石油基常规燃料导致了严重的环境问题，且石油资源正在迅速枯竭。柴油发动机是当今地面交通运输的支柱。柴油发动机比汽油发动机更受欢迎，因为它具有更高的热效率和耐久性。这些发动机使用的燃料是高级矿物柴油，化石石油燃料储量有限，正在迅速枯竭，有必要寻找其他方法来满足快速增长的交通需求。最近，许多研究人员试图开发柴油发动机的替代燃料，特别是源于生物类的燃料。生物燃料的一个重要特点是它们与矿物柴油相比具有不同的燃料特性。由于燃料特性不同，生物燃料与矿物柴油^[1]相比具有不同的喷雾和雾化特性。这是研究生物燃料喷雾特性和燃料液滴雾化参数的主要原因。对发展中国家来说，生物燃料在不远的将来会在满足其能源需求方面发挥重要作用。这些生物燃料包括醇类、生物质燃料、沼气和生物柴油等。

麻疯树种子是麻疯树油的重要来源之一，麻疯树油可用于制造生物燃料，更确切地说，生物柴油是一种潜在可替代柴油发动机的燃料^[2]。麻疯树已成为一种高效、可持续的柴油发动机候选燃料资源，是一种有希望降低排放的候选燃料。在发动机中使用原(SVO)是相当困难的，因为它们的性能与矿物柴油有很大的不同。为了使它们适合在发动机中使用，需要将它们转化为生物柴油。因此，生物柴油是一种含氧燃料，含有单烷基酯，由SVO废料制油和动物脂肪的酯交换而来。生物柴油是一种可降解、无毒、环保的燃料^[4,5]。Kuthalingam等人研究了柴油发动机使用了以两种不同来源的混合物制备的生物柴油的性能和排放特性。他们使用了两种不同的生物柴油共混物:(1)水黄皮-番龙眼生物柴油、芥子生物柴油与矿物柴油混合(PMD)；(2)棉籽生物柴油、水黄皮-番龙眼生物柴油与矿物柴油混合(CPD)。他们发现CPD共混物具有优越的发动机性能，这表明这是一个不错的替代矿物柴油。

Soid和Zaina^[6]综述了近年来在喷雾特性和燃烧特性方面的研究成果，指出了利用光学技术对喷雾和燃烧进行研究的重要性。Banhawy和Whitelaw^[7]研究了不同气旋程度下的喷雾状况和燃烧特性。Kortas等人对^[8]型柴油机喷雾装置进行了实验研究。在他们的实验中，他们用超高速摄像机观察了喷雾开始后0.5毫秒的情况。Klein-Douwel等人利用高压电池中的高速成像技术，试图理解喷油和喷雾传播的相互关系。他们解释了用来确定局部喷油角、喷雾锥角和喷雾贯穿度的步骤；还解释了几何分析的实验和算法。Fang和Lee^[10]研究了在光学发动机中使用生物柴油共混物喷射和燃烧的发展以过程及不同喷油规律的影响。他们采用欧洲低硫柴油(B0)、大豆生物柴油共混物(B20、B50)和纯大豆生物柴油(B100)以三种不同的喷油正时进行研究。燃烧可视化结果表明，具有较高生物柴油浓度的混合燃料具有较长的贯穿距离和较高的冲击强度。

麻疯树油是一种从麻疯树中提取的非食用油。这种植物能存活在不利的条件下，只需要很少的灌溉用水，可以在任何土壤中生长。专用麻疯树人工林的种子产量可达0.8kg/m2。麻风树种子含油约30-40%(w/w)，无臭、无色、慢干油^[12,13]。主要是——苏用麻风树的种子是有毒的，压饼(榨油后)不能用作动物饲料。麻疯树油在没有去除其有毒成分的情况下不能用于任何营养目的，因此它是一种很好的替代燃料。Pramanik^[12]还探索了麻疯树作为一种替代柴油发动机燃料，通过使用预热油降低其粘度。

本研究选取麻风树SVO、麻风树生物柴油及其与矿物柴油的共混物，对其喷雾特性与基准矿物模具sel进行了比较。喷雾特性研究包括喷雾头穿透、喷雾锥角和喷雾区域。喷淋头穿透量是喷油器孔与喷淋头之间的喷淋长度^[14,15]。喷淋锥角定义为喷嘴尖端与喷淋边界上两个“半穿透点”连线的夹角。喷雾区是指在燃烧室压力-温度条件下，燃烧室内燃油喷雾所覆盖的区域。

试验装置

图1为研究宏观喷雾式气压计的实验装置。包括定容喷雾室、空压机、燃油喷射系统、高速成像系统和数据采集系统。恒容喷雾室已增压并测试到环境空气压力为10bar，没有任何故障。喷雾可视化室有四个光学窗口，每个窗口直径16厘米。室的下部是锥形的，其顶端连接到排泄阀。在试验过程中，当燃烧室积存一定数量的液体燃料时，用放泄阀对燃料进行再移动。喷油器和压力表安装在燃烧室顶部。供气管线连接到喷雾室，以保持所需的燃烧室压力。光学云台由19毫米厚的钢化玻璃制成，可承受10bar的压力。往复式空气压缩机(印度Vayu空压机，型号SA10081R)用于供应增压空气和维持所需的室压(最大10bar)。喷射实验中使用的燃油喷射系统与生产级恒速单缸发电机组(Kirloskar oil EnginesLimited,Pune, India;模型DM-10)。喷油器是一种简单的机械喷油器，其输出阀的开启压力设置在200bar。它有三个喷嘴(直径=290毫米)，相互夹角为120°角。机械挺杆泵以200bar的速度输送燃料。喷油器通过高压管路连接到燃油泵上，本实验使用电动驱动(0.5hp)操作燃油泵。一个白色光源(Thorlabs,USA，型号为高强度光纤光源OSL1)用于照亮燃烧室中的喷雾雾滴。通过高速摄像机(Basler;模型,A601fc)。高速摄像机与数据采集系统相连接，利用图像采集分析软件采集图像。运动粘度计(StanhopeSeta, UK, model Setavis 11300)用于测定麻疯树油共混物和生物柴油共混物相对于矿物柴油的粘度。使用便携式密度计(日本京都仪器公司DA-130N型)测量试验燃料的密度。

图 1 燃料喷雾特性实验装置示意图

实验矩阵

在200bar喷油压力下，对矿物柴油、麻疯树油、麻疯树生物柴油及其与矿物柴油(J5、J20、J100、JB5、JB20、JB100)共混物进行了喷油试验。实验开始前，对喷雾室进行泄漏试验。试验室内压力保持在10bar，试验结果表明该压力稳定，不泄漏。对四种不同的室压(9、7、4和1bar)进行了实验。试验燃料的粘度和密度是表征喷雾性能的关键参数，因此对这些性能进行了实验测量。

图像采集软件与高速摄像机通信。从相机拍摄的多幅图像中选取最佳图像，利用软件(National Instrumentrsquo;s Vision Assis- tance, 2009)对喷雾特性进行宏观分析。该软件具有图形化工具，可以有效地处理图像。该软件根据像素数量和像素值(像素强度)对图像进行分析。所有实验的图像分析都固定了亮度等级和阈值。每个实验都进行了三次，取平均值。经计算，所有试验结果的准确度均在plusmn;3%以内。结果发现，注射序列中的第三张图像(从注射开始，50ms后拍摄)是给出必要细节的最佳图像。这张拍摄于喷射开始后50毫秒的图像被选择用于所有实验和所有测试燃料的分析。

结果

本研究的目的是研究测试燃料的喷雾特性和雾滴雾化特性。测定了试验燃料相对于矿物柴油的粘度和密度。运动粘度的麻疯树动宾38.84中科40ordm;C,这是一个数量级高于矿物柴油和密度918kg/m³ 15ordm;C,也高于矿物柴油。表1显示了这些测试燃料(生物柴油和共混物)的测量燃料特性(密度和kine-matic粘度)。由表1可知，矿物柴油与麻疯树SVO和生物柴油相比，具有较低的密度和运动粘度。密度较高的燃料表现出较差的喷雾和雾化特性。当喷油开始时，油滴移动得很快，并趋向于破碎成更小的油滴。液滴大小分布在很大程度上取决于燃料的密度。如果测试燃料的密度较低，雾化会发生得很快，如果燃料的密度较高(如SVO)，雾化需要更长的时间(因为它们的分子内力较高，称为范德华力)。这种雾化现象发生在注入开始后的几毫秒内。高密度燃料由于具有较高的分子内力，导致喷嘴穿透率较高，雾化效果较差。这导致形成较大的燃料滴，这些燃料滴具有较高的惯性，因此它们在喷雾室中行驶的距离更长。其中麻风树SVO的密度最高，其次是麻风树生物柴油和矿物柴油。较高的喷淋穿透和较差的燃料雾

资料编号：[3639]