植物油微乳化燃料喷雾特性研究

赵汶彬，丁晓倩，杨凯，祁东辉

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

前言

近年来，汽车尾气排放的有害气体成为空气污染的主要原因，探求节能环保、可持续发展的新能源技术及开发代用燃料成为当前汽车行业发展的核心目标[1,2]。使用植物油作为替代燃料，能够改善燃烧过程[3]，可以直接在柴油发动机上作为燃料使用，而不需要对发动机的构造进行改动[4]。研究发现，直接使用植物油或者对植物油进行微乳化形成乳化燃料可以有效降低有害气体的排放[5,6]，尤其可以使碳烟排放量降低40%[7,8]。

燃料的喷雾是燃料由喷嘴喷射到气体介质中发生了碎裂，同时雾化成细小的液滴颗粒的过程，燃料的喷雾特性，研究燃料的喷雾特性就显得至关重要。文中采用实验的方法，以桐油和柴油为基础油（TD），采用微乳化的方法配制不同比例的桐油-柴油-乙醇微乳化燃料，对微乳化燃料与柴油的宏观喷雾特性和微观喷雾特性进行对比研究。

1 实验设备和方法

实验把桐油与0#柴油按体积比例为3:7和5:5制备基础油，再分别对两种基础油与乙醇按体积比7:3和6:4掺混，制备4种微乳化燃料，即PD30E20, PD30E40, PD50E20和PD50E40，用油酸作为表面活性剂、正丁醇作为助溶剂（油酸与正丁醇的体积比为7:3），对4种微乳化柴油和0#柴油进行喷雾研究，试验中使用马尔文Spraytec喷雾型激光粒度仪测定索特平均直径、雾化液滴尺寸分布、雾化液滴特征直径和发散度等微观喷雾特性，利用 Photoshop对图像进行曝光及测量处理。

2 结果与分析

2.1 雾化液滴尺寸分布

图1为五种燃料雾化液滴尺寸体积分布图，由图可知，在喷雾过程中，尺寸体积分布的变化是先增加到一定的峰值，再减小，最后趋于平稳。所有雾化液滴尺寸都处于 0～180um之间，柴油是五种燃料中峰值出现最早的，在 40um处，TD50E40峰值出现在60um处，是峰值出现最迟的，其余三种燃料峰值都出现在50um处。可见，在一次喷射过程中，柴油雾化后的小尺寸液滴颗粒占其总比例更大，TD50E40雾化后的大尺寸液滴颗粒占其总比例更大。

图1 五种燃料雾化液滴尺寸体积分布图

2.2 雾化液滴的特征直径

特征直径在马尔文Spraytec激光粒度仪中直接读取，常选取D0.1、D0.5、D0.9和 D0.999四组特征直径，表1是五种雾化燃料的特征直径，可见四组微乳化燃料的各个特征直径均大于柴油。在微乳化燃料中，乙醇所占比例增加时，微乳化燃料特征直径基本一样；增加基础油中桐油的比例时，各组微乳化燃料的特征直径也明显增大。这说明，在微乳化燃料中，桐油占比越大，喷雾过程中产生的大颗粒液滴数目就越多、小颗粒液滴数目越少，雾化液滴的特征直径增大。

表1 五种燃料雾化液滴特征直径

2.3 雾化液滴的发散度

液滴的发散度常用燃料的相对尺寸范围△s和发散边界△b作为指标，

表2是五种燃料雾化液滴相对尺寸范围△s和发散边界△b，可见柴油的相对尺寸△s大于四组微乳化燃料、发散边界△b小于四组微乳化燃料，说明柴油雾化液滴颗粒直径在较小范围内的发散度较大、微乳化燃料颗粒直径在较大范围内发散度较大。当微乳化燃料中桐油占比增加时，雾化燃料的相对尺寸范围变小、发散边界变大；当基础油比例一定时，乙醇占比越大，雾化液滴相对尺寸范围△s和发散边界△b都增加。

表2 五种燃料雾化液滴相对尺寸范围△s和发散边界△b

3 结论

（1）随着微乳化燃料中桐油含量的增加，雾化液滴的特征直径增大，相对尺寸范围变小、发散边界变大，微乳化燃料的雾化质量变差。

（2）当微乳化燃料中乙醇占比增加时，喷雾锥角变大，贯穿距离变小，索特平均直径变小，微乳化燃料特征直径基本一样，雾化液滴相对尺寸范围△s和发散边界△b都增加。

（3）试验所用四组微乳化燃料的各个特征直径均大于柴油，柴油雾化液滴颗粒直径在较小范围内的发散度较大、微乳化燃料颗粒直径在较大范围内发散度较大。