張凱妹，戴仁杰，朱錫玉，曹建明

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民汽車保有量急劇增加，與此同時(shí)，汽車所帶來的能源危機(jī)與環(huán)境問題也日益嚴(yán)重，尋求替代燃料，節(jié)省石油資源以及降低汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染已成為汽車研究的重要內(nèi)容，其中可再生生物質(zhì)燃料生物柴油是目前研究的主要方向之一。目前上海公交公司已經(jīng)試推行生物柴油公交車，但因?yàn)樯锊裼途哂懈弑砻鎻埩?、高粘度、高冷濾點(diǎn)等缺點(diǎn)，現(xiàn)推廣的只為體積含量為5%的B5摻混燃油。柴油機(jī)性能主要取決于燃燒室形狀、缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)和噴油壓力三者之間的配合[1]，同時(shí)也受到燃油霧化性能的影響，其中燃油的表面張力、密度和粘度是影響燃油霧化性能的重要因素[2]。常溫下，生物柴油可與石化柴油以任意比例互溶，本試驗(yàn)通過測量不同摻混比燃油的表面張力系數(shù)，來得到摻混比對(duì)燃油表面張力的影響。

1 表面張力與生物柴油體積含量關(guān)系的試驗(yàn)

表面張力是指作用于液體表面，使液體表面縮小的力。表面張力的形成和處在液體表面薄層內(nèi)的分子特殊受力狀態(tài)密切相關(guān)。

如圖1所示。表面張力的存在形成了很多日常生活中可以觀察到的特殊現(xiàn)象，同樣它也是評(píng)價(jià)燃油霧化性能的重要指標(biāo)，對(duì)燃油在噴嘴附近的霧化過程有顯著的影響。本試驗(yàn)的目的是研究不同體積含量的生物柴油對(duì)燃油表面張力的影響。

圖2 表面張力測定臺(tái)架示意圖

圖1 表面張力示意圖

測量表面張力系數(shù)的方法有很多種，主要有懸滴法、最大氣泡法、毛細(xì)管上升法等[3]。本試驗(yàn)利用毛細(xì)上升法的測定原理自主搭建表面張力測定臺(tái)架，臺(tái)架示意圖如圖2所示。試驗(yàn)過程中，以游標(biāo)卡尺對(duì)尺寸進(jìn)行定標(biāo)，利用高清晰度CCD相機(jī)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取相，利用數(shù)字圖像處理軟件對(duì)獲取圖像進(jìn)行處理，通過計(jì)算像素點(diǎn)的方法對(duì)玻璃毛細(xì)管的內(nèi)徑及待測液體在毛細(xì)管內(nèi)受毛細(xì)作用力上升的高度進(jìn)行測量，并利用公式1.1對(duì)各燃油的表面張力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

其中ρL為燃油密度；ρg為大氣密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；r為毛細(xì)管內(nèi)徑；h為毛細(xì)管內(nèi)燃油液面上升高度。

由公式1.1知，對(duì)燃油表面張力進(jìn)行測定時(shí)，需先獲取燃油密度，本試驗(yàn)利用石油產(chǎn)品密度計(jì)對(duì)20℃下純柴油及純生物柴油的密度進(jìn)行測定，并利用公式1.2對(duì)各燃油的密度進(jìn)行擬合，試驗(yàn)測得純柴油密度為 825kg/L；純生物柴油密度為878kg/L。

其中cB為生物柴油體積含量；ρB為生物柴油密度；ρD為柴油密度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了檢驗(yàn)利用自主搭建試驗(yàn)臺(tái)測量的可行性，對(duì)無水乙醇在20℃下的表面張力系數(shù)進(jìn)行測定，測得無水乙醇的表面張力系數(shù)為0.0225 N/m，與NIST數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此試驗(yàn)臺(tái)具有較高的測量精度。本試驗(yàn)對(duì)B0、B20、B40、B60、B80、B100等6種燃油的表面張力進(jìn)行測得，結(jié)果如圖3所示，其中橫坐標(biāo)表示為燃油中生物柴油體積含量。

圖3 生物柴油體積含量與表面張力系數(shù)的變化關(guān)系

結(jié)果表明，生物柴油的摻混量對(duì)燃油的表面張力系數(shù)有顯著的影響，并且摻混燃油的表面張力系數(shù)隨著燃油內(nèi)生物柴油的體積含量而呈現(xiàn)近似線性的變化。王磊等人[4]通過對(duì)不同摻混燃油的噴霧特性進(jìn)行試驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)，燃油B24的霧化性能與 B0的霧化性能之間沒有顯著的區(qū)別，但生物柴油體積含量達(dá)到50%時(shí)則出現(xiàn)明顯惡化，與本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，燃油表面張力系數(shù)在0.029～0.032N/m之間時(shí)，燃油的霧化性沒有明顯的區(qū)別，但燃油表面張力系數(shù)高出0.033N/m時(shí)，燃油的霧化性能則出現(xiàn)明顯的惡化。

3 結(jié)束語

本試驗(yàn)利用毛細(xì)上升法對(duì)6種不同體積含量生物柴油摻混燃油的表面張力系數(shù)進(jìn)行測定，研究生物柴油體積含量對(duì)燃油表面張力系數(shù)的影響，并與BD燃油霧化性能相關(guān)研究進(jìn)行對(duì)比研究。

（1）生物柴油摻混量對(duì)BD燃油的表面張力系數(shù)具有顯著的影響。

（2）BD燃油的表面張力系數(shù)隨生物柴油體積含量的增加而呈近線性增長。

（3）表面張力系數(shù)是影響燃油霧化性能的重要因素，其中燃油表面張力系數(shù)在0.029～0.032N/m之間時(shí)，燃油的霧化性能沒有明顯的區(qū)別，但超出0.033N/m時(shí)則出現(xiàn)明顯惡化。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹建明.液體噴霧學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社.2013, 7.

[2] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2010, 8.

[3] 趙貫甲,畢勝山,吳江濤,等.毛細(xì)上升法表面張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)[J].工程熱物理學(xué)報(bào). 2011. V32(4): 546-548.

[4] 王磊.生物柴油/柴油混合燃料噴霧特性研究[D].西安:長安大學(xué).2008.