佟 默,時(shí)曉杰,吳衛(wèi)明,王順有

1.滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,安徽滁州，239000；

2.滁州嘉遠(yuǎn)微車科技有限公司,安徽滁州，239000

近年來，受到全球變暖、溫室效應(yīng)、能源緊缺等因素的影響，環(huán)境與能源問題越來越受到各國(guó)政府的重視。由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的熱效率和相對(duì)清潔的排放特性[1]，所以得到了廣泛使用。與此同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)更高級(jí)別，更加嚴(yán)苛的排放法規(guī)，進(jìn)一步提升柴油機(jī)的燃燒效率，眾研究學(xué)者提出了多種解決方案。如清潔柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(新型燃燒技術(shù)、柴油共軌燃料噴射技術(shù)、廢氣再循環(huán)技術(shù)等)和后處理技術(shù)(氧化催化還原技術(shù)、顆粒物捕捉技術(shù)、選擇性催化還原技術(shù)等)[2]。同時(shí)，從燃燒源頭入手，對(duì)燃料改善的研究也取得了一定的突破，如替代燃料的使用、燃料的預(yù)處理技術(shù)等。以生物柴油和乳化柴油燃料為代表性的研究結(jié)果表明，處理后的燃料燃燒更加充分，實(shí)現(xiàn)了高效清潔的目標(biāo)[3]。然而，此類研究由于燃料制備環(huán)節(jié)復(fù)雜、制備成本高、制備燃料不穩(wěn)定等問題，并未被完全普及。

微氣泡的尺寸單位為μm，其基本直徑在10～200 μm之間，特別是直徑在50 μm以下的氣泡都被統(tǒng)稱為微氣泡[4]。由于微氣泡具有尺寸小、上升速度緩慢、表面積大、豐富的氣體含量、表面負(fù)電荷和壓縮微爆等特征，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、生活等多領(lǐng)域[5]。其中日本學(xué)者Yasuhito等[6]采用噴射式氣泡生成設(shè)備向柴油燃料中打入微氣泡，制備出微氣泡燃料柴油，并利用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，將微氣泡柴油燃料噴入燃燒室進(jìn)行燃燒，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多負(fù)荷工況下，燃油消耗量平均減少了3.2%，最大減少6.2%，充氣效率、排氣溫度、碳煙和NOX排放量最大也有1%程度的改善。但這種改善型的微氣泡燃料柴油的基本物理特性學(xué)術(shù)界未見報(bào)道，故本文借鑒Yasuhito等學(xué)者的研究成果，制備出具有氣泡存活時(shí)間長(zhǎng)、氣體含量豐富、壓縮產(chǎn)生微爆現(xiàn)象的改善型燃料——微氣泡燃料柴油，并對(duì)其基本物理特性進(jìn)行了研究，著重研究了它的蒸發(fā)特性，以驗(yàn)證微氣泡的加入可以促進(jìn)燃料的蒸發(fā)，進(jìn)而改善燃料的燃燒效果。

1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了在燃料內(nèi)部生成微米級(jí)別的氣泡，考慮到成本與今后裝備便利性，本實(shí)驗(yàn)選擇了渦流泵式微米氣泡發(fā)生器(20B-250M，韓國(guó)SAM公司)，此裝置是通過液體流動(dòng)過程產(chǎn)生的紊流實(shí)現(xiàn)氣泡生成的。當(dāng)裝置工作時(shí)，裝置內(nèi)部的誘導(dǎo)空氣葉輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大紊流，將壓入的液體與空氣進(jìn)行充分混合與打碎，然后通過單孔管路輸出設(shè)備，完成液體內(nèi)部微米氣泡的打入[7]。通過30 s氣泡注入燃料清晰度對(duì)比照片可知，該設(shè)備制泡效果較優(yōu)異。該設(shè)備制泡規(guī)格為7 L/min，生成氣泡的尺寸范圍為20～70 μm，主要生成的氣泡尺寸為30～50 μm。滿足實(shí)驗(yàn)所需微米級(jí)別氣泡規(guī)格[8]。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 燃料的制備

利用氣泡發(fā)生裝置以10 min為單位，向柴油燃料中打入微氣泡，共制備實(shí)驗(yàn)燃料9種(0～80 min)，并在常溫25 ℃條件下，靜置24 h。

2.2 蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)

本研究使用大韓科學(xué)公司的熱交換器(MaXtir-500H)對(duì)目標(biāo)燃料液滴進(jìn)行蒸發(fā)，利用光在被測(cè)流場(chǎng)中的折射率梯度正比于流場(chǎng)的氣流密度，不同折射率的變化表現(xiàn)為明暗差的紋影法[9](Schlieren method)，對(duì)蒸發(fā)過程進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，同時(shí)使用高速電子攝像機(jī)(FASTCAM-Ultima 512)對(duì)可視化過程進(jìn)行拍攝。

實(shí)驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)，室溫25 ℃，加熱板溫度200 ℃、250 ℃條件下進(jìn)行的。利用微量注射器將實(shí)驗(yàn)燃料20 μL，從距離蒸發(fā)界面30 mm位置自由滴落，液滴接觸加熱板瞬間，蒸發(fā)開始[10]。為減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，對(duì)各燃料(0，40，80 min)分別進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)觀察。同時(shí)，為了確認(rèn)各燃料完全蒸發(fā)所需要的時(shí)間，將高速攝像機(jī)置于熱交換器上方45o，按照可視化同等實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)蒸發(fā)全過程進(jìn)行拍攝記錄。

2.3 輔助實(shí)驗(yàn)

(1)使用Lijima公司的MA-300G的飽和溶解氧含量測(cè)量?jī)x對(duì)實(shí)驗(yàn)燃料的氧含量進(jìn)行測(cè)量。

(2)使用CAS公司的CL-1“數(shù)顯旋轉(zhuǎn)式液體黏度測(cè)量?jī)x”對(duì)實(shí)驗(yàn)燃料的黏度進(jìn)行測(cè)量。

(3)使用CAS公司的CUX620H高精度質(zhì)量測(cè)量?jī)x和ILS公司的Microsyringes高密度注射器對(duì)實(shí)驗(yàn)燃料的質(zhì)量與體積進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的液體密度。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

利用數(shù)據(jù)處理軟件(imageJ180)對(duì)可視化實(shí)驗(yàn)條件下拍攝的燃料蒸發(fā)面積進(jìn)行計(jì)算。

首先，利用軟件的“Set Scale”功能將拍攝區(qū)域?qū)?yīng)每個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際尺寸進(jìn)行計(jì)算(256×256個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際面積為486.012 mm2，則每個(gè)像素點(diǎn)的面積為0.007 4 mm2)。其次，通過 “Threshold”功能將灰度圖像轉(zhuǎn)換為高對(duì)比度的黑白圖像，并提取標(biāo)注出蒸發(fā)區(qū)域范圍；最后，使用“Area Measure”功能，對(duì)圈定范圍進(jìn)行像素計(jì)算，并換算為實(shí)際面積單位，從而得到某一時(shí)刻的蒸發(fā)面積[11]。打入微氣泡的燃料在蒸發(fā)過程中，微爆現(xiàn)象較明顯，通過imageJ180數(shù)據(jù)處理，微爆粒子的直徑平均值為0.03 mm。

3.2 蒸發(fā)可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖1所示，縱坐標(biāo)分別為純柴油(0#)、40 min氣泡燃料(40#)、80 min氣泡燃料(80#)三種實(shí)驗(yàn)燃料，橫坐標(biāo)為500 ms間隔，2 500 ms時(shí)間段內(nèi)燃料蒸發(fā)現(xiàn)象的可視化照片。實(shí)驗(yàn)條件為：加熱板溫度200 ℃、 250 ℃，燃料溫度25 ℃。

圖1 蒸發(fā)可視化實(shí)驗(yàn)照片

圖2是對(duì)圖1可視化照片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。曲線①表示純柴油燃料(0#)，曲線②表示40 min氣泡燃料(40#)，曲線③表示80 min氣泡燃料(80#)。結(jié)果表明，相同的蒸發(fā)條件下，相同時(shí)刻，打入微泡的時(shí)間越長(zhǎng)，燃料的蒸發(fā)的面積越大，蒸發(fā)越活潑。此現(xiàn)象是燃料在受到高溫加熱時(shí)，液體內(nèi)部空氣首先受熱膨脹、破裂所導(dǎo)致的，同時(shí)通過可視化照片可以看出，微氣泡會(huì)產(chǎn)生明顯的微爆現(xiàn)象，也將進(jìn)一步加快燃料蒸發(fā)速度。

圖2 蒸發(fā)可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 燃料完全蒸發(fā)過程實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為通過高速攝像機(jī)記錄各燃料完全蒸發(fā)過程的實(shí)驗(yàn)照片。橫坐標(biāo)為燃料完全蒸發(fā)所需時(shí)間，縱坐標(biāo)分別為純柴油燃料、40 min氣泡燃料、80 min氣泡燃料。蒸發(fā)開始時(shí)刻以燃料液滴接觸加熱板時(shí)刻為準(zhǔn)，蒸發(fā)結(jié)束時(shí)刻以燃料液滴無法明顯辨認(rèn)時(shí)刻為準(zhǔn)。

圖3 燃料完全蒸發(fā)記錄實(shí)驗(yàn)照片

圖4為針對(duì)各燃料完全蒸發(fā)所需時(shí)間處理的柱形圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同蒸發(fā)溫度條件下，隨著燃料打入氣泡時(shí)間的增加，完全蒸發(fā)所需時(shí)間呈縮短趨勢(shì)。

圖4 燃料完全蒸發(fā)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 輔助實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為9組實(shí)驗(yàn)燃料(0#-80#)的含氧量實(shí)驗(yàn)結(jié)果。橫坐標(biāo)為氣泡打入時(shí)間，即對(duì)應(yīng)9組燃料；左側(cè)縱坐標(biāo)為溶解氧含量，右側(cè)縱坐標(biāo)為空氣量，空氣量是通過大氣中氧氣所占比例通過計(jì)算出來的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著燃料中氣泡打入時(shí)間的增加，溶解氧含量有6%程度的上升。

圖5 燃料飽和氧含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為9組實(shí)驗(yàn)燃料(0#-80#)的黏度和密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。橫坐標(biāo)為氣泡打入時(shí)間，即對(duì)應(yīng)9組燃料；左側(cè)縱坐標(biāo)為液體黏度，右側(cè)縱坐標(biāo)為液體密度；曲線①為燃料黏度變化曲線，曲線②為燃料密度變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著燃料中氣泡打入時(shí)間的增加，燃料黏度有1%程度的下降，燃料密度有0.5%程度的下降。

圖6 燃料黏度和密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)是通過相關(guān)設(shè)備對(duì)微氣泡柴油燃料中的飽和氧含量、黏度、密度等基礎(chǔ)物理特性進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)利用科學(xué)計(jì)算的方法對(duì)氣泡燃料的蒸發(fā)特性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)條件為大氣環(huán)境下，燃料溫度25 ℃，加熱板上方30 mm處自由下落20 μL燃料液滴，加熱板溫度分別為200 ℃和250 ℃，同時(shí)，為了保證誤差在合理范圍，每組實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行10次。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得如下結(jié)論：

(1)隨著氣泡打入時(shí)間的增加，燃料的基礎(chǔ)物理特性發(fā)生變化，即80 min條件下的飽和氧含量有6%程度的上升，黏度下降1%，密度減少0.5%。由此可知，微氣泡的打入時(shí)間在一定程度上和燃料內(nèi)部氣體含量成正比，與燃料黏度、燃料密度變化成反比。

(2)通過燃料液滴的蒸發(fā)可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著燃料中氣泡打入時(shí)間的增加，相同時(shí)刻，燃料蒸發(fā)面積擴(kuò)大，燃料完全蒸發(fā)所需時(shí)間減少。這是由于，燃料在受到加熱蒸發(fā)時(shí)，燃料內(nèi)部溶解空氣首先受熱膨脹破裂所導(dǎo)致，此結(jié)論與燃料氧含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

(3)依據(jù)微氣泡柴油燃料的黏度與密度降低的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合其微爆現(xiàn)象和更活潑的蒸發(fā)特征，可以推斷，當(dāng)將其噴入燃燒室時(shí)，其特性的改變將會(huì)促進(jìn)液體粒子的霧化。進(jìn)而改善混合氣的均勻性。同時(shí)，一定程度上也會(huì)提高燃燒過程中空氣的利用率。