姜熠豪,姜根柱,張衍

(江蘇科技大學機械工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

化石燃料日益枯竭[1-5]使得各國開始關注傳統能源的替代燃料。生物柴油作為一種可再生生物能源,受到了各國政府和科研人員的廣泛關注?？紤]到潛在燃料技術的成熟,生物柴油作為一種可再生燃料,可以從多種資源中提取,如食用或非食用的植物油和動物脂肪,現在作為商業(yè)燃料廣泛應用于許多領域。相比于化石燃料,生物柴油[6-8]具有十六烷值高、潤滑性能好、燃點高等優(yōu)點。因此近年來,人們對生物柴油進行了一些研究,麻瘋樹油甲酯(JME)作為生物柴油的一種,其優(yōu)點即是十六烷值高,作為替代燃料使用非常合適,但是JME的運動黏度相對石化柴油較高,不利于燃油霧化。而燃油噴霧霧化效果由其噴霧特性所決定,目前學者們針對JME在高壓條件下噴霧特性[9-10]的研究還不夠深入,因此展開對JME的噴霧特性研究是十分必要的,對JME燃料在以后的工程應用具有一定的指導價值。

在柴油機實際工作中,除了燃油屬性對柴油機缸內燃燒過程有影響外,背景壓力、噴射壓力、噴霧的持續(xù)時間等因素對柴油的噴霧特性也有較大的影響。Meshack Hawi等[11]研究了不同的噴射壓力和環(huán)境密度對柴油、十四烷(柴油替代品)和油酸甲酯(生物柴油替代品)燃料蒸發(fā)噴霧的影響。結果表明,噴射壓力和環(huán)境密度對噴霧特性有顯著影響,高噴射壓力對生物柴油噴霧錐角的影響最小。Li等[12]研究了生物柴油-戊醇共混物的噴霧特性,并與柴油進行了比較。結果表明,與柴油相比,生物柴油具有更強的噴霧尖端穿透力、更快的峰值尖端速度和更小的噴霧錐角。Fu等[13]研究了生物柴油與二正丁基醚(DBE)共混后的噴霧特性,結果發(fā)現,添加了DBE的生物柴油的噴霧尖端穿透率降低,噴霧錐角增大,噴霧寬度增大。雖然JME燃料的霧化特性研究國內鮮見,但在國際上已有不少。Boggavarapu等[14]在 50,100,150 MPa的噴射壓力下,將燃料通過200 μm直徑和70 μm入口半徑的單孔噴嘴噴射到噴霧室(帶光學通道)中進行試驗,結果表明：內噴嘴空化引起的噴霧霧化的改善能夠補償JME的劣質霧化,盡管在放電系數方面有相關的損失。G. Lakshmi Narayana Rao等[15]研究了以JME、柴油及其混合物為燃料的直噴式柴油機的燃燒、性能和排放特性。結果表明,與柴油相比, JME及其混合物的點火延遲、最大熱釋放速率和燃燒持續(xù)時間較低。盡管燃用JME及其混合物的制動熱效率較低,但與柴油相比,其尾氣排放量較低,氮氧化物除外。

基于以上分析,發(fā)現不同的試驗工況對生物柴油的噴霧特性都有顯著的影響。本研究中的JME燃料目前尚未在高壓定容彈中進行過噴霧特性研究,為了更好地理解JME燃料的噴霧特性,形成可靠的研究體系,因此在高壓噴射條件為100 MPa,噴射時間為4 ms前提下,通過改變環(huán)境溫度、氧氣濃度和環(huán)境壓力,對JME進行噴霧試驗。研究結果對于JME在實際燃燒裝置中的應用以及優(yōu)化柴油機的設計具有重要意義。

1 試驗裝置與數據處理

1.1 試驗裝置

如圖1所示,試驗裝置由定容燃燒室、高壓噴射系統和紋影光路系統組成。噴射過程在特殊設計的定容燃燒室中進行,外部氮氣缸提供高壓氮氣,可承受高達15 MPa的壓力,底部裝有排泄閥。采用電控高壓共軌燃油噴射系統控制噴射參數[16],可提供50～160 MPa的穩(wěn)定噴射壓力。電控噴油器安裝在定容燃燒室頂部中央,采用孔徑0.3 mm的單孔直噴噴嘴。腔室兩側安裝直徑80 mm的石英玻璃窗,用于紋影光的通過。

圖1 試驗裝置

利用高壓共軌裝置進行JME燃料的噴射試驗,在不同的試驗工況下,對氣相噴霧貫穿距和噴霧錐角進行測試和分析,試驗中使用的JME為實驗室通過榨油機制取的產品,其基本理化特性參數見表1。表中密度是用高精度電子天平和體積測量具所測量的數據計算得到,黏度是通過運動黏度測量儀所測得。如表2所示,在非燃燒條件(氧質量分數為0%)下,定容燃燒彈內使用的是氮氣,取100 MPa的噴射壓力,773 K,823 K的環(huán)境溫度,環(huán)境壓力變化對應的環(huán)境密度分別取13 kg/m3,17 kg/m3和 21 kg/m3。在燃燒條件下,即氧質量分數為15%,18%和21%,使用的是空氣以及空氣和氮氣混合氣體,與非燃燒條件下采用相同的溫度和噴射壓力。為減小隨機誤差,在所有試驗條件下進行了5次重復試驗,并計算了5次試驗結果的標準差,以驗證試驗數據的可靠性和重復性。

表1 JME特性

表2 初始試驗條件

1.2 數據采集與處理

試驗采用 SP-5000M-PMCL黑白CCD相機結合Pentax7528微焦鏡頭采集噴霧圖像,拍攝速率為60 000 張/s,分辨率為320×256。

圖2顯示了液相和氣體噴霧場的邊界獲取原理。紋影法的工作原理[17]是基于不同流場密度區(qū)域處光的折射率的差異。在進行燃油噴霧試驗時,噴霧體與氣體流場背景之間密度不同,由于氣相噴霧的噴霧密度低于液相噴霧場,因此紋影法可有效地測量整個噴霧體的邊界,還可測量液相與氣體噴霧場的邊界。

圖2 紋影法原理圖

試驗的數據處理主要是對噴霧圖像進行處理,主要分為三個步驟：步驟一為預處理,即對試驗中拍攝的圖片進行預處理,提升對比度,降低噪點;步驟二為二值化處理[18],對之前預處理的圖像再進行二值化處理,采用合適的二值化方法(局部閾值方法)提取前景噴霧目標物;步驟三為形態(tài)學處理,采用形態(tài)學方法,對二值化處理過的區(qū)域進行再次處理,獲得所需的區(qū)域,最后對該區(qū)域進行計算,得到噴霧場的噴霧錐角和噴霧貫穿距等宏觀特性。數據處理的具體實現步驟如圖3所示。

圖3 試驗數據處理步驟

2 試驗結果與分析

2.1 氣相噴霧發(fā)展過程

對JME噴霧形態(tài)進行研究,圖4示出在環(huán)境密度為13 kg/m3,溫度為823 K,噴射壓力為100 MPa工況下,JME在噴射過程中形態(tài)發(fā)展進程。

圖4 噴霧發(fā)展圖

從圖4中可知,隨著時間的進展,噴霧持續(xù)沿軸方向移動,直至穩(wěn)定到一定長度。此時,氣相噴霧已趨向飽和,并維持在此狀態(tài)不再改變。其原因為在噴射壓力一定的條件下,氣相噴霧沿著軸向方向發(fā)展,隨著氣相貫穿速度逐漸降低,氣相噴霧也達到了末端,噴霧沿軸向發(fā)展也逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 氣相噴霧特性影響因素

2.2.1 氧質量分數對噴霧貫穿距的影響

圖5顯示了在不同氧質量分數下,JME燃料的氣相噴霧貫穿距隨噴射時間的變化規(guī)律,分析了環(huán)境溫度分別為773 K和823 K、環(huán)境密度為21 kg/m3和不同氧質量分數的工況。隨著噴射時間的增加,不同氧質量分數下JME燃料的氣相噴霧貫穿距先增大后趨于穩(wěn)定。從圖中可以看出,在氣相噴霧的發(fā)展階段,不同氧氣濃度下氣相噴霧貫穿距的發(fā)展基本相同。如圖5a所示,達到穩(wěn)定水平后,在環(huán)境溫度為773 K的工況下,氧氣質量分數為15%的氣相噴霧貫穿距小于其他兩個氧質量分數下的值,而18%和21%氧質量分數下的JME燃料氣相噴霧貫穿距發(fā)展趨勢基本一致,說明氧質量分數大于18%后其對于JME燃料的影響很小,氧質量分數繼續(xù)增加,最終穩(wěn)定的氣相噴霧貫穿距不會有太大的改變。

圖5 不同氧質量分數下氣相噴霧貫穿距隨噴射時間的變化規(guī)律

如圖5b所示,環(huán)境溫度為823 K與環(huán)境溫度為773 K工況下氣相噴霧貫穿距發(fā)展趨勢基本相同,燃料噴射后1～2 ms,氣相噴霧貫穿距呈快速增加的趨勢,然后進入穩(wěn)定狀態(tài)。不同氧氣濃度下的氣相噴霧貫穿距發(fā)展趨勢基本相同,說明在環(huán)境溫度為823 K時,氧質量分數對JME燃料噴霧貫穿距的影響幾乎可以忽略不計。 故可知在高的環(huán)境溫度條件下,氧質量分數對氣相噴霧貫穿距的影響可忽略不計,環(huán)境溫度對氣相噴霧貫穿距的影響大于氧質量分數的影響。

2.2.2 環(huán)境密度對噴霧貫穿距的影響

圖6示出在不同環(huán)境密度下,JME燃料的氣相噴霧貫穿距隨噴射時間的變化規(guī)律。在不同環(huán)境密度下,隨著噴射時間的增加,氣相噴霧貫穿距先增加后趨于平緩。如圖6a所示,在環(huán)境溫度為773 K工況下,噴射時間1～2 ms的發(fā)展階段中,環(huán)境密度為21 kg/m3時氣相噴霧貫穿距最小,其主要原因為,環(huán)境中的氣體對噴霧的發(fā)展起到了阻礙的作用,環(huán)境密度越大,其阻礙作用越大,噴霧的軸向貫穿距離和噴霧體積就越小,環(huán)境密度對氣相噴霧貫穿距影響相對較大。如圖6b所示,隨著環(huán)境溫度增加到823 K,相對于773 K,氣相噴霧貫穿距波動更大。其主要原因是隨著環(huán)境溫度的升高,噴霧動量也隨之增大,進而導致了燃油噴射速度加快。雖然在發(fā)展階段氣相噴霧貫穿距曲線出現了部分交叉,但總體來說,氣相噴霧貫穿距還是在環(huán)境密度為21 kg/m3時達到最小。

圖6 不同環(huán)境密度下氣相噴霧貫穿距隨噴射時間的變化

在平穩(wěn)階段,環(huán)境溫度為773 K時,環(huán)境密度為13 kg/m3和17 kg/m3條件下,氣相噴霧貫穿距相似,而環(huán)境密度為21 kg/m3時氣相噴霧貫穿距最大,不同環(huán)境密度下的氣相噴霧貫穿距的差距較小。在環(huán)境溫度為823 K時,不同環(huán)境密度下氣相噴霧貫穿距的差距更小,近似趨于一致。隨著環(huán)境溫度的提升,燃油的噴霧蒸發(fā)速率加快,加快了氣體的混合,促進了混合氣的形成,導致了氣相噴霧貫穿距的增大。然而,隨著環(huán)境溫度的提高,環(huán)境密度為21 kg/m3時氣相噴霧貫穿距最大,表明了環(huán)境溫度在噴射過程中對氣相噴霧貫穿距的影響小于環(huán)境密度。

2.2.3 氧質量分數對噴霧錐角的影響

圖7示出環(huán)境溫度為773 K和823 K,不同氧質量分數下噴霧錐角隨時間變化的規(guī)律。由圖可見,在不同氧質量分數下,隨著噴射時間的推移,噴霧錐角經歷了幾次波動后,逐漸趨于穩(wěn)定。如圖7a所示,在環(huán)境溫度為773 K的工況下,剛開始前幾百微秒,不同氧質量分數下JME燃料的噴霧錐角各不相同,氧質量分數為21%時,初始噴霧錐角最小,而氧質量分數為15%時,初始噴霧錐角最大,氧質量分數越大,初始噴霧錐角越小。從圖中還能看出,在相同的環(huán)境溫度,不同氧質量分數下JME燃料的穩(wěn)定噴霧錐角相差不大,氧質量分數為21%時,穩(wěn)定噴霧錐角最小,而氧質量分數為18%時,穩(wěn)定噴霧錐角最大?？梢钥闯?氧質量分數介于18%與21%之間時出現噴霧錐角最大值。另外,環(huán)境溫度為773 K時,燃料開始噴射后,噴霧錐角在2～4 ms之間達到了穩(wěn)定狀態(tài),為了搞清楚不同噴射條件對噴霧錐角的影響,計算得出穩(wěn)定的氣相噴霧錐角出現在3～4 ms之間。如圖7b所示,改變環(huán)境溫度,其他噴射條件不變,在不同氧質量分數下,隨著噴霧時間的增加,環(huán)境溫度為823 K時氣相噴霧錐角與環(huán)境溫度為773 K時發(fā)展趨勢基本一致,先下降后增加,然后逐漸趨于平緩。與環(huán)境溫度為773 K工況相比,剛開始前幾百微秒,氣相噴霧錐角是最大的,最后趨于穩(wěn)定值。

圖7 不同氧質量分數下噴霧錐角隨噴射時間的變化規(guī)律

通過對比圖7a和圖7b可知,在平穩(wěn)階段,環(huán)境溫度越高,對噴霧錐角抑制越大。其原因是在定容燃燒彈內,隨著溫度提升,分子運動更加激烈,油氣噴霧邊緣的混合也更加激烈,環(huán)境阻力增大,進而影響了噴霧錐角。

2.2.4 環(huán)境密度對噴霧錐角的影響

圖8示出在氧質量分數為15%,環(huán)境溫度為773 K和823 K的條件下,不同環(huán)境密度工況下噴霧錐角隨時間的變化規(guī)律。如圖8a所示,在環(huán)境溫度為773 K工況下,氧質量分數為15%時達到燃燒條件,隨著噴射時間的增加,噴霧錐角經歷了幾次波動后,逐漸趨于穩(wěn)定。此時,環(huán)境密度為21 kg/m3時噴霧錐角最大,環(huán)境密度為13 kg/m3時氣相噴霧錐角最小。其主要原因是,環(huán)境密度越大,定容燃燒彈中環(huán)境空氣阻力越大,當燃料噴射時,在軸向上的環(huán)境阻力越大,使得噴霧被反向壓縮,噴霧錐角越大。此外,隨著環(huán)境密度的增加,氣體的混合與擴散得到了加強,進而氣相噴霧錐角變大。

圖8 不同環(huán)境密度下噴霧錐角隨噴射時間的變化規(guī)律

如圖8b所示,環(huán)境溫度增加到823 K,其他條件保持不變,氧質量分數為15%時達到燃燒條件,氧質量分數為0%時未達到燃燒條件。隨著噴射時間的增加,噴霧錐角出現了一些波動,然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。然而燃燒與未燃燒條件下的氣相噴霧錐角曲線波動有些不同之處,未燃燒條件下的波動較小,燃燒條件下的波動較大,并且燃燒條件下的最終噴霧錐角比未燃燒條件下要大得多。在氧質量分數為0%的非燃燒條件下,不同環(huán)境密度下JME燃料噴霧錐角發(fā)展趨勢基本一致。環(huán)境密度為21%時噴霧錐角最大,環(huán)境密度為13%時噴霧錐角最小,因此環(huán)境密度越大噴霧錐角越大。

由圖8可知,在不同環(huán)境密度下,與氧質量分數為0%時的噴射環(huán)境相比,燃燒條件下進入穩(wěn)定狀態(tài)時,JME的噴霧錐角更大,是因為JME噴霧中的細小液滴吸收燃燒釋放的熱量,并且吸收的熱量越多,越有利于燃油的蒸發(fā)氣化,從而噴霧錐角增大。

3 結論

a) 在噴射壓力為100 MPa下,JME噴霧的氣相噴霧貫穿距隨噴射時間的變化可分為發(fā)展和穩(wěn)定階段;在穩(wěn)定階段,氣相噴霧形貌沿著軸向方向發(fā)展,隨著氣相貫穿速度逐漸降低,JME的氣相噴霧形貌趨于飽和并不再變化;

b) 在不同環(huán)境溫度、氧質量分數和環(huán)境密度的條件下,隨噴射時間增加,JME燃料的噴霧貫穿距呈現先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢,且環(huán)境密度對其影響最大;

c) 在平穩(wěn)階段,環(huán)境溫度越高,對噴霧錐角抑制越大;在不同環(huán)境密度下,與氧質量分數為0%非燃燒條件時的噴射環(huán)境相比,燃燒條件下進入穩(wěn)定狀態(tài)時,JME的噴霧錐角更大。