生物柴油的燃料性质及其对雾化质量的影响

1、二 一 五 届 毕 业 论 文生物柴油的燃料性质及其对雾化质量的影响学 院：汽车学院专 业：热能与动力工程姓 名：李长伟学 号：201122050239指导教师：耿莉敏完成时间：2015年6月12日二一五年六月生物柴油的燃料性质及其对雾化质量的影响装定线摘 要环境污染和能源短缺这两个问题随着汽车工业的快速发展愈显突出，寻找环保、可再生的汽车新能源对于维持国家经济的可持续发展就显得尤为重要。目前许多国家都在大力开发新能源以替代石化能源,而生物燃料的应用和推广正好能够解决现阶段能源替代的问题。生物柴油作为一种生物燃料，具有突出的可再生性和环保性，因此受到世界各国普遍关注。近十多年来，生物柴油产业快

2、速发展并己成为一个全球性的新兴产业。本文对生物柴油与柴油的理化特性和喷雾特性进行对比分析，分析可知，生物柴油的闪点、馏程温度、运动粘度、密度和表面张力都大于柴油，从而影响其蒸发与雾化特性，导致其雾化质量比柴油差。燃料的雾化质量对发动机的排放特性有重要影响，因此必须寻找改善生物柴油雾化质量的有效方法。本文通过增大喷射压力、减小喷孔直径和溶入LPG来改善生物柴油的雾化质量。最后得出结论：上述三种方法均可有效的改善生物柴油的雾化质量。关键词：能源，生物柴油，理化特性，雾化质量AbstractWith the rapid development of automobile industry, envi

3、ronmental pollution and energy shortage had become increasingly prominent. Therefore, exploring the renewable energy of automobile is of crucial necessity for the sustainable development of national economy. At present, many countries are vigorously finding renewable energy to replace fossil energy

4、and what is pleasantly surprised, the application and extension of bio-fuel can just exactly address the issues of alternative energy. As a kind of bio-fuel, which has properties of renewability and environmental friendliness, biodiesel had found its universal popularity all over the world. In recen

5、t ten years, biodiesel industry developed rapidly and has become a global new industry.This paper analyzes the physicochemical and atomization properties of diesel and biodiesel. The results indicate that some characters of biodiesel are distinctly higher than diesels, such as flash point, distillat

6、ion temperature, viscosity, density and surface tension, and they can affect evaporation and atomization properties of biodiesel, which made the atomization quality of biodiesel poorer than diesel. Atomization quality of fuel has important influence on the emission characteristics of engine, so we h

7、ave to discover the effective ways to improve the atomization quality of biodiesel. This paper used the way of increasing injection pressure, decreasing nozzle diameter and dissolving LPG into biodiesel to improve the atomization quality of biodiesel, and finally we arrived at the conclusion that al

8、l of the three means which mentioned above can effectively improve the atomization quality of biodiesel.Key words: energy, biodiesel, physicochemical properties, atomization quality目 录第一章 绪论11.1生物柴油简介11.1.1生物柴油的原料以及生产方式11.1.2生物柴油的优缺点11.2生物柴油在国内外的发展状况11.3改善生物柴油雾化质量的意义2第二章 生物柴油与柴油理化特性的对比研究32.1生物柴油和柴油的

9、密度32.2生物柴油和柴油的闪点42.3生物柴油和柴油的馏程42.4生物柴油和柴油的运动粘度62.5生物柴油和柴油的表面张力62.6本章小结7第三章 生物柴油与柴油雾化特性的对比研究93.1燃料雾化质量的评价指标93.1.1贯穿距离93.1.2喷雾锥角93.1.3雾化特性参数93.2高速摄像法试验结果分析103.2.1高速摄像系统简介103.2.2生物柴油和柴油的贯穿距离和喷雾锥角113.3马尔文法试验结果分析153.3.1马尔文系统简介153.3.2生物柴油和柴油的物化特性参数163.4本章小结20第四章 改善生物柴油雾化质量方法的研究224.1喷射压力对生物柴油雾化质量的影响224.1.1

10、喷雾锥角224.1.2贯穿距离224.1.3雾化油滴的特性参数234.2喷孔直径对生物柴油雾化质量的影响264.2.1喷雾锥角264.2.2贯穿距离264.2.3雾化油滴的特性参数274.3溶LPG对生物柴油雾化质量的影响304.3.1喷雾锥角304.3.2贯穿距离314.3.3雾化油滴的特性参数314.4本章小结33结 论35参考文献36致 谢37IV第一章 绪论1.1生物柴油简介1.1.1生物柴油的原料以及生产方式生物柴油是以大豆和油菜油料作物、黄连木和油棕油料林木果实、工程微藻水生油料植物以及动物油脂、废弃餐饮油等为原料制成的脂肪酸甲脂或乙脂。生物柴油主要的四种生产方式：直接混合法（稀释

11、法）高温热裂解法 微乳化法 酯交换法。其中高温热裂解法和醋交换法属于化学法，直接混合法和微乳化法属于物理法4。1.1.2生物柴油的优缺点生物柴油是石油柴油的优质替代燃料，是典型的“绿色能源”。它的物理性质与柴油接近，与柴油相比硫含量很低，不含芳香烃，十六烷值较高，可以被生物降解，对环境无毒害；同时，生物柴油较高的氧含量有利于柴油机的正常燃烧，从而利于降低尾气中的有害物质，被称为低污染燃料。生物柴油有以下优点：良好的可再生性 良好的润滑性 优良的环保特性 优良的燃烧特性 较高的安全性。然而，因为生物柴油自身的理化特性使其作为柴油发动机的燃料还存在诸多需要克服的困难，比如，粘度太大导致雾化性能差、

12、蒸发性差导致发动机冷启动困难、含不稳定非饱和成分和残留碳分较多，易形成积炭等37。1.2生物柴油在国内外的发展状况西方国家生物柴油产业发展迅速。近年来，西方国家加大生物柴油商业化投资力度，使生物柴油的投资规模增大，开工项目增多。美国、加拿大、巴西、日本、澳大利亚、印度等国都在积极发展这项产业。目前，生物柴油运用最多的是欧洲。随着生产生物柴油所需的工业油籽需求量的不断增长，出于工业目的种植油籽的预留地面积也迅速增长。欧洲国家对替代燃料的立法支持、差别税收以及对油籽生产的补贴共同促进了生物柴油的价格对其他柴油燃料价格的竞争性12。我国政府为解决能源节约、替代和绿色环保等问题制定了一系列政策和措施，

13、一些学者和专家已致力于生物柴油的研究、倡导工作。我们在技术上具有一定的支撑能力，并开始进行小规模生产。但是，与国外相比，我国在发展生物柴油方面还有相当大的差距。随着石油等传统能源口益紧缺，生物柴油的开发利用己引起我国政府和众多企业的关注。国家发展和改革委员会在2009年11月举行的北京国际可再生能源大会上提出，中国政府将积极大力发展以能源作物为原料的生物质液体燃料，到2020年将达到年替代石油1000万吨的能力。目前，中国生物柴油生产的主导技术路线是利用野生树木种子和废弃油脂作为原料来生产生物柴油912。1.3改善生物柴油雾化质量的意义生物柴油是一种典型的绿色环保新能源，是石油柴油的替代燃料，

14、具有石油柴油不可企及的优点，因此发展生物柴油意义重大。但是由于生物柴油的密度和粘度较大，雾化质量差，雾化粒径较大，容易造成燃烧不充分使发动机动力性、经济性和排放性下降。喷雾是燃烧和排放的基础，雾化质量提高了燃烧和排放性能就可以大大改善，因此对生物柴油的雾化质量进行改善就显得尤为重要。换句话说就是改善生物柴油的雾化质量是大力发展生物柴油的前提和基础，对我国的能源安全、农业结构调整和环境保护都具有重要的战略意义。第二章 生物柴油与柴油理化特性的对比研究燃烧过程只有在活塞位于压缩行程上止点附近迅速完成的时候才能保证柴油机具有良好的动力性和经济性，这就要求燃料有较高的雾化质量和较快的雾化速度，燃料的雾

15、化和蒸发性能决定了雾化质量和雾化速度。如果燃料的雾化和蒸发性能差，可能会产生发动机难以启动、缸内形成炭粒、产生后燃现象以及燃油渗入油底壳，稀释发动机油等问题。但是，如果燃料的雾化和蒸发性能过强，不仅贮存和运输过程中蒸发损失大，安全性也差，所以就要求燃料具有适当的雾化和蒸发性。燃料雾化和蒸发性能的评价指标包括闪点、馏程温度、密度、运动粘度和表面张力，下面采用国际方法分别测定了柴油与生物柴油的这几项指标，并对其雾化和蒸发性能进行分析评价。2.1生物柴油和柴油的密度密度是指单位体积内所含的物质质量，单位有kg/m3、kg/L和g/cm3。物质的密度与它所处的压力和温度有关，通常用一个标准大气压下20

16、时的密度作为标准密度，用20表示。密度是燃油最常用、最重要、也最容易测得的物理指标，它与燃油的其他技术指标几乎都有关，当知道燃油的密度后，根据一定经验公式可以估算出其他指标的数值。柴油的密度影响柴油机在一个工作循环内的供油量，还会影响喷油器喷出油束的射程和柴油的雾化及蒸发性能。依据GB/T1884-2000原油和液体石油产品密度实验室测定法(密度计法)的规定测定密度。利用SY-II型石油密度计测定了柴油与生物柴油20的密度，试验结果见表2.1。由结果可以看出，20时生物柴油的密度大于柴油。表 2.1 生物柴油和柴油20的密度4燃料柴油生物柴油密度（20）（kg/m3）836874燃料的密度不仅

17、关系到储运过程的计量问题和油品交接，还影响着燃料的雾化与蒸发性能。燃料的密度增加，会使喷油器喷出油束的射程增加，有实验表明，使用密度为878kg/m3的柴油，其油束射程比使用密度为848kg/m3的增加20%；另外，随着燃料密度的增加，其粘度也增加，从而进一步影响燃料的雾化和蒸发性能；柴油的密度增加，还会使柴油机在一个工作循环内的供油量增加，这似乎会提高柴油机的功率，但因为雾化和蒸发性差，不能形成良好的混合气，从而使燃烧条件变差，排气冒黑烟，发动机的经济性下降。2.2生物柴油和柴油的闪点闪点是指油品在规定的条件下加热，其蒸气与周围的空气形成混合气，混合气接触火焰发生闪火时的最低温度。闪点分为闭

18、口闪点和开口闪点，发动机油采用开口闪点，而燃料油采用闭口闪点。闪点是运输和储存安全性的评价指标，也是柴油雾化和蒸发性能的评价指标。燃料闭口闪点的测定按照GB/T261一1983石油产品闪点测定法(闭口杯法)的规定进行。根据GB/T261-1983测定柴油与生物柴油的闪点见表2.2。表2.2 生物柴油与柴油的闪点4燃料柴油生物柴油闪点（）64160由试验结果可知，生物柴油的闪点远远高于柴油，这是由生物柴油的密度较大所含重质馏分较多引起的。虽然生物柴油的闪点高决定了它在贮存、运输和使用中比柴油安全，但闪点过高也间接表明生物柴油的雾化和蒸发性能比柴油差，对燃烧不利。2.3生物柴油和柴油的馏程柴油的馏

19、程一般采用50%、90%和95%的回收温度来表示。柴油50%的回收温度与发动机起动时所需最短时间的关系见表2.3，从表中可以看出柴油50%的回收温度越低，柴油机起动所需的时间越短。柴油50%的回收温度越低，说明其中的轻质馏分越多，那么蒸发速度越快，发动机也就越容易起动，柴油90%和95%的回收温度表示柴油中重质馏分的多少，回收温度越高，中重质馏分越多，蒸发速度越慢，燃烧越不完全，越容易产生积碳。因此，馏程温度影响着发动机的起动性、动力性、经济性和排放特性。表2.3 柴油50%的回收温度与启动时间的关系4柴油50%的回收温度（）200225250275285柴油机的启动时间810276090馏程

20、的测定根据GB/T 6536-1997石油产品蒸馏测定法的规定进行。根据GB/T 6536-1997柴油与生物柴油的馏程试验结果见表2.4。蒸馏曲线是燃料的馏出率随温度变化的曲线，根据表2.4的试验数据可以画出柴油与生物柴油的蒸馏曲线，如图2-1所示。蒸馏曲线的形态代表着燃油中轻、中、重馏分的分布比例，由图2-1可知，柴油与生物柴油的蒸馏曲线差别很大。柴油的初馏点是198，终馏点是350,馏分宽度达到152,蒸馏曲线几乎是一条斜率一定的直线；而生物柴油的初馏点为310，终馏点为360,馏分宽度仅为50，比柴油窄很多，其馏程曲线非常陡峭，当生物柴油的回收温度达到330后其馏出率从10%迅速增加到

21、70%。国家车用柴油标准规定，50%的回收温度300, 90%的回收温度355, 95%的回收温度365，而由试验结果可知，生物柴油50%的回收温度为337，不符合国家车用柴油标准的规定。表2.4 生物柴油与柴油的馏程4燃料柴油生物柴油初馏点温度（）19831010%回收温度（）21832820%回收温度（）22933030%回收温度（）24433340%回收温度（）25833450%回收温度（）27233760%回收温度（）28533770%回收温度（）30233780%回收温度（）31834290%回收温度（）33835495%回收温度（）350360图2-1 生物柴油与柴油的蒸馏曲线燃料

22、馏程不同，对燃料的一系列品质指标会有重大影响。若燃料的馏程提高，其分子量、密度、闪点、粘度和十六烷值等都有所增加，那么与此有关的含碳量、碳分子数和表面张力等也都会增加。生物柴油中的重质馏分多，使其雾化和蒸发性能变差，不能有效保证生物柴油在气缸内迅速气化与燃烧，从而使发动机不易起动，还会导致不完全燃烧和积炭，使发动机的油耗与排放污染物增加。2.4生物柴油和柴油的运动粘度粘度是用来衡量流体内部摩擦阻力大小的一个尺度，它是流体抵抗剪切作用的一种能力，是流体内部阻碍其相对运动的一种特性。燃料的粘度主要取决于其化学成分、馏程、温度和压力，它是表征柴油使用性能的一个重要指标，并对发动机燃油供给系统的供油量

23、、喷油雾化质量和精密偶件的润滑都有重要的影响。粘度根据测量方法的不同可以分为运动粘度和动力粘度，运动粘度是指同一温度下的动力粘度与该液体密度的比值，而动力粘度是指液体流动的内摩擦系数。车用柴油与生物柴油国家标准中规定，测定指定温度下的运动粘度。按照GB/T265一1988石油产品运动粘度测定法和动力粘度计算法的相关规定对石油产品的运动粘度进行测定。因为生物柴油标准和柴油标准中运动粘度规定的温度分别为20和40，因此本试验在20和40下分别测定了柴油与生物柴油的运动粘度，试验结果见表2.5。表2.5 生物柴油与柴油20和40的运动粘度4燃料柴油生物柴油运动粘度（20）（mm2/s）4.817.8

24、3运动粘度（40）（mm2/s）2.845.06由表2.5的试验结果可知，两种温度下生物柴油的运动粘度都大于柴油。车用柴油标准的粘度规定范围比较宽，因此生物柴油的粘度符合国标要求。生物柴油中含有较多游离态甘油，因此其粘度较高。用催化剂对植物油与甲醇进行醋化反应时，所得的产物是生物柴油与副产品甘油的混合物，由于甘油的运动粘度很大，若不能把甘油从生物柴油中彻底分离，残留的甘油就会使生物柴油的运动粘度升高。改善醋化反应条件，加强后处理控制，通过提高生物柴油的醋化率来提高其中脂肪酸甲醋的纯度，最终改善生物柴油的粘度特性。2.5生物柴油和柴油的表面张力任何液体的自由表面总是处于一种拉伸状态，单位长度上的

25、拉伸力称为表面张力，用表示，单位为N/m。所有液体系统都趋于处在一种势能最小的稳定平衡状态。因此，一定量的液体在表面张力作用下总是取自由表面能最小的状态，即取自由表面积最小的形状。这是燃油喷雾液滴总呈表面积最小的珠状的根本原因。燃油的表面张力影响着内燃机气缸内的雾化和燃烧，它是评价燃油品质的一个重要物理指标。燃油从喷嘴喷出后的撕裂、破碎、雾化和气化等过程与燃油的表面张力有关，油滴在飞驰过程中所受的阻力、速度的衰减以及热空气与油滴之间的传热与混合等也都与燃油的表面张力有关。表面张力取决于燃油的组成成份，与粘度、密度、馏程、压力和温度也有关系。燃油的密度越大，其表面张力就越大，它们之间约呈一种带状

26、线性关系，如图2-2所示，并可用经验公式(2-1)来表示:图2-2 燃油表面张力与其密度之间的统计关系=（49.6-14.92）10-3 （2-1）式（2-1）中：一一密度，kg/L；一一表面张力，N/m。在己知柴油与生物柴油20的密度20时，利用经验公式(2-1)可算出20的表面张力20，计算结果见表2.6。由计算结果可得出:生物柴油的表面张力大于柴油的表面张力。表2.6 生物柴油与柴油20的表面张力4燃料柴油生物柴油表面张力（10-3 N/m）26.5528.432.6本章小结通过比较柴油与生物柴油的理化特性发现两者性质差别很大，生物柴油的蒸发性比柴油差，其闪点与馏程温度均高于柴油；在20

27、温度下，生物柴油的运动粘度比柴油大62.8%，密度比柴油大4.6%，表面张力比柴油大7.1%。燃料的物理性质不同，对燃油的喷雾特性有重要的影响。试验结果表明生物柴油的蒸发与雾化性能比柴油差，而在既定的燃烧室以及喷油设备条件下，燃料的雾化和蒸发性能决定了混合气形成的质量和速度，进而影响着发动机的动力性、经济性和排放特性，因此有必要对改善生物柴油雾化质量的方法进行研究。第三章 生物柴油与柴油雾化特性的对比研究生物柴油主要应用于现有的柴油发动机，然而生物柴油与柴油的性质不同导致生物柴油不能直接应用于现有的柴油发动机，需要解决诸多问题，生物柴油的雾化质量就是需要解决的问题之一。本章通过测定或者计算生物

28、柴油和柴油各个雾化质量的评价指标，然后对二者进行对比分析，最后确定生物柴油和柴油雾化质量的优劣。3.1燃料雾化质量的评价指标3.1.1贯穿距离喷雾油束的贯穿距离是指某一时刻从喷嘴出口到喷雾油束最前端的液相长度，且随着喷射时间的增加而增加。本文把油束将要离开喷嘴瞬间最完整油束的贯穿距离定为喷雾油束的贯穿距离，用L表示。贯穿距离L的大小对燃料在燃烧室内的分布有很大影响，若贯穿距离L大而燃烧室尺寸小，则会有较多的燃油喷射到燃烧室壁面上；反之若贯穿距离L过小，燃料则不能均匀的分布到燃烧室空间与室内的空气充分混合。因此贯穿距离L并非越大越好，必须根据混合气的形成方式与燃烧室相配合1。3.1.2喷雾锥角喷

29、雾锥角是指喷雾油束边界与喷嘴出口点连线间的夹角，喷雾锥角的测量方法有润湿法、在最大宽度处测量和在L/2处测量这几种，喷雾锥角的测量方法不同，锥角大小会有所差别。本文定义喷雾油束L/2处的锥角为该时刻油束的喷雾锥角()，相对应的几何关系，如图3-1所示。图3-1 喷雾锥角测量示意图以及儿何计算关系燃油喷雾一般希望具有较大的喷雾锥角，喷雾锥角大，油束松散，燃油与空气的接触面积大，气体的扰动作用影响增加，有利于燃油与空气更充分的混合，从而形成比较均匀的可燃混合气，即燃料的雾化质量较高。3.1.3雾化特性参数雾化质量的好坏通过雾化特性参数来评价，主要包括雾化油滴的尺寸体积分布、累积体积分布、Saute

30、r平均直径、特征直径、相对尺寸范围和发散边界。用雾化油滴的尺寸体积分布和累积体积分布来了解雾化油滴的尺寸分布情况，用平均直径来评价雾化油滴粒径的大小，用发散程度来研究雾化的均匀度。喷雾细度用油滴的尺寸体积分布、Sauter平均直径和特征直径来表示，油滴的尺寸体积分布曲线越偏向小颗粒方向，Sauter平均直径和特征直径越小，喷雾越细；喷雾的均匀度用发散程度来表示，发散程度是指喷雾场中液滴最小直径到最大直径的范围，而表达液滴尺寸发散程度最常用的指标是相对尺寸范围和发散边界，相对尺寸范围和发散边界越小，雾化均匀度越好。3.2高速摄像法试验结果分析3.2.1高速摄像系统简介高速摄像系统由高速摄像机，手

31、压喷油泵，计算机，持续光源，三角架，黑色PVC背景板，标尺等组成。高速摄像机能以每秒钟几千、几万甚至几十万张的拍摄速度记录图像，能够捕捉到瞬间的细节，并以人眼能够分辨的每秒钟24幅的速度进行回放。用高速摄像机拍摄喷油器喷油时的喷雾照片，然后通过高速摄像机软件对所拍下的连续照片进行抓图，抓出所需要的照片，再在Photoshop软件里根据标尺读出喷雾贯穿距离，测量并计算出喷雾锥角。高速摄像系统的示意图和实物连接图如图3-2和图3-3所示。图3-2 高速摄像系统示意图图3-3 高速摄像系统实物图3.2.2生物柴油和柴油的贯穿距离和喷雾锥角本试验规定油束刚要喷出喷嘴的时刻为0时刻，然后依次选取连续的喷

32、雾照片，直到油束离开喷嘴为止。每两张图片之间的时间间隔为0.83ms 。图3-4是生物柴油与柴油喷雾油束的发展过程，通过比较可以发现:生物柴油与柴油的喷雾油束发展趋势基本相同:在喷雾早期，燃油以很高的速度喷到大气中，燃油刚从喷嘴喷出，还未来得及撕裂，油束的发展速度很快。随着喷射油束的进一步向前发展，环境气体的阻滞作用使得油束前端面的发展速度下降；同时，由于气、液体的相对速度会造成液束的碎裂，加上环境气体的扰动作用，使得油束的径向发展明显增加，利于燃油与空气更充分的混合。由图3-5还可以看出，油束形态并不是在发动机气缸内呈现的蘑菇形态，本试验油束的前端比较尖，这是因为油束是直接喷射到空气中的，背

33、压比气缸内小的多。另外，喷油开始4.98ms后己经没有后续燃油从喷嘴喷出了，说明喷油器针阀此时己经落座，燃油喷射己基本结束。 柴油 生物柴油图3-4 生物柴油与柴油喷雾油束形态发展对比由图3-4明显看出生物柴油各个时刻的喷雾油束贯穿距离都大于柴油，且喷射较早结束(针阀落座比柴油早)，这主要是因为:首先，生物柴油的运动粘度及表面张力比柴油大，生物柴油的挥发性也比柴油差，这些都会使其贯穿距离大于柴油；另外，虽然两种燃料的启喷压力相等，但由于柴油的可压缩性大于生物柴油，喷嘴压力室内的压力下降比较缓慢，导致启喷之后的初始喷射能量小于生物柴油，从而使喷射油束贯穿距离小于生物柴油；柴油喷嘴压力室内的压力下

34、降比生物柴油缓慢还使得柴油的喷射持续时间比生物柴油长，针阀落座比生物柴油晚，从而使生物柴油的喷射较早结束，油束较早的离开喷嘴，从图3-4里的4.15ms和4.98ms可以看出。上文中已规定燃油刚要从喷嘴喷出的瞬间为0时刻，表3.1和图3-5是生物柴油与柴油的喷雾油束在离开喷嘴之前各个时刻的贯穿距离。表3.1 生物柴油与柴油在各个喷射时刻喷雾油束的贯穿距离喷射时间（ms）00.831.662.493.324.15柴油贯穿距离(cm)049141720生物柴油贯穿距离（cm）0813172022图3-5 生物柴油与柴油喷雾贯穿距离随时间的变化对比生物柴油与柴油在各个不同时刻喷雾锥角测量结果如表3.

35、2、图3-6所示。表3.2 生物柴油与柴油各个时刻的喷雾锥角喷射时间（ms）00.831.662.493.324.15柴油喷雾锥角d(像素)014.0023.1424.0032.3340.33L(像素)062.20135.67200.67252.67294.33喷雾锥角（）025.3619.3613.6414.5815.60生物柴油喷雾锥角d(像素)017.0018.1726.1732.6035.71L(像素)0124.67195.17258.33194.40312.14喷雾锥角（）015.5310.6411.5712.6413.05图3-6 生物柴油与柴油喷雾锥角随时问的变化对比3.3马尔文

36、法试验结果分析3.3.1马尔文系统简介马尔文系统主要由马尔文Spraytec喷雾型激光粒度仪，手压喷油泵和计算机组成，用来测量喷雾液滴的尺寸大小及分布，实际测量的评价指标包括喷雾液滴尺寸分布、Sauter平均直径、特征直径、相对尺寸范围和发散边界。喷雾液滴尺寸分布、Sauter平均直径、特征直径可以通过马尔文仪器测得的数据直接读出，相对尺寸范围和发散边界则用马尔文输出的数据通过一定公式计算得出。马尔文系统试验台的示意图和实物连接图分别如图3-7和图3-8所示。图3-7 马尔文系统示意图图3-8 马尔文系统实物图如图3-8所示，除了马尔文Spraytec喷雾型激光粒度仪，手压喷油泵和计算机之外，

37、马尔文系统还包括燃料罐、N2气瓶、连接耐压管。试验用喷嘴为自制S型单孔喷嘴，孔径分别为0.26mm、0.315mm、0.366mm。马尔文Spraytec喷雾型激光粒度仪是以夫琅和费衍射理论为指导而设计的激光粒度仪，不同粒径颗粒产生的衍射光的分布随着角度不同而不同，如图3-9和图3-10所示，每个光环的条纹间距都对应某一直径下的一组粒子。用阵列探测器来探测激光通过颗粒后的衍射能量分布以及相应的衍射角度，由此反演出被测样品的粒径分布，它的特点是被测颗粒的粒径必须大于激光光波波长5。图3-9 大颗粒衍射角度 图3-10 小颗粒衍射角度3.3.2生物柴油和柴油的物化特性参数下面是利用马尔文系统得出的

38、生物柴油和柴油的雾化特性参数的对比分析。1、雾化油滴的尺寸分布利用马尔文激光粒度仪在距离喷嘴L=80cm处直接对喷雾场里的雾化油滴进行测量，雾化油滴的尺寸及其分布在马尔文软件里直接显示，但是马尔文软件里雾化油滴的尺寸体积分布曲线的横坐标是对数坐标，不能直观的反应雾化油滴的尺寸分布情况，因此需要把马尔文软件里的粒子尺寸导到excel里，然后做出粒子尺寸分布的曲线。生物柴油与柴油雾化油滴的尺寸体积分布和累积体积分布如图3-11和图3-12所示，分别反应了雾化油滴的体积百分比和累积体积随油滴直径的变化关系。图3-11 生物柴油与柴油雾化油滴的尺寸体积分布雾化油滴的尺寸体积分布是指某一尺寸油滴的体积占

39、全部油滴总体积的百分数，用PDFv(%)来表示。由图3-11可以看出，柴油与生物柴油的尺寸体积分布曲线变化趋势相同，小尺寸和大尺寸粒子所占的体积比特别小，中间尺寸的粒子所占的体积比比较大，两者的雾化油滴尺寸都在200m以下；柴油的雾化油滴尺寸体积分布曲线明显比生物柴油偏向小颗粒方向，说明柴油小尺寸油滴所占的体积比大于生物柴油，大尺寸油滴所占的体积比小于生物柴油，又因为一次喷射的油量是相等的，因此说明柴油的小尺寸油滴数目多于生物柴油，大尺寸油滴数目少于生物柴油；另外，柴油的峰值直径小于生物柴油的峰值直径，柴油的峰值出现在61m处，而生物柴油的峰值直径出现在72m处。图3-12 生物柴油与柴油雾化

40、油滴的尺寸累积体积分布雾化油滴的尺寸累积体积分布是指某一直径以下的所有油滴体积占全部油滴总体积的百分数，用Vc(%)表示。图3-12是生物柴油与柴油的雾化油滴尺寸累积体积分布曲线，由图可以看出生物柴油的曲线位于柴油曲线的下方，说明某一尺寸下生物柴油雾化油滴的尺寸累积体积明显小于柴油，或者说达到某一累积体积的油滴尺寸由柴油到生物柴油明显增加，说明生物柴油小颗粒油滴的数目较少，大颗粒油滴的数目较多。图3-11、 3-12的结果表明，生物柴油小尺寸油滴数目比柴油少，大尺寸油滴数目比柴油多，雾化油滴尺寸明显大于柴油，雾化质量比柴油差。2、雾化油滴的Sauter平均直径1Mugele和Evans提出了喷

41、雾油滴的平均直径这一概念，并给出了平均直径的通式(式3-1)13：Dpq=DminDmaxDpdNDminDmaxDqdN=DminDmaxDpdNdDdDDminDmaxDqdNdDdD （3-1）13式中，N是直径为D的油滴数目；通常取Dmin=0，p和q根据研究的需要可以为任意值，(p+q)称为平均直径的阶数。平均直径的定义是:假想一个喷雾场里的液滴尺寸完全均匀一致，用这个喷雾场来代替实际液滴尺寸不均匀的喷雾场，这个假想的均匀喷雾场里的液滴直径称为平均直径。平均直径的表示方法有很多，最常用的有长度平均直径D10、表面积平均直径D20、体积平均直径(又称为质量平均直径)D30和Sauter

42、平均直径D32，在推进与动力装置的喷雾试验中Sauter平均直径D32最常用,如式（3-2）。D32=DminDmaxD3dNDminDmaxD2dN （3-2）14生物柴油与柴油的Sauter平均直径如表3.3所示。由表3.3可以看出，生物柴油的Sauter平均直径明显大于柴油，说明生物柴油喷雾液滴中的大颗粒液滴数目多，雾化质量差。表3.3 生物柴油与柴油的Sauter平均直径D32(单位: m)燃料柴油生物柴油D3236.7649.13生物柴油的粘度和表面张力大于柴油，这使生物柴油雾化液滴的Sauter平均直径大于柴油。液体的粘度对雾化液滴的尺寸有一定的影响，运动粘度较大的生物柴油使其雷诺

43、数Re减小，减缓了湍流的发展，阻止喷雾液膜射流或圆射流的碎裂，使雾化液滴粒度较大，液滴碰撞粘合成较大液滴的概率增加，从而使雾化液滴的Sauter平均直径大于柴油3；另外，喷雾是由于气液相对速度的影响使连续喷出的液体碎裂成小颗粒液滴的过程，液体的表面张力阻止液滴表面的变形使液滴趋于稳定，液滴碎裂所需要的最小能量等于液滴表面张力与表面积的增加量之积。由于生物柴油的表面张力大于柴油，雾化所需要的最小能量大于柴油，不易雾化，从而雾化液滴的尺寸大于柴油。3、雾化油滴的特征直径1在更深入的喷雾液滴尺寸分布研究中，除了列出平均直径和给出尺寸分布外还在分布曲线中找到几个特征点，并对相应的特征直径进行分析。特征

44、直径表示小于某一直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的百分比，并将此比值用作符号下标。常用的特征直径有D0.1、D0.5、D0.9、D0.999，这些特征直径对液滴尺寸分布的探讨很有意义。D0.1表示小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的10%；D0.5是质量中值直径，表示小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的50%，该直径左右侧体积分布曲线下的面积相等；D0.9表示小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的90%；D0.999是最大直径，表示小于该直径的所有液滴体积占全部液滴总体积的99.9%。表3.4给出了生物柴油与柴油的特征直径(马尔文软件直接读取)，由表3.4可明显看出生物柴油的

45、各个特征直径明显大于柴油，D0.1、D0.5较大说明生物柴油小尺寸液滴的体积之和占总体积的百分比小于柴油，又因为生物柴油小颗粒液滴尺寸大于柴油，因此小尺寸液滴的数目少于柴油；生物柴油的最大直径D0.999较大说明大颗粒液滴尺寸大于柴油，大颗粒液滴尺寸分布范围较大。表3.4 生物柴油与柴油的特征直径(单位: m)特征直径D0.1D0.5D0.9D0.999柴油25.3248.8282.64141.86生物柴油33.4263.11107.00198.824、雾化油滴的发散度一般情况下燃烧系统喷雾的液滴平均直径越小，雾化质量越好，采用Sauter平均直径就可以对雾化质量进行分析。但是由于平均直径不能

46、反映液滴尺寸的发散程度，即使两种喷雾的D32相同，雾化效果也不一定完全相同。例如在发动机着火时，只要有一部分油滴的尺寸非常细小，利于蒸发并与空气充分混合，即使里面有一些颗粒较大的油滴也可以。这种情况下仅采用Sauter平均直径进行分析是不够的，很有必要对油滴尺寸的分布进行分析。这样就引出了另外一个雾化质量的评价指标雾化液滴尺寸的发散。液滴尺寸的发散通常通过相对尺寸范围和发散边界来评价，一般采用特征直径来表达。相对尺寸范围是表达液滴尺寸发散最常用的指标，定义为式(3-3)：s=D0.9-D0.1D0.5 (3-3)它提供了液滴直径相对于质量中值直径D0.5的范围。发散边界用来评价最大液滴直径的发

47、散程度，定义为式(3-4):b=D0.999-D0.5D0.5 (3-4)它表示最大直径相对于质量中值直径的发散程度。根据表3.4里生物柴油与柴油特征直径的值求出相对尺寸范围s和发散边界b见表3.5。从表3.5可以看出，生物柴油的相对尺寸范围略小于柴油，发散边界大于柴油，说明生物柴油在较大颗粒范围内的发散程度较大。s与b表3.5 生物柴油和柴油的相对尺寸范围s和发散边界b燃料sb柴油1.171.91生物柴油1.162.153.4本章小结(1)通过比较生物柴油与柴油的喷雾锥角和贯穿距离发现生物柴油的喷雾锥角小于柴油，喷雾贯穿距离大于柴油。喷雾贯穿距离要根据发动机的要求合适选取，不可太长或太短；喷

48、雾锥角太小会使喷雾油束与气体的接触面积小，气体扰动小，从而使油束雾化质量差，不利于燃烧。(2)与柴油相比，生物柴油的尺寸分布曲线偏向大颗粒方向，说明雾化小尺寸油滴占的体积比减小，大尺寸油滴占的体积比增加；生物柴油的Sauter平均直径大于柴油；生物柴油的各个特征直径明显大于柴油，说明生物柴油小尺寸液滴的数目少于柴油；生物柴油的相对尺寸范围略小于柴油，发散边界大于柴油，说明生物柴油雾化油滴在大颗粒范围内的均匀性较差。综上所述，生物柴油的雾化质量比柴油差。生物柴油的运动粘度、密度、表面张力大于柴油，挥发性比柴油差，这些是导致其雾化质量较差的主要原因。第四章 改善生物柴油雾化质量方法的研究为了推广生

49、物柴油应用，改善其雾化质量是需要解决的重要问题之一。从前面两章已经知道，因为生物柴油的理化特性导致其雾化质量不如柴油，所以本章将对改善生物柴油的雾化质量的有效方法进行研究，主要针对增大喷射压力、减小喷孔直径以及溶入LPG这三种方法进行研究。依旧采用高速摄像系统和马尔文系统对雾化质量的评价指标进行测量和计算，然后对比不同工况下生物柴油的雾化质量的优劣，最终确定改善生物柴油雾化质量的有效方法。4.1喷射压力对生物柴油雾化质量的影响生物柴油在相同喷孔直径不同喷射压力下的喷雾特性不同，下面分别从喷雾锥角、贯穿距离以及喷雾液滴的尺寸分布、Sauter平均直径，特征直径，发散度这几个方面分析喷射压力对生物

50、柴油雾化质量的影响。研究喷孔直径为0.366mm，喷射压力分别为16Mpa、20Mpa、24Mpa的三种工况下生物柴油雾化质量的变化趋势。4.1.1喷雾锥角生物柴油在16Mpa、20Mpa、24Mpa的喷射压力下喷雾锥角的大小见表4.1，由表4.1可以看出，喷雾锥角随着喷射压力的增加而增加。喷射压力增加使喷射速度增加，燃油在喷孔内流动的雷诺数Re增加，加速湍流的发展，内部扰动增加，促进圆射流的碎裂，另外作用在射流表面的压力脉动(气动力)增加，韦伯数We增加，气动力作用不仅促进喷雾油束的雾化，增加的气动力还使雾化油滴径向发展速度增加，最终导致喷雾锥角增大。喷雾锥角越大，说明油束越松散，油束与空气

51、的接触面积越大，在缸内的燃烧也会越充分。表4.1 生物柴油在各个喷射压力下的喷雾锥角启喷压力（Mpa）162024喷雾锥角（）13.4014.3016.054.1.2贯穿距离喷射压力对生物柴油喷雾贯穿距离的影响见表4.2，由表4.2可以看出生物柴油的喷雾贯穿距离随着喷射压力的增加而增加，这可能是因为贯穿距离主要取决于喷射速度和油束周围气体的阻力。就喷雾油束而言，喷射压力增加使喷射速度增加，虽然相应较大的气体阻力减缓了油束的轴向发展，但由于喷射压力变化对油束轴向运动速度的影响大于气体阻力变化的影响，最终导致喷雾贯穿距离随着喷射压力的增加而增加。另外，就雾化粒子来说，随着喷射压力的增加雾化粒径减小

52、，粒子运动过程中碰撞机会小，碰撞损失少，同时由于粒子体积小，运动过程中受到的空气阻力也小，因此贯穿距离较大。表4.2 生物柴油在各个喷射压力下的贯穿距离启喷压力（Mpa）162024贯穿距离（cm）22.0028.4030.604.1.3雾化油滴的特性参数(1) 雾化油滴尺寸分布生物柴油雾化液滴在三种喷射压力下的尺寸体积分布曲线如图4-1所示。由图4-1可以看出三条曲线的变化趋势相同，液滴尺寸所占的体积比都是先增大到一个峰值后再降低，然后逐渐平缓，最大液滴尺寸都不超过200m；由三条曲线的分布还可以看出小尺寸(小于25m)油滴和大尺寸(大于150m)油滴所占的体积比都小于2%，中间尺寸(50m

53、 -80m)油滴所占的体积比大于14%；小尺寸油滴所占的体积比大于大尺寸油滴所占的体积比，这说明大尺寸油滴的数目极少，小尺寸油滴的数目却很多，但由于其尺寸较小，所占的体积比并不大；中间尺寸的油滴所占的体积比较大，数目也较多。随着喷射压力的增加，小尺寸油滴所占的体积比逐渐增加，说明小尺寸油滴的数目逐渐增加；大尺寸油滴所占的体积比逐渐减小，说明大尺寸油滴的数目逐渐减小；雾化油滴的尺寸体积分布曲线偏向小颗粒方向，曲线的峰值直径也逐渐减小，由72m降低到61m。图4-1 生物柴油雾化油滴的尺寸体积分布图4-2 生物柴油雾化油滴的尺寸累积体积分布图4-2是生物柴油在16Mpa、20Mpa、24Mpa的喷

54、射压力下雾化油滴的尺寸累积体积分布，由图4-2可以看出，三条累积体积分布曲线都是单调递增，小尺寸和中间尺寸油滴对应的累积体积分布曲线增长较快，而大尺寸油滴对应的累积体积分布曲线增长缓慢，这说明小尺寸和中间尺寸油滴的数目较多，而大尺寸油滴的数目极少。由图4-2还可以看出，随着喷射压力的增加累积体积分布曲线向左偏向小颗粒方向，达到某一累积体积的油滴直径减小，说明小尺寸油滴数目增多，雾化质量变好。另外，喷射压力由16Mpa增加到20Mpa的时候，累积体积分布曲线明显左偏，雾化质量明显好转，喷射压力再由20Mpa增加到24Mpa的时候曲线变化不再那么明显，说明随着喷射压力的继续增加雾化质量的改善却不再

55、那么明显，又考虑到起喷压力过高导致针阀落座冲击压力过大，损坏喷嘴，故喷射压力不宜过高，从雾化和喷嘴寿命两方面考虑喷射压力最大为24Mpa，最高不能超过26Mpa。(2) 雾化油滴的Sauter平均直径生物柴油在三个喷射压力下的Sauter平均直径D32见表4.3，由表4.3可知，Sauter平均直径随着喷射压力的增加而减小。喷射压力由16Mpa增加到20Mpa的时候D32减小幅度较大，随着喷射压力继续增加到24Mpa，D32的减小幅度变小，说明随着喷射压力继续增加，雾化粒径的变化幅度减小。表4.3 生物柴油在各个喷射压力下的Sauter平均直径D32启喷压力（Mpa）162024D32（m）49.1339.1036.23生物柴油的Sauter平均直径随着喷射压力增加而减小主要是因为喷嘴内部扰动增加和空气动力的作用。喷射压力增加，喷射速度增加，雷诺数Re增加，加速湍流的发展，内部扰动增加，促进圆射流的碎裂；喷射速度增加也使气液相对运动速度增加，韦伯数We增大，气体扰动增强，气动力作用