来自非烹饪油的生物柴油喷雾特性的实验研究外文翻译资料

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来自非烹饪油的生物柴油喷雾特性的实验研究

摘要：

在本研究中，研究了废食用油生物柴油（B100）以及它与柴油的混合燃料（B20）的喷雾特性和空燃混合过程，并与纯柴油进行了比较。在高喷射和环境压力条件下使用恒定体积的喷雾室研究喷雾特性，如喷雾穿透距，喷雾角度，喷雾速度和喷雾形态。使用经验关系如燃料体积，喷雾中夹带的空气质量和当量比来分析空燃混合过程。结果表明，与B20和柴油相比，B100具有较高的粘度和较大的动量，B100具有较高的喷嘴穿透速度，喷雾角度较窄。在高环境压力下，喷雾穿透距的偏差降低。喷雾角度在各种喷射压力下不发生变化，但是，它在高环境压力下会显着增加。喷射形状受喷嘴孔内的气穴的影响。喷雾中的燃料体积和空气夹带量表明，与B20和柴油相比，B100显示出差的空气燃料混合。然而，沿着喷雾轴向的当量比揭示了B100与B20和柴油燃料相比具有稀薄的当量比，这是由于其结构中固有的氧含量的存在。使用KIVA4中实施的新型混合喷雾模型进行数值模拟，发现模拟结果与实验计算结果吻合良好。

1. 引言

石油价格上涨和化石燃料储备枯竭迫使各国研究替代燃料资源。由于美国的这些理念，在其与能源有关的立法[1]中实施5％可再生燃料的国家标准。生物柴油是耗尽化石燃料之后的潜在替代品之一。生物柴油燃料既是环保的，也是可再生能源。生物柴油也显著降低未燃碳氢化合物（UHC），颗粒物（PM）和一氧化碳（CO）[2-5]，但观察到氮氧化物（NOx）略有增加[5-7 ]。生物柴油在闪点，芳烃含量，硫含量和十六烷值方面优于化石柴油[3,7,8]。生物柴油可以通过酯交换过程从食用和不可食用的各种原料生产。然而，生物柴油的大量生产可能对食品安全造成严重威胁[9]。另一方面，从非食用源生产的生物柴油更有利于改善环境，但成本高是其商业化的主要障碍。 因此，寻找低成本原料对于商业化替代化石燃料至关重要[10]。 文献中提出了许多低成本替代原料[11-15]。 其中，废弃食用油（WCO）生产的生物柴油在原料成本方面便宜，一般估计为生物柴油总成本的80％[9,10]。 除了降低原料成本外，世界海关组织生物柴油还降低了排放废物和处理油污水的成本。

还对WCO生物柴油对发动机性能的影响作出了一些研究[16-19]。 使用WCO生物柴油已经显示出与柴油类似的性能和排放趋势，然而，由于获得废烹饪油的原料，与柴油燃料的混合比，燃料喷射系统和发动机负载和速度条件等因素的影响，一些研究结果也会出现偏差。与其他原料生物柴油相似，WCO生物柴油的性能和排放特性可以通过改变喷射策略（如喷射时间和喷射压力）来改善[20-23]。 WCO生物柴油在化学和热物理性质如高密度，粘度，体积弹性模量，十六烷值和氧浓度方面也与化石柴油不同。和化石柴油相比，在性能和喷射策略的不同影响了WCO生物柴油的喷雾特性，雾化过程和燃料蒸发，最终导致性能，燃烧和排放特性差异。不同生物柴油及其混合物的喷雾特性已经在文献中进行了研究和报道。芳等[24]研究了大豆生物柴油混合物的喷雾和燃烧开发过程，并报道了随着生物柴油混合比的增加燃料冲击和喷雾穿透距增加。 Desantes等人[25]研究了RME生物柴油的喷雾特性，由于其高粘性，显示出较大的穿透力，较窄的喷雾角度和较小的喷雾体积。后来，Pas-tor等人[26]报道，RME生物柴油的喷雾尖端渗透率随混合速率线性增加。 Wang等[27]还报道了生物柴油燃料喷雾穿透距更长，SMD更大，喷雾角度更小，面积和体积更大。 Park [28]报告说，生物柴油与柴油相比具有较高的喷射率。 Suh等人[29]建议生物柴油需要更高的喷射压力才能达到与常规柴油相同的喷射速率，但是报告称喷雾的渗透率与柴油相似，但由于其高粘度和表面张力，生物柴油具有较大的SMD和较低的喷射速度。 Chen等 [30]在大气条件下研究了废弃食用油生物柴油的喷雾特性，B100具有较长的喷雾穿透距和较大的喷雾直径，但B20显示与柴油相似的特征，具有略大的喷雾尺寸和较短的尖端穿透率。因此，WCO生物柴油喷雾特性的研究取得了显着的进步，以便更好地了解其在发动机条件下与化石柴油相匹配的喷雾开发过程。

已经进行了许多研究来评估WCO生物柴油对发动机性能，燃烧和排放特性的影响，而对WCO生物柴油喷雾特性的研究较少。 因此，本研究的目的是解决在高环境压力条件下与化石柴油燃料相比，WCO生物柴油（B100）及其20％与柴油混合物（B20）的宏观喷雾特性。 使用喷雾穿透距，喷雾角度，喷雾体积，气流夹带和沿轴向和径向方向的当量比等特性来了解WCO生物柴油及其混合物的喷雾性能。

1. 试验装置

图1为实验装置的原理图。使用恒定体积的喷雾室来再现在喷射过程中在燃烧室内的高的气体密度。该室可在室温下加压至6MPa。使用像氮气（N2）这样的惰性气体对腔室加压以避免任何可能的燃烧。该室设有一个尺寸为150 mm的光学抛光石英玻璃窗，用于可视化目的。对于燃油喷射，由2.24千瓦电动机运行的电子控制电装高压燃油泵，电装共轨喷油器和数字电子控制单元组成的共轨系统，以预先控制喷射的数量和持续时间。本研究中使用的电装共轨喷射器是7孔微囊型喷射器。通过使用非常类似于Macian等人的方法，通过使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）的硅氧烷模具测定喷嘴孔的尺寸 [31]。扫描电子显微镜用于测量喷嘴的尺寸，如图1所示。尺寸表明孔口直径为175plusmn;3，孔口长度为1000plusmn;50，入口半径为15，喷雾锥角为150plusmn;2°详细的实验条件如表1所示。关于实验设置的更详细的描述，参考Mohan等人[32]。

使用Photron Fastcam SA5高速摄像机来进行可视化高压恒定容积室内的喷雾显影过程。相机传感器是12位单色，空间分辨率为20，最大曝光时间为1，喷雾开发过程的视频以每秒20 k帧的速度被捕获，分辨率为832*448像素。 然后从视频录制中提取喷雾图像。 高速摄像机配有带C-mount适配器的尼康镜头（Nikkor AF 28-85 mm f / 1：3.5-4.5）。 使用具有电子镇流器的400W Hydrargy-rum中等电弧碘化钠（HMI）灯进行可视化的提供。

图像处理分两步完成。 在第一步中，使用Matlab中的自定义书写代码对喷雾图像进行了预处理。 然后在第二步，使用ImageJ代码量化喷雾特性。 图像处理中涉及的步骤顺序如图3a和3b。 从原始喷雾图像中分离出背景，消除任何不均匀的照射并分离喷雾。 通过Otsu方法对孤立的喷雾图像进行阈值处理，然后使用canny边缘检测方法进行边缘检测。 最后，使用Ima-geJ码从经处理的图像中量化喷雾特征如喷雾穿透距和喷雾角度。

实验使用从新加坡当地加油站获得的超低硫柴油（ULSD），由废食用油（B100）生产的生物柴油及其与柴油的混合物（B20）。用20体积％的生物柴油与柴油混合制备B20。因为B20显示出与我们早先报道的柴油相比具有相似性能和排放特性[33]，所以本次研究中选用B20混合物。生物柴油的组成主要取决于其原料，但是所用的生物柴油是用废食用油所制，鉴定原料是有挑战性的，因为有多种可用的烹饪油。了解其组成的唯一方法是进行气相色谱分析。因此，为了确定本研究中使用的生物柴油的组成，进行了GC-MS（气相色谱 - 质谱仪）分析。在本研究中使用HP5-ms柱（25mtimes;0.32mm ID times;0.45mm OD）。在不分流模式下，在260℃下注入1分析物。烘箱温度调制为150℃，保持5分钟，然后把12 ℃ / min的作为第一温度梯度，直到升到200℃，并保持17分钟。接着将3℃/min 作为第二温度梯度上升252℃，并保持为6.5分钟。使用99.99％纯度的氦气作为载气。载气的恒定流量在柱上设定为0.6mL / min。基于保留时间，分组为9.998分钟，12.661分钟，12.842分钟和13.321分钟，与标准数据库比较，分别鉴定为六癸酸，甲酯（棕榈酸甲酯），9,12-十八碳二酸（Z，Z） - ，甲基酯（亚油酸甲酯），9-十八碳烯酸，甲酯（甲酸亚油酸酯）和十八烷酸甲酯（甲基硬脂酸酯）。本研究中使用的生物柴油GC-MS谱及其质量百分比组成如图4所示。典型的燃料特性总结在表2中。

窗体顶端

图1喷雾可视化系统示意图

窗体底端

图2.喷射孔尺寸的SEM图像

图3图像处理顺序

1. 结果与讨论

3.1喷雾形态

燃料喷射压力为100 MPa和不同环境压力下不同燃料的喷射演变如图5所示。 与柴油和B20喷雾相比，B100的喷雾更窄和更长。 此外，由于B100喷雾的弱光散射以及高粘度和表面张力引起的B100喷雾雾化不良，导致B100喷雾比B20和柴油喷雾图像较暗。柴油的明亮喷雾图像表明柴油经历更好的雾化，导致喷射较小的液滴，从而将光线高度散射回相机[27]。 从这些图像可以看出，模具的雾化优于B20和B100喷雾。 柴油和B20的喷雾图像在其喷雾边界上具有一些小的涡旋状结构，这表明与在其表面上没有这种结构的B100相比，这些喷雾中的环境气体夹带能力更好。

图6表示在3和6MPa的环境压力下添加的不同燃料的喷雾边界比较。从图中可以看出，由于以下两个因素（i）环境气体密度导致的高电阻，或（ii）喷嘴孔内气蚀的影响；以至于选用不同燃料的喷雾形状都会轴向倾斜。喷嘴孔内的气穴渗透水平在喷雾中产生不对称[34]，并且也导致更大的喷射角[34,35]。因此考虑到喷雾形状不对称，柴油燃料应该比B20和B100燃料具有更强的气蚀。为了支持这一说法，针对图2所示的尺寸，使用Fluent 12.0对喷嘴孔内的气蚀进行了数值模拟。Schnerr和Sauer [36,37]使用两种流体模型来模拟喷射器喷嘴孔内的空气流动。有关模型和验证的详细说明，请参见Mohan等人[38]。不同燃料的气穴轮廓如图7所示。轮廓中的红色表示完整的燃料蒸气，蓝色表示完整的液体燃料。因此，从图可以清楚地看出，由于由于柴油的粘度较低[39,40]，它的空化效果更好，接着是B20和B100燃料。还应注意到，对于相同的喷射压力，随着环境压力的增加，气蚀被抑制。排放系数也随着空化率的增加而减小，这意味着B100和B20以及柴油燃料的去离子系数较高。因此，从该模拟结果可以看出，喷射形状的取向的变化可能是由于柴油和B20燃料的喷嘴孔内的空穴与B100相比比较高。

图4.废物烹饪油生物柴油的GC-MS结果

图5.在不同的环境压力下喷射压力为100 MPa 图7不同燃料的气蚀轮廓

图6.不同燃料喷雾边界比较。 图8.喷雾特性的定义。

3.2宏观喷雾特性

实际的喷嘴穿透率的计算类似于Delacourt等人使用的方法。 [41]如下所

示 （1）

其中S是以mm为单位的实际喷雾穿透距，如图8所示是从喷嘴的喷嘴图像到喷雾边界的最远轴向位置测量的喷雾穿透度距（mm），是喷雾的锥角，以弧度表示。

柴油和生物柴油燃料的喷嘴穿透如图9

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