煤油摻混乙醇燃料的噴霧特性試驗研究

郭金晶，錢?勇，陶文操，呂興才

煤油摻混乙醇燃料的噴霧特性試驗研究

郭金晶，錢?勇，陶文操，呂興才

(上海交通大學動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240)

燃料的噴霧特性對其燃燒及排放性能有重要影響．因此在定容彈中利用多孔噴油器試驗研究了純煤油及煤油摻混30%和50%乙醇混合燃料在環境溫度為289.15K，環境壓力為0.1MPa下，噴射壓力分別為6MPa、8MPa和10MPa時的噴霧特性．結果表明：隨乙醇比例增加，混合燃料的貫穿距變化不明顯，噴霧錐角和噴霧面積均先增加后下降；隨噴油壓力升高，乙醇/煤油混合燃料的貫穿距和噴霧面積均增加，但噴霧錐角幾乎不變．此外，噴射壓力的增加對純煤油噴霧特性的影響逐漸減小，卻對乙醇/煤油混合燃料噴霧特性的影響逐漸增大．

噴霧特性；煤油；乙醇

世界航空事業不斷發展，航空燃料的需求量也不斷增加．目前全世界每年消耗約兩億噸航空煤油，而且正以每年5%的速率增長．航空燃料消耗量的增長逐漸成為化石燃料消耗的重要原因并且航空燃料的排放對空氣的污染也引起人們的關注．因此，尋找清潔環保的替代燃料是應對石油危機和解決環境問題的有效途徑之一[1-2]．

乙醇，作為一種清潔的可再生燃料，被認為是有前景的煤油替代燃料之一[3-4]．乙醇分子中含氧，有利于燃料充分燃燒，減少CO和HC的排放；其汽化潛熱較高，可降低進氣溫度，提高充氣效率，使最高燃燒溫度降低，進而減少NO排放．因此，為了研究乙醇作為替代燃料的燃燒和排放性能，此前已有學者對其進行了研究．Huang等[5]在低溫燃燒條件下，對乙醇-柴油混合燃料的噴霧、蒸發和燃燒過程進行了可視化研究．研究表明，不同的U形火焰結構說明添加乙醇和使用高EGR率可以在低溫燃燒條件下實現燃料的擴散燃燒方式．Gao等[6]利用高速紋影拍攝技術分析了背壓對純汽油及汽油-乙醇混合燃料噴霧特性的影響．他們的研究結果顯示，隨著背壓升高，汽油-乙醇混合燃料的噴霧錐角和貫穿距與純汽油相比沒有明顯差異．只有在噴射初期，汽油-乙醇混合燃料的噴霧錐角略低于純汽油．在Park等[7]研究中，生物柴油加入乙醇后，相同噴射條件下，產生直徑更小的液滴，說明了乙醇的添加可以改善生物柴油的霧化性能；He等[8]的研究表明，生物柴油和柴油的噴霧形態差別不明顯，但生物柴油的噴霧錐角比柴油大，貫穿距先略低于柴油后又高于柴油．

而對于航空煤油及其替代燃料的研究也一直在進行中．Khalil等[9]從燃燒模式入手，研究了分層燃燒中燃用氣體和液體燃料(包括煤油/乙醇混合燃料)的燃燒和排放性能，通過分析發現了具有燃料靈活性的燃燒器外形，并且在一定程度上表明替代燃料的排放量較低．Burguburu等[10]在航空燃氣輪機恒功率工作條件下研究了噴射煤油后氫的富集情況．研究表明，火焰穩定性受到含氫量的嚴重影響；而隨著含氫量增加，貧燃極限降低，CO排放量減少，OH基團增加；龔景松等[11]在煤油燃料中摻混乙醇發現，混合燃料熱解時形成的氫氣濃度隨乙醇含量的增加而增加；并且指出，對于在超燃沖壓發動機中，采用在煤油中添加一定量的含氧燃料(如乙醇、甲醇等)來解決著火和穩定燃燒問題具有潛在優勢．燃用煤油和純植物油混合燃料的氣體和顆粒物排放性能受Chiariello?等[12]關注，經過研究發現，燃用不同種類純植物油和煤油混合物時，NO和CO排放差異不大，但煤油/菜籽油混合燃料和煤油/葵花籽油混合燃料的顆粒物排放量分別是純煤油的3倍和50倍．Patra等[13]研究了在圓柱形噴霧燃燒器中燃用煤油和煤油/乙醇混合燃料的火焰特性和燃燒器性能．隨乙醇摻混含量增加，由于火焰中碳煙含量減少，火焰亮度隨之降低. Mendez等[14-15]在一臺燃氣渦輪發動機上研究分別摻混不同比例的乙醇和丁醇的煤油混合燃料的燃燒和排放性能．他們發現當燃用乙醇/煤油混合燃料后，發動機的工作推力較低但同時CO和NO的排放量減少．Song等[16]的研究說明，噴射壓力和背壓對煤油-乙醇混合燃料的霧化和燃燒有重要的影響，并且添加20%(體積分數)乙醇的混合燃料有較好的噴霧特性．

雖然此前已有學者對煤油摻混乙醇燃料進行了研究，但研究尚且不夠全面．因此，為了之后能夠更加充分研究乙醇作為航空煤油替代燃料的燃燒和排放性能，本文首先基于定容彈噴霧試驗臺架，利用高壓多孔噴油器和高速相機研究了不同比例乙醇/煤油的混合燃料在噴射壓力為6MPa、8MPa和10MPa時的貫穿距、噴霧錐角和噴霧面積等噴霧特性．

1?試驗裝置及燃料

研究乙醇/煤油混合燃料噴霧特性的試驗裝置如圖1所示．該試驗臺架由氮氣供壓系統、定容彈、噴油控制系統和數據采集系統組成．高壓氮氣瓶、減壓閥、蓄能器、壓力表等組成氮氣供壓系統．定容彈內部空間呈球形，直徑為20cm，有4個石英玻璃窗口，窗口直徑為14cm．試驗采用高壓直噴多孔噴油器(GS-304053)，一方面有利于提高噴射壓力，實現高壓噴射；另一方面為后續研究高壓噴射下燃用煤油摻混乙醇燃料的燃燒特性做準備．噴油器的具體參數如表1所示，噴孔布置形式如圖2所示．為使每一次安裝噴油器的角度保持一致，在定容彈頂部設計了特定的固定裝置．為得到清晰的噴霧圖像，噴霧試驗中使用亮度可調的LED燈照明，光源緊貼容彈一側且相對位置固定，保證了試驗過程中光路與待測油束正交．噴油控制系統使用National Instrument公司的D9451噴油驅動器給多孔噴油器提供噴油信號．數據采集是利用Photron FASTCAM系列高速相機進行高速攝影，拍攝頻率8000幀/s，圖片像素為1024×256．圖像處理時，幀率為8000幀/s，時間間隔定為0.125ms．進行圖像處理時統一拾取圖像中油束的最外側，每一試驗點的噴霧貫穿距，噴霧錐角和噴霧面積實驗數值的大小均由統一的油束外側軌跡確定，保證了數據的統一性，提高了數據的準確性以及分析的可靠性．

圖1?試驗臺架布置

表1?多孔噴油器重要參數

Tab.1?Key parameters of multi-hole injector

圖2?多孔噴油器噴孔布置形式

航空煤油RP-3是一種主要含C8～C16的多組分燃料．在試驗中，按體積分數向航空煤油RP-3中分別添加30%和50%乙醇作為試驗用的乙醇/煤油混合燃料，記為E30和E50．此外，用E0表示未添加乙醇的航空煤油RP-3燃料．表2對比了航空煤油RP-3和乙醇的物性參數．試驗的重要參數見表3．

表2?航空煤油RP-3和乙醇物性參數

Tab.2 Physical parameters of aviation kerosene RP-3 and ethanol

表3?試驗重要參數

Tab.3?Key parameters of experiment

2?結果與討論

本文通過噴霧貫穿距、噴霧錐角及噴霧面積來研究乙醇/航空煤油混合燃料的噴霧特性．其中，噴霧貫穿距定義為沿油束方向，從噴孔到油束最遠端的距離，用來反映油束貫穿能力的大??；以噴嘴為頂點沿噴霧方向做射線時，噴霧錐角取為在/2處最外沿的兩條射線間夾角，用于反映油束的橫向霧化程度；噴霧面積認為是噴霧最外沿包裹的投影區域面積，反映油束整體的霧化程度．如圖3所示．

圖3?噴霧特性參數的定義

2.1?燃料噴霧形態過程

燃料E0、E30和E50實際噴霧形態的圖像通過高速相機拍攝獲得．認為油束剛從噴孔噴出時為計時始點．表4為試驗燃料在背壓為常壓，噴射壓力為6MPa時噴霧形態演變過程．隨噴射時間推進，各燃料油束形態變化相似，均逐漸變長變寬．通過對比同一時刻不同比例乙醇/煤油混合燃料的噴霧形態，可以發現，同一時刻下E30油束要略長于E0和E50，宏觀上說明乙醇的添加可以改變煤油的噴霧特性．

2.2?乙醇比例對燃料噴霧特性的影響

圖4展示了噴射壓力為6MPa時煤油與不同比例的乙醇混合后噴霧特性的變化．由圖4可以看出，乙醇/煤油混合燃料貫穿距與純煤油相比變化差異較??；隨乙醇比例增加，燃料的噴霧錐角整體上大小關系為：E30＞E50＞E0；在噴射初期，乙醇比例的變化對燃料的噴霧面積影響較小，但在噴射后期E30的噴霧面積明顯增加．

綜合分析噴射壓力分別為6MPa、8MPa和10MPa時，噴霧特性隨乙醇比例變化的試驗數據(8MPa和10MPa時噴霧特性圖未列出)，可以發現，隨乙醇比例的增加，燃料貫穿距變化較小，但噴霧錐角和噴霧面積均先增大后減?。@是因為，隨乙醇比例的增加，乙醇/煤油混合燃料的運動黏度和密度均逐漸減小[8]．當混合燃料中乙醇比例較小時，燃料運動黏度的減小是影響噴霧特性的主要因素．若認為噴孔直徑和噴射速度不變，燃料運動黏度的減小使雷諾數(＝/＝/)增加，油束的湍流強度增強，油束更易于破碎霧化，導致乙醇/煤油混合燃料的噴霧錐角和噴霧面積增加．當燃料中的乙醇比例較大時，混合燃料密度的減小對噴霧特性產生主要影響.燃料密度減小使雷諾數減小，油束的湍流強度減弱，因此，E50的噴霧錐角和噴霧面積均小于E30．結合上述分析可以得出，存在一個最佳乙醇比例使乙醇/煤油混合燃料的霧化性能達到最佳．基于本文的試驗數據，E30相比于E0和E50有更好的噴霧特性．

表4 ?燃料在噴射壓力為6 MPa時的噴霧圖像

Tab.4 Spray images of each fuel under injection pressure of 6 MPa

2.3?噴射壓力對燃料噴霧特性的影響

為了進一步探究航空煤油及乙醇/煤油混合燃料的噴霧特性，在背壓為常壓，環境溫度為289.15K時，試驗研究了燃料的噴霧貫穿距、噴霧錐角及噴霧面積隨噴射壓力升高的變化規律．圖5是E0的噴霧特性隨噴射壓力變化的示意圖．隨噴射壓力增加，煤油的噴霧貫穿距隨之增加；并且隨噴射時間的推進，貫穿距增加的幅度也逐漸變大．0.25ms時噴射壓力為8MPa和10MPa對應的噴射貫穿距相差0.2mm. 而1.125ms時，噴射壓力為8MPa和10MPa對應的噴射貫穿距相差了3.6mm，如圖5(a)所示．噴油壓力的升高使噴孔內外壓力差增加，油束的初始速度增加，初動能升高，貫穿能力增強，因此燃料的貫穿距逐漸增加．隨著噴射時間的推進，噴射壓力產生的影響更加顯著．

從圖5(b)可以看出，在各噴射壓力下，E0的噴霧錐角隨噴射時間的推進逐漸減?。趪娚涑跗?，噴射壓力的增加對燃料噴霧錐角幾乎沒有影響；之后，燃料的噴霧錐角隨噴射壓力的增加略有增大．在噴射過程中，油束外側部分由于與空氣充分接觸摩擦形成了眾多粒徑較小的液滴，隨噴射時間推進，這些細小液滴逐漸蒸發，使油束的噴霧錐角逐漸減?。畤娚鋲毫Φ脑黾佑欣谟褪鈧刃纬筛嗉毿〉囊旱? 因此在噴射后期，油束的噴霧錐角隨噴射壓力增加而略有增大．

E0的噴霧面積隨噴射壓力增加而逐漸增加，如圖5(c)所示．隨噴射壓力增加，煤油液滴與空氣的速度差增加，液滴破碎能力增強，與空氣的卷吸作用增強．因此，油束的噴霧面積增加，油氣混合質量得到改善．另外，結合圖5(a)和(c)可以看出，油束的貫穿距和噴霧面積由噴射壓力8MPa到10MPa變化幅度要小于由6MPa到8MPa變化的幅度，表明噴射壓力的升高對航空煤油液滴霧化和卷吸現象的促進作用隨噴射壓力升高而逐漸減?。?/p>

通過分析乙醇比例對燃料噴霧特性的影響可知，在試驗的噴射壓力下，E30有較好的噴霧特性．因此通過圖6來進一步分析噴射壓力對E30燃料噴霧特性的影響．對比圖5和圖6可以看出，E30的貫穿距、噴霧錐角和噴霧面積隨噴射壓力變化的趨勢與E0相似．然而，與E0噴霧特性不同的是，E30的貫穿距和噴霧面積由8MPa到10MPa變化幅度要明顯大于由6MPa到8MPa的變化幅度．這是因為，噴油壓力的增加使油束初始動量的增加量增大．初始動量增加的油束貫穿能力更強，與空氣相互作用更易于破碎成細小的液滴．因此，E30貫穿距和噴霧面積的變化幅度隨噴射壓力增加而增大．

3?結?論

(1)不同比例的乙醇/煤油混合燃料的噴霧形態在相同的噴射壓力和背壓下略有不同．在相同噴射壓力下，E30油束要略長于E0和E50．

(2)乙醇的添加可以改善煤油的噴霧特性．隨乙醇比例增加，混合燃料的貫穿距變化不明顯，噴霧錐角和噴霧面積先增加后下降．相同噴射壓力下，E30燃料的噴霧特性要優于E0和E50．

(3)乙醇/煤油混合燃料的貫穿距和噴霧面積隨噴射壓力的增加而增加，而燃料的噴霧錐角在試驗的壓力范圍內變化不明顯．噴射壓力的升高對純煤油貫穿距和噴霧面積的影響逐漸減小，卻對乙醇/煤油混合燃料貫穿距和噴霧面積的影響逐漸增大．

［1］ Kallio P，Pásztor A，Akhtar M K，et al. Renewable jet fuel[J].，2014，26：50-55.

［2］ Goldemberg J. Ethanol for a sustainable energy future[J].，2007，315(5813)：808-810.

［3］ Blakey S，Rye L，Wilson C W. Aviation gas turbine alternative fuels：A review[J].，2011，33(2)：2863-2885.

［4］ Hileman J I，Stratton R W. Alternative jet fuel feasibility[J].，2014，34：52-62.

［5］ Huang S，Deng P，Huang R，et al. Visualization research on spray atomization，evaporation and combustion processes of ethanol-diesel blend under LTC conditions[J].，2015，106：911-920.

［6］ Gao J，Jiang D，Huang Z. Spray properties of alternative fuels：A comparative analysis of ethanol-gasoline blends and gasoline[J].，2007，86(10/11)：1645-1650.

［7］ Park S H，Suh H K，Lee C S. Effect of bioethanol? biodiesel blending ratio on fuel spray behavior and atomization characteristics[J].，2009，23(8)：4092-4098.

［8］ He C，Ge Y，Tan J，et al. Spray properties of alternative fuels：A comparative analysis of biodiesel and diesel[J].，2008，32(14)：1329-1338.

［9］ Khalil A E E，Gupta A K. Fuel flexible distributed combustion for efficient and clean gas turbine engines[J].，2013，109：267-274.

［10］ Burguburu J，Cabot G，Renou B，et al. Effects of H2enrichment on flame stability and pollutant emissions for a kerosene/air swirled flame with an aeronautical fuel injector[J].，2011，33(2)：2927-2935.

［11］ 龔景松，楊慶濤，侯凌云，等. 乙醇煤油混合燃料熱解特性實驗研究[J]. 工程熱物理學報，2009，30(9)：1617-1619.

Gong Jingsong，Yang Qingtao，Hou Lingyun，et al. Experimental study on pyrolysis characteristics of ethanol-kerosene blends[J].，2009，30(9)：1617-1619(in Chinese).

［12］ Chiariello F，Allouis C，Reale F，et al. Gaseous and particulate emissions of a micro gas turbine fuelled by straight vegetable oil-kerosene blends[J].，2014，56：16-22.

［13］ Patra J，Ghose P，Datta A，et al. Studies of combustion characteristics of kerosene ethanol blends in an axi-symmetric combustor[J].，2015，144：205-213.

［14］ Mendez C J，Parthasarathy R N，Gollahalli S R. Performance and emission characteristics of a small-scale gas turbine engine fueled with ethanol/Jet-A blends [C]//50. Nashville，Tennessee，2012，2012-AIAA-0522.

［15］ Mendez C J，Parthasarathy R N，Gollahalli S R. Performance and emission characteristics of butanol/Jet A blends in a gas turbine engine[J].，2014，118：135-140.

［16］ Song L，Liu T，Fu W，et al. Experimental study on spray characteristics of ethanol-aviation kerosene blended fuel with a high-pressure common rail injection system[J].，2018，91(2)：203-213.

［17］ Baeyens J，Kang Q，Appels L，et al. Challenges and opportunities in improving the production of bio-ethanol[J].，2015，47：60-88.

［18］ Zheng L E I，Changbo L U，Gaojun A N，et al. Comparative study on combustion and explosion characteristics of high flash point jet fuel[J].，2014，84：377-383.

［19］ Chen L，Ding S，Liu H，et al. Comparative study of combustion and emissions of kerosene(RP-3)，kerosene-pentanol blends and diesel in a compression ignition engine[J].，2017，203：91-100.

Experimental Study on Spray Characteristics of Kerosene Blended with Ethanol

Guo Jinjing，Qian Yong，Tao Wencao，Lü Xingcai

(Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

The spray characteristics of fuel have an important influence on its combustion and emission performances．In this paper，the spray characteristics of pure kerosene and kerosene blended with 30% and 50% ethanol were experimentally studied by means of a multi-hole injector in a constant-volume chamber under the ambient temperature of 289.15K，ambient pressure of 0.1MPa，and injection pressures of 6MPa，8MPa and 10MPa，respectively．Results show that the increasing ethanol ratio had a minor effect on the spray tip penetration of blended fuels．The spray cone angle and spray area both increased first and then decreased．With the increase in injection pressure，the spray tip penetration and spray area of kerosene blended with ethanol both increased，whereas the spray cone angle was almost constant．In addition，the increase in injection pressure had a decreasing effect on the spray characteristics of kerosene；however，its effect on the spray characteristics of kerosene blended with ethanol kept growing gradually．

spray characteristics；kerosene；ethanol

TK4

A

1006-8740(2019)05-0408-06

10.11715/rskxjs.R201812018

2018-11-12.

國家杰出青年基金資助項目(51425602).

郭金晶（1994—），女，碩士研究生，guojinjing@sjtu.edu.cn.

呂興才，男，博士，教授，lyuxc@sjtu.edu.cn.