丁醇-麻疯树生物柴油混合液滴蒸发特性实验研究

姜熠豪　姜根柱　薛文华　任贵龙

摘 要：為了提高燃油的蒸发效率，研究混合燃料的蒸发过程与机理，搭建液滴悬挂式蒸发试验装置对丁醇-麻疯树生物柴油混合液滴进行实验， 利用高速摄像机记录BUT00，BUT20，BUT40和BUT60 4种丁醇-麻疯树生物柴油混合液滴蒸发过程形态和直径的变化，探究丁醇掺混比例对液滴蒸发特性的影响，并采用MATLAB代码处理液滴图像。针对试验过程中可能产生的误差，进行不确定度分析，验证数据的重复性，消除统计误差。实验结果表明：在环境温度873 K下，麻疯树生物柴油（JME）的液滴寿命为5.989 s/mm²，随着丁醇质量分数的增加，液滴寿命相应减少，BUT00液滴寿命约为BUT60液滴寿命的1.43倍；混合液滴的平均蒸发率K会随着掺醇比例的提高而显著增大，BUT60掺混比例的混合液滴对液滴的蒸发速率促进作用更明显，因此将该掺混比例的燃料应用于内燃机中，可以更好地实现空气-燃料混合，提高内燃机的燃烧效率。研究结果为丁醇-麻疯树生物柴油混合液滴在燃烧装置中的应用提供了数据支撑，对于优化发动机设计具有重要意义。

关键词：内燃机工程;丁醇；麻疯树生物柴油；液滴蒸发；微爆

中图分类号：TK428.9文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2023yx03002

Experimental study on evaporation characteristics of

butanol-jatropha biodiesel mixture droplets

JIANG Yihao， JIANG Genzhu， XUE Wenhua， REN Guilong

（Faculty of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang，Jiangsu 212003， China）

Abstract：In order to improve the evaporation efficiency of fuel oil and study the evaporation process and mechanism of mixed fuel， a droplet suspension evaporation test device was built to experiment on butanol/jatropha biodiesel mixed droplets. High-speed cameras were used to record the morphology and diameter changes of fuel droplets with four different butanol mass fractions， BUT00， BUT20， BUT40 and BUT60. The influence of butanol blending ratio on the droplet evaporation characteristics was explored， and the droplet images were processed by MATLAB code. Uncertainty analysis was performed for possible errors during the test to verify the repeatability of the data and eliminate statistical errors.The results show that at an ambient temperature of 873 K， the droplet life time of JME is 5.989 s/mm². As the mass fraction of butanol increases， the droplet life time decreases accordingly. The droplet life time of BUT00 is about1.43 times that of BUT60. The average evaporation rate K of the mixed droplets will significantly increase with the increase of alcohol blending ratio. The droplet with BUT60 mixing ratio has more obvious promoting effect on the droplets evaporation rate， and the fuel with this mixing ratio can better realize the air-fuel mixing and improve the combustion efficiency of the internal combustion engine. Reaearch on the evaporation characteristics of butanol-jatropha biodiesel mixture droplets is of great significance for studying its application in combustion devices and optimizing engine design.

Keywords：internal combustion engine engineering; butanol; jatropha biodiesel; evaporation of droplets; micro-explosion

化石燃料的过度使用导致了许多问题，如原油短缺、环境污染和设备恶化等[1-2]。由不同的三酰甘油基生物质组成的生物油，如向日葵、油菜籽、荷荷巴、麻疯树和卡拉尼亚，被认为是化石燃料替代的理想替代燃料之一[3]。与其他生物油相比，麻疯树植物油具有可观的产量和优异的总热值，并且不会对食用油构成威胁[4]。这些优势确保了麻疯树植物油在交通和农业领域[5]可被用作替代燃料，尤其是在交通领域，化石燃料一直在其领域扮演着重要的角色，如今生物柴油的出现，撼动了化石燃料的地位，而麻疯树油（JME）就是其理想的替代品之一，麻疯树油可以使用额外的化学技术进行转化，以制造生物柴油，其性能与柴油相当。

PREMNATH等[6] 在3种不同的喷射压力下，使用柴油和麻疯树甲酯混合物，在改进后的凹入式燃烧室中，研究柴油发动机的性能和排放特性，发现其性能和排放特性与发动机的传统燃料运行相比，有害污染物减少。姜根柱等[7]采用热电偶挂滴技术，研究在623 K和873 K环境温度下，不同掺混比例麻疯树油的蒸发特性，结果表明，随着JME掺混比例的增大，液滴蒸发寿命也随之延长，高温下相较于低温下的混合液滴蒸发寿命明显减短。MENG等[8]研究了乙醇和生物柴油混合燃料液滴的膨胀、喷射和微爆炸现象，发现随着混合液滴中乙醇比例的增加，点火延迟时间先显著减少，然后保持不变，而燃尽时间先减少，然后增加。HASHIMOTO等[9]在3种不同压缩比工况下，将麻疯树生物柴油与柴油分别加入燃烧室中试验，与其他生物柴油相比，麻疯树生物柴油表现出更高的热性能。尽管麻疯树生物柴油的密度和黏度相对较高，但由于高黏度，它在汽缸中的蒸发和雾化问题也很严重。因此可以在燃料中加入丁醇，以减少黏度和烟尘排放。与此同时，丁醇的来源丰富，可以利用农业废弃物或各种来源的植物根茎大量生产丁醇[10-12]。其次，丁醇具有较低的蒸气压力和较高的能量密度，这使它能够与生物柴油有效结合，改善发动机的燃烧排放[13-14]。此外，由于丁醇和生物柴油的沸点有明显的差异，因此丁醇会在生物柴油之前提前达到沸点并蒸发，部分液滴中会产生气泡，膨胀，紧接着产生微爆现象[15-16]，加快液滴的蒸发速率，实现更好的油汽混合，燃烧更充分。通过将丁醇与生物柴油混合，有可能提高燃料的雾化和可燃性[17]，并大大降低柴油机排放的污染量。HSIEH等[18]研究了航空煤油替代燃料和丁醇混合物的液滴蒸发在不同环境温度下的蒸发特性。结果表明，随着丁醇含量的增加，液滴蒸发速率增加，更容易发生微气泡现象。罗会利 [19]针对麻疯树油，在673 K和873 K环境温度下，掺入不同质量分数的醇类来研究其混合液滴的蒸发特性。随着醇类含量的增加，液滴寿命逐渐降低，表明醇类含量越多，越能促进液滴的蒸发。

目前，国内外关于丁醇-麻疯树生物柴油混合燃料的研究大多集中在发动机测试和燃料喷射燃烧方面，还没有关于丁醇-麻疯树生物柴油混合燃料液滴蒸发特性的研究报道。因此本文重点研究在873 K环境温度下，麻疯树生物柴油掺入不同质量分数的丁醇时，其混合液滴的蒸发特性，建立微爆炸强度和膨胀强度2个维度研究液滴的微爆炸特性，揭示微爆炸强度、膨胀强度和蒸发持续时间之间的关系，探讨不同微爆炸强度的发生机理，确定丁醇的最佳含量范围，为相关科学领域提供更多有用的信息。

1 实验部分

1.1 燃料理化特性及其配制

麻疯树生物柴油的物理和化学特性在燃料液滴的蒸发燃烧中起着重要作用，因为它的化学成分很复杂。表1为标准柴油、麻疯树油和麻疯树生物柴油的理化特性。本试验样品品质数据由西南石油大学化工学院测定。

从表1可以看出，在常温下，麻疯树油、标准柴油和麻疯树生物柴油的黏度分别为47.30，4.37和8.45 Pa·s，麻疯树生物柴油的黏度比柴油大，但比麻疯树油的黏度小很多，具有良好的雾化特性，因此其可以成为柴油的良好替代品。其次，麻疯树油和麻疯树生物柴油的热值相近。因为麻疯树生物柴油的热值比柴油低，所以会损失一些热能。然而，用麻疯树制成的生物柴油具有较高的氧含量，可以改善燃料的燃烧，提高热效率，弥补了部分损失的功率。最后，麻疯树生物柴油闪点为170 ℃，大于100 ℃，不属于危险品，证明了麻疯树生物柴油的安全性。与此同时，基于參考文献[19]，麻疯树生物柴油相比于标准柴油，其排放PM，CO及HC等污染物的量明显减少，是典型的清洁、可再生“绿色能源”，是石油等不可再生资源的理想替代品。

从上述分析可知，由麻疯树制成的生物柴油，相较于柴油具有更高的运动黏度和润滑性，且其闪点比柴油高，总体上更安全。通过添加适量的丁醇，可以提高麻疯树生物柴油的含氧量，有利于改善发动机的燃烧和排放性能。因此，研究丁醇-麻疯树生物柴油的蒸发性能是非常重要的。

在制备丁醇-麻疯树生物柴油的过程中，由于丁醇和麻疯树生物柴油具有良好的混溶性，因此两者可以直接按不同比例混合，得到混合生物质燃料。制备混合燃料的步骤如下：用精度为0.001 g的电子天平称量出由丁醇质量分数计算的两者质量，然后将混合溶液放入磁力搅拌器中，搅拌3 min，确保2种溶液完全融合。搅拌后没有出现分层现象，说明两者已经融合。本次实验制备的混合溶液所包含的丁醇质量分数（下同）分别为0，20%，40%和 60%（分别标记为BUT00，BUT20，BUT40和BUT60）。

1.2 实验装置

图1为单液滴蒸发实验装置原理示意图，从图中可以清楚地看到该实验台主要由3个部分组成，分别是加热系统、液滴输送系统和数据采集系统。

加热系统包括高温炉、温度调节器和氮气罐。蒸发室是一个不锈钢室，前后有2个石英玻璃窗，可实时观察液滴的蒸发状态。加热杆安装在加热室底部，总功率为3 000 W，最大调节温度可达1 000 K。加热室的温度由温度调节器控制，通过控制加热杆进行加热，在实验期间温度保持稳定，并在允许的调整范围内（-5～5 K）。

液滴输送系统主要包括步进电机、位置控制器、悬架和石英玻璃灯丝。首先使用1 μL的微量调节注射器将燃料液滴悬挂在石英玻璃丝上，然后控制步进电机，将悬挂的燃料液滴快速垂直移动到指定拍摄位置，液滴的运动距离约为190 mm，传送速度约为300 mm/s，能在0.3 s内完成液滴向加热炉内传送的动作，对液滴蒸发过程的影响极小，可忽略不计。图像采集系统包括高速摄像机和计算机。为了确保在液滴蒸发过程中獲得的图像具有高清晰度，拍摄频率设置为500 fps，分辨率设置为1 024×1 024 px。为了尽量减少实验数据误差，每组实验重复3次。表2列出了相关实验条件。

1.3 数据处理与误差分析

使用MATLAB代码处理液滴图像以获得液滴直径。根据研究，有3种主要类型的液滴图像处理方法，本工作通过投影面积计算液滴等效直径。图2显示了本工作中图像处理步骤的示意图。第一，从原始图像（1 024×1 024 px）中提取感兴趣区域（ROI，400×400 px）。第二，进行二值化处理，检测液滴和纤维的边缘。对于蒸气云中的液滴，当ROI图像经过二值化处理，实现了拍摄目标和背景的高度黑白区分，并确保了液滴大小和形状与原始图像基本一致。经典的Otsu方法用于获得区域每个部分的最佳阈值。Otsu方法是一种有效的图像二值化算法。该方法可以通过自适应阈值实现背景和拍摄目标的分离，因此可以很容易地去除液滴周围的蒸气云。第三，执行空穴填充操作以填充液滴中的空穴。第四，利用形态学图像处理技术切割液滴周围的支撑纤维。最后，通过等效面积法获得液滴直径。经计算，D²/D²₀的不确定度为2.98%。此外，对每个测试条件进行至少3次实验，以验证数据的重复性，消除统计误差。在数据提取过程中，会出现液滴直径平方的不确定性。本研究的误差分析基于参考文献[21]提供的Kline误差分析方法。物理值R由式（1）表示：

2 结果与讨论

2.1 实验装置的一致性验证

在正式实验之前，为了最终结果的准确性，对实验系统的一致性和可靠性进行验证，结果见图3。其中：t为液滴蒸发时间；D0为初始液滴直径；D为某一时刻液滴直径。以柴油为研究对象，在环境温度873 K下进行2次实验，并将2次结果进行对比。

结果表明2个实验显示出良好的一致性，实验的最大偏差为1.6%。与WANG等[17]的实验数据相比，该实验数据与之前的实验数据基本一致，证明了实验设置的一致性和可靠性。

2.2 丁醇-麻疯树生物柴油混合液滴的直径变化

1.130。因此BUT00和BUT20混合液滴的蒸发过程在环境温度为873 K下可分为2个阶段：1）瞬态加热阶段（t11/t12）；2）平衡蒸发阶段（t21/t22）。而随着丁醇掺混质量分数的提升，在蒸发初期，BUT40和BUT60混合液滴的体积膨胀明显，其膨胀值分别为1.259和1.155，BUT40混合液滴的膨胀值最大。随着时间的推移，液滴内的低沸点组（丁醇）在873 K的环境温度下会迅速蒸发，液滴内蒸气压增高，使得气泡在液滴内剧烈运动，产生喷气微爆现象，加速了液滴的蒸发，无量纲直径平方显著波动，而不符合d²定律。该阶段被称为波动蒸发阶段。因此，图4 c）、图4 d）是BUT40和BUT60丁醇-麻疯树生物柴油混合液滴的归一化曲线图，在873 K的环境温度下，混合液滴的蒸发过程可分为3个阶段：1）瞬态加热阶段（t31/t41）；2）波动蒸发阶段（t32/t42）；3）平衡蒸发阶段（t33/t43）。

3 掺醇比例对混合液滴蒸发特性的影响

3.1 掺醇比例对混合液滴蒸发寿命的影响

3.2 掺醇比例对混合液滴蒸发速率的影响

为了确定燃料液滴的直径演变，研究瞬态蒸发速率。图7显示了4种混合燃料的瞬态蒸发速率K_inst。BUT40和BUT60混合液滴瞬态蒸发速率呈凸性，而BUT00与BUT20混合液滴的瞬态蒸发速率相近，均呈一条直线。BUT60混合液滴的瞬态蒸发速率最大，其次是BUT40。由此可见随着丁醇质量分数的增加，混合液滴的瞬态蒸发速率变大。与此同时，BUT40和BUT60混合燃油液滴的瞬态蒸发速率相似，均呈现先线性增大，再逐渐趋于平缓。该现象的产生主要是因为混合燃料液滴在蒸发中期液滴出现了膨胀微爆，增加了液滴的蒸发速率，而平衡阶段时液滴状态相对稳定，其瞬态蒸发速率相对于中期有所减慢。

平均蒸发速率（K）是液滴蒸发性能的评估标准，定义为初始液滴体积与蒸发时间的比率。实验测量了873 K条件下掺混不同质量分数丁醇的麻疯树生物柴油混合液滴的平均蒸发速率，如图8所示，并根据结果进行比较。在873 K的环境温度时，BUT20，BUT40和BUT60的K分别为0.227，0.332和0.346 mm²/s，分别比纯麻疯树生物柴油（BUT00）高了10.19%，61.16%和67.96%，其中BUT60燃油的蒸发速率最大。从中可以发现，

3.3 混合液滴微爆特性及机理研究

在蒸发过程中，混合燃料液滴可能会经历一个短暂的波动蒸发阶段，在此阶段中，液滴稍微膨胀，然后稳定蒸发。然而，这种现象在BUT40和BUT60混合燃料液滴蒸发过程中较明显。由于液滴膨胀和微爆的可重复性和随机性，采用膨胀强度（I）和微爆强度（J）定量评估了波动蒸发阶段的蒸发，其定义如式（12）、式（13）所示：

图10显示了丁醇和麻疯树生物柴油燃料液滴蒸发和微爆炸的概念模型。首先，含有丁醇和麻疯树生物柴油的混合物液滴在蒸发过程中具有不同的沸点，轻组分易于挥发。在混合物加热期间，当温度达到低沸点组分的过热极限时，轻组分开始蒸发。但是由于掺醇含量不同，液滴的膨胀和微爆强度也有所区别。当丁醇的质量分数小于40%时，气泡产生较少，微爆炸较少，随着蒸发的进行，更多的麻疯树生物柴油形成油膜，完成油膜的蒸发需要更长的时间。蒸发时间延长，液滴的蒸发速率降低。当丁醇的质量分数大于40%时，液滴气泡的形成和破裂得到加强，并产生更多的气泡。液滴容易聚集更多能量，以突破油膜的表面张力，实现更强的微爆。蒸发时间减小，液滴的蒸发速率增加。

4 结 语

本文采用液滴悬挂式蒸发试验装置，研究了掺入不同质量分数丁醇的麻疯树生物柴油混合液滴的蒸发过程和微爆机理，研究结果可为提升燃料在内燃机中的燃烧效率提供参考依据，实现更好的空气-燃料混合，所得结论如下。

1）在873 K环境温度下，纯麻疯树生物柴油和BUT20混合燃料液滴的蒸发相对稳定，可分为瞬态加热和平衡蒸发阶段。在蒸发过程中，液滴直径的变化符合經典的d²定律。而BUT40和BUT60混合燃料液滴出现微爆现象，无量纲直径平方显著波动，且不符合d²定律。因此蒸发过程分为3个阶段：瞬态加热阶段、波动蒸发阶段和平衡蒸发阶段。

2）丁醇加入麻疯树生物柴油会促进混合燃油的蒸发，随着丁醇掺混比例的增加，蒸发速率、液滴寿命也相应增加，BUT60混合液滴的蒸发寿命最短，蒸发速率最快。

3）在873 K环境温度下，随着丁醇掺混比例的增加，混合燃料液滴在波动蒸发阶段的D²/D²₀曲线波动越来越大，BUT60的膨胀强度和微爆强度最大。

研究结果表明在高温环境下，丁醇的加入可促进液滴的蒸发，而BUT60混合液滴促进作用更为明显。本研究不足之处在于常压下的丁醇-麻疯树生物柴油混合液滴的蒸发特性与实际内燃机内蒸发环境有一定的差别，因此未来将对实验装置进行改进，对高温高压下的燃料蒸发特性进行实验研究。

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