生物柴油是一种新型的环保燃料,与化石柴油相比,具有含氧量高、十六烷值高、低硫、可降解和无芳烃等优点。生物柴油可以直接使用或与化石柴油调和使用,可以有效改善柴油的润滑特性,降低发动机尾气的污染物排放。生物柴油的主要成分是含有12~18个碳原子的饱和及不饱和脂肪酸甲酯。直接研究其燃烧和反应动力学的机理较为复杂,往往选择纯质脂肪酸甲酯作为模型燃料来开展研究。

燃料的热物理性质是内燃机燃烧系统的设计和优化所需要的基础数据。当燃油经内燃机喷射系统进入燃烧室时,其喷射和雾化特性决定了燃油与空气的混合和燃烧情况,进而影响颗粒物和其他有害污染物的生成和排放。燃料的雾化特性主要由其表面张力、黏度和密度所决定,可以用雾化性能指标Ka来表征:式中,ρl和ρg分别为燃料的密度和内燃机内混合气体的密度;Wel和Rel分别为韦伯数和雷诺数,均为无量纲数,其中Wel∝(ρl/σ),Rel∝(1/ν),σ和ν分别为燃料的表面张力和液相运动黏度。

一般来说,较高的表面张力会导致燃料在内燃机内雾化困难,不易破碎成较小的液体,延长燃烧时间,同时也降低了内燃机的热效率;燃料黏度过高会导致油箱沉积物增多和过滤器堵塞等故障,影响内燃机的供油安全,而燃料黏度过低又会增加燃油泄露的可能性。如式(1)所描述,燃料的密度、表面张力和黏度是表征燃料喷射进入内燃机综合雾化效果的重要热物理性质。同时,折射率也是燃料品质控制的重要指标,其试验数据可以用来预估实际中难以测量的混合燃料性质,如密度和黏度。所以在较宽的温度范围内获取燃料的这些热物理性质数据是内燃机喷射系统设计的基础。

棕榈酸甲酯和棕榈酸乙酯可以作为模型燃料与柴油和醇类等混合作为新型清洁混合燃料。已有学者研究了低温下两种物质的相关性质,列于表1中,但高温下热物理性质的试验数据仍属空白。因此,本文对棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯两种燃料的密度、表面张力、黏度和折射率在较宽温区下进行全面研究,为其工程应用提供支持。

1试验材料和方法

1.1材料

棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯、正十二烷均由阿拉丁公司提供,详细的基本性质列于表2中。其中,临界参数和标准沸点由Constantinou-Gani(CG)基团贡献法计算获得,此方法也被化工流程计算软件AspenPlus所采用。测量前,采用孔径为2μm的聚四氟乙烯过滤器去除液相中纳米级别的颗粒。