高压喷射条件下加氢可再生柴油的非稳态喷雾动力学特性及其热物理性质影响研究

为解决化石燃料污染和排放问题，研究人员通过光学定容燃烧室(CVCC)系统研究了加氢可再生柴油(HRD)、纯柴油和生物柴油的喷雾特性。结果表明HRD与纯柴油喷雾特性相近，但具有更低的表面张力(26.64 mN/m)和汽化焓(66.79 kJ/mole)，在高温高压下喷雾角增幅达26.5%，展现出更优的雾化性能，为清洁燃料在柴油机中的应用提供了重要依据。

　　

随着全球工业化进程加速，化石燃料的大量使用导致环境污染问题日益严峻。在交通运输领域，柴油发动机虽然具有燃油经济性好、热效率高等优点，但其排放的氮氧化物(NO_x)和碳烟等污染物已成为环保法规重点管控对象。为应对这一挑战，生物质燃料的研发成为热点，其中通过催化加氢工艺制备的加氢可再生柴油(HRD)因其化学性质与传统柴油相近且排放更低而备受关注。

国立成功大学航空太空工程学系的研究团队通过光学定容燃烧室(CVCC)系统，对比研究了HRD、纯柴油和生物柴油的喷雾特性。研究发现HRD在高温高压条件下展现出优异的雾化性能，其喷雾特性与纯柴油相近但更环保，相关成果发表在《Journal of the Energy Institute》上。

研究采用光学诊断技术(Mie散射、漫反射背光成像等)在CVCC中观测不同环境参数下的燃料喷雾形态。通过分析喷雾尖端穿透距离、喷雾角、投影面积和体积等参数，系统比较了三种燃料的雾化特性差异。

在喷雾尖端穿透距离方面，HRD与纯柴油表现相似，平均仅相差0.88%，而生物柴油的穿透距离比HRD和纯柴油分别长11.78%和10.99%。随着环境温度从473 K升至673 K，HRD的穿透距离减少45.98%，降幅大于纯柴油(40.55%)和生物柴油(4.57%)。

喷雾角分析显示，HRD对环境压力变化最为敏感。当压力从2 MPa增至4 MPa时，HRD喷雾角增加26.5%，显著高于纯柴油(20.9%)和生物柴油(18.38%)。这归因于HRD具有最低的表面张力(26.64 mN/m)和汽化焓(66.79 kJ/mole)，有利于液滴破碎和雾化。

喷雾结构观测表明，HRD在高温高压条件下展现出最优的雾化和蒸发性能。其较低的表面张力促进了更细微的液滴形成，减少了液滴聚并，从而改善了喷雾扩散效果。

该研究证实HRD不仅具有与传统柴油相近的喷雾特性，还在雾化性能上更具优势。这些发现为优化可再生燃料喷射策略提供了重要依据，有助于提高柴油机的燃烧效率并降低排放。研究团队指出，HRD的低表面特性和高挥发性使其成为替代传统柴油的理想选择，未来可进一步探索其在真实发动机环境中的燃烧特性。

值得注意的是，HRD的生产工艺通过固定床反应器系统实现，反应条件(温度、压力、H₂/油比等)的精确控制确保了产品质量。这种可持续燃料的开发和应用，为缓解能源危机和环境污染提供了新的解决方案，具有重要的工程应用价值和环保意义。