摻混含氧燃料對(duì)混合燃料噴射特性的影響研究

摘要：為探究添加含氧燃料對(duì)燃料噴射特性的影響，將體積分?jǐn)?shù)均為50%的聚甲氧基二甲醚（PODE）和正丁醇摻混于柴油制得PODE-柴油混合燃料和正丁醇-柴油混合燃料，標(biāo)記為P50和B50。在高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)上使用基于沖量法的噴射特性測(cè)試系統(tǒng)，研究了柴油、PODE-柴油混合燃料、正丁醇-柴油混合燃料三種燃料在多種工況下的噴射特性差異。結(jié)果表明，摻混含氧燃料對(duì)噴油速率有較大的影響：P50的體積流量小于柴油，而質(zhì)量流量則相反；B50和柴油的噴油速率在低壓下差異很小，但當(dāng)壓力升高至130 MPa時(shí)，二者的噴油速率差異明顯；相同脈寬及噴射壓力時(shí)與柴油相比，循環(huán)噴油量以體積計(jì)，B50大于柴油且差距隨壓力上升而增大，而P50則低于柴油且差距隨壓力上升而縮小；循環(huán)噴油量以質(zhì)量計(jì)，P50和B50 均高于柴油且差異率隨壓力上升而增大，但B50和柴油差異率的上升幅度比P50??；以噴射能量計(jì)，除小脈寬工況外，B50和P50的噴射能量均小于柴油，噴射能量由大到小排序?yàn)椴裼汀50、P50。

關(guān)鍵詞：混合燃料；噴射特性；沖量法；聚甲氧基二甲醚；正丁醇

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.003

中圖分類(lèi)號(hào)：TK421.71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2222（2024）05-0018-07

隨著國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的提出和具體措施的陸續(xù)落地，交通領(lǐng)域作為主要碳排放源之一，正面臨著艱巨的碳減排任務(wù)^［1］。由于交通領(lǐng)域的碳排放主要源于化石能源的燃燒，因此，為內(nèi)燃機(jī)尋找清潔綠色的替代燃料是碳減排的重要方向?，F(xiàn)有的研究表明，通過(guò)在柴油中添加PODE、正丁醇等含氧燃料可以大幅降低HC、CO和PM排放，達(dá)到減少碳排放量的目的^［2-3］。PODE和正丁醇是優(yōu)秀的含氧燃料添加劑，有著廣闊的應(yīng)用前景^［4］。 PODE沒(méi)有CC鍵，與柴油有良好的互溶性，含氧量和十六烷值均較高，可以在不改變現(xiàn)有的噴射系統(tǒng)的前提下正常燃燒^［5］。正丁醇作為長(zhǎng)碳鏈醇有較高的十六烷值和低熱值，與柴油混合后穩(wěn)定性較好^［6］。向柴油中摻混含氧添加劑后，混合燃料的噴射特性必然會(huì)發(fā)生變化，而燃料的噴射特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程有著重要的影響。因此，需要對(duì)混合燃料的噴射特性進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。目前研究噴射特性的方法主要有Zeuch 法^［7］、EFS 單次噴射測(cè)試儀^［8］、Bosch 長(zhǎng)管法^［9］等，這些方法可測(cè)試各孔總的噴射規(guī)律，而F. Payri 等^［10］提出了可以對(duì)比測(cè)試各孔噴射特性差異的沖量法。

Payri 等^［11］使用基于沖量法搭建的噴射特性測(cè)試系統(tǒng)，研究了汽油、柴油噴射特性的差異。研究發(fā)現(xiàn)，密度不同導(dǎo)致柴油的質(zhì)量流量高于汽油，汽油噴射過(guò)程中針閥開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的液壓延遲時(shí)間明顯較短。

周談慶等^［12］在現(xiàn)有的動(dòng)量法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙燃料噴射器引燃柴油及天然氣瞬時(shí)質(zhì)量流率的同場(chǎng)測(cè)量，針對(duì)燃?xì)馍淞鲃?dòng)量流與噴氣規(guī)律對(duì)應(yīng)關(guān)系不確定的問(wèn)題，提出了平行測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)了噴氣規(guī)律曲線的高信噪比描繪以及噴氣量的精確測(cè)試。

D. R. Emberson等^［13］使用沖量法測(cè)試系統(tǒng)研究了10%和20%兩種比例的乳化柴油與柴油的噴射特性，發(fā)現(xiàn)增加噴射壓力導(dǎo)致噴射器的液壓延遲延長(zhǎng)，關(guān)閉時(shí)間提前。雖然乳化柴油有著更高的密度，但每種工況下循環(huán)噴油量均小于柴油，乳化柴油的流量系數(shù)較低，噴射速率更高。

趙建輝等^［14］利用基于動(dòng)量法的噴油規(guī)律測(cè)量裝置開(kāi)展了 Bosch 共軌噴油器在不同工況下噴油穩(wěn)定性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在低噴射壓力下，隨著脈寬的增加，噴孔噴射量波動(dòng)率隨之降低。同等脈寬、更高的噴射壓力下，噴孔噴射量波動(dòng)率遠(yuǎn)小于低壓下的波動(dòng)率。

現(xiàn)有的研究證明，通過(guò)在柴油中摻混PODE和正丁醇可以起到降低柴油機(jī)排放的效果。但摻混后混合燃料的密度、運(yùn)動(dòng)黏度等性能發(fā)生了改變，勢(shì)必影響混合燃料的噴射特性，進(jìn)而影響柴油機(jī)的燃燒和排放特性。本研究基于沖量法，搭建了一套可用于多種含氧燃料噴射特性的測(cè)試系統(tǒng)，將柴油、PODE-柴油混合燃料和正丁醇-柴油混合燃料的噴射特性進(jìn)行對(duì)比分析，分析了噴射速率、流量系數(shù)、循環(huán)噴油量、噴射能量等噴射特性參數(shù)隨噴油壓力及脈寬的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)燃料

選用市售柴油、PODE和正丁醇為基礎(chǔ)燃料，其中PODE由PODE，PODE，PODE組成，所占比例分別為49.66%，34.8%，14%。采用PODE與正丁醇分別與柴油摻混的方法得到兩種混合燃料，摻混體積比均為1∶1，PODE-柴油混合燃料與正丁醇-柴油混合燃料分別用P50和B50表示。試驗(yàn)燃料的密度和低熱值如表1所示，密度和低熱值分別通過(guò)測(cè)量和計(jì)算獲得。

1.2 測(cè)量方法

針對(duì)噴油規(guī)律的測(cè)試方法及測(cè)試設(shè)備國(guó)內(nèi)外已有大量研究，本試驗(yàn)所采用的測(cè)試方法是沖量法，該方法的優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)各孔同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的噴射規(guī)律測(cè)試。Payri等^［15］通過(guò)基于沖量法建造的測(cè)試設(shè)備測(cè)量了異辛烷、正戊烷、純乙醇等燃料在GDI噴嘴中的噴射特性，發(fā)現(xiàn)不同燃料密度和黏度的差異對(duì)噴射過(guò)程產(chǎn)生了重要影響。

試驗(yàn)過(guò)程中，燃油從噴孔出口以油束形式擊打在距噴孔出口一定距離的力傳感器上，當(dāng)力傳感器軸線與噴孔軸線垂直時(shí)，燃油噴霧完全擊打在傳感器表面，由動(dòng)量定理可知，所測(cè)得的噴霧沖擊力等于噴孔出口處噴霧動(dòng)量變化率（沖量），因此可將測(cè)得的噴霧沖擊力近似為噴霧沖量，并通過(guò)推導(dǎo)得出各噴孔瞬態(tài)噴油速率表達(dá)式：

流量系數(shù)表達(dá)式：

式中：m·為噴孔出口處噴油速率；p為噴孔入口處壓力，p為噴孔出口處壓力；A為噴孔出口處截面積。

噴孔的循環(huán)噴油量q表達(dá)式：

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

基于沖量法的噴射特性測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。測(cè)試用噴油器為國(guó)產(chǎn)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)配用的七孔噴油器，噴嘴端七個(gè)噴孔均勻分布，每個(gè)噴孔名義尺寸相同，孔徑為0.135 mm，噴孔長(zhǎng)度為0.93 mm，噴孔與針閥軸線夾角為75°。試驗(yàn)選用的壓電晶體式力傳感器型號(hào)及參數(shù)如表2所示。電荷放大器型號(hào)及參數(shù)如表3所示。

噴油器從噴霧測(cè)試柜頂部的開(kāi)孔放入并用夾具固定，以保證噴油器在試驗(yàn)過(guò)程中保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)力傳感器位置使噴霧可以垂直打在目標(biāo)板上。噴霧測(cè)試柜四周使用玻璃罩隔離并在一側(cè)留出油霧輸出接口， 與油霧過(guò)濾器的軟管連接。通過(guò)高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)架控制噴油參數(shù)，通過(guò)力傳感器采集噴霧打在傳感器目標(biāo)板上產(chǎn)生的力信號(hào)，信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后輸入數(shù)據(jù)采集板轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，使用自行編寫(xiě)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 摻混含氧燃料對(duì)噴油規(guī)律的影響

圖2至圖4示出不同噴油壓力時(shí)，3種燃料在不同脈寬下的噴油速率曲線對(duì)比。由圖知，同一工況下3種燃料的噴油速率曲線總體的走向基本相同，相較于柴油，P50 在70 MPa@1 250 μs，90 MPa@1 250 μs和130 MPa@800 μs下噴油持續(xù)期延長(zhǎng)，B50在70 MPa@800 μs，70 MPa@1 250 μs和130 MPa@800 μs下噴油持續(xù)期延長(zhǎng)。

低脈寬下（800 μs），噴油速率曲線呈現(xiàn)出典型的三角波形態(tài)，波形隨著脈寬的增加演變?yōu)榫匦?，這樣的變化符合高負(fù)荷工況對(duì)噴油規(guī)律的要求。在同一壓力下，隨著脈寬增加，3種燃料的噴油持續(xù)時(shí)間都變長(zhǎng)、噴油速率最大值上升且最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻延后。和柴油相比，摻混PODE或正丁醇并沒(méi)有改變噴油速率曲線的基本趨勢(shì)。

從圖2、圖3和圖4中均可以看出，P50以體積計(jì)算的噴射速率較低，與柴油相比，P50的體積流量峰值在70，90 MPa時(shí)降低約0.24 mm³/ms，130 MPa時(shí)降低約0.37 mm³/ms。這是因?yàn)镻ODE密度較高，根據(jù)伯努利定理，液體從孔中溢出的速度與密度成反比，較高的密度導(dǎo)致P50的體積流量較低。

B50的密度和黏度均小于柴油，所以其體積流量稍大。正丁醇的密度僅比柴油小1%左右，相同工況下B50和柴油的體積流量差異小于P50和柴油的差異。低壓下B50和柴油的體積流量曲線差別不大，但隨著噴油壓力上升，差異逐漸變大，二者曲線出現(xiàn)明顯的分離。在70，90，130 MPa下B50體積流量峰值分別比柴油高1.1%，2.2%，3.7%。因?yàn)锽50和柴油密度接近，所以黏度為主要影響因素，B50較小的黏度導(dǎo)致其流速較高，且黏度的影響在高壓下更為顯著。

B50和P50的體積流量差距隨壓力升高而變大，130 MPa下B50的體積流量峰值比P50高約8.6%。因此在使用這兩種混合燃料時(shí)，在高壓下需要重新調(diào)整噴射策略，否則將導(dǎo)致體積流量差異過(guò)大，影響燃燒過(guò)程。從混合燃料的體積流量變化可以看出，燃料特性對(duì)噴油速率的影響隨著壓力上升而變大。

圖5示出不同燃料體積流量變化率的對(duì)比。體積流量變化率定義為：脈寬變化時(shí)，燃料體積流量的變化量與800 μs下體積流量的比值，也就是體積流量相比800 μs脈寬上升或下降的幅度，這一數(shù)值反映了脈寬對(duì)體積流量的影響。從圖5可以看出，3種燃料的變化趨勢(shì)基本相同。壓力較低時(shí)，脈寬增加，體積流量峰值上升幅度較大，高壓（130 MPa）下體積流量峰值上升幅度較小，P50甚至出現(xiàn)了下降。

在不同壓力下的體積流量變化率

質(zhì)量流量代表單位噴射時(shí)間內(nèi)注入燃燒室的油量。由于PODE、正丁醇熱值均低于柴油，如果混合燃料與柴油的質(zhì)量流量相同，必然導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率下降，需要根據(jù)質(zhì)量流量的變化調(diào)整噴射策略來(lái)維持功率輸出。

對(duì)比3種燃料的質(zhì)量流量和體積流量曲線可以看出，P50的體積流量峰值最小，但其質(zhì)量流量峰值卻最大，這種對(duì)比在130 MPa時(shí)最為明顯。130 MPa@1 250 μs下B50的體積流量峰值比P50高8.6%，但此時(shí)P50的質(zhì)量流量峰值卻要比B50高出12.1%。

圖6示出脈寬和噴射壓力對(duì)混合燃料噴油質(zhì)量流量變化率的影響。噴油質(zhì)量流量變化率定義為相同工況下，以柴油為基準(zhǔn)，混合燃料質(zhì)量流量的變化量與柴油質(zhì)量流量的比值，這一數(shù)值反映了摻混含氧燃料后噴油質(zhì)量流量與柴油相比的變化幅度。

相對(duì)于柴油的噴油質(zhì)量流量變化率

從圖6可以看出，脈寬對(duì)P50和B50質(zhì)量流量變化率的影響較小，低壓下脈寬從800 μs增加到1 500 μs時(shí)，兩種燃料的變化率波動(dòng)不大。 脈寬恒定而壓力逐漸增大時(shí)，B50的質(zhì)量流量變化率均隨之上升，而P50除在800 μs時(shí)全程保持上升，其他脈寬下壓力由90 MPa升高至130 MPa時(shí)變化率下降。以柴油為基準(zhǔn)，不同壓力下P50的質(zhì)量流量變化率均顯著高于B50，這表明摻混PODE對(duì)混合燃料的噴射特性影響更大。

2.2 摻混含氧燃料對(duì)流量系數(shù)的影響

由圖7可以看出，摻混不同的含氧燃料后， 流量系數(shù)曲線的整體形狀和變化趨勢(shì)相比柴油基本不變。隨著脈寬增加，流量系數(shù)變大，噴油終點(diǎn)延后，噴油持續(xù)期變長(zhǎng)。

壓力增加到一定程度后，較短的脈寬下流量系數(shù)就可以到達(dá)至峰值，這是因?yàn)楦邏合聡娮靸?nèi)部的流場(chǎng)發(fā)展更迅速。70 MPa和90 MPa下流量系數(shù)峰值出現(xiàn)在1 250 μs脈寬下，而當(dāng)壓力升高至130 MPa，流量系數(shù)在脈寬800 μs時(shí)就已到達(dá)最高值，高壓下流量系數(shù)峰值不再隨脈寬增加而變大。

3種燃料的流量系數(shù)從大到小依次為B50、P50、柴油，但總體差距較小。

2.3 摻混含氧燃料對(duì)循環(huán)噴油量的影響

圖8示出3種燃料在不同壓力和脈寬下的循環(huán)噴油量對(duì)比。從圖中可以看出，柴油、P50和B50的循環(huán)噴油量變化規(guī)律基本一致，壓力不變時(shí)隨著脈寬增加，循環(huán)噴油量隨之增加，這是因?yàn)檩^大的脈寬使得針閥可以達(dá)到最大升程處并充分停留。

從圖8分析得出，B50的體積計(jì)循環(huán)噴油量大于柴油，差距隨壓力上升而擴(kuò)大，而P50則低于柴油且差距隨壓力上升而縮小?？梢钥闯觯}寬恒定、壓力逐漸升高時(shí)，以柴油為基準(zhǔn)，B50和P50循環(huán)噴油量體積差異率的變化趨勢(shì)正相反。摻混不同的含氧燃料后，混合燃料與柴油的循環(huán)噴油量差異隨著壓力的變化出現(xiàn)了不同的變化趨勢(shì)。

脈寬為1 500 μs時(shí)，不同壓力下P50和B50的質(zhì)量計(jì)循環(huán)噴油量均高于柴油，且變化幅度隨壓力上升而擴(kuò)大，但B50和柴油之間差距的上升幅度比P50小。

循環(huán)噴油量的結(jié)果與噴油速率的變化規(guī)律相符。對(duì)比兩種混合燃料與柴油的差異，脈寬恒定時(shí)，隨著壓力的變化， B50、P50的體積變化率出現(xiàn)了相反的變化趨勢(shì)。當(dāng)壓力升高時(shí)，P50和柴油的循環(huán)噴油量體積差異率逐漸縮小，但循環(huán)噴油量質(zhì)量差異率卻隨著壓力上升而擴(kuò)大，B50和柴油的體積差異率與質(zhì)量差異率均隨著壓力上升變大。

2.4 摻混含氧燃料對(duì)噴射能量的影響

噴射能量定義為循環(huán)噴油量與低熱值的乘積，E=mH，式中H為燃油低熱值。噴射能量（見(jiàn)圖9）由循環(huán)噴油量計(jì)算而來(lái)，因此噴射能量圖和循環(huán)噴油量圖的差異是3種燃料低熱值不同導(dǎo)致的。

由圖9可知，隨著壓力和脈寬上升，燃料的噴射能量隨之變大。除B50在70，130 MPa下，脈寬為800 μs時(shí)噴射能量略高于柴油，其他所有工況下，B50和P50的噴射能量均小于柴油，噴射能量由大到小排序?yàn)椴裼?、B50、P50。使用混合燃料時(shí)需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)重新標(biāo)定。

3 結(jié)論

a） P50以體積計(jì)的噴油速率低于柴油，但以質(zhì)量計(jì)的噴油速率大于柴油，且質(zhì)量流量的變化隨壓力上升而擴(kuò)大；不同壓力下P50的質(zhì)量流量變化率均顯著高于B50，摻混PODE對(duì)混合燃料的噴射特性有更大的影響；

b） 高壓下噴嘴內(nèi)部的流場(chǎng)發(fā)展更迅速，所以高壓下較短的脈寬就可以使流量系數(shù)到達(dá)峰值，B50和柴油流量系數(shù)的變化隨壓力上升而擴(kuò)大，而 P50 與柴油的差距則先升高后下降；

c） P50的體積計(jì)循環(huán)噴油量低于柴油，脈寬恒定時(shí)變化率隨壓力上升而縮小，而B(niǎo)50則高于柴油，脈寬恒定時(shí)變化率隨壓力上升而擴(kuò)大，摻混不同的含氧燃料后，混合燃料的循環(huán)噴油量隨著壓力升高出現(xiàn)了不同的變化趨勢(shì)；

d） 除小脈寬工況外，B50和P50的噴射能量均小于柴油，噴射能量由大到小排序?yàn)椴裼?、B50、P50，使用混合燃料時(shí)需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)重新標(biāo)定。

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Effects of Blending Oxygenated Fuels on Blended Fuel Injection Characteristics

LUO Fuqiang，WU Zixu，WANG Chuqiao，JIN Tianyu

（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

Abstract： To investigate the effects of blending oxygenated fuels on fuel injection characteristics， PODE and butanol were mixed with diesel in 50% volume fraction to obtain PODE-diesel and n-butanol-diesel blends， marked as P50 and B50 respectively. A high-pressure common rail test bench was used， and an injection characteristic test system based on the momentum flux method was employed to study the differences of injection characteristics of diesel， PODE-diesel and n-butanol-diesel under various operating conditions. The results show that blending oxygenated fuels have a significant influence on injection rate. The volumetric flow rate of P50 is lower than that of diesel， while the mass flow rate shows the opposite trend. The difference in injection rate between B50 and diesel is little at low pressure and becomes significant when the pressure rises to 130 MPa. Compared with diesel， B50 is larger than diesel and the difference increases with the increase of pressure， while P50 is smaller than diesel and the difference decreases with the increase of pressure according to cyclic injection volume under the same injection pulse width and pressure. According to cyclic injection mass， both P50 and B50 are higher than diesel and the difference rate increases with the increase of pressure， but the increase rate of difference between B50 and diesel is smaller than that of P50. According to cyclic injection energy， P50 and B50 are lower than diesel except at short injection pulse width and the order from high to low is diesel， B50 and P50.

Key words： blended fuel;injection characteristic;momentum flux method;polyoxymethylene dimethyl ether;n-butanol

［編輯：袁曉燕］