2-甲基呋喃及其與異辛烷摻混燃料噴霧的微觀特性研究

丁海春， 江長照， Hongming XU， 左承基

(1.University of Birmingham, Mechanical School of Mechanical Engineering, B19 2TT UK;2.合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院， 安徽 合肥 230009)

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2-甲基呋喃及其與異辛烷摻混燃料噴霧的微觀特性研究

丁海春1,2， 江長照1， Hongming XU1， 左承基2

(1.University of Birmingham, Mechanical School of Mechanical Engineering, B19 2TT UK;2.合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院， 安徽 合肥 230009)

第二代生物燃料2-甲基呋喃(MF)由于其獨特的物理化學性質(zhì)受到學者們的廣泛關(guān)注，研究MF以及它的摻混燃料在不同條件下的霧化效果也顯得尤為重要。利用相位多普勒技術(shù)(PDPA)，在不同噴射壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境背壓下，研究了MF、異辛烷以及兩者等體積摻混燃料MF50噴霧的粒徑與速度分布規(guī)律。結(jié)果表明：測試燃料的噴霧粒徑整體分布呈現(xiàn)油束中心大，兩端小的對稱分布。微粒速度隨環(huán)境背壓的增加而降低，并且在低背壓下速度為雙峰分布，高背壓下則是單峰分布。隨著環(huán)境背壓的增大，異辛烷粒徑不斷增加，MF粒徑先減小再增加。

2-甲基呋喃； 異辛烷； 混合燃料； 燃油霧化； 粒徑； 速度

由于全球溫室效應的加劇和化石燃料的過量消耗，越來越多的學者開始研究代用燃料的各種物理化學性質(zhì)，其中包括對代用燃料噴霧特點的研究[1-3]。乙醇作為汽油的替代品之一，目前對其進行的研究一直是主流[4-5]。但是乙醇也有其自身的缺陷，比如高揮發(fā)性，低能量密度，生產(chǎn)過程很大程度地依賴糧食等等，限制了這種燃料的進一步發(fā)展。

Roman等[6-8]提出了大規(guī)模制造2-甲基呋喃(MF)和2，5-甲基呋喃(DMF)的方法，其生產(chǎn)不使用糧食與油料，燃料本身具有較高能量密度，無需改變現(xiàn)有發(fā)動機結(jié)構(gòu)就能使用，因此它們被稱為第二代生物燃料。與乙醇相比，MF與DMF有著很多的優(yōu)勢：首先是能量密度較大，與汽油比較接近；其次MF與DMF與水不相溶，有利于儲存；再者，MF與DMF的汽化潛熱遠低于乙醇，具有冷啟動優(yōu)勢。因此與乙醇相比，MF與DMF更適合作為汽油的代用燃料。

筆者所在的研究團隊對MF與DMF進行了一系列相關(guān)的研究。Tian等[9-11]研究了它們在單缸直噴汽油機中的排放特性，并與汽油進行了對比，結(jié)果表明：DMF的燃燒和排放特性與汽油類似，MF有著更快的燃燒速度，并有更好的抗爆性，MF的PM排放量也比較低。Tian等[12]利用相位多普勒粒子分析技術(shù)(PDPA)研究了DMF的噴霧特性，發(fā)現(xiàn)DMF與乙醇相比，在噴霧特性上更接近于汽油。Wang等[13]研究了MF、DMF、乙醇和汽油在直噴汽油機上的排放特性與發(fā)動機性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)盡管MF與DMF的化學結(jié)構(gòu)類似，但是它們的燃燒特點有很大區(qū)別。

燃料霧化質(zhì)量會很大程度影響缸內(nèi)直噴發(fā)動機的燃燒過程，但到目前為止，針對MF及其摻混燃料噴霧的微觀特性研究不多。本研究利用PDPA技術(shù)，在定容燃燒彈內(nèi)研究了不同噴射條件下MF及其摻混燃料的噴霧微觀特性(粒徑分布與微粒速度分布)。

1 試驗裝置和方法

圖1示出PDPA試驗裝置，主要由定容彈、油壓控制系統(tǒng)、噴油信號控制系統(tǒng)和PDPA系統(tǒng)組成。

正方形定容彈四周有直徑100 mm的光學視窗，裝有進、排氣電磁閥和安全閥。定容彈的8個角落都裝有功率為250 W的加熱器，最高可將定容彈加熱到120 ℃。定容彈所有接合部位都設有特制的密封圈，保證定容彈在背壓到達0.7 MPa時依然保持良好的密封性。

PDPA系統(tǒng)采用DANTEC 3-D PDPA系統(tǒng)，包括了三維移動系統(tǒng)、激光發(fā)射和信號接收系統(tǒng)。其中移動系統(tǒng)可以在三維方向任意移動，精度為0.01 mm。系統(tǒng)使用AR-ION激光，產(chǎn)生514.5 mm和488 mm兩種不同波長的激光。激光的接收端與發(fā)射端成70°角。

試驗用噴嘴采用一款車用GDI 6孔噴嘴，孔徑為0.2 mm，噴油持續(xù)期設定為1 ms。測試燃料為2-甲基呋喃(MF)、異辛烷和MF與異辛烷按照體積比1∶1摻混的混合燃料(MF50)。表1列出測試燃料與其他常用燃料的對比。表2列出測試燃料主要物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫值與測量值，以保證摻混燃料物理性質(zhì)測量的準確性。試驗測試條件列于表3。

表1 常用燃料的物理化學性質(zhì)

表2 測試燃料主要物理性質(zhì)

表3 PDPA試驗測試條件

在PDPA試驗中首先選定噴霧中某一油束(見圖2)，然后選取距離噴口垂直高度分別為30 mm，40 mm，50 mm，60 mm的位置，在每個高度位置上，以1 mm為間隔，從油束中心左右各測量2～4個點，保證在油束每個高度位置上有5～8個測量點，使每幅PDPA測量圖上至少獲得20 000個有效數(shù)據(jù)點。

2 試驗結(jié)果與分析

圖3示出PDPA測試系統(tǒng)獲得的某噴霧油束的微粒速度分布，其中虛點為實際微粒瞬時速度，實線為對應時刻的微粒平均速度。從圖中可以看出，整個分布形態(tài)分為頭部和尾部兩個區(qū)域，從噴油開始到探測到液滴有一段噴射延遲，由噴嘴開啟延遲和油束傳播延遲兩部分組成。為了便于分析與討論，通常使用微粒的平均速度進行對比。

液體破碎成液滴是在內(nèi)力和外力的作用下完成的，這兩種力與燃油物理性質(zhì)和噴射條件有關(guān)，通常利用雷諾數(shù)Re和韋伯數(shù)We來表征。雷諾數(shù)和韋伯數(shù)的表達式分別為Re=ρ·u·d/μ，We=ρu2·d/δ，式中：ρ為液體密度；u為初始噴射速度；d為噴孔孔徑；μ為液體黏度；δ為液體表面張力。雷諾數(shù)表征的是慣性力與黏性力的比值，該數(shù)值越大，越容易霧化。韋伯數(shù)表征的是慣性力與表面張力的比值，該數(shù)值越大，慣性力作用越大，液體越容易霧化。

對于GDI發(fā)動機，燃料噴霧微粒大小是影響燃燒和排放性能的重要參數(shù)。通常用索特平均直徑(SMD)來表征油束霧化效果，索特平均直徑是液滴體積與表面積的比值，SMD越小表明油束霧化效果越好。

2.1 測試位置的影響

圖4示出在15MPa噴射壓力、定容彈溫度為20 ℃、環(huán)境背壓為0.1MPa條件下，不同測試高度時MF噴霧微粒粒徑與速度的分布。隨著噴霧的發(fā)展，霧化過程使噴霧粒徑逐漸變小。但從圖4a中可以發(fā)現(xiàn)，粒徑隨著高度增加而略有增加。這是因為隨著噴霧往下游發(fā)展，小的液滴消失的更多，剩下的都是粒徑較大的微粒。另外，在定容彈中液滴與周圍剩余液滴碰撞結(jié)合成大液滴的可能性也增大，導致隨著高度的增加，所測得的SMD略有增加。圖4b示出不同測量高度下的微粒速度分布。從30mm到60mm，微粒最大速度從120m/s降到70m/s，測量起始點從0.9ms推遲到1.4ms。這是由于在空氣阻力的作用下，微粒速度會隨著噴霧進程不斷減小。在下文針對微粒速度分析時，都采用高度40mm的數(shù)據(jù)。

圖5示出此噴射條件下MF噴霧的整體粒徑分布，從該圖可以發(fā)現(xiàn)，整體粒徑在9～12μm之間，并且呈現(xiàn)油束中心大于兩邊的對稱分布，這是由于油束中心微粒與空氣作用較少所導致。其他測試燃料在各位置的微粒粒徑分布趨勢與MF類似，此處不再一一列出。

2.2 噴射壓力的影響

圖6示出在定容彈溫度20 ℃、背壓0.1MPa、不同噴射壓力下，MF的粒徑和速度分布?？梢钥闯觯琒MD隨著噴射壓力的增加而顯著降低。從5MPa到15MPa，SMD減小了接近50%。這是由于高的噴射壓力導致高的出口速度，燃料在這個條件下的雷諾數(shù)增加，使得燃料更容易霧化，從而獲得更小的SMD值。微粒速度在噴射壓力從5MPa增大到10MPa時，最大速度從51m/s增加到80m/s，上升幅度為36%；而噴射壓力從10MPa增大到15MPa時，最大速度從80m/s增加到100m/s，上升幅度為20%。因而可以看出，微粒速度隨著噴射壓力的增加而增大，但是增幅會明顯減小。

2.3 環(huán)境背壓的影響

環(huán)境背壓的增加一方面會導致空氣阻力增加，使油束速度下降、粒徑增大,另一方面會增加氣體對液滴的剪切作用，從而減小粒徑[14]。因此，可以預測微粒速度隨著環(huán)境背壓的增加而降低，但是不同燃料在不同環(huán)境背壓下將會有不同的粒徑分布特性。

圖7示出不同測試燃料在噴射壓力15MPa、不同環(huán)境背壓情況下40mm高度的微粒速度分布。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境背壓從0.1MPa升高到0.3MPa時，所有燃料的微粒速度顯著降低；從0.3MPa提高到0.7MPa時，速度依舊降低，但是降幅明顯變小。表明隨著環(huán)境背壓的持續(xù)增加，微粒速度減小幅度將不斷減小。

值得注意的是，低背壓下速度分布都呈現(xiàn)出雙峰曲線，這是因為微粒剛到40mm高度測試位置時，由于動量不斷降低使速度下降，而后續(xù)較大動量的液滴經(jīng)過該測試區(qū)域時，使微粒速度再次上升，當噴油結(jié)束時，測試區(qū)域的微粒速度又會再一次下降。隨著環(huán)境背壓的增高，當微粒到達測試區(qū)域之前，由于空氣阻力較大，減速過程已經(jīng)結(jié)束，因而在高背壓情況下顯示出單峰值曲線。

圖8示出各測試燃料在噴射壓力為15MPa、不同環(huán)境背壓情況下不同測試位置的SMD分布。從該圖可以發(fā)現(xiàn)，異辛烷的粒徑隨著環(huán)境背壓的增加而增大，在40mm的位置，SMD從0.1MPa的11.2μm，到0.3MPa的11.9μm，再到0.7MPa的16μm，分別增加了6%和33%。表明對于異辛烷，環(huán)境背壓增加帶來的慣性力下降所引起的粒徑增大作用要大于剪切力增加帶來的粒徑減小作用。MF的SMD分布隨著環(huán)境背壓的增加先增大后減小，表明環(huán)境背壓在0.3MPa時，剪切力對粒徑的作用大于空氣阻力作用，而在0.7MPa時，空氣阻力帶來的減速效果要大于剪切力作用。MF50的SMD分布在0.1MPa和0.3MPa時基本一致，表明空氣阻力與剪切力作用在這兩種背壓下差不多相互抵消，0.7MPa時的粒徑分布則表明速度降低效果占主導。總的來說，所有燃料的SMD粒徑分布在環(huán)境背壓足夠高時都會呈現(xiàn)明顯的粒徑增加趨勢。

2.4 環(huán)境溫度的影響

圖9示出異辛烷和MF燃料在15MPa噴射壓力、0.1MPa背壓條件下，不同定容彈溫度下的粒徑和速度分布。對于異辛烷(沸點99 ℃)，SMD在40mm之后隨著環(huán)境溫度升高而降低，而MF(沸點64 ℃)的SMD隨著環(huán)境溫度升高先減小后增大。這是由于當環(huán)境溫度小于沸點時，環(huán)境溫度的提高使得燃料更容易霧化，從而獲得更小的SMD。當環(huán)境溫度高于沸點時，油束到達測量點時，細小的液滴已經(jīng)霧化完全消失，測量到的為粒徑較大的粒子，因而所測得的粒徑較大。在微粒速度方面，對于異辛烷，當環(huán)境溫度小于沸點溫度時，速度隨著定容彈溫度的上升而下降，這是因為環(huán)境溫度增加，霧化效果加強，微粒變小，從而動量減小。對于MF，環(huán)境溫度在20 ℃和60 ℃時的速度幾乎一致，但是都明顯大于90 ℃下的速度，這是因為溫度高于沸點時，噴霧霧化劇烈，只有少數(shù)微粒能夠發(fā)展至40mm位置處。

2.5 燃料性質(zhì)的影響

圖10示出在15MPa噴射壓力、20 ℃定容彈溫度、0.1MPa環(huán)境背壓時各測試燃料的粒徑速度分布，雷諾數(shù)和韋伯數(shù)的分布見圖11。由圖10可見，異辛烷的粒徑略微大于MF，MF50在40mm處粒徑最小，其余位置的粒徑都大于兩種純?nèi)剂稀Ｔ谒俣确矫?，異辛烷有著最大的粒子速度，MF粒子速度最低，MF50介于兩種純?nèi)剂现g。

雷諾數(shù)和韋伯數(shù)都可以表征燃料霧化情況。由圖11可知，異辛烷的雷諾數(shù)要小于MF，而二者的韋伯數(shù)差不多，這表明黏度大的異辛烷使得慣性力更加難以將其破碎，因而異辛烷的粒徑要大于MF。異辛烷摻混MF之后，摻混燃料的物理性質(zhì)發(fā)生非線性變化，使得MF50的雷諾數(shù)并非在兩種純?nèi)剂现g，其韋伯數(shù)大幅度降低，表明在這個噴射條件下，表面張力起著較大作用，使得MF50在大多數(shù)位置上的粒徑最大。

圖12示出各燃料在15MPa噴射壓力、20 ℃環(huán)境溫度、0.3MPa和0.7MPa環(huán)境背壓下的粒徑、速度分布，圖13示出相應條件下的雷諾數(shù)與韋伯數(shù)。兩種背壓下，粒徑分布趨勢都是異辛烷最大，MF最小，MF50介于兩者之間。在0.3MPa到0.7MPa兩種背壓下，MF50的粒徑分別比MF大4%和7%，這表明，隨著環(huán)境背壓的增高，MF50粒徑分布向異辛烷發(fā)展。0.3MPa背壓時異辛烷與MF的韋伯數(shù)幾乎一致，而異辛烷的雷諾數(shù)小于MF，表明此時MF黏性力的作用小于異辛烷，從而有更小的粒徑分布。MF50的雷諾數(shù)與韋伯數(shù)的趨勢與常壓下一致，表明此時對粒徑起著決定作用的是黏性力。用相同的原理也能解釋0.7MPa時的粒徑分布。

環(huán)境背壓從0.3MPa增加到0.7MPa時，MF的峰值速度從45m/s降到40m/s，異辛烷峰值速度從46m/s降到35m/s。很明顯，環(huán)境背壓對異辛烷的速度抑制更明顯，這也是為什么0.3MPa時異辛烷微粒速度略大于MF，7MPa時卻趨勢相反。同時還可以發(fā)現(xiàn)，MF50在環(huán)境背壓為0.3MPa時微粒速度最小。在7MPa時，MF50頭部速度較大，尾部速度較小?？傮w上來說，MF50的速度分布沒有出現(xiàn)很明顯的規(guī)律。

3 結(jié)論

a) 所測燃料的噴霧粒徑整體分布呈現(xiàn)出油束中心大，兩邊小的對稱分布趨勢；

b) 噴霧微粒速度隨著噴射壓力增加而增大，但是增加幅度明顯減小；微粒速度隨著環(huán)境背壓增加而降低，低環(huán)境背壓下的微粒速度分布具有雙峰值特點，在高環(huán)境背壓下微粒速度則呈現(xiàn)出單峰值特點；

c) 對于異辛烷燃料，增加環(huán)境背壓帶來的慣性力下降引起粒徑增大作用大于剪切力增加帶來的粒徑減小作用，因而粒徑隨著環(huán)境背壓增加而不斷增加；MF的粒徑隨著環(huán)境背壓的增加先增加再減小；MF50的粒徑在0.1MPa和0.3MPa時基本一致，表明在這兩種背壓下，兩種作用相互抵消，0.7MPa時粒徑增加表明此時速度降低對粒徑的影響占主導；

d) 異辛烷摻混MF之后，其摻混燃料的物理性質(zhì)發(fā)生非線性變化，使得MF50在常壓下粒徑反而大于兩種純?nèi)剂?，并且MF50的速度分布沒有明顯規(guī)律；

e) 當環(huán)境溫度小于燃料沸點時，提高環(huán)境溫度使得燃料更容易霧化，從而獲得更小的粒徑分布；當環(huán)境溫度高于沸點時，油束到達測量點時，細小的液滴已經(jīng)霧化完全消失，測量到的是粒徑較大的噴霧油滴。

致謝

本文研究是筆者在國家公派聯(lián)合培養(yǎng)博士生項目所在學校英國伯明翰大學完成的，感謝伯明翰大學對這次試驗研究所提供的設備與資金支持。

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[編輯: 李建新]

Microscopic Spray Characteristic of 2-Methfuran and Its Blended Fuel with Isooctane

DING Haichun1,2， JIANG Changzhao1， Hongming XU1， ZUO Chengji2

(1.University of Birmingham, Mechanical School of Mechanical Engineering, B19 2TT UK;2. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China )

The second generation of biofuel 2-methfuran (MF) had drawn a lot of attention due to its unique physical and chemical properties and the investigation on atomization effect of MF and its blended fuel became very important. Under different injection pressures, ambient temperatures and back pressures, the droplet diameter and velocity of spray for MF, isooctane and MF50 blended fuel were researched with phase Doppler particle analyzer(PDPA). The results show that the droplet size is large in the center of fuel beam and small on both edges. The velocity of droplet decreases with the increase of back pressure and shows a bimodal and unimodal distribution at low and high back pressure respectively. With the increase of back pressure, the droplet size of isooctane increases and the droplet size of MF first decreases then increases.

2-methfuran; isooctane; blended fuel; fuel spray; droplet size; velocity

2015-05-21;

2015-09-10

丁海春(1988—)，男，博士，主要研究代用燃料噴霧與燃燒特性; haichun_ding@163.com。

左承基(1955—)，男，教授，主要研究內(nèi)燃機燃燒與排放控制; chengjizuo@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.008

TK407.9

B

1001-2222(2015)05-0044-08