丁海春， 江長(zhǎng)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(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)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(zhǎng)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(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

第二代生物燃料2-甲基呋喃(MF)由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)受到學(xué)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(cè)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(duì)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(yīng)的加劇和化石燃料的過(guò)量消耗，越來(lái)越多的學(xué)者開始研究代用燃料的各種物理化學(xué)性質(zhì)，其中包括對(duì)代用燃料噴霧特點(diǎn)的研究[1-3]。乙醇作為汽油的替代品之一，目前對(duì)其進(jìn)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(guò)程很大程度地依賴糧食等等，限制了這種燃料的進(jìn)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(wú)需改變現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)：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(chǔ)存；再者，MF與DMF的汽化潛熱遠(yuǎn)低于乙醇，具有冷啟動(dòng)優(yōu)勢(shì)。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(tuán)隊(duì)對(duì)MF與DMF進(jìn)行了一系列相關(guān)的研究。Tian等[9-11]研究了它們?cè)趩胃字眹娖蜋C(jī)中的排放特性，并與汽油進(jìn)行了對(duì)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(jī)上的排放特性與發(fā)動(dòng)機(jī)性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)盡管MF與DMF的化學(xué)結(jié)構(gòu)類似，但是它們的燃燒特點(diǎn)有很大區(qū)別。

燃料霧化質(zhì)量會(huì)很大程度影響缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程，但到目前為止，針對(duì)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(yàn)裝置和方法

圖1示出PDPA試驗(yàn)裝置，主要由定容彈、油壓控制系統(tǒng)、噴油信號(hào)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(xué)視窗，裝有進(jìn)、排氣電磁閥和安全閥。定容彈的8個(gè)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(shè)有特制的密封圈，保證定容彈在背壓到達(dá)0.7 MPa時(shí)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(dòng)系統(tǒng)、激光發(fā)射和信號(hào)接收系統(tǒng)。其中移動(dòng)系統(tǒng)可以在三維方向任意移動(dòng)，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(zhǎng)的激光。激光的接收端與發(fā)射端成70°角。

試驗(yàn)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(shè)定為1 ms。測(cè)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(cè)試燃料與其他常用燃料的對(duì)比。表2列出測(cè)試燃料主要物理性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫(kù)值與測(cè)量值，以保證摻混燃料物理性質(zhì)測(cè)量的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)測(cè)試條件列于表3。

表1 常用燃料的物理化學(xué)性質(zhì)

表2 測(cè)試燃料主要物理性質(zhì)

表3 PDPA試驗(yàn)測(cè)試條件

在PDPA試驗(yàn)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(gè)高度位置上，以1 mm為間隔，從油束中心左右各測(cè)量2～4個(gè)點(diǎn)，保證在油束每個(gè)高度位置上有5～8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，使每幅PDPA測(cè)量圖上至少獲得20 000個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3示出PDPA測(cè)試系統(tǒng)獲得的某噴霧油束的微粒速度分布，其中虛點(diǎn)為實(shí)際微粒瞬時(shí)速度，實(shí)線為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的微粒平均速度。從圖中可以看出，整個(gè)分布形態(tài)分為頭部和尾部?jī)蓚€(gè)區(qū)域，從噴油開始到探測(cè)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(jìn)行對(duì)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?dāng)?shù)We來(lái)表征。雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的表達(dá)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?dāng)?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(duì)于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，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(lái)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(cè)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(cè)試高度時(shí)MF噴霧微粒粒徑與速度的分布。隨著噴霧的發(fā)展，霧化過(guò)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?yàn)殡S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(dǎo)致隨著高度的增加，所測(cè)得的SMD略有增加。圖4b示出不同測(cè)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(cè)量起始點(diǎn)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(huì)隨著噴霧進(jìn)程不斷減小。在下文針對(duì)微粒速度分析時(shí)，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(duì)稱分布，這是由于油束中心微粒與空氣作用較少所導(dǎo)致。其他測(cè)試燃料在各位置的微粒粒徑分布趨勢(shì)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(dǎo)致高的出口速度，燃料在這個(gè)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(shí)，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(shí)，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(huì)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(huì)導(dǎo)致空氣阻力增加，使油束速度下降、粒徑增大,另一方面會(huì)增加氣體對(duì)液滴的剪切作用，從而減小粒徑[14]。因此，可以預(yù)測(cè)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(huì)有不同的粒徑分布特性。

圖7示出不同測(cè)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(shí)，所有燃料的微粒速度顯著降低；從0.3MPa提高到0.7MPa時(shí)，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?yàn)槲⒘偟?0mm高度測(cè)試位置時(shí)，由于動(dòng)量不斷降低使速度下降，而后續(xù)較大動(dòng)量的液滴經(jīng)過(guò)該測(cè)試區(qū)域時(shí)，使微粒速度再次上升，當(dāng)噴油結(jié)束時(shí)，測(cè)試區(qū)域的微粒速度又會(huì)再一次下降。隨著環(huán)境背壓的增高，當(dāng)微粒到達(dá)測(cè)試區(qū)域之前，由于空氣阻力較大，減速過(guò)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(cè)試燃料在噴射壓力為15MPa、不同環(huán)境背壓情況下不同測(cè)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(duì)于異辛烷，環(huán)境背壓增加帶來(lái)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(lái)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(shí)，剪切力對(duì)粒徑的作用大于空氣阻力作用，而在0.7MPa時(shí)，空氣阻力帶來(lái)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(shí)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(shí)的粒徑分布則表明速度降低效果占主導(dǎo)。總的來(lái)說(shuō)，所有燃料的SMD粒徑分布在環(huán)境背壓足夠高時(shí)都會(huì)呈現(xiàn)明顯的粒徑增加趨勢(shì)。

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(duì)于異辛烷(沸點(diǎn)99 ℃)，SMD在40mm之后隨著環(huán)境溫度升高而降低，而MF(沸點(diǎn)64 ℃)的SMD隨著環(huán)境溫度升高先減小后增大。這是由于當(dāng)環(huán)境溫度小于沸點(diǎn)時(shí)，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(dāng)環(huán)境溫度高于沸點(diǎn)時(shí)，油束到達(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，細(xì)小的液滴已經(jīng)霧化完全消失，測(cè)量到的為粒徑較大的粒子，因而所測(cè)得的粒徑較大。在微粒速度方面，對(duì)于異辛烷，當(dāng)環(huán)境溫度小于沸點(diǎn)溫度時(shí)，速度隨著定容彈溫度的上升而下降，這是因?yàn)榄h(huán)境溫度增加，霧化效果加強(qiáng)，微粒變小，從而動(dòng)量減小。對(duì)于MF，環(huán)境溫度在20 ℃和60 ℃時(shí)的速度幾乎一致，但是都明顯大于90 ℃下的速度，這是因?yàn)闇囟雀哂诜悬c(diǎn)時(shí)，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(shí)各測(cè)試燃料的粒徑速度分布，雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?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?dāng)?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?dāng)?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?dāng)?shù)大幅度降低，表明在這個(gè)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(yīng)條件下的雷諾數(shù)與韋伯?dāng)?shù)。兩種背壓下，粒徑分布趨勢(shì)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(shí)異辛烷與MF的韋伯?dāng)?shù)幾乎一致，而異辛烷的雷諾數(shù)小于MF，表明此時(shí)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?dāng)?shù)的趨勢(shì)與常壓下一致，表明此時(shí)對(duì)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(shí)的粒徑分布。

環(huán)境背壓從0.3MPa增加到0.7MPa時(shí)，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(duì)異辛烷的速度抑制更明顯，這也是為什么0.3MPa時(shí)異辛烷微粒速度略大于MF，7MPa時(shí)卻趨勢(shì)相反。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，MF50在環(huán)境背壓為0.3MPa時(shí)微粒速度最小。在7MPa時(shí)，MF50頭部速度較大，尾部速度較小?？傮w上來(lái)說(shuō)，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(cè)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(duì)稱分布趨勢(shì)；

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?。晃⒘Ｋ俣入S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(diǎn)，在高環(huán)境背壓下微粒速度則呈現(xiàn)出單峰值特點(diǎn)；

c) 對(duì)于異辛烷燃料，增加環(huán)境背壓帶來(lái)的慣性力下降引起粒徑增大作用大于剪切力增加帶來(lái)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??；MF50的粒徑在0.1MPa和0.3MPa時(shí)基本一致，表明在這兩種背壓下，兩種作用相互抵消，0.7MPa時(shí)粒徑增加表明此時(shí)速度降低對(duì)粒徑的影響占主導(dǎo)；

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(dāng)環(huán)境溫度小于燃料沸點(diǎn)時(shí)，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(dāng)環(huán)境溫度高于沸點(diǎn)時(shí)，油束到達(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，細(xì)小的液滴已經(jīng)霧化完全消失，測(cè)量到的是粒徑較大的噴霧油滴。

致謝

本文研究是筆者在國(guó)家公派聯(lián)合培養(yǎng)博士生項(xiàng)目所在學(xué)校英國(guó)伯明翰大學(xué)完成的，感謝伯明翰大學(xué)對(duì)這次試驗(yàn)研究所提供的設(shè)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?jī)?nèi)燃機(jī)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