2-甲基呋喃及其与异辛烷掺混燃料喷雾的微观特性研究

丁海春， 江长照， Hongming XU， 左承基

(1.University of Birmingham, Mechanical School of Mechanical Engineering, B19 2TT UK;2.合肥工业大学机械与汽车工程学院， 安徽 合肥 230009)



2-甲基呋喃及其与异辛烷掺混燃料喷雾的微观特性研究

丁海春1,2， 江长照1， Hongming XU1， 左承基2

(1.University of Birmingham, Mechanical School of Mechanical Engineering, B19 2TT UK;2.合肥工业大学机械与汽车工程学院， 安徽 合肥 230009)

第二代生物燃料2-甲基呋喃(MF)由于其独特的物理化学性质受到学者们的广泛关注，研究MF以及它的掺混燃料在不同条件下的雾化效果也显得尤为重要。利用相位多普勒技术(PDPA)，在不同喷射压力、环境温度、环境背压下，研究了MF、异辛烷以及两者等体积掺混燃料MF50喷雾的粒径与速度分布规律。结果表明：测试燃料的喷雾粒径整体分布呈现油束中心大，两端小的对称分布。微粒速度随环境背压的增加而降低，并且在低背压下速度为双峰分布，高背压下则是单峰分布。随着环境背压的增大，异辛烷粒径不断增加，MF粒径先减小再增加。

2-甲基呋喃； 异辛烷； 混合燃料； 燃油雾化； 粒径； 速度

由于全球温室效应的加剧和化石燃料的过量消耗，越来越多的学者开始研究代用燃料的各种物理化学性质，其中包括对代用燃料喷雾特点的研究[1-3]。乙醇作为汽油的替代品之一，目前对其进行的研究一直是主流[4-5]。但是乙醇也有其自身的缺陷，比如高挥发性，低能量密度，生产过程很大程度地依赖粮食等等，限制了这种燃料的进一步发展。

Roman等[6-8]提出了大规模制造2-甲基呋喃(MF)和2，5-甲基呋喃(DMF)的方法，其生产不使用粮食与油料，燃料本身具有较高能量密度，无需改变现有发动机结构就能使用，因此它们被称为第二代生物燃料。与乙醇相比，MF与DMF有着很多的优势：首先是能量密度较大，与汽油比较接近；其次MF与DMF与水不相溶，有利于储存；再者，MF与DMF的汽化潜热远低于乙醇，具有冷启动优势。因此与乙醇相比，MF与DMF更适合作为汽油的代用燃料。

笔者所在的研究团队对MF与DMF进行了一系列相关的研究。Tian等[9-11]研究了它们在单缸直喷汽油机中的排放特性，并与汽油进行了对比，结果表明：DMF的燃烧和排放特性与汽油类似，MF有着更快的燃烧速度，并有更好的抗爆性，MF的PM排放量也比较低。Tian等[12]利用相位多普勒粒子分析技术(PDPA)研究了DMF的喷雾特性，发现DMF与乙醇相比，在喷雾特性上更接近于汽油。Wang等[13]研究了MF、DMF、乙醇和汽油在直喷汽油机上的排放特性与发动机性能表现，发现尽管MF与DMF的化学结构类似，但是它们的燃烧特点有很大区别。

燃料雾化质量会很大程度影响缸内直喷发动机的燃烧过程，但到目前为止，针对MF及其掺混燃料喷雾的微观特性研究不多。本研究利用PDPA技术，在定容燃烧弹内研究了不同喷射条件下MF及其掺混燃料的喷雾微观特性(粒径分布与微粒速度分布)。

1 试验装置和方法

图1示出PDPA试验装置，主要由定容弹、油压控制系统、喷油信号控制系统和PDPA系统组成。

正方形定容弹四周有直径100 mm的光学视窗，装有进、排气电磁阀和安全阀。定容弹的8个角落都装有功率为250 W的加热器，最高可将定容弹加热到120 ℃。定容弹所有接合部位都设有特制的密封圈，保证定容弹在背压到达0.7 MPa时依然保持良好的密封性。

PDPA系统采用DANTEC 3-D PDPA系统，包括了三维移动系统、激光发射和信号接收系统。其中移动系统可以在三维方向任意移动，精度为0.01 mm。系统使用AR-ION激光，产生514.5 mm和488 mm两种不同波长的激光。激光的接收端与发射端成70°角。

试验用喷嘴采用一款车用GDI 6孔喷嘴，孔径为0.2 mm，喷油持续期设定为1 ms。测试燃料为2-甲基呋喃(MF)、异辛烷和MF与异辛烷按照体积比1∶1掺混的混合燃料(MF50)。表1列出测试燃料与其他常用燃料的对比。表2列出测试燃料主要物理性质的数据库值与测量值，以保证掺混燃料物理性质测量的准确性。试验测试条件列于表3。

表1 常用燃料的物理化学性质

表2 测试燃料主要物理性质

表3 PDPA试验测试条件

在PDPA试验中首先选定喷雾中某一油束(见图2)，然后选取距离喷口垂直高度分别为30 mm，40 mm，50 mm，60 mm的位置，在每个高度位置上，以1 mm为间隔，从油束中心左右各测量2～4个点，保证在油束每个高度位置上有5～8个测量点，使每幅PDPA测量图上至少获得20 000个有效数据点。

2 试验结果与分析

图3示出PDPA测试系统获得的某喷雾油束的微粒速度分布，其中虚点为实际微粒瞬时速度，实线为对应时刻的微粒平均速度。从图中可以看出，整个分布形态分为头部和尾部两个区域，从喷油开始到探测到液滴有一段喷射延迟，由喷嘴开启延迟和油束传播延迟两部分组成。为了便于分析与讨论，通常使用微粒的平均速度进行对比。

液体破碎成液滴是在内力和外力的作用下完成的，这两种力与燃油物理性质和喷射条件有关，通常利用雷诺数Re和韦伯数We来表征。雷诺数和韦伯数的表达式分别为Re=ρ·u·d/μ，We=ρu2·d/δ，式中：ρ为液体密度；u为初始喷射速度；d为喷孔孔径；μ为液体黏度；δ为液体表面张力。雷诺数表征的是惯性力与黏性力的比值，该数值越大，越容易雾化。韦伯数表征的是惯性力与表面张力的比值，该数值越大，惯性力作用越大，液体越容易雾化。

对于GDI发动机，燃料喷雾微粒大小是影响燃烧和排放性能的重要参数。通常用索特平均直径(SMD)来表征油束雾化效果，索特平均直径是液滴体积与表面积的比值，SMD越小表明油束雾化效果越好。

2.1 测试位置的影响

图4示出在15MPa喷射压力、定容弹温度为20 ℃、环境背压为0.1MPa条件下，不同测试高度时MF喷雾微粒粒径与速度的分布。随着喷雾的发展，雾化过程使喷雾粒径逐渐变小。但从图4a中可以发现，粒径随着高度增加而略有增加。这是因为随着喷雾往下游发展，小的液滴消失的更多，剩下的都是粒径较大的微粒。另外，在定容弹中液滴与周围剩余液滴碰撞结合成大液滴的可能性也增大，导致随着高度的增加，所测得的SMD略有增加。图4b示出不同测量高度下的微粒速度分布。从30mm到60mm，微粒最大速度从120m/s降到70m/s，测量起始点从0.9ms推迟到1.4ms。这是由于在空气阻力的作用下，微粒速度会随着喷雾进程不断减小。在下文针对微粒速度分析时，都采用高度40mm的数据。

图5示出此喷射条件下MF喷雾的整体粒径分布，从该图可以发现，整体粒径在9～12μm之间，并且呈现油束中心大于两边的对称分布，这是由于油束中心微粒与空气作用较少所导致。其他测试燃料在各位置的微粒粒径分布趋势与MF类似，此处不再一一列出。

2.2 喷射压力的影响

图6示出在定容弹温度20 ℃、背压0.1MPa、不同喷射压力下，MF的粒径和速度分布。可以看出，SMD随着喷射压力的增加而显著降低。从5MPa到15MPa，SMD减小了接近50%。这是由于高的喷射压力导致高的出口速度，燃料在这个条件下的雷诺数增加，使得燃料更容易雾化，从而获得更小的SMD值。微粒速度在喷射压力从5MPa增大到10MPa时，最大速度从51m/s增加到80m/s，上升幅度为36%；而喷射压力从10MPa增大到15MPa时，最大速度从80m/s增加到100m/s，上升幅度为20%。因而可以看出，微粒速度随着喷射压力的增加而增大，但是增幅会明显减小。

2.3 环境背压的影响

环境背压的增加一方面会导致空气阻力增加，使油束速度下降、粒径增大,另一方面会增加气体对液滴的剪切作用，从而减小粒径[14]。因此，可以预测微粒速度随着环境背压的增加而降低，但是不同燃料在不同环境背压下将会有不同的粒径分布特性。

图7示出不同测试燃料在喷射压力15MPa、不同环境背压情况下40mm高度的微粒速度分布。从图中可以发现，环境背压从0.1MPa升高到0.3MPa时，所有燃料的微粒速度显著降低；从0.3MPa提高到0.7MPa时，速度依旧降低，但是降幅明显变小。表明随着环境背压的持续增加，微粒速度减小幅度将不断减小。

值得注意的是，低背压下速度分布都呈现出双峰曲线，这是因为微粒刚到40mm高度测试位置时，由于动量不断降低使速度下降，而后续较大动量的液滴经过该测试区域时，使微粒速度再次上升，当喷油结束时，测试区域的微粒速度又会再一次下降。随着环境背压的增高，当微粒到达测试区域之前，由于空气阻力较大，减速过程已经结束，因而在高背压情况下显示出单峰值曲线。

图8示出各测试燃料在喷射压力为15MPa、不同环境背压情况下不同测试位置的SMD分布。从该图可以发现，异辛烷的粒径随着环境背压的增加而增大，在40mm的位置，SMD从0.1MPa的11.2μm，到0.3MPa的11.9μm，再到0.7MPa的16μm，分别增加了6%和33%。表明对于异辛烷，环境背压增加带来的惯性力下降所引起的粒径增大作用要大于剪切力增加带来的粒径减小作用。MF的SMD分布随着环境背压的增加先增大后减小，表明环境背压在0.3MPa时，剪切力对粒径的作用大于空气阻力作用，而在0.7MPa时，空气阻力带来的减速效果要大于剪切力作用。MF50的SMD分布在0.1MPa和0.3MPa时基本一致，表明空气阻力与剪切力作用在这两种背压下差不多相互抵消，0.7MPa时的粒径分布则表明速度降低效果占主导。总的来说，所有燃料的SMD粒径分布在环境背压足够高时都会呈现明显的粒径增加趋势。

2.4 环境温度的影响

图9示出异辛烷和MF燃料在15MPa喷射压力、0.1MPa背压条件下，不同定容弹温度下的粒径和速度分布。对于异辛烷(沸点99 ℃)，SMD在40mm之后随着环境温度升高而降低，而MF(沸点64 ℃)的SMD随着环境温度升高先减小后增大。这是由于当环境温度小于沸点时，环境温度的提高使得燃料更容易雾化，从而获得更小的SMD。当环境温度高于沸点时，油束到达测量点时，细小的液滴已经雾化完全消失，测量到的为粒径较大的粒子，因而所测得的粒径较大。在微粒速度方面，对于异辛烷，当环境温度小于沸点温度时，速度随着定容弹温度的上升而下降，这是因为环境温度增加，雾化效果加强，微粒变小，从而动量减小。对于MF，环境温度在20 ℃和60 ℃时的速度几乎一致，但是都明显大于90 ℃下的速度，这是因为温度高于沸点时，喷雾雾化剧烈，只有少数微粒能够发展至40mm位置处。

2.5 燃料性质的影响

图10示出在15MPa喷射压力、20 ℃定容弹温度、0.1MPa环境背压时各测试燃料的粒径速度分布，雷诺数和韦伯数的分布见图11。由图10可见，异辛烷的粒径略微大于MF，MF50在40mm处粒径最小，其余位置的粒径都大于两种纯燃料。在速度方面，异辛烷有着最大的粒子速度，MF粒子速度最低，MF50介于两种纯燃料之间。

雷诺数和韦伯数都可以表征燃料雾化情况。由图11可知，异辛烷的雷诺数要小于MF，而二者的韦伯数差不多，这表明黏度大的异辛烷使得惯性力更加难以将其破碎，因而异辛烷的粒径要大于MF。异辛烷掺混MF之后，掺混燃料的物理性质发生非线性变化，使得MF50的雷诺数并非在两种纯燃料之间，其韦伯数大幅度降低，表明在这个喷射条件下，表面张力起着较大作用，使得MF50在大多数位置上的粒径最大。

图12示出各燃料在15MPa喷射压力、20 ℃环境温度、0.3MPa和0.7MPa环境背压下的粒径、速度分布，图13示出相应条件下的雷诺数与韦伯数。两种背压下，粒径分布趋势都是异辛烷最大，MF最小，MF50介于两者之间。在0.3MPa到0.7MPa两种背压下，MF50的粒径分别比MF大4%和7%，这表明，随着环境背压的增高，MF50粒径分布向异辛烷发展。0.3MPa背压时异辛烷与MF的韦伯数几乎一致，而异辛烷的雷诺数小于MF，表明此时MF黏性力的作用小于异辛烷，从而有更小的粒径分布。MF50的雷诺数与韦伯数的趋势与常压下一致，表明此时对粒径起着决定作用的是黏性力。用相同的原理也能解释0.7MPa时的粒径分布。

环境背压从0.3MPa增加到0.7MPa时，MF的峰值速度从45m/s降到40m/s，异辛烷峰值速度从46m/s降到35m/s。很明显，环境背压对异辛烷的速度抑制更明显，这也是为什么0.3MPa时异辛烷微粒速度略大于MF，7MPa时却趋势相反。同时还可以发现，MF50在环境背压为0.3MPa时微粒速度最小。在7MPa时，MF50头部速度较大，尾部速度较小。总体上来说，MF50的速度分布没有出现很明显的规律。

3 结论

a) 所测燃料的喷雾粒径整体分布呈现出油束中心大，两边小的对称分布趋势；

b) 喷雾微粒速度随着喷射压力增加而增大，但是增加幅度明显减小；微粒速度随着环境背压增加而降低，低环境背压下的微粒速度分布具有双峰值特点，在高环境背压下微粒速度则呈现出单峰值特点；

c) 对于异辛烷燃料，增加环境背压带来的惯性力下降引起粒径增大作用大于剪切力增加带来的粒径减小作用，因而粒径随着环境背压增加而不断增加；MF的粒径随着环境背压的增加先增加再减小；MF50的粒径在0.1MPa和0.3MPa时基本一致，表明在这两种背压下，两种作用相互抵消，0.7MPa时粒径增加表明此时速度降低对粒径的影响占主导；

d) 异辛烷掺混MF之后，其掺混燃料的物理性质发生非线性变化，使得MF50在常压下粒径反而大于两种纯燃料，并且MF50的速度分布没有明显规律；

e) 当环境温度小于燃料沸点时，提高环境温度使得燃料更容易雾化，从而获得更小的粒径分布；当环境温度高于沸点时，油束到达测量点时，细小的液滴已经雾化完全消失，测量到的是粒径较大的喷雾油滴。

致谢

本文研究是笔者在国家公派联合培养博士生项目所在学校英国伯明翰大学完成的，感谢伯明翰大学对这次试验研究所提供的设备与资金支持。

[1]KaleV,SantosoH,MarriottC,etal.CombustionRobustnessCharacterizationofGasolineandE85forStartabilityinaDirectInjectionSpark-IgnitionEngine[C].SAEPaper2012-01-1073.

[2]MerolaS,MarchittoL,CorcioneF,etal.OpticalDiagnosticsofthePollutantFormationinaCIEngineOperatingwithDieselFuelBlends[J].SAEInt.J.Engines，2011，4(2):2543-2558.

[3]DemirbasA.Progressandrecenttrendsinbiofuels[J].ProgressinEnergyandCombustionScience,2007,33:1-18.

[4]ChenR.Cold-startemissionsofanSIengineusingethanol-gasolineblendedfuel[J].AppliedThermalEngineering, 2011,31(8)：1463-1467.

[5]Nakama,KuskaK,DaishoJY.EffectofEthanolonKnockinSparkIgnitionGasolineEngines[C].SAEPaper2008-32-0020.

[6]RakopoulosDC,PapagiannakisRG,KyritsisDC.Combustionheatreleaseanalysisofethanolorn-butanoldieselfuelblendsinheavy-dutyDIdieselengine[J].Fuel，2011，90：1855-1867.

[7]BikaAS,FranklinL,DavidBK.HydrogenassistedcombustionofethanolinDieselengines,DepartmentofMechanicalEngineering,UniversityofMinnesota[EB/OL].[2012-12-05].http://www.me.umn.edu/centers/cdr/reports/agexpoposter.

[8]CairnsA.Astudyofmechanicalvariablevalveoperationwithgasoline-alcoholfuelsinasparkignitionengine[J].Fuel,2012,10:41.

[9]TianG,LiH,XuH,etal.SprayCharacteristicsStudyofDMFUsingPhaseDopplerParticleAnalyzer[C].SAEPaper2010-01-1505.

[10]TianG,DanielR,LiH,etal.LaminarBurningVelocitiesof2,5-DimethylfuranComparedwithEthanolandGasoline[J].Energy&Fuels,2010,24(7):3898-3905.

[11]DanielR,TianG,XuH,etal.EffectofsparktimingandloadonaDISIenginefuelledwith2,5-dimethylfuran[J].Fuel,2011,90(2):449-458.

[12]GuohongTian,HaiyingLi.SprayCharacteristicsStudyofDMFUsingPhaseDopplerParticleAnalyzer[C].SAEPaper2010-01-1505.

[13]WangC,XuH,DanielR,etal.Combustioncharacteristicsandemissionsof2-methylfurancomparedto2,5-dimethylfuran,gasolineandethanolinaDISIengine[J].Fuel,2013,103：200-211.

[14]LiYanfei.Experimentalstudyonsprayandcombustioncharacteristicsofdiesel-likefuels[D].Birmingham：UniversityofBirmingham，2012.

[编辑: 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，主要研究代用燃料喷雾与燃烧特性; haichun_ding@163.com。

左承基(1955—)，男，教授，主要研究内燃机燃烧与排放控制; chengjizuo@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.008

TK407.9

B

1001-2222(2015)05-0044-08