掺混含氧燃料对混合燃料喷射特性的影响研究

摘要：为探究添加含氧燃料对燃料喷射特性的影响，将体积分数均为50%的聚甲氧基二甲醚（PODE）和正丁醇掺混于柴油制得PODE-柴油混合燃料和正丁醇-柴油混合燃料，标记为P50和B50。在高压共轨试验台上使用基于冲量法的喷射特性测试系统，研究了柴油、PODE-柴油混合燃料、正丁醇-柴油混合燃料三种燃料在多种工况下的喷射特性差异。结果表明，掺混含氧燃料对喷油速率有较大的影响：P50的体积流量小于柴油，而质量流量则相反；B50和柴油的喷油速率在低压下差异很小，但当压力升高至130 MPa时，二者的喷油速率差异明显；相同脉宽及喷射压力时与柴油相比，循环喷油量以体积计，B50大于柴油且差距随压力上升而增大，而P50则低于柴油且差距随压力上升而缩小；循环喷油量以质量计，P50和B50 均高于柴油且差异率随压力上升而增大，但B50和柴油差异率的上升幅度比P50小；以喷射能量计，除小脉宽工况外，B50和P50的喷射能量均小于柴油，喷射能量由大到小排序为柴油、B50、P50。

关键词：混合燃料；喷射特性；冲量法；聚甲氧基二甲醚；正丁醇

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.003

中图分类号：TK421.71 文献标志码：B 文章编号：1001-2222（2024）05-0018-07

随着国家“双碳”目标的提出和具体措施的陆续落地，交通领域作为主要碳排放源之一，正面临着艰巨的碳减排任务^［1］。由于交通领域的碳排放主要源于化石能源的燃烧，因此，为内燃机寻找清洁绿色的替代燃料是碳减排的重要方向。现有的研究表明，通过在柴油中添加PODE、正丁醇等含氧燃料可以大幅降低HC、CO和PM排放，达到减少碳排放量的目的^［2-3］。PODE和正丁醇是优秀的含氧燃料添加剂，有着广阔的应用前景^［4］。 PODE没有CC键，与柴油有良好的互溶性，含氧量和十六烷值均较高，可以在不改变现有的喷射系统的前提下正常燃烧^［5］。正丁醇作为长碳链醇有较高的十六烷值和低热值，与柴油混合后稳定性较好^［6］。向柴油中掺混含氧添加剂后，混合燃料的喷射特性必然会发生变化，而燃料的喷射特性对发动机燃烧过程有着重要的影响。因此，需要对混合燃料的喷射特性进行准确的测量。目前研究喷射特性的方法主要有Zeuch 法^［7］、EFS 单次喷射测试仪^［8］、Bosch 长管法^［9］等，这些方法可测试各孔总的喷射规律，而F. Payri 等^［10］提出了可以对比测试各孔喷射特性差异的冲量法。

Payri 等^［11］使用基于冲量法搭建的喷射特性测试系统，研究了汽油、柴油喷射特性的差异。研究发现，密度不同导致柴油的质量流量高于汽油，汽油喷射过程中针阀开启和关闭时的液压延迟时间明显较短。

周谈庆等^［12］在现有的动量法的基础上，实现了对双燃料喷射器引燃柴油及天然气瞬时质量流率的同场测量，针对燃气射流动量流与喷气规律对应关系不确定的问题，提出了平行测试方法，实现了喷气规律曲线的高信噪比描绘以及喷气量的精确测试。

D. R. Emberson等^［13］使用冲量法测试系统研究了10%和20%两种比例的乳化柴油与柴油的喷射特性，发现增加喷射压力导致喷射器的液压延迟延长，关闭时间提前。虽然乳化柴油有着更高的密度，但每种工况下循环喷油量均小于柴油，乳化柴油的流量系数较低，喷射速率更高。

赵建辉等^［14］利用基于动量法的喷油规律测量装置开展了 Bosch 共轨喷油器在不同工况下喷油稳定性试验，发现在低喷射压力下，随着脉宽的增加，喷孔喷射量波动率随之降低。同等脉宽、更高的喷射压力下，喷孔喷射量波动率远小于低压下的波动率。

现有的研究证明，通过在柴油中掺混PODE和正丁醇可以起到降低柴油机排放的效果。但掺混后混合燃料的密度、运动黏度等性能发生了改变，势必影响混合燃料的喷射特性，进而影响柴油机的燃烧和排放特性。本研究基于冲量法，搭建了一套可用于多种含氧燃料喷射特性的测试系统，将柴油、PODE-柴油混合燃料和正丁醇-柴油混合燃料的喷射特性进行对比分析，分析了喷射速率、流量系数、循环喷油量、喷射能量等喷射特性参数随喷油压力及脉宽的变化规律。

1 试验简介

1.1 试验燃料

选用市售柴油、PODE和正丁醇为基础燃料，其中PODE由PODE，PODE，PODE组成，所占比例分别为49.66%，34.8%，14%。采用PODE与正丁醇分别与柴油掺混的方法得到两种混合燃料，掺混体积比均为1∶1，PODE-柴油混合燃料与正丁醇-柴油混合燃料分别用P50和B50表示。试验燃料的密度和低热值如表1所示，密度和低热值分别通过测量和计算获得。

1.2 测量方法

针对喷油规律的测试方法及测试设备国内外已有大量研究，本试验所采用的测试方法是冲量法，该方法的优势是可以对各孔同时进行独立的喷射规律测试。Payri等^［15］通过基于冲量法建造的测试设备测量了异辛烷、正戊烷、纯乙醇等燃料在GDI喷嘴中的喷射特性，发现不同燃料密度和黏度的差异对喷射过程产生了重要影响。

试验过程中，燃油从喷孔出口以油束形式击打在距喷孔出口一定距离的力传感器上，当力传感器轴线与喷孔轴线垂直时，燃油喷雾完全击打在传感器表面，由动量定理可知，所测得的喷雾冲击力等于喷孔出口处喷雾动量变化率（冲量），因此可将测得的喷雾冲击力近似为喷雾冲量，并通过推导得出各喷孔瞬态喷油速率表达式：

流量系数表达式：

式中：m·为喷孔出口处喷油速率；p为喷孔入口处压力，p为喷孔出口处压力；A为喷孔出口处截面积。

喷孔的循环喷油量q表达式：

1.3 试验设备

基于冲量法的喷射特性测试系统如图1所示。测试用喷油器为国产高压共轨燃油喷射系统配用的七孔喷油器，喷嘴端七个喷孔均匀分布，每个喷孔名义尺寸相同，孔径为0.135 mm，喷孔长度为0.93 mm，喷孔与针阀轴线夹角为75°。试验选用的压电晶体式力传感器型号及参数如表2所示。电荷放大器型号及参数如表3所示。

喷油器从喷雾测试柜顶部的开孔放入并用夹具固定，以保证喷油器在试验过程中保持稳定。调节力传感器位置使喷雾可以垂直打在目标板上。喷雾测试柜四周使用玻璃罩隔离并在一侧留出油雾输出接口， 与油雾过滤器的软管连接。通过高压共轨试验台架控制喷油参数，通过力传感器采集喷雾打在传感器目标板上产生的力信号，信号经电荷放大器放大后输入数据采集板转化为数字信号，使用自行编写的数据处理软件进行数据采集与分析。

2 试验结果分析

2.1 掺混含氧燃料对喷油规律的影响

图2至图4示出不同喷油压力时，3种燃料在不同脉宽下的喷油速率曲线对比。由图知，同一工况下3种燃料的喷油速率曲线总体的走向基本相同，相较于柴油，P50 在70 MPa@1 250 μs，90 MPa@1 250 μs和130 MPa@800 μs下喷油持续期延长，B50在70 MPa@800 μs，70 MPa@1 250 μs和130 MPa@800 μs下喷油持续期延长。

低脉宽下（800 μs），喷油速率曲线呈现出典型的三角波形态，波形随着脉宽的增加演变为矩形，这样的变化符合高负荷工况对喷油规律的要求。在同一压力下，随着脉宽增加，3种燃料的喷油持续时间都变长、喷油速率最大值上升且最大值对应的时刻延后。和柴油相比，掺混PODE或正丁醇并没有改变喷油速率曲线的基本趋势。

从图2、图3和图4中均可以看出，P50以体积计算的喷射速率较低，与柴油相比，P50的体积流量峰值在70，90 MPa时降低约0.24 mm³/ms，130 MPa时降低约0.37 mm³/ms。这是因为PODE密度较高，根据伯努利定理，液体从孔中溢出的速度与密度成反比，较高的密度导致P50的体积流量较低。

B50的密度和黏度均小于柴油，所以其体积流量稍大。正丁醇的密度仅比柴油小1%左右，相同工况下B50和柴油的体积流量差异小于P50和柴油的差异。低压下B50和柴油的体积流量曲线差别不大，但随着喷油压力上升，差异逐渐变大，二者曲线出现明显的分离。在70，90，130 MPa下B50体积流量峰值分别比柴油高1.1%，2.2%，3.7%。因为B50和柴油密度接近，所以黏度为主要影响因素，B50较小的黏度导致其流速较高，且黏度的影响在高压下更为显著。

B50和P50的体积流量差距随压力升高而变大，130 MPa下B50的体积流量峰值比P50高约8.6%。因此在使用这两种混合燃料时，在高压下需要重新调整喷射策略，否则将导致体积流量差异过大，影响燃烧过程。从混合燃料的体积流量变化可以看出，燃料特性对喷油速率的影响随着压力上升而变大。

图5示出不同燃料体积流量变化率的对比。体积流量变化率定义为：脉宽变化时，燃料体积流量的变化量与800 μs下体积流量的比值，也就是体积流量相比800 μs脉宽上升或下降的幅度，这一数值反映了脉宽对体积流量的影响。从图5可以看出，3种燃料的变化趋势基本相同。压力较低时，脉宽增加，体积流量峰值上升幅度较大，高压（130 MPa）下体积流量峰值上升幅度较小，P50甚至出现了下降。

在不同压力下的体积流量变化率

质量流量代表单位喷射时间内注入燃烧室的油量。由于PODE、正丁醇热值均低于柴油，如果混合燃料与柴油的质量流量相同，必然导致发动机的输出功率下降，需要根据质量流量的变化调整喷射策略来维持功率输出。

对比3种燃料的质量流量和体积流量曲线可以看出，P50的体积流量峰值最小，但其质量流量峰值却最大，这种对比在130 MPa时最为明显。130 MPa@1 250 μs下B50的体积流量峰值比P50高8.6%，但此时P50的质量流量峰值却要比B50高出12.1%。

图6示出脉宽和喷射压力对混合燃料喷油质量流量变化率的影响。喷油质量流量变化率定义为相同工况下，以柴油为基准，混合燃料质量流量的变化量与柴油质量流量的比值，这一数值反映了掺混含氧燃料后喷油质量流量与柴油相比的变化幅度。

相对于柴油的喷油质量流量变化率

从图6可以看出，脉宽对P50和B50质量流量变化率的影响较小，低压下脉宽从800 μs增加到1 500 μs时，两种燃料的变化率波动不大。 脉宽恒定而压力逐渐增大时，B50的质量流量变化率均随之上升，而P50除在800 μs时全程保持上升，其他脉宽下压力由90 MPa升高至130 MPa时变化率下降。以柴油为基准，不同压力下P50的质量流量变化率均显著高于B50，这表明掺混PODE对混合燃料的喷射特性影响更大。

2.2 掺混含氧燃料对流量系数的影响

由图7可以看出，掺混不同的含氧燃料后， 流量系数曲线的整体形状和变化趋势相比柴油基本不变。随着脉宽增加，流量系数变大，喷油终点延后，喷油持续期变长。

压力增加到一定程度后，较短的脉宽下流量系数就可以到达至峰值，这是因为高压下喷嘴内部的流场发展更迅速。70 MPa和90 MPa下流量系数峰值出现在1 250 μs脉宽下，而当压力升高至130 MPa，流量系数在脉宽800 μs时就已到达最高值，高压下流量系数峰值不再随脉宽增加而变大。

3种燃料的流量系数从大到小依次为B50、P50、柴油，但总体差距较小。

2.3 掺混含氧燃料对循环喷油量的影响

图8示出3种燃料在不同压力和脉宽下的循环喷油量对比。从图中可以看出，柴油、P50和B50的循环喷油量变化规律基本一致，压力不变时随着脉宽增加，循环喷油量随之增加，这是因为较大的脉宽使得针阀可以达到最大升程处并充分停留。

从图8分析得出，B50的体积计循环喷油量大于柴油，差距随压力上升而扩大，而P50则低于柴油且差距随压力上升而缩小。可以看出，脉宽恒定、压力逐渐升高时，以柴油为基准，B50和P50循环喷油量体积差异率的变化趋势正相反。掺混不同的含氧燃料后，混合燃料与柴油的循环喷油量差异随着压力的变化出现了不同的变化趋势。

脉宽为1 500 μs时，不同压力下P50和B50的质量计循环喷油量均高于柴油，且变化幅度随压力上升而扩大，但B50和柴油之间差距的上升幅度比P50小。

循环喷油量的结果与喷油速率的变化规律相符。对比两种混合燃料与柴油的差异，脉宽恒定时，随着压力的变化， B50、P50的体积变化率出现了相反的变化趋势。当压力升高时，P50和柴油的循环喷油量体积差异率逐渐缩小，但循环喷油量质量差异率却随着压力上升而扩大，B50和柴油的体积差异率与质量差异率均随着压力上升变大。

2.4 掺混含氧燃料对喷射能量的影响

喷射能量定义为循环喷油量与低热值的乘积，E=mH，式中H为燃油低热值。喷射能量（见图9）由循环喷油量计算而来，因此喷射能量图和循环喷油量图的差异是3种燃料低热值不同导致的。

由图9可知，随着压力和脉宽上升，燃料的喷射能量随之变大。除B50在70，130 MPa下，脉宽为800 μs时喷射能量略高于柴油，其他所有工况下，B50和P50的喷射能量均小于柴油，喷射能量由大到小排序为柴油、B50、P50。使用混合燃料时需对发动机燃油喷射系统重新标定。

3 结论

a） P50以体积计的喷油速率低于柴油，但以质量计的喷油速率大于柴油，且质量流量的变化随压力上升而扩大；不同压力下P50的质量流量变化率均显著高于B50，掺混PODE对混合燃料的喷射特性有更大的影响；

b） 高压下喷嘴内部的流场发展更迅速，所以高压下较短的脉宽就可以使流量系数到达峰值，B50和柴油流量系数的变化随压力上升而扩大，而 P50 与柴油的差距则先升高后下降；

c） P50的体积计循环喷油量低于柴油，脉宽恒定时变化率随压力上升而缩小，而B50则高于柴油，脉宽恒定时变化率随压力上升而扩大，掺混不同的含氧燃料后，混合燃料的循环喷油量随着压力升高出现了不同的变化趋势；

d） 除小脉宽工况外，B50和P50的喷射能量均小于柴油，喷射能量由大到小排序为柴油、B50、P50，使用混合燃料时需对发动机燃油喷射系统重新标定。

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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

［编辑：袁晓燕］