聚甲氧基二甲醚混合燃料喷雾特性试验研究

摘要：发展替代燃料是缓解石油能源短缺和环境污染的重要手段，在众多替代燃料中，含氧燃料因为其可再生、含碳量较低、能降低尾气排放等优势，得到了极大的发展。聚甲氧基二甲醚（PODE）、乙醇和生物柴油都是极具发展潜力的含氧替代燃料。在实际发动机中，替代燃料的喷雾行为直接影响后续的燃烧与排放过程。考虑到PODE可作为柴油-乙醇燃料的助溶剂，同时能弥补生物柴油高黏度和低挥发性的缺点，分别对柴油-乙醇-PODE和生物柴油-PODE混合燃料在定容燃烧室中的喷雾特性进行了研究。结果表明：在柴油中添加PODE对混合燃料的喷雾贯穿距（STP）影响不大，而在生物柴油中添加PODE，混合燃料的STP随着PODE比例的增加先增后减。在柴油中添加PODE和乙醇可以增加喷雾锥角（SCA），改善径向扩散，但对柴油的喷雾投影面积（SPA）影响不大，混合燃料对空气的卷吸能力与柴油相似。在生物柴油中添加PODE，混合燃料的喷雾锥角和喷雾投影面积均明显大于生物柴油，能够有效改善生物柴油的喷雾质量。

关键词：聚甲氧基二甲醚（PODE）；乙醇；生物柴油；柴油；喷雾特性；喷雾贯穿距；喷雾锥角

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.004

中图分类号：TK421.2 文献标志码：B 文章编号：1001-2222（2024）05-0025-07

我国能源结构长期处于“多煤少油”的状态，石油长期严重依赖进口。据统计，即便是在新冠疫情的巨大冲击下，2020年我国进口原油仍达到了5.42亿t，总金额达12 218亿元^［1］。可见，我国的石油能源供需关系严重失衡，石油资源的短缺问题也愈加突出。另一方面，庞大的机动车数量带来的环境污染问题也严重影响着我们的生活。为了缓解环境污染带来的问题，国家也陆续颁布了越加严格的排放标准和法规，对新生产和已生产的各种机动车的排放量均进行了限制，力图从源头上预防和控制污染物排放，在愈加严格的排放标准下，控制机动车污染物排放已经刻不容缓。

使用车用替代燃料既能够减少污染物的排放，又能改善石油能源的短缺现状，寻找车用替代燃料是同时缓解这两个问题的重要手段^［2］。在当今我国“碳达峰”、“碳中和”的大背景下^［3-4］，发展低碳、高热值的车用燃料是未来主要的发展方向。在众多替代燃料中，含氧燃料因为其可再生、含碳量相对较低、能极大降低尾气排放等优势，受到广泛关注^［5-6］。近几年来，一种新型的含氧燃料——聚甲氧基二甲醚（PODE），开始出现在人们的视野^［7］。PODEn是具有一般结构式CHO（CHO）nCH的醚类有机物（n为聚合度），具有很多独特优良的物理化学性质，如极高的含氧量、十六烷值高、挥发性好，能改善燃空混合质量，具有很强的降低污染物排放的能力^［8-9］。同时，PODE能够降低发动机工作时的最大压力升高率^［10］，并提高燃烧效率和发动机效率^［11-12］，被认为是一种极具发展潜力的优良的新型柴油添加剂^［13-14］。

到目前为止，各国学者对PODE的应用及燃烧排放特性做了大量的研究工作，PODE在显著改善发动机燃烧性能方面的优势已经得到了广泛验证。Liu^［15］、杨皓^［16］、Ma^［17］等的研究结果表明，掺混PODE可以极大地提高燃烧稳定性和燃烧效率，降低着火延迟。Duraisamy^［18］、Li^［19］、Huang^［20］等通过研究发现，使用PODE能够明显改善燃料着火特性，增大缸内峰值压力，提高燃烧时的制动热效率和燃烧效率，降低HC，CO和碳烟的排放。

然而，迄今为止，有关PODE燃料的喷雾特性研究却较为少见，目前仅见于Liu等^［21］、Li等^［22］和Huang等^［23］的研究工作中。Liu^［21］等在定容弹中对汽油-PODE和柴油-PODE混合燃料的喷雾特性进行了试验研究。结果表明，PODE的加入会增大汽油、柴油的贯穿距和喷雾锥角。对于燃料蒸发态喷雾下的液相贯穿距，由于PODE的挥发性小于汽油而大于柴油，故掺混PODE会增大汽油的液相贯穿距，而减小柴油的液相贯穿距。Li等^［22］在定容弹中对PODE-柴油混合燃料喷雾的宏观与微观特性进行了试验研究。结果表明，燃料喷雾贯穿距随着燃料PODE比例的增加而减小。对于喷雾锥角，由于PODE黏度更小，当PODE比例为0，20%，50%时，喷雾锥角随PODE比例增加略有增大。而纯PODE喷雾锥角最小，这是纯PODE较大密度对喷雾锥角的影响更大所致。另外PODE的加入会增大喷雾投影面积，而喷嘴孔直径对其影响不大。对于喷雾液滴直径，其随着PODE比例的增大而减少。Huang等^［23］的研究表明，在柴油中添加正丁醇和PODE均会增大喷雾贯穿距，而对喷雾锥角无明显影响。

生物柴油十六烷值高、本身含氧^［24］，可通过酯交换从动植物脂肪中获取^［25］，原料来源广泛，合成工艺简单，是一种较为理想的柴油替代品^［26］。然而，生物柴油的黏度和表面张力比较高，较高的黏度和表面张力会极大地影响喷雾过程燃料的破碎和雾化，从而降低燃烧的质量，甚至导致发动机沉积物产生^［27］。

鉴于PODE在改善发动机燃烧性能方面的优势^［28］，本研究采用PODE和具有很大降低碳烟排放潜力的乙醇^［29-30］部分替代传统柴油，利用纹影法和图像处理技术对非蒸发环境下柴油-乙醇-PODE混合燃料喷雾过程中喷雾贯穿距、喷雾锥角、喷雾投影面积和液核区占比等喷雾特性进行试验测试，此外，针对生物柴油低温流动性差的缺点，还研究了PODE掺混生物柴油对燃料喷雾特性的影响。

1 试验装置、材料及方法

试验装置由高压共轨喷射系统、定容燃烧室和纹影光路系统构成，如图1所示。电控高压共轨燃油喷射系统用来精准控制喷射参数，可提供50～160 MPa的稳定喷雾压力。油箱中的燃料被高压油泵吸入，经过加压变成高压燃油之后蓄积在油轨中，高压油轨中的燃油再输送给相连接的喷油器。

光路系统基于纹影法的光学原理，通过将光源、透镜、高速相机等光学元件按照一定的顺序和位置搭建而成。光源发出的光线经由透镜后聚焦，照射在光栅上，光栅上带有一个小孔，光线通过小孔后形成点光源。点光源通过左透镜后成为平行光线，平行光线通过透明的石英玻璃视窗进入定容室内，穿过流体测试区域时发生光线偏转，从而记录了燃油喷雾的形状信息。定容室出来的光线经过右透镜后又重新聚焦，被刀口切割后进入高速相机中成像获得喷雾的纹影图像。高速相机的型号为Photron FASTCAM SA5 1000K-M3，拍摄速度最高可达1 000 000 帧/s。在本试验中相机速度设置为20 000 帧/s，获得分辨率为704×520像素的灰度图像。

本研究使用柴油、乙醇、生物柴油和PODE作为基础燃料，柴油为0号柴油，乙醇为无水乙醇，生物柴油的主要有效成分为利用大豆油生产的脂肪酸甲酯。PODE分别由质量分数为32.4%，46.3%和21.3%的PODE3、PODE4、PODE5组成。

为了方便分析试验结果，对所有试验燃料的物性参数进行了测定。试验燃料的密度、黏度和表面张力分别采用FA604B高精度电子天平、DV3TLVCJ0黏度计和CNSHP BZY-2全自动表面张力仪测得，测量按照中国国家标准在20 ℃环境温度下进行，化学计量空燃比根据物性参数经验公式计算得到。燃料的主要物理化学性质如表1所示。

混合燃料分别命名为D100（纯柴油）、DP20（体积分数80%柴油和20%PODE）、DPE15（体积分数85%DP20和15%乙醇）、B0（纯生物柴油）、B10（体积分数90%生物柴油和10%PODE）、B20（体积分数80%生物柴油和20%PODE）、B30（体积分数70%生物柴油和30%PODE）。

试验在喷雾压力90 MPa，120 MPa和环境压力3 MPa下进行，燃料温度与环境温度均为常温300 K，环境气氛为氮气氛围，研究燃料在非蒸发条件下的喷雾特性。为了减小随机误差，所有试验工况下均进行5次重复试验，计算5次试验结果的标准差以验证试验数据的可靠性和可重复性，最终结果取平均值。

使用基于Pascal语言编写的程序对高速相机获得的喷雾过程灰度图像进行批量处理。高速相机获得的灰度图像经过裁剪后作为原始图像，将原始图像的灰度值与喷雾开始前的背景图像逐个像素进行对比：定义灰度差值大于40的像素为喷雾区域，灰度差值小于40的像素为背景，从而划分出喷雾边界，最后将喷雾边界之外的背景删除得到最终的图像，如图2所示。根据最终图像以及事先标定的像素尺寸值计算出喷雾宏观特性参数。

图3示出了喷雾特性参数的定义。喷雾贯穿距（STP）定义为喷嘴出口到喷雾末端的距离，喷雾锥角（SCA）为二分之一的喷雾贯穿距处喷雾两侧部边缘与喷嘴形成的夹角，喷雾投影面积（SPA）则定义为燃料喷雾在视窗平面上的投影面积。

2 结果与分析

2.1 喷雾贯穿距

喷雾贯穿距是燃料宏观喷雾特性参数中最基础，也是最重要的一个参数，它反映了燃油喷雾的发展过程以及最终发展状态，对判断燃空混合情况以及“湿壁”现象是否发生具有重大的参考意义。图4示出不同燃料喷雾贯穿距随时间的发展情况。燃料离开喷嘴时具有较大的动量，随着喷雾的进行，燃料逐渐破碎成细小液滴并向周边扩散，这时燃料受到的环境气体的阻力也越来越大，因而图中几种燃料STP的发展呈现出先快后慢的相似规律。

对于柴油-乙醇-PODE混合燃料，从图中可以看出3种燃料的STP大小相似，差异不明显，其中，DPE15的STP最小。这是因为DP20和DPE15的密度稍大于纯柴油，具有更大的惯性，在穿透过程中速度减弱得更慢，这对燃料STP起增大作用。另一方面，DP20和DPE15的黏度小于柴油，在与周围空气相互作用的过程中更容易发生破碎，液滴尺寸更小的燃油在穿透过程中受到更大的阻力，这最终对燃料STP起减小作用。两种作用相互抵消，使得DP20和DPE15的STP与柴油的STP差异不明显。DPE15的黏度最小（比D100低37%，比DP20低20%），密度适中，因此DPE15的STP要低于其他两种燃料。

而对于生物柴油-PODE混合燃料，不同燃料的STP稍微有些差异。在喷雾发展初期（0.25 ms之前），4种燃料的STP无明显区别。然而在喷雾发展的中后期，随着生物柴油中PODE掺混比例的增加，混合燃料的STP明显增大，当PODE掺混比例达到20%时，随着PODE的继续加入，燃料STP又开始减小。相同时刻下B20的STP最大，B30的STP接近纯生物柴油B0。在喷雾初期，液体燃料刚离开喷嘴还未破碎完全，并以最大的贯穿速度向前发展，此阶段燃料STP的发展主要取决于离开喷嘴时获得的初始速度，而受燃料本身物性差异的影响不大。随着喷雾的进一步发展，燃料逐渐破碎，受到环境气体的阻力增大，喷雾贯穿速度开始迅速减小，混合燃料物性的差异开始影响着STP。PODE的密度比生物柴油大20%，因此PODE的惯性更大，在相同的阻力情况下速度减小得更慢，这使得混合燃料的STP更大。另一方面，PODE的黏度远小于生物柴油，而黏度是影响破碎过程的重要因素，黏度越小的燃油越容易破碎成细小液滴^［31］。燃油所受到的空气曳力随着破碎程度的增加而增大，这使得混合燃料的STP更小。因此，当混合燃料中PODE比例升高到一定程度时，黏度等影响破碎的因素开始取代密度成为影响喷雾贯穿速度的主要因素，此时继续加入PODE混合燃料的STP会减小，这就导致了燃料B30的STP反而要小于B20。由于燃料的STP受到燃料本身多种物性参数的共同影响，各试验工况下生物柴油-PODE混合燃料的STP随着PODE比例的增加呈现先增后减小的相似规律。

2.2 喷雾锥角

喷雾锥角作为描述燃料宏观喷雾形态的又一重要参数，在燃空混合度及气体卷吸量等各种数学模型中得到了广泛应用，因此研究不同燃料对SCA的影响具有极大的现实意义。图5示出不同燃料的SCA在整个喷雾过程的发展情况比较。随着液体燃料从喷嘴喷出，SCA先是迅速增大到峰值，然后开始慢慢下降，经过短暂的波动后逐渐稳定。燃料刚离开喷嘴时还没有破碎完全，仅是破碎成液柱、液丝或者是大块的液滴，这个过程称为初级破碎^［32］。这个阶段还处在燃油雾化的初期，SCA具有较高值和不稳定的特点。随着喷雾的发展，燃油喷雾在自身内力和外界环境阻力共同作用下进一步破碎成细小的液滴，直到完全雾化，这个过程称为二次破碎^［33］。在这个阶段喷雾形态逐渐稳定，轴向与径向的扩散也逐渐均匀，因此在喷雾场的中远处SCA具有较为稳定的值。从图中还可以看出，喷雾压力对燃料喷雾锥角的影响不大，说明喷雾锥角对喷雾压力不敏感，这与先前文献中的研究结果^［34］一致。

从图中可以看出，喷雾初期的SCA不稳定性，因此远场喷雾锥角才更能代表喷雾的锥角特性。为了更加直观地比较PODE和乙醇的加入对柴油或生物柴油SCA的影响，选用喷射时间0.5 ms到喷射结束阶段的SCA值进行分析，通过计算这个阶段SCA的平均值得到平均喷雾锥角，如图6所示。

对于柴油-乙醇-PODE混合燃料，DP20和DPE15的喷雾锥角比柴油D100的锥角大，而DPE15的锥角最大。在3 MPa环境压力下，DPE15的喷雾锥角比柴油大18%～30%。喷雾锥角是燃油喷雾径向扩散的结果，DP20的黏度低于柴油，而表面张力与柴油相似，因此在燃料喷雾过程中，DP20比D100更容易破碎成细小的液滴。较小的液滴具有更强的径向扩散性，这导致DP20的径向扩散大于D100，产生了更大的喷雾锥角。同样，DPE15的黏度和表面张力小于DP20，更容易发生破碎，因此DPE15的锥角更大。结果表明，PODE和乙醇的加入改善了柴油的扩散性，利于燃油与空气充分混合。

生物柴油-PODE混合燃料的锥角要明显大于生物柴油，并且PODE掺混比例越大，锥角也越大。出现这种情况的根本原因在于PODE的黏度和表面张力，特别是黏度比生物柴油小（B30的黏度比生物柴油B0小45%），较小的黏度使得燃料在与周围环境的相互作用下更容易破碎。当液体燃料破碎成更细小的液滴时，喷雾在贯穿过程中受到外界空气的影响更大，这有利于喷雾的径向扩散。由喷雾锥角的定义可知，更强的径向扩散导致了混合燃料具有比生物柴油更大的锥角。这也极大地增加了燃料在喷雾过程与周围空气的混合程度，这一特性也有利于混合燃料在实际柴油机中喷雾后续的燃烧与排放过程。

2.3 喷雾投影面积

喷雾投影面积是燃油在喷雾场中扩散能力的直接表现，也可说明燃油喷雾与周围空气的混合情况。图7示出不同燃料在不同喷雾压力下的喷雾投影面积。

从图中可以看出，对于柴油-乙醇-PODE混合燃料，大部分情况下3种燃料的SPA差异不大，仅当喷雾压力为90 MPa，环境压力为3 MPa时， DPE15的SPA大于DP20和D100。说明在柴油中加入PODE和乙醇对柴油的SPA影响不大，柴油-PODE-乙醇混合燃料对空气的卷吸能力与柴油相似。这在某种程度上也表明了柴油-PODE-乙醇混合燃料能够方便地在柴油发动机上应用，不需要对发动机结构进行重大修改。图中还表明了喷雾压力越大，燃料的SPA越大。喷雾压力越大，提供给燃油的初始动量和动能会更大。

而对于生物柴油-PODE混合燃料，相同时刻下PODE混合燃料的SPA要大于生物柴油，并且混合燃料中PODE的比例越高SPA越大。这种差异随着时间的发展和喷雾压力的降低更加明显。混合燃料具有比生物柴油低的黏度，在与外界空气相互作用中更容易发生破碎，更细小的燃油液滴更容易向四周扩散，因此PODE混合燃料具有更大的SPA。当喷雾压力较低时，燃油不易破碎，因此燃料本身物性差异对破碎的影响就会更加明显，这加剧了不同燃料间SPA的差异。

3 结论

a） 对于柴油-乙醇-PODE混合燃料，3种燃料的喷雾贯穿距没有显著差异，只有DPE15的STP略低于其他两种燃料；在生物柴油中添加PODE会使喷雾贯穿距增大，但是当PODE比例超过20%时，喷雾贯穿距开始减小，呈现先增后减的相似规律；

b） 在柴油中添加PODE和乙醇可以增加喷雾锥角，改善径向扩散，3种燃料的喷雾投影面积没有明显差异；生物柴油-PODE混合燃料的锥角要明显大于生物柴油，并且PODE掺混比例越大，锥角也越大，极大地增加了燃料在喷雾过程与周围空气的混合程度；

c） 柴油中加入PODE和乙醇对柴油的SPA影响不大，柴油-PODE-乙醇混合燃料对空气的卷吸能力与柴油相似；而对于生物柴油-PODE混合燃料，相同时刻下PODE混合燃料的SPA要大于生物柴油，并且混合燃料中PODE比例越高SPA越大，PODE的加入能有效改善生物柴油的喷雾质量。

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Spray Characteristics of Polyoxymethylene Dimethyl Ethers Blended Fuels

ZHOU Yu¹，XIONG Yaxin¹，LIN Qizhao²

（1.School of Physics and Electrical Engineering，Liupanshui Normal University，Liupanshui 553004，China;2.School of Engineering Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

Abstract： The development of alternative fuels is an important means to alleviate petroleum energy shortage and environmental pollution. Among numerous alternative fuels， oxygen-containing fuels have been greatly developed because of their renewability， low carbon content， and ability to reduce exhaust emission. Polyoxymethylene dimethyl ethers （PODE）， ethanol and biodiesel are all oxygen-containing alternative fuels with great development potential. In actual engines， the spray behavior of alternative fuels directly affects the subsequent combustion and emission process. PODE can be used as a solvent aid for diesel-ethanol fuel and can make up for the shortcomings of high viscosity and low volatility of biodiesel， the spray characteristics of diesel-ethanol-PODE and biodiesel-PODE blended fuels were hence studied in a constant volume combustion chamber. The results show that the spray tip penetration （STP） is little influenced after mixing PODE in blended fuel with diesel， and first increases and then decreases with the increase of PODE in blended fuel with biodiesel. Adding PODE and ethanol to diesel can increase the spray cone angle （SCA） and improve the radial diffusion， but has little effect on the diesel spray projected area （SPA） ， and the entrainment ability of blended fuel to air is similar to that of diesel. Adding PODE to biodiesel significantly increase the spray cone angle and spray projected area of blended fuel， which can effectively improve the spray quality of biodiesel.

Key words： polyoxymethylene dimethyl ethers （PODE）;ethanol;biodiesel;diesel;spray characteristics;spray tip penetration;spray cone angle

［编辑：姜晓博］