摘要：發(fā)展替代燃料是緩解石油能源短缺和環(huán)境污染的重要手段，在眾多替代燃料中，含氧燃料因?yàn)槠淇稍偕⒑剂枯^低、能降低尾氣排放等優(yōu)勢，得到了極大的發(fā)展。聚甲氧基二甲醚（PODE）、乙醇和生物柴油都是極具發(fā)展?jié)摿Φ暮跆娲剂稀Ｔ趯?shí)際發(fā)動機(jī)中，替代燃料的噴霧行為直接影響后續(xù)的燃燒與排放過程?？紤]到PODE可作為柴油-乙醇燃料的助溶劑，同時能彌補(bǔ)生物柴油高黏度和低揮發(fā)性的缺點(diǎn)，分別對柴油-乙醇-PODE和生物柴油-PODE混合燃料在定容燃燒室中的噴霧特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在柴油中添加PODE對混合燃料的噴霧貫穿距（STP）影響不大，而在生物柴油中添加PODE，混合燃料的STP隨著PODE比例的增加先增后減。在柴油中添加PODE和乙醇可以增加噴霧錐角（SCA），改善徑向擴(kuò)散，但對柴油的噴霧投影面積（SPA）影響不大，混合燃料對空氣的卷吸能力與柴油相似。在生物柴油中添加PODE，混合燃料的噴霧錐角和噴霧投影面積均明顯大于生物柴油，能夠有效改善生物柴油的噴霧質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：聚甲氧基二甲醚（PODE）；乙醇；生物柴油；柴油；噴霧特性；噴霧貫穿距；噴霧錐角

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.004

中圖分類號：TK421.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1001-2222（2024）05-0025-07

我國能源結(jié)構(gòu)長期處于“多煤少油”的狀態(tài)，石油長期嚴(yán)重依賴進(jìn)口。據(jù)統(tǒng)計，即便是在新冠疫情的巨大沖擊下，2020年我國進(jìn)口原油仍達(dá)到了5.42億t，總金額達(dá)12 218億元^［1］?？梢姡覈氖湍茉垂┬桕P(guān)系嚴(yán)重失衡，石油資源的短缺問題也愈加突出。另一方面，龐大的機(jī)動車數(shù)量帶來的環(huán)境污染問題也嚴(yán)重影響著我們的生活。為了緩解環(huán)境污染帶來的問題，國家也陸續(xù)頒布了越加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，對新生產(chǎn)和已生產(chǎn)的各種機(jī)動車的排放量均進(jìn)行了限制，力圖從源頭上預(yù)防和控制污染物排放，在愈加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)下，控制機(jī)動車污染物排放已經(jīng)刻不容緩。

使用車用替代燃料既能夠減少污染物的排放，又能改善石油能源的短缺現(xiàn)狀，尋找車用替代燃料是同時緩解這兩個問題的重要手段^［2］。在當(dāng)今我國“碳達(dá)峰”、“碳中和”的大背景下^［3-4］，發(fā)展低碳、高熱值的車用燃料是未來主要的發(fā)展方向。在眾多替代燃料中，含氧燃料因?yàn)槠淇稍偕⒑剂肯鄬^低、能極大降低尾氣排放等優(yōu)勢，受到廣泛關(guān)注^［5-6］。近幾年來，一種新型的含氧燃料——聚甲氧基二甲醚（PODE），開始出現(xiàn)在人們的視野^［7］。PODEn是具有一般結(jié)構(gòu)式CHO（CHO）nCH的醚類有機(jī)物（n為聚合度），具有很多獨(dú)特優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，如極高的含氧量、十六烷值高、揮發(fā)性好，能改善燃空混合質(zhì)量，具有很強(qiáng)的降低污染物排放的能力^［8-9］。同時，PODE能夠降低發(fā)動機(jī)工作時的最大壓力升高率^［10］，并提高燃燒效率和發(fā)動機(jī)效率^［11-12］，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)良的新型柴油添加劑^［13-14］。

到目前為止，各國學(xué)者對PODE的應(yīng)用及燃燒排放特性做了大量的研究工作，PODE在顯著改善發(fā)動機(jī)燃燒性能方面的優(yōu)勢已經(jīng)得到了廣泛驗(yàn)證。Liu^［15］、楊皓^［16］、Ma^［17］等的研究結(jié)果表明，摻混PODE可以極大地提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率，降低著火延遲。Duraisamy^［18］、Li^［19］、Huang^［20］等通過研究發(fā)現(xiàn)，使用PODE能夠明顯改善燃料著火特性，增大缸內(nèi)峰值壓力，提高燃燒時的制動熱效率和燃燒效率，降低HC，CO和碳煙的排放。

然而，迄今為止，有關(guān)PODE燃料的噴霧特性研究卻較為少見，目前僅見于Liu等^［21］、Li等^［22］和Huang等^［23］的研究工作中。Liu^［21］等在定容彈中對汽油-PODE和柴油-PODE混合燃料的噴霧特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，PODE的加入會增大汽油、柴油的貫穿距和噴霧錐角。對于燃料蒸發(fā)態(tài)噴霧下的液相貫穿距，由于PODE的揮發(fā)性小于汽油而大于柴油，故摻混PODE會增大汽油的液相貫穿距，而減小柴油的液相貫穿距。Li等^［22］在定容彈中對PODE-柴油混合燃料噴霧的宏觀與微觀特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，燃料噴霧貫穿距隨著燃料PODE比例的增加而減小。對于噴霧錐角，由于PODE黏度更小，當(dāng)PODE比例為0，20%，50%時，噴霧錐角隨PODE比例增加略有增大。而純PODE噴霧錐角最小，這是純PODE較大密度對噴霧錐角的影響更大所致。另外PODE的加入會增大噴霧投影面積，而噴嘴孔直徑對其影響不大。對于噴霧液滴直徑，其隨著PODE比例的增大而減少。Huang等^［23］的研究表明，在柴油中添加正丁醇和PODE均會增大噴霧貫穿距，而對噴霧錐角無明顯影響。

生物柴油十六烷值高、本身含氧^［24］，可通過酯交換從動植物脂肪中獲取^［25］，原料來源廣泛，合成工藝簡單，是一種較為理想的柴油替代品^［26］。然而，生物柴油的黏度和表面張力比較高，較高的黏度和表面張力會極大地影響噴霧過程燃料的破碎和霧化，從而降低燃燒的質(zhì)量，甚至導(dǎo)致發(fā)動機(jī)沉積物產(chǎn)生^［27］。

鑒于PODE在改善發(fā)動機(jī)燃燒性能方面的優(yōu)勢^［28］，本研究采用PODE和具有很大降低碳煙排放潛力的乙醇^［29-30］部分替代傳統(tǒng)柴油，利用紋影法和圖像處理技術(shù)對非蒸發(fā)環(huán)境下柴油-乙醇-PODE混合燃料噴霧過程中噴霧貫穿距、噴霧錐角、噴霧投影面積和液核區(qū)占比等噴霧特性進(jìn)行試驗(yàn)測試，此外，針對生物柴油低溫流動性差的缺點(diǎn)，還研究了PODE摻混生物柴油對燃料噴霧特性的影響。

1 試驗(yàn)裝置、材料及方法

試驗(yàn)裝置由高壓共軌噴射系統(tǒng)、定容燃燒室和紋影光路系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)用來精準(zhǔn)控制噴射參數(shù)，可提供50～160 MPa的穩(wěn)定噴霧壓力。油箱中的燃料被高壓油泵吸入，經(jīng)過加壓變成高壓燃油之后蓄積在油軌中，高壓油軌中的燃油再輸送給相連接的噴油器。

光路系統(tǒng)基于紋影法的光學(xué)原理，通過將光源、透鏡、高速相機(jī)等光學(xué)元件按照一定的順序和位置搭建而成。光源發(fā)出的光線經(jīng)由透鏡后聚焦，照射在光柵上，光柵上帶有一個小孔，光線通過小孔后形成點(diǎn)光源。點(diǎn)光源通過左透鏡后成為平行光線，平行光線通過透明的石英玻璃視窗進(jìn)入定容室內(nèi)，穿過流體測試區(qū)域時發(fā)生光線偏轉(zhuǎn)，從而記錄了燃油噴霧的形狀信息。定容室出來的光線經(jīng)過右透鏡后又重新聚焦，被刀口切割后進(jìn)入高速相機(jī)中成像獲得噴霧的紋影圖像。高速相機(jī)的型號為Photron FASTCAM SA5 1000K-M3，拍攝速度最高可達(dá)1 000 000 幀/s。在本試驗(yàn)中相機(jī)速度設(shè)置為20 000 幀/s，獲得分辨率為704×520像素的灰度圖像。

本研究使用柴油、乙醇、生物柴油和PODE作為基礎(chǔ)燃料，柴油為0號柴油，乙醇為無水乙醇，生物柴油的主要有效成分為利用大豆油生產(chǎn)的脂肪酸甲酯。PODE分別由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.4%，46.3%和21.3%的PODE3、PODE4、PODE5組成。

為了方便分析試驗(yàn)結(jié)果，對所有試驗(yàn)燃料的物性參數(shù)進(jìn)行了測定。試驗(yàn)燃料的密度、黏度和表面張力分別采用FA604B高精度電子天平、DV3TLVCJ0黏度計和CNSHP BZY-2全自動表面張力儀測得，測量按照中國國家標(biāo)準(zhǔn)在20 ℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，化學(xué)計量空燃比根據(jù)物性參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式計算得到。燃料的主要物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

混合燃料分別命名為D100（純柴油）、DP20（體積分?jǐn)?shù)80%柴油和20%PODE）、DPE15（體積分?jǐn)?shù)85%DP20和15%乙醇）、B0（純生物柴油）、B10（體積分?jǐn)?shù)90%生物柴油和10%PODE）、B20（體積分?jǐn)?shù)80%生物柴油和20%PODE）、B30（體積分?jǐn)?shù)70%生物柴油和30%PODE）。

試驗(yàn)在噴霧壓力90 MPa，120 MPa和環(huán)境壓力3 MPa下進(jìn)行，燃料溫度與環(huán)境溫度均為常溫300 K，環(huán)境氣氛為氮?dú)夥諊?，研究燃料在非蒸發(fā)條件下的噴霧特性。為了減小隨機(jī)誤差，所有試驗(yàn)工況下均進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，計算5次試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差以驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和可重復(fù)性，最終結(jié)果取平均值。

使用基于Pascal語言編寫的程序?qū)Ω咚傧鄼C(jī)獲得的噴霧過程灰度圖像進(jìn)行批量處理。高速相機(jī)獲得的灰度圖像經(jīng)過裁剪后作為原始圖像，將原始圖像的灰度值與噴霧開始前的背景圖像逐個像素進(jìn)行對比：定義灰度差值大于40的像素為噴霧區(qū)域，灰度差值小于40的像素為背景，從而劃分出噴霧邊界，最后將噴霧邊界之外的背景刪除得到最終的圖像，如圖2所示。根據(jù)最終圖像以及事先標(biāo)定的像素尺寸值計算出噴霧宏觀特性參數(shù)。

圖3示出了噴霧特性參數(shù)的定義。噴霧貫穿距（STP）定義為噴嘴出口到噴霧末端的距離，噴霧錐角（SCA）為二分之一的噴霧貫穿距處噴霧兩側(cè)部邊緣與噴嘴形成的夾角，噴霧投影面積（SPA）則定義為燃料噴霧在視窗平面上的投影面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧貫穿距

噴霧貫穿距是燃料宏觀噴霧特性參數(shù)中最基礎(chǔ)，也是最重要的一個參數(shù)，它反映了燃油噴霧的發(fā)展過程以及最終發(fā)展?fàn)顟B(tài)，對判斷燃空混合情況以及“濕壁”現(xiàn)象是否發(fā)生具有重大的參考意義。圖4示出不同燃料噴霧貫穿距隨時間的發(fā)展情況。燃料離開噴嘴時具有較大的動量，隨著噴霧的進(jìn)行，燃料逐漸破碎成細(xì)小液滴并向周邊擴(kuò)散，這時燃料受到的環(huán)境氣體的阻力也越來越大，因而圖中幾種燃料STP的發(fā)展呈現(xiàn)出先快后慢的相似規(guī)律。

對于柴油-乙醇-PODE混合燃料，從圖中可以看出3種燃料的STP大小相似，差異不明顯，其中，DPE15的STP最小。這是因?yàn)镈P20和DPE15的密度稍大于純柴油，具有更大的慣性，在穿透過程中速度減弱得更慢，這對燃料STP起增大作用。另一方面，DP20和DPE15的黏度小于柴油，在與周圍空氣相互作用的過程中更容易發(fā)生破碎，液滴尺寸更小的燃油在穿透過程中受到更大的阻力，這最終對燃料STP起減小作用。兩種作用相互抵消，使得DP20和DPE15的STP與柴油的STP差異不明顯。DPE15的黏度最?。ū菵100低37%，比DP20低20%），密度適中，因此DPE15的STP要低于其他兩種燃料。

而對于生物柴油-PODE混合燃料，不同燃料的STP稍微有些差異。在噴霧發(fā)展初期（0.25 ms之前），4種燃料的STP無明顯區(qū)別。然而在噴霧發(fā)展的中后期，隨著生物柴油中PODE摻混比例的增加，混合燃料的STP明顯增大，當(dāng)PODE摻混比例達(dá)到20%時，隨著PODE的繼續(xù)加入，燃料STP又開始減小。相同時刻下B20的STP最大，B30的STP接近純生物柴油B0。在噴霧初期，液體燃料剛離開噴嘴還未破碎完全，并以最大的貫穿速度向前發(fā)展，此階段燃料STP的發(fā)展主要取決于離開噴嘴時獲得的初始速度，而受燃料本身物性差異的影響不大。隨著噴霧的進(jìn)一步發(fā)展，燃料逐漸破碎，受到環(huán)境氣體的阻力增大，噴霧貫穿速度開始迅速減小，混合燃料物性的差異開始影響著STP。PODE的密度比生物柴油大20%，因此PODE的慣性更大，在相同的阻力情況下速度減小得更慢，這使得混合燃料的STP更大。另一方面，PODE的黏度遠(yuǎn)小于生物柴油，而黏度是影響破碎過程的重要因素，黏度越小的燃油越容易破碎成細(xì)小液滴^［31］。燃油所受到的空氣曳力隨著破碎程度的增加而增大，這使得混合燃料的STP更小。因此，當(dāng)混合燃料中PODE比例升高到一定程度時，黏度等影響破碎的因素開始取代密度成為影響噴霧貫穿速度的主要因素，此時繼續(xù)加入PODE混合燃料的STP會減小，這就導(dǎo)致了燃料B30的STP反而要小于B20。由于燃料的STP受到燃料本身多種物性參數(shù)的共同影響，各試驗(yàn)工況下生物柴油-PODE混合燃料的STP隨著PODE比例的增加呈現(xiàn)先增后減小的相似規(guī)律。

2.2 噴霧錐角

噴霧錐角作為描述燃料宏觀噴霧形態(tài)的又一重要參數(shù)，在燃空混合度及氣體卷吸量等各種數(shù)學(xué)模型中得到了廣泛應(yīng)用，因此研究不同燃料對SCA的影響具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。圖5示出不同燃料的SCA在整個噴霧過程的發(fā)展情況比較。隨著液體燃料從噴嘴噴出，SCA先是迅速增大到峰值，然后開始慢慢下降，經(jīng)過短暫的波動后逐漸穩(wěn)定。燃料剛離開噴嘴時還沒有破碎完全，僅是破碎成液柱、液絲或者是大塊的液滴，這個過程稱為初級破碎^［32］。這個階段還處在燃油霧化的初期，SCA具有較高值和不穩(wěn)定的特點(diǎn)。隨著噴霧的發(fā)展，燃油噴霧在自身內(nèi)力和外界環(huán)境阻力共同作用下進(jìn)一步破碎成細(xì)小的液滴，直到完全霧化，這個過程稱為二次破碎^［33］。在這個階段噴霧形態(tài)逐漸穩(wěn)定，軸向與徑向的擴(kuò)散也逐漸均勻，因此在噴霧場的中遠(yuǎn)處SCA具有較為穩(wěn)定的值。從圖中還可以看出，噴霧壓力對燃料噴霧錐角的影響不大，說明噴霧錐角對噴霧壓力不敏感，這與先前文獻(xiàn)中的研究結(jié)果^［34］一致。

從圖中可以看出，噴霧初期的SCA不穩(wěn)定性，因此遠(yuǎn)場噴霧錐角才更能代表噴霧的錐角特性。為了更加直觀地比較PODE和乙醇的加入對柴油或生物柴油SCA的影響，選用噴射時間0.5 ms到噴射結(jié)束階段的SCA值進(jìn)行分析，通過計算這個階段SCA的平均值得到平均噴霧錐角，如圖6所示。

對于柴油-乙醇-PODE混合燃料，DP20和DPE15的噴霧錐角比柴油D100的錐角大，而DPE15的錐角最大。在3 MPa環(huán)境壓力下，DPE15的噴霧錐角比柴油大18%～30%。噴霧錐角是燃油噴霧徑向擴(kuò)散的結(jié)果，DP20的黏度低于柴油，而表面張力與柴油相似，因此在燃料噴霧過程中，DP20比D100更容易破碎成細(xì)小的液滴。較小的液滴具有更強(qiáng)的徑向擴(kuò)散性，這導(dǎo)致DP20的徑向擴(kuò)散大于D100，產(chǎn)生了更大的噴霧錐角。同樣，DPE15的黏度和表面張力小于DP20，更容易發(fā)生破碎，因此DPE15的錐角更大。結(jié)果表明，PODE和乙醇的加入改善了柴油的擴(kuò)散性，利于燃油與空氣充分混合。

生物柴油-PODE混合燃料的錐角要明顯大于生物柴油，并且PODE摻混比例越大，錐角也越大。出現(xiàn)這種情況的根本原因在于PODE的黏度和表面張力，特別是黏度比生物柴油?。˙30的黏度比生物柴油B0小45%），較小的黏度使得燃料在與周圍環(huán)境的相互作用下更容易破碎。當(dāng)液體燃料破碎成更細(xì)小的液滴時，噴霧在貫穿過程中受到外界空氣的影響更大，這有利于噴霧的徑向擴(kuò)散。由噴霧錐角的定義可知，更強(qiáng)的徑向擴(kuò)散導(dǎo)致了混合燃料具有比生物柴油更大的錐角。這也極大地增加了燃料在噴霧過程與周圍空氣的混合程度，這一特性也有利于混合燃料在實(shí)際柴油機(jī)中噴霧后續(xù)的燃燒與排放過程。

2.3 噴霧投影面積

噴霧投影面積是燃油在噴霧場中擴(kuò)散能力的直接表現(xiàn)，也可說明燃油噴霧與周圍空氣的混合情況。圖7示出不同燃料在不同噴霧壓力下的噴霧投影面積。

從圖中可以看出，對于柴油-乙醇-PODE混合燃料，大部分情況下3種燃料的SPA差異不大，僅當(dāng)噴霧壓力為90 MPa，環(huán)境壓力為3 MPa時， DPE15的SPA大于DP20和D100。說明在柴油中加入PODE和乙醇對柴油的SPA影響不大，柴油-PODE-乙醇混合燃料對空氣的卷吸能力與柴油相似。這在某種程度上也表明了柴油-PODE-乙醇混合燃料能夠方便地在柴油發(fā)動機(jī)上應(yīng)用，不需要對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重大修改。圖中還表明了噴霧壓力越大，燃料的SPA越大。噴霧壓力越大，提供給燃油的初始動量和動能會更大。

而對于生物柴油-PODE混合燃料，相同時刻下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。這種差異隨著時間的發(fā)展和噴霧壓力的降低更加明顯?；旌先剂暇哂斜壬锊裼偷偷酿ざ?，在與外界空氣相互作用中更容易發(fā)生破碎，更細(xì)小的燃油液滴更容易向四周擴(kuò)散，因此PODE混合燃料具有更大的SPA。當(dāng)噴霧壓力較低時，燃油不易破碎，因此燃料本身物性差異對破碎的影響就會更加明顯，這加劇了不同燃料間SPA的差異。

3 結(jié)論

a） 對于柴油-乙醇-PODE混合燃料，3種燃料的噴霧貫穿距沒有顯著差異，只有DPE15的STP略低于其他兩種燃料；在生物柴油中添加PODE會使噴霧貫穿距增大，但是當(dāng)PODE比例超過20%時，噴霧貫穿距開始減小，呈現(xiàn)先增后減的相似規(guī)律；

b） 在柴油中添加PODE和乙醇可以增加噴霧錐角，改善徑向擴(kuò)散，3種燃料的噴霧投影面積沒有明顯差異；生物柴油-PODE混合燃料的錐角要明顯大于生物柴油，并且PODE摻混比例越大，錐角也越大，極大地增加了燃料在噴霧過程與周圍空氣的混合程度；

c） 柴油中加入PODE和乙醇對柴油的SPA影響不大，柴油-PODE-乙醇混合燃料對空氣的卷吸能力與柴油相似；而對于生物柴油-PODE混合燃料，相同時刻下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噴霧質(zhì)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

［編輯：姜曉博］