2-甲基呋喃及其与异辛烷掺混燃料喷雾的微观特性研究.pdf

第5期(总第20期)
车用发动机
No 5(Serial No220)
2015年10月
VEHICLE ENGINE
Oct.2015
2-甲基呋喃及其与异辛烷摻泥燃料牍雾的微观特性硏究
丁海春2,江长照', Hongming XU,左承基2
(1. University of Birmingham, Mechanical School of Mechanical Engineering, B19 2TT UK
2.合肥エ业大学机械与汽车工程学院,安搬合肥230009)
摘要:第二代生物燃料2甲基呹喃(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
的掺混燃籵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MF5O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東中心大,两端小的对称分布。微粒速度随环境背压的増加而降低,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
关键词:2-甲基呋喃;异辛烷;混合燃料;燃油雾化;粒径;速度
DOI:10.3969/j.issn,1001-222.2015.05.008
中图分类号:TK407.9文献标志码:B文章编号:1001-222(2015)05-0044-08
由于全球温室效应的加剧和化石燃料的过量消Wang等研究了MF、DMF、乙醇和汽油在直喷汽
耗,越来越多的学者开始研究代用燃料的各种物理油机上的排放特性与发动机性能表现,发现尽管
化学性质,其中包括对代用燃料喷雾特点的研MF与DMF的化学结构类似,但是它们的燃烧特点
究32。乙醇作为汽油的替代品之一,目前对其进行有很大区别
的研究一直是主流?。但是乙醇也有其自身的缺
燃料雾化质量会很大程度影响缸内直喷发动机
陷,比如高挥发性,低能量密度,生产过程很大程度的燃烧过程,但到目前为止,针对MF及其掺混燃料
地依赖粮食等等,限制了这种燃料的进一步发展。
喷雾的微观特性研究不多。本研究利用PDPA技
Roman等0?提出了大规模制造2-甲基呋喃术,在定容燃烧弹内研究了不同喷射条件下MF及
(MF)和2,5-甲基呋喃(DMF)的方法,其生产不使其掺混燃料的喷雾微观特性(粒径分布与微粒速度
用粮食与油料,燃料本身具有较高能量密度,无需改分布)。
变现有发动机结构就能使用,因此它们被称为第二1试验裝置和方法
代生物燃料。与乙醇相比,MF与DMF有着很多的
图1示出PDPA试验装置,主要由定容弹、油
优势:首先是能量密度较大,与汽油比较接近;其次压控制系统、喷油信号控制系统和PDPA系统组成。
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
氮气
蓊液罐
与乙醇相比,MF与DMF更适合作为汽油的代用燃料。
定容弹
笔者所在的研究团队对MF与DMF进行了
系列相关的研究。Tian等川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
kcu
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
PDPA信号
:处理器
信号
排放量也比较低。Tian等2利用相位多普勒粒子
触发器
分析技术(PDPA)研究了DMF的喷雾特性,发现
抽气机
DMF与乙醇相比,在喷雾特性上更接近于汽油
图1PDPA试验装置示意
收稿日期:2015-05-21;修回日期:2015-09-10
通讯作者:左承基(1955-),男,教授,主要研究内燃机燃烧与排放控制; chengiizuo(a163.c%
作者筒介:了海春(1988-),男,博土,主要研究代用燃料喷雾与燃烧特性; haichun_ding@163.cor
2015年10月
丁海春,等:2-甲基呹喃及其与异辛煷掺混燃料喷雾的徽观特性研究
正方形定容弹四周有直径100mm的光学视和488mm两种不同波长的激光。激光的接收端与
窗,装有进、排气电磁阀和安全阀。定容弹的8个角发射端成70°角
落都装有功率为250W的加热器,最高可将定容弹
试验用喷嘴采用一款车用GDI6孔喷嘴,孔径
加热到120℃。定容弹所有接合部位都设有特制的为0.2mm,喷油持续期设定为1ms。测试然料为
密封圈,保证定容弹在背压到达0.7MPa时依然保2-甲基呋喃(MF)、异辛烷和MF与异辛烷按照体积
持良好的密封性。
比1:1掺混的混合燃料(MF50)。表1列出测试燃
PDPA系统采用 DANTEC3- D PDPA系统,包料与其他常用燃料的对比。表2列出测试燃料主要
括了三维移动系统、激光发射和信号接收系统。其物理性质的数据库值与測量值,以保证掺混燃料物
中移动系统可以在三维方向任意移动,精度为理性质测量的准确性。试验测试条件列于表3。
0.01mm。系统使用AR-ION激光,产生514.5mm
表1常用燃料的物理化学性质
燃料
DMIF
异辛烷
乙醇
汽油
密度(20℃)/kg?mn-3
913.2
辛烷值(RON)
101.3
108,6
96,8
空燃比
14.46
热值/MJ·L-1
29,3
30.66
23.43
31.9
汽化潜热/kJ?kg
358
332
307.6
841
沸点/℃C
64.7
78.37
32.8
表2测试燃料主要物理性质
燃料
?辛烷
ME50
密度/kg
691.9
913.2
802,55
表面张力(测量值)/N?m
9,40×10-3
24.90×10~3
20,70X10
表面张力(数据库)/N?m~1
18,77×10-3
24.58X103
黏度(测量值)/kg?(m?s)
0.660×10-3
0,440X10
0.480×103
黏度(数据库)/kg?(m?s)
0.502×10-3
0,396×10~3
表3PDPA试验測试条件
40mm,50mm,60mm的位置,在每个高度位置上,
以1mm为间隔,从油東中心左右各测量2~4个
喷射压力/MPa
5,10,15
点,保证在油束每个高度位置上有5~8个测量点,
背压/MPa
0.1,0.3,0.77
使每幅PDPA测量图上至少获得20000个有效数
环境温度/C
20,60,90
据点。
喷油脉宽/ms
测试位置(距离喷孔)/mm
0,40,50,60
2试验结果与分析
在PDPA试验中首先选定喷雾中某一油束(见
图3示出PDPA测试系统获得的某喷雾油束
图2),然后选取距离喷口垂直高度分别为30mm,
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