雙組分燃油蒸餾及噴霧閃沸特性研究

程似騏, 許敏, 高弈, 吳勝奇, 董雪

(上海交通大學機械與動力工程學院汽車電子控制技術國家工程實驗室, 上海 200240)

雙組分燃油蒸餾及噴霧閃沸特性研究

程似騏, 許敏, 高弈, 吳勝奇, 董雪

(上海交通大學機械與動力工程學院汽車電子控制技術國家工程實驗室, 上海 200240)

在較高燃油溫度及較低環境背壓下，直噴噴霧易發生閃沸。閃沸噴霧具有貫穿距小、易于霧化等優勢，能夠有效降低發動機排放、提高燃油經濟性，在直噴發動機中具有較好應用前景。然而隨著渦輪增壓的使用，進氣壓力的提高導致噴霧較難達到閃沸狀態。針對這種現象，在研究混合燃油蒸餾特性后提出了通過向高沸點燃油中添加低沸點燃油的方式來促進噴霧的閃沸。試驗燃料為一系列不同比例低沸點燃油(異戊烷)與高沸點燃油(正十一烷)組成的混合燃油，通過蒸餾測試探究了不同組分燃料的蒸餾特性；通過在定容彈內拍攝不同燃油溫度、環境背壓下的燃油噴霧的米氏散射圖，研究了混合燃油形態變化規律。結果表明，不同于單一油品僅在沸點時沸騰產生餾出物，混合燃油是在一定的溫度范圍內均會沸騰產生蒸餾物，表現為3段式蒸餾曲線；混合燃油蒸餾前期大部分餾出物為低沸點燃油，表明混合燃油受熱時，低沸點燃油會優先蒸發；對噴霧宏觀形態的測量結果表明，向高沸點燃料中添加低沸點燃油能夠使噴霧在高背壓下達到閃沸狀態，且40%體積分數是最佳的添加量；另外，油溫越高添加低沸點燃油對噴霧閃沸的促進效果越好。

汽油機； 閃沸噴霧； 混合燃料； 蒸餾

近年來，隨著汽車保有量和使用量的增長，全球各個國家都面臨著嚴峻的能源和環境形勢。汽車節能減排技術越來越受到重視。其中，閃沸噴霧因具有貫穿距短、噴霧角大、噴霧顆粒小、蒸發劇烈等優勢，在降低缸內濕壁效應、增強油氣混合、降低排放物污染方面起顯著改善作用。因此無論是學術界還是工業界，長期以來都保持著對閃沸噴霧的研究。例如，Oza研究了閃沸噴霧對實際發動機的作用，發現閃沸噴霧能夠使油氣更均勻地混合，這一結果表明了采用閃沸噴霧具有進一步提高直噴汽油機節能減排效果的可能[1]。Aquino[2]在汽油機進氣道噴射的噴霧研究發現，閃沸噴霧更大的噴霧錐角和更加細小的噴霧液滴對汽油機的瞬態響應性以及HC排放都能產生有利影響。佘金平[3]等以柴油為研究對象，通過加熱提高柴油過熱度獲得柴油閃沸噴霧，發現柴油閃沸能提高HCCI發動機的燃油經濟性和排放特性。上海交通大學許敏團隊通過LIF，Mie，LIEF，Schlieren等手段對不同燃油的閃沸噴霧機理進行探究，系統論證了燃油壓力、環境壓力、燃油溫度對噴霧閃沸的促進作用[4-6]；研究發現對于某種燃油，降低環境壓力至該種燃油飽和蒸氣壓下或升高燃油溫度均可以促使噴霧閃沸，當過熱度較高時，燃油會出現坍塌現象，由多束油束完全聚攏為一束，達到完全閃沸狀態。在自然吸氣發動機上，當發動機工作在低速小負荷等工況時，進氣歧管內壓力為負壓，此時有可能出現閃沸噴霧。但隨著發動機小型化，汽油機增壓已經成為潮流[7]，燃油噴射時進氣歧管增壓后壓力可達150 kPa以上，因此低壓環境下噴霧閃沸的實現方式面臨挑戰，迫切需要尋找一種較高背壓下依然能夠實現噴霧閃沸的方式。

本研究在前期研究的基礎上，利用不同比例低沸點燃油異戊烷和高沸點燃油正十一烷配制了不同蒸發特性的混合燃油，研究了不同比例低沸點燃油添加效果對混合燃油的蒸發特性以及對閃沸噴霧特性的影響，并對試驗結果作了定量分析。

1 試驗系統及方法

1.1 混合燃料蒸餾特性測試方法及試驗設備

對于石油及其衍生物產品，單一化合物燃料與幾種化合物的混合燃料在受熱時表現迥異。單一化合物燃料受熱表現為在沸點時發生沸騰現象，而混合燃料則是多重烴類及衍生物組成的復雜混合物，因此不存在沸點，而是在一段溫度范圍內均表現出沸騰現象。

根據美國材料試驗協會制定的ASTM—D86[8]標準以及我國國標GB/T 6536—2010[9]，對于石油產品可以采用恩氏蒸餾的方法來獲得油品的蒸餾曲線。恩氏蒸餾是一種簡單蒸餾，本質上屬于漸次氣化，測定過程是將100 mL油品放入標準的蒸餾瓶中按規定的速度進行加熱，滴出第一滴冷凝液時的氣相溫度稱為初餾點。之后隨著溫度逐漸升高而不斷地產生餾出物，依次記下餾出液達10 mL，20 mL直至90 mL時的氣相溫度，10%，20%……90%蒸發百分比時的溫度被稱為餾出溫度。當氣相溫度升高到一定值后，不再升高反而回落，這個最高的溫度稱為終餾點，初餾點到終餾點之間的溫度范圍即為餾程，各個蒸發百分比和對應餾出溫度組成的曲線即為蒸餾曲線。不同組成的混合燃油有不同的蒸餾曲線。

實際應用中，蒸餾曲線由于簡單易獲得而常被車企用于判斷燃油性能的優劣。總體而言，10%餾出溫度越低，發動機越易啟動，50%餾出溫度表示燃料平均揮發性和加速性能的大小，90%餾出溫度意味著燃料是否易充分蒸發燃燒[10]。

本研究中所有蒸餾試驗均按照GB/T 6536—2010進行(見圖1)。

圖1 燃氣加熱型蒸餾儀器裝置圖[9]

1.2 噴霧測試方法及試驗設備

本研究使用MIE散射方法對混合燃油噴霧進行拍攝。MIE散射又稱為粗粒散射，利用了顆粒對光散射的不均勻原理來采集噴霧的液相形態。通常散射光在顆粒的各個方向并不均勻，當入射光源與相機呈90°或135°時，捕捉到的散射光光強較強，因此常用MIE散射布置為90°或135°夾角。此次試驗中，采用135°入射光布置。

試驗系統包括三部分，即燃油噴射系統、高速攝影系統及環境壓力控制系統(見圖2)。燃油噴射系統由信號發生器、蓄壓器、噴油器組成，燃油在活塞式蓄壓器中被加壓。當電腦控制信號發生器給出信號時，燃油從開啟的噴油器中噴出，最高油壓可達20 MPa。高速攝影系統由高速相機與頻閃LED組成，當電腦給出噴油信號的同時發送信號給相機與LED燈，完成噴油、照亮和拍攝的同步。高速相機為Phantom V1210，拍攝頻率20 000 Hz，相機曝光時間為49 μs；LED為高頻閃模式，頻閃頻率與相機同步，為20 000 Hz，持續時間為5 μs，通過LED燈時長來控制曝光時間，因此相機實際曝光時間為5 μs。相機軸線與LED燈軸線以噴油器tip軸線為中心呈135°夾角。環境壓力控制系統主要是通過調節真空泵和高壓氮氣的流量來調整定容彈內的環境壓力在20～200 kPa之間。

圖2 試驗系統示意

1.3 噴霧試驗工況

試驗采用均布6孔噴油器(見圖3)，噴孔與中心軸線夾角為30°，由于6孔均勻分布且噴霧角度相同，因此噴霧束有6束，但由于拍攝角度的限制，5，6孔噴霧束被2，3孔噴霧束遮擋，拍攝圖像中僅可見4束噴霧。L/D=1.5，噴孔直徑為0.2mm。

圖3 6孔噴油器示意

燃油依靠與噴油器組裝在一起的水套進行水浴加熱，試驗前已對水浴溫度與燃油溫度的關系進行標定，通過調節水套中水浴的溫度即可改變燃油溫度。為了獲得較好普適性試驗結果，試驗采用的最低燃油溫度為0 ℃，通常是冷啟動初始時刻發動機水溫較低時的燃油溫度，最高燃油溫度為90 ℃，通常是發動機運行工況下燃油能夠達到的較高溫度，此外在0～90 ℃間選取了6個溫度(見表1)作為燃油溫度工況點，保證噴霧形態隨溫度變化的連續性。最低環境壓力選取為20kPa，作為自然吸氣發動機進氣沖程下的較低壓力，最高環境壓力為200kPa，接近當前量產渦輪增壓發動機的峰值增壓壓力，在20～200kPa間選取了5個壓力(見表1)作為其他環境背壓工況點，保證了噴霧形態隨背壓變化的連續性。噴油持續時間為1ms，燃油噴射壓力為15MPa。

表1 試驗工況點

表2 異戊烷與十一烷分子式與沸點

表3 試驗混合燃油組成比例

由于本文重點探究高背壓下燃油閃沸情況，因此重點分析高沸點燃油中添加低沸點燃油后噴霧的改變情況。在不同背壓、不同油溫下，選取α=0，0.2，0.4，0.6對噴霧特性進行對比分析。采用的圖像處理軟件為Matlab，以噴孔剛剛出油作為ASOF(afterstartoffuel)為0時刻。采集的噴霧圖像首先去背景(減去ASOF為0時刻圖像)獲得噴霧束，然后通過設定閾值找出噴霧邊界，計算出噴霧貫穿距與噴霧角，每次的計算結果均為20次試驗數據的平均值(見圖4)。試驗中所用噴霧特性參數更為詳細的定義參見文獻[11]。

圖4 圖像處理過程

2 試驗結果分析

2.1 不同比例混合組分燃油蒸餾特性分析

本次蒸餾試驗共對6種不同組分燃油進行了蒸餾測試，結果見圖5。

圖5 不同比例組分混合燃油蒸餾曲線

混合燃油與單一燃油有著不同的蒸餾表現，單一燃油在沸點發生沸騰，而混合燃油在一定溫度范圍內均表現出沸騰蒸發的特性。對于α=0與α=1，開始加熱時蒸發溫度幾乎無變化，燃油在蒸餾燒瓶中表現為僅有少量氣泡產生，并無沸騰現象，收集量筒中無餾出物；隨著液體進一步受熱達到沸點，開始出現大量氣泡，燃油劇烈翻滾表現為沸騰狀態，并伴隨著餾出物產生，隨后溫度保持不變，直至燃油全部餾出。而對于α=0.2，0.4，0.6，0.8，加熱開始時燃油出現少量氣泡，蒸發溫度開始緩慢上升，當升高到一定溫度時，燃油出現大量氣泡，劇烈翻滾，出現沸騰現象，隨后收集量筒中出現餾出物，且蒸發溫度持續上升，直至全部餾出。

從蒸餾曲線上來看各種燃料表現迥異。α=0和α=1的單一化合物蒸餾曲線為一條直線(理論沸點為28 ℃和197 ℃)。而α=0.2，0.4，0.6，0.8對應的蒸餾曲線是一條蒸發百分數隨蒸發溫度不斷變化的曲線，可以分為3段：第1段出現在蒸餾初期，表現為近似一條斜率為正的直線，蒸發量與蒸發溫度等比例增加；第2段出現在蒸餾中期，表現為斜率近似為0的水平直線，蒸發量增量較小而蒸發溫度迅速上升；第3段出現在蒸餾末期，表現為近似垂直的一條直線，蒸發溫度近乎維持不變的同時，蒸發量迅猛增長。

混合燃油受熱時低沸點燃油將先于高沸點燃油蒸發。α=0.2，0.4，0.6，0.8蒸餾曲線第2段與第3段拐點對應的蒸發百分比恰好近似為20%，40%，60%，80%，這表明了蒸餾前期餾出物中主要包含的是低沸點燃油，說明混合燃油受熱時低沸點燃油更易蒸發出來。

增加低沸點燃油有助于提高整體燃油的蒸發性。隨著α的增加，初餾點與10%餾出溫度不斷降低，表現為α=0.2，0.4，0.6，0.8時曲線3，4，5，6與橫坐標交點依次向原點接近，10%餾出溫度分別為57 ℃，42 ℃，30 ℃，27 ℃，噴霧蒸發特性不斷改善。

因此向高沸點燃油中添加低沸點燃油，低沸點燃油易于蒸發的特性具有促進燃油噴霧霧化、蒸發的潛力，甚至導致閃沸噴霧發生，這也是本文的重點研究內容。

2.2 不同油溫下低沸點燃油比例對噴霧形態的影響

為了更好地比較低沸點燃油對噴霧的影響，在較高背壓(100kPa)下，選取純油品(α=0)以及混合燃料(α=0.2，0.4，0.6)，對ASOF為0.8ms時刻不同油溫下的噴霧形態進行比較，油溫分別為0 ℃(低溫)，50 ℃(中溫)，90 ℃(高溫),結果見圖6。在0 ℃時， 對于α=0.2，0.4，0.6的燃油均清晰可見6束噴霧，且形態接近(2，3束噴霧因為視角關系分別為兩束噴霧的圖像重疊)，表明在低溫下添加低沸點燃油對混合燃油的蒸發促進作用效果較小。在50 ℃時，α=0，0.2，0.4，0.6時噴霧形態接近，但隨著α增加，噴霧油束間界限變得模糊(α=0.6最為明顯，界限已基本消失，出現過渡閃沸的噴霧形態)，油束噴霧尖端開始消散，原噴霧尖端處出現大尺寸旋渦，噴霧貫穿距縮短。這是因為隨著低沸點燃油比例的增加，噴霧整體蒸發表現更為劇烈，燃油更易發生劇烈相變而使燃油破碎成為一系列極細小的液滴。這些液滴由于自身質量小，很容易隨著氣流運動，造成油束間界限模糊，并且在油束尖端隨氣流卷吸出現旋渦。因此在中等油溫情況下，加入低沸點燃油對噴霧有一定促進作用，但效果并不強烈。在90 ℃時，噴霧形態已產生較大差異，α=0和α=0.2噴霧形態接近，可見邊界模糊的6束噴霧，α=0.4和α=0.6噴霧束已經出現塌陷收縮現象，油束尖端全部消失，噴霧邊緣出現明顯的卷流，表明已處于閃沸狀態。

圖6 100 kPa背壓，0 ℃，50 ℃，90 ℃油溫下，噴霧形態隨α變化情況(ASOF為0.8 ms)

圖7定量比較不同油溫下的貫穿距、噴霧角變化。在較高背壓環境(100kPa，200kPa)下，噴霧在0 ℃，50 ℃，90 ℃油溫下處于冷態或過渡態，隨著α增加貫穿距縮短；在較低背壓環境(20kPa)下，此時過熱度較高，50 ℃和90 ℃油溫下，隨α增大，噴霧先進入過渡閃沸狀態，油束前段消散，貫穿距減小，進一步增大α，噴霧進入完全閃沸狀態，油束坍陷，形成棒狀噴霧，貫穿距增加，因此出現貫穿距先減小后增大的現象。

圖7 不同背壓不同油溫下噴霧貫穿距和噴霧角隨低沸點燃油比例的變化

各環境背壓下，不同油溫時噴霧角均表現為隨α增大先增大后減小。α=0.2時，低沸點燃油比例較少，隨α增大蒸發加劇，噴霧束變寬，而隨著α進一步增大，低沸點閃沸促進噴霧達到過渡或完全閃沸狀態，噴霧向中軸線收縮發生坍塌聚攏，導致噴霧角縮小。

2.3 不同背壓下低沸點燃油比例對噴霧形態的影響

圖8示出不同背壓下燃油噴出后0.8ms不同燃油的噴霧形態，油壓為15MPa，油溫為90 ℃，背壓范圍為20～150kPa。

相同背壓下，增加低沸點燃油都能夠有效促進噴霧的閃沸。在低背壓(20kPa，40kPa)情況下，隨著α增加，噴霧從分開獨立束狀逐漸聚攏坍塌，最終形成棒狀噴霧，經歷過渡閃沸到完全閃沸的狀態；在中等背壓情況下(80kPa)，隨著α增加，噴霧束逐漸聚攏，油束間邊界消失，噴霧處于過渡閃沸狀態；而當處于高壓(150kPa)情況下，隨著α增加，噴霧油束尖端消散，噴霧束邊緣可見破碎顆粒數量增加，形成較寬噴霧束。

圖8 不同背壓下噴霧形態隨α變化情況

增加低沸點燃油有助于噴霧在更高背壓下實現閃沸，且40%添加量將有效改善噴霧形態。圖8中實線區域①部分噴霧均已坍塌收縮形成棒狀，表明已完全閃沸。α=0.2時，噴霧在20kPa背壓下才能達到完全閃沸狀態。增加低沸點燃油比例后，α=0.4和α=0.6時，噴霧可以在40kPa背壓下達到相同完全閃沸狀態；圖8中虛線區域②部分噴霧邊界消失，噴霧為分叉狀，表明處于過渡閃沸階段。當α=0.2時，噴霧在40kPa才能處于過渡閃沸狀態，而當α=0.4和α=0.6時，噴霧在100kPa下也可以達到閃沸狀態。因此增加α可以提高混合燃油噴霧達到閃沸狀態的壓力上限，是實現較高壓下閃沸的一種有效方式。

此外，添加40%異戊烷即可有效改善噴霧形態。不同背壓下，α=0.4促進噴霧閃沸的程度比α=0.2更明顯(例如40kPa下，α=0.2為過渡閃沸狀態，而α=0.4為完全閃沸狀態)，α=0.6與α=0.4促進噴霧的程度相似，表明當α大于0.4時，繼續提高低沸點燃油比例效果有限。

圖9示出0 ℃，50 ℃，90 ℃油溫，不同背壓下貫穿距和噴霧角的變化情況。在低油溫情況下，不同背壓下α增加對于貫穿距影響均不大，基本保持不變；在中高油溫下，低背壓下，隨低沸點燃油增加噴霧蒸發加劇，油束處于過渡閃沸到完全閃沸狀態，油束塌陷收縮，貫穿距先降低后增大，而中高背壓下，噴霧均處于過渡閃沸狀態，噴霧貫穿距呈現降低趨勢。

低油溫下，不同背壓下噴霧角均表現為隨α增加略微增大的趨勢，這是因為過熱度低，噴霧均處于冷態，α增加僅僅表現為蒸發加劇，油束膨脹。中高油溫下，隨α增加噴霧先膨脹，噴霧角增大，隨后噴霧液滴破碎加劇，油束坍塌，噴霧角減小。

圖9 不同油溫不同背壓下噴霧貫穿距和噴霧角隨低沸點燃油比例的變化

綜上，向高沸點燃油中添加低沸點燃料能夠顯著改變混合燃料的噴霧形態，低沸點燃油能夠有效帶動噴霧在更高背壓下達到閃沸工況，并且在高沸點燃料中加入40%低沸點燃料即可有效促使噴霧達到閃沸狀態。

3 結論

a) 不同于單一油品僅在沸點時沸騰產生餾出物，混合燃油不存在確定沸點,而是表現為3段式蒸餾曲線，在一定的溫度范圍內均沸騰餾出,并且受熱后低沸點燃油將優先蒸發;

b) 不同油溫下，低沸點燃油對噴霧閃沸均有促進作用，油溫越高，低沸點燃油對噴霧的閃沸促進效果越強;

c) 添加低沸點燃油能夠有效地促使噴霧在原有不能閃沸的高背壓工況下達到閃沸，有效拓寬高壓下閃沸噴霧的應用條件；

d) 在噴霧中添加40%異戊烷對噴霧閃沸的促進作用比20%添加量更為明顯，但進一步提高低沸點燃油比例對噴霧閃沸的促進作用有限，因此40%是本試驗選用燃油的最佳添加比例。

致謝：

本研究得到了上海交通大學汽車電子控制技術國家工程試驗室的支持。

[1]Oza,Sinnamon.Anexperimentalandanalyticalstudyofflash-boilingfuelinjection[C].SAEPaper830590, 1983.

[2]AquinoC,PlensdorfW.Theoccurrenceofflash-boilinginaportinjectedgasolineengine[C].SAEPaper982522, 1998.

[3]JinpingShe.Experimentalstudyonimprovementofdieselcombustionandemissionusingflashboilinginjection[C].SAEPaper2010-01-0341.

[4]WeiZeng,MinXu,GaomingZhang.Atomizationandvaporizationforflash-boilingmulti-holesprayswithalcoholfuels[J].Fuel,2012,95:287-297.

[5]WeiZeng,MinXu,MingZhang.Macroscopiccharacteristicsfordirect-injectionmulti-holespraysusingdimensionlessanlysis[J].ExperimentalThermalandFluidScience,2012,40:81-92.

[6]GaomingZhang,MinXu,YuyinZhang.Macro-scopiccharacterizationofflash-boilingmultiholespraysusingplanarlaser-inducedexciplexfluorescence.PartII:cross-sectionalspraystructure[J].AtomizationandSprays,2013,23(3):265-278.

[7] 張俊紅,李志剛,王鐵寧.車用渦輪增壓技術的發展回顧、現狀及展望[J].小型內燃機與摩托車,2007(1):66-69.

[8]ASTMD86—2007b大氣壓力下石油產品的蒸餾物用標準試驗方法[S].美國：美國材料與試驗協會，2007.

[9] 楊婷婷，鄭煜，董芳，等.GB/T6536—2010 石油產品常壓蒸餾特性測定法[S].北京：中國標準出版社，2011.

[10] 高磊.恩氏常壓蒸餾法測定車用汽油的餾程[J].西藏科技,2013(6):9-10.

[11]HungDLS，HarringtonDL，GandhiAH，etal.Gasolinefuelinjectorspraymeasurementandchar-acterization[C].SAEPaper2008-01-1068.

[編輯: 李建新]

Distillation and Flash Boiling Characteristics of Two Component Blended Fuel

CHENG Siqi， XU Min, GAO Yi， WU Shengqi， DONG Xue

(National Engineering Laboratory for Automotive Electronic Control Technology, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Flash boiling was easy to happen at high fuel temperature and low ambient back pressure when direct injection was used. Flash boiling spray had an application prospect because it had short penetration and easy spray and could reduce exhaust emission and improve fuel economy. However, the application of turbocharger led to difficult flash boiling due to the increase of intake pressure. In view of this phenomenon, it was proposed to promote the flash boiling spray by adding the low boiling fuel to the high boiling fuel after studying the mixed fuel distillation characteristics. Test fuels were a series of blended fuel which was composed of the low boiling point fuel like isopentane and the high boiling fuel like n-undecane and their distillation characteristics were studied through the distillation test. Finally, the morphology changes of mixed fuel were studied by taking the Mie scattering diagram of fuel spray at different fuel temperatures and environmental back pressures inside constant volume bomb. The results show that the mixed fuel cannot be boiled to produce distillate at one boiling point like single fuel but in a certain temperature range. It is a three-stage distillation curve. The low boiling point fuel first produces during the distillation because of its evaporation. The macroscopic measurement results show that the method can realize the flash boiling state at high back pressure and 40% volume fraction is the best adding proportion. Besides, adding low boiling fuel to higher temperature fuel is beneficial to flash boiling.

gasoline engine; flash boiling spray; blended fuel; distillation

2016-12-06;

2017-04-26

國家自然科學基金資助項目(51376119/E060502)

程似騏(1990—)，男，碩士，主要從事汽車發動機的研究；robertchlykk@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.001

TK411.12

B

1001-2222(2017)02-0001-06