关于甲醇和柴油在高压直喷条件下宏观喷雾特性的实验比较研究

《Journal of the Energy Institute》：Experimental comparative study on macroscopic spray characteristics of methanol and diesel under high-pressure direct injection

甲醇与柴油高压喷射喷雾特性对比研究，采用Schlieren成像技术分析不同环境温度（300-473K）和压力（1-2MPa）下两种燃料的喷雾参数，发现甲醇因低沸点、低粘度和高汽化潜热导致喷雾尖端穿透深度较短但锥角和投影面积较大，且对温度敏感程度更高。研究揭示了甲醇与柴油的本质喷雾差异，为甲醇发动机设计及喷射策略优化提供实验支撑。

　　

张海飞|李国秀|李红萌|胡梦坤|史宇|王展光

北京交通大学机械、电子与控制工程学院，北京，100044，中国

摘要

在全球“碳中和”目标的推动下，甲醇作为一种有前景的低碳替代燃料，已经引起了人们的关注，尤其是在直喷发动机领域。然而，由于缺乏高压喷射数据以及与柴油的系统性比较，甲醇的发展受到了阻碍。本研究采用Schlieren方法在恒容燃烧室内研究了甲醇和柴油在一系列环境温度（300-473 K）和压力（1-2 MPa）下的喷射特性。结果表明，由于甲醇的沸点低、粘度小以及汽化潜热高，其喷射末端穿透距离（STP）较短，但喷射锥角（SCA）和扩散投影面积（SPA）较大。此外，甲醇对温度更为敏感：在高温下，柴油的喷射锥角随温度呈正相关，而甲醇的喷射锥角则呈负相关。这项研究揭示了两种燃料之间喷射特性的本质差异，为直喷甲醇发动机的设计和喷射策略优化提供了重要依据。

引言

面对全球能源短缺和环境污染的挑战，交通运输领域的节能和减排已成为一个关键问题。柴油发动机因其出色的扭矩密度和高能量转换效率而被广泛应用于重型车辆、船舶和工程机械等领域[1]。近年来，在全球“碳中和”战略目标的深入推动以及日益严格的排放法规要求下，提高发动机燃烧效率和实现超低污染物排放已成为内燃机（ICE）行业的核心发展目标。在此背景下，低碳替代燃料技术凭借其技术可行性和环境友好性，成为推动行业实现碳中和和实现高效清洁燃烧的关键技术途径[2][3][4]。

从燃料生命周期评估的角度来看，随着碳捕获和甲醇合成技术的进步，甲醇有望成为一种新型的零碳燃料[5]。作为一种来自生物质或通过碳捕获、利用和储存技术合成的低碳替代燃料，甲醇在替代燃料领域受到了广泛关注[6][7][8]。与传统柴油相比，甲醇具有燃烧效率高、可获得性强和污染物排放量低等显著优势。特别是在重型发动机中，使用甲醇作为替代燃料可以同时提高热效率并减少氮氧化物（NO_x）的排放。因此，关于甲醇在重型发动机中作为替代燃料的清洁高效应用的研究在学术界和工业界引起了广泛关注[9][10][11]。

燃料的喷射特性对发动机内的雾化过程和混合气形成过程有着重要影响，因此对于提升发动机的燃烧性能和排放性能至关重要[12]。目前，甲醇在发动机中的主要应用方式包括缸内直喷、进气口燃油喷射和直接混合。受发动机工作范围和混合燃料储存稳定性的双重限制，双燃料直喷技术已成为内燃机领域未来发展的一个极具前景的燃烧策略。因此，全球学者对甲醇的缸内直喷特性进行了大量研究。Dong等人[13]使用单缸重型发动机研究了缸内双燃料直喷对发动机性能和排放的影响，结果表明，以甲醇为主要燃料的缸内直喷发动机具有出色的点火性能、稳定的燃烧过程以及较低的一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放。此外，增加甲醇的替代比例和发动机负荷有助于提高发动机热效率和缸内燃烧的稳定性。Anupam等人[14]基于恒容燃烧室（CVCC）利用Mie散射和阴影成像技术研究了甲醇喷雾在蒸发条件下的宏观特性，他们的研究发现环境气体的密度和温度对甲醇的蒸汽相和液相的STP有显著影响。与液相穿透相比，气相穿透对喷射压力的变化更为敏感。然而，他们的实验喷射压力最高仅达到48 MPa。Wang等人[15]进一步研究了含水甲醇在高压直喷（HPDI）条件下的宏观和微观特性，结果表明适当的水分含量可以加速甲醇喷雾的汽化，并增加气相喷雾的轴向传播距离。此外，在甲醇含水量较高的情况下，采用较大的喷嘴孔径可以有效平衡燃料能量供应和喷雾发展。Gong等人[16]观察到，在较低的喷射压力（12-18 MPa）下，喷射锥角在整个喷射过程中几乎保持不变，且喷射锥角与环境密度和喷嘴直径呈正相关。Leng等人[17]系统研究了喷射持续时间、喷射压力、环境温度和环境压力对高压喷射条件下甲醇喷射特性的影响，参数研究表明喷射压力和喷射持续时间与STP和SCA呈正相关，而环境压力的增加会导致STP减小和喷射锥角增大。Anupam等人[18]研究了在不同乳化剂和甲醇含量下的甲醇-柴油乳液的喷射特性，最大喷射压力达到150 MPa，结果表明表面活性剂的沸点对甲醇-柴油乳液液相长度有显著影响，添加表面活性剂可以增强乳液的穿透能力和沸点。Wang等人[19]以甲醇喷雾为研究对象，系统分析了其宏观喷射特性，发现喷射压力、环境温度和环境压力对STP和SCA有显著影响。Matamis等人[20]使用重型光学发动机对甲醇的喷雾和混合气形成特性进行了光学诊断，研究了液滴喷雾与点火点之间的相互作用，并分析了不同喷射时间、喷射压力和环境密度下的相关参数变化规律。Dong等人[21]进行了高压甲醇喷射的光学实验，利用柴油发动机的经验模型计算了甲醇喷雾参数，并建立了高压条件下甲醇喷雾特性的经验模型。

大多数现有研究集中在甲醇的中低压喷射上，而关于不同燃料之间喷射特性的比较以及高压甲醇喷射特性的研究较少。然而，甲醇-柴油双燃料直喷发动机的缸内雾化过程和混合气形成过程在很大程度上依赖于两种燃料的喷射特性。高速Schlieren成像技术等可视化测量技术在分析不同燃料的喷射特性方面发挥着不可或缺的作用[22][23][24]，并为甲醇燃料在内燃机领域的推广和应用提供了重要的实验数据支持。传统的压缩点火发动机主要以柴油为燃料。经过数十年的理论和实验研究，学术界提出了许多经验公式和半经验公式，能够相对准确地预测柴油喷雾特性[25][26][27]。然而，目前关于甲醇喷雾特性的基础数据库仍然不够完善。缺乏覆盖广泛工作条件的甲醇喷雾数据意味着仍需进一步深入探索甲醇喷雾的核心演变机制，包括破碎、蒸发和分散过程。目前，关于甲醇在内燃机领域应用的研究主要基于柴油发动机[28][29][30][31]。然而，大多数现有研究仅关注甲醇燃料本身的喷射和燃烧特性，缺乏系统性的甲醇与柴油喷射特性比较研究，这阻碍了双燃料直喷发动机喷射策略的最佳设计。

为了提高甲醇-柴油双燃料直喷发动机中甲醇的燃烧效率和雾化性能，本研究利用高速Schlieren技术对甲醇和柴油的宏观喷射特性进行了实验研究，探讨了不同环境压力、环境温度和喷射压力对两种燃料宏观喷射特性的影响，并量化了甲醇与柴油之间关键喷射特性参数的差异。这项工作为甲醇燃料在内燃机中的应用提供了实验数据支持，也为双燃料直喷发动机的CFD仿真模型校准提供了参考。

实验装置

本研究采用基于恒容燃烧室（CVCC）的可视化实验系统来表征甲醇和柴油的喷射特性。实验系统的整体构成为五个部分：CVCC、Schlieren可视化系统、同步控制系统、温度控制系统和燃料供给及喷射系统。

为了满足实验的高温和高压运行要求，

结果与讨论

利用安装在CVCC上的Schlieren成像系统获取的实验数据，本节对甲醇和柴油燃料的高压喷射特性进行了系统比较分析。此处呈现的定量结果是五次重复实验的平均值，实验不确定性通过误差条表示。具体来说，本节讨论了喷射压力、环境压力和环境温度的影响

总结与结论

本研究利用CVCC中的高速Schlieren成像技术，系统地比较了甲醇和柴油在高压喷射条件下的喷射特性。研究量化了环境压力、温度和喷射压力对宏观特性的影响，并阐明了导致两种燃料差异的物理机制。本研究的主要结论如下：

作者贡献声明

张海飞：撰写——原始草稿、方法论、实验研究、数据分析。李国秀：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取、数据管理。李红萌：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论、资金获取。胡梦坤：验证、实验研究、数据管理。史宇：撰写——审阅与编辑、实验研究。王展光：撰写——审阅与编辑、实验研究、数据分析。

利益声明

我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的人或组织没有财务和个人关系，并且我们对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他个人利益，这些利益可能与题为“高压直喷下甲醇和柴油的宏观喷射特性实验比较研究”的手稿所涉及的内容或评审无关。

致谢

本工作得到了基本科学研究机构稳定性支持项目“WDZC-2023-XXDL-01”的支持。