双组分燃油蒸馏及喷雾闪沸特性研究

程似骐, 许敏, 高弈, 吴胜奇, 董雪

(上海交通大学机械与动力工程学院汽车电子控制技术国家工程实验室, 上海 200240)

双组分燃油蒸馏及喷雾闪沸特性研究

程似骐, 许敏, 高弈, 吴胜奇, 董雪

(上海交通大学机械与动力工程学院汽车电子控制技术国家工程实验室, 上海 200240)

在较高燃油温度及较低环境背压下，直喷喷雾易发生闪沸。闪沸喷雾具有贯穿距小、易于雾化等优势，能够有效降低发动机排放、提高燃油经济性，在直喷发动机中具有较好应用前景。然而随着涡轮增压的使用，进气压力的提高导致喷雾较难达到闪沸状态。针对这种现象，在研究混合燃油蒸馏特性后提出了通过向高沸点燃油中添加低沸点燃油的方式来促进喷雾的闪沸。试验燃料为一系列不同比例低沸点燃油(异戊烷)与高沸点燃油(正十一烷)组成的混合燃油，通过蒸馏测试探究了不同组分燃料的蒸馏特性；通过在定容弹内拍摄不同燃油温度、环境背压下的燃油喷雾的米氏散射图，研究了混合燃油形态变化规律。结果表明，不同于单一油品仅在沸点时沸腾产生馏出物，混合燃油是在一定的温度范围内均会沸腾产生蒸馏物，表现为3段式蒸馏曲线；混合燃油蒸馏前期大部分馏出物为低沸点燃油，表明混合燃油受热时，低沸点燃油会优先蒸发；对喷雾宏观形态的测量结果表明，向高沸点燃料中添加低沸点燃油能够使喷雾在高背压下达到闪沸状态，且40%体积分数是最佳的添加量；另外，油温越高添加低沸点燃油对喷雾闪沸的促进效果越好。

汽油机； 闪沸喷雾； 混合燃料； 蒸馏

近年来，随着汽车保有量和使用量的增长，全球各个国家都面临着严峻的能源和环境形势。汽车节能减排技术越来越受到重视。其中，闪沸喷雾因具有贯穿距短、喷雾角大、喷雾颗粒小、蒸发剧烈等优势，在降低缸内湿壁效应、增强油气混合、降低排放物污染方面起显著改善作用。因此无论是学术界还是工业界，长期以来都保持着对闪沸喷雾的研究。例如，Oza研究了闪沸喷雾对实际发动机的作用，发现闪沸喷雾能够使油气更均匀地混合，这一结果表明了采用闪沸喷雾具有进一步提高直喷汽油机节能减排效果的可能[1]。Aquino[2]在汽油机进气道喷射的喷雾研究发现，闪沸喷雾更大的喷雾锥角和更加细小的喷雾液滴对汽油机的瞬态响应性以及HC排放都能产生有利影响。佘金平[3]等以柴油为研究对象，通过加热提高柴油过热度获得柴油闪沸喷雾，发现柴油闪沸能提高HCCI发动机的燃油经济性和排放特性。上海交通大学许敏团队通过LIF，Mie，LIEF，Schlieren等手段对不同燃油的闪沸喷雾机理进行探究，系统论证了燃油压力、环境压力、燃油温度对喷雾闪沸的促进作用[4-6]；研究发现对于某种燃油，降低环境压力至该种燃油饱和蒸气压下或升高燃油温度均可以促使喷雾闪沸，当过热度较高时，燃油会出现坍塌现象，由多束油束完全聚拢为一束，达到完全闪沸状态。在自然吸气发动机上，当发动机工作在低速小负荷等工况时，进气歧管内压力为负压，此时有可能出现闪沸喷雾。但随着发动机小型化，汽油机增压已经成为潮流[7]，燃油喷射时进气歧管增压后压力可达150 kPa以上，因此低压环境下喷雾闪沸的实现方式面临挑战，迫切需要寻找一种较高背压下依然能够实现喷雾闪沸的方式。

本研究在前期研究的基础上，利用不同比例低沸点燃油异戊烷和高沸点燃油正十一烷配制了不同蒸发特性的混合燃油，研究了不同比例低沸点燃油添加效果对混合燃油的蒸发特性以及对闪沸喷雾特性的影响，并对试验结果作了定量分析。

1 试验系统及方法

1.1 混合燃料蒸馏特性测试方法及试验设备

对于石油及其衍生物产品，单一化合物燃料与几种化合物的混合燃料在受热时表现迥异。单一化合物燃料受热表现为在沸点时发生沸腾现象，而混合燃料则是多重烃类及衍生物组成的复杂混合物，因此不存在沸点，而是在一段温度范围内均表现出沸腾现象。

根据美国材料试验协会制定的ASTM—D86[8]标准以及我国国标GB/T 6536—2010[9]，对于石油产品可以采用恩氏蒸馏的方法来获得油品的蒸馏曲线。恩氏蒸馏是一种简单蒸馏，本质上属于渐次气化，测定过程是将100 mL油品放入标准的蒸馏瓶中按规定的速度进行加热，滴出第一滴冷凝液时的气相温度称为初馏点。之后随着温度逐渐升高而不断地产生馏出物，依次记下馏出液达10 mL，20 mL直至90 mL时的气相温度，10%，20%……90%蒸发百分比时的温度被称为馏出温度。当气相温度升高到一定值后，不再升高反而回落，这个最高的温度称为终馏点，初馏点到终馏点之间的温度范围即为馏程，各个蒸发百分比和对应馏出温度组成的曲线即为蒸馏曲线。不同组成的混合燃油有不同的蒸馏曲线。

实际应用中，蒸馏曲线由于简单易获得而常被车企用于判断燃油性能的优劣。总体而言，10%馏出温度越低，发动机越易启动，50%馏出温度表示燃料平均挥发性和加速性能的大小，90%馏出温度意味着燃料是否易充分蒸发燃烧[10]。

本研究中所有蒸馏试验均按照GB/T 6536—2010进行(见图1)。

图1 燃气加热型蒸馏仪器装置图[9]

1.2 喷雾测试方法及试验设备

本研究使用MIE散射方法对混合燃油喷雾进行拍摄。MIE散射又称为粗粒散射，利用了颗粒对光散射的不均匀原理来采集喷雾的液相形态。通常散射光在颗粒的各个方向并不均匀，当入射光源与相机呈90°或135°时，捕捉到的散射光光强较强，因此常用MIE散射布置为90°或135°夹角。此次试验中，采用135°入射光布置。

试验系统包括三部分，即燃油喷射系统、高速摄影系统及环境压力控制系统(见图2)。燃油喷射系统由信号发生器、蓄压器、喷油器组成，燃油在活塞式蓄压器中被加压。当电脑控制信号发生器给出信号时，燃油从开启的喷油器中喷出，最高油压可达20 MPa。高速摄影系统由高速相机与频闪LED组成，当电脑给出喷油信号的同时发送信号给相机与LED灯，完成喷油、照亮和拍摄的同步。高速相机为Phantom V1210，拍摄频率20 000 Hz，相机曝光时间为49 μs；LED为高频闪模式，频闪频率与相机同步，为20 000 Hz，持续时间为5 μs，通过LED灯时长来控制曝光时间，因此相机实际曝光时间为5 μs。相机轴线与LED灯轴线以喷油器tip轴线为中心呈135°夹角。环境压力控制系统主要是通过调节真空泵和高压氮气的流量来调整定容弹内的环境压力在20～200 kPa之间。

图2 试验系统示意

1.3 喷雾试验工况

试验采用均布6孔喷油器(见图3)，喷孔与中心轴线夹角为30°，由于6孔均匀分布且喷雾角度相同，因此喷雾束有6束，但由于拍摄角度的限制，5，6孔喷雾束被2，3孔喷雾束遮挡，拍摄图像中仅可见4束喷雾。L/D=1.5，喷孔直径为0.2mm。

图3 6孔喷油器示意

燃油依靠与喷油器组装在一起的水套进行水浴加热，试验前已对水浴温度与燃油温度的关系进行标定，通过调节水套中水浴的温度即可改变燃油温度。为了获得较好普适性试验结果，试验采用的最低燃油温度为0 ℃，通常是冷启动初始时刻发动机水温较低时的燃油温度，最高燃油温度为90 ℃，通常是发动机运行工况下燃油能够达到的较高温度，此外在0～90 ℃间选取了6个温度(见表1)作为燃油温度工况点，保证喷雾形态随温度变化的连续性。最低环境压力选取为20kPa，作为自然吸气发动机进气冲程下的较低压力，最高环境压力为200kPa，接近当前量产涡轮增压发动机的峰值增压压力，在20～200kPa间选取了5个压力(见表1)作为其他环境背压工况点，保证了喷雾形态随背压变化的连续性。喷油持续时间为1ms，燃油喷射压力为15MPa。

表1 试验工况点

表2 异戊烷与十一烷分子式与沸点

表3 试验混合燃油组成比例

由于本文重点探究高背压下燃油闪沸情况，因此重点分析高沸点燃油中添加低沸点燃油后喷雾的改变情况。在不同背压、不同油温下，选取α=0，0.2，0.4，0.6对喷雾特性进行对比分析。采用的图像处理软件为Matlab，以喷孔刚刚出油作为ASOF(afterstartoffuel)为0时刻。采集的喷雾图像首先去背景(减去ASOF为0时刻图像)获得喷雾束，然后通过设定阈值找出喷雾边界，计算出喷雾贯穿距与喷雾角，每次的计算结果均为20次试验数据的平均值(见图4)。试验中所用喷雾特性参数更为详细的定义参见文献[11]。

图4 图像处理过程

2 试验结果分析

2.1 不同比例混合组分燃油蒸馏特性分析

本次蒸馏试验共对6种不同组分燃油进行了蒸馏测试，结果见图5。

图5 不同比例组分混合燃油蒸馏曲线

混合燃油与单一燃油有着不同的蒸馏表现，单一燃油在沸点发生沸腾，而混合燃油在一定温度范围内均表现出沸腾蒸发的特性。对于α=0与α=1，开始加热时蒸发温度几乎无变化，燃油在蒸馏烧瓶中表现为仅有少量气泡产生，并无沸腾现象，收集量筒中无馏出物；随着液体进一步受热达到沸点，开始出现大量气泡，燃油剧烈翻滚表现为沸腾状态，并伴随着馏出物产生，随后温度保持不变，直至燃油全部馏出。而对于α=0.2，0.4，0.6，0.8，加热开始时燃油出现少量气泡，蒸发温度开始缓慢上升，当升高到一定温度时，燃油出现大量气泡，剧烈翻滚，出现沸腾现象，随后收集量筒中出现馏出物，且蒸发温度持续上升，直至全部馏出。

从蒸馏曲线上来看各种燃料表现迥异。α=0和α=1的单一化合物蒸馏曲线为一条直线(理论沸点为28 ℃和197 ℃)。而α=0.2，0.4，0.6，0.8对应的蒸馏曲线是一条蒸发百分数随蒸发温度不断变化的曲线，可以分为3段：第1段出现在蒸馏初期，表现为近似一条斜率为正的直线，蒸发量与蒸发温度等比例增加；第2段出现在蒸馏中期，表现为斜率近似为0的水平直线，蒸发量增量较小而蒸发温度迅速上升；第3段出现在蒸馏末期，表现为近似垂直的一条直线，蒸发温度近乎维持不变的同时，蒸发量迅猛增长。

混合燃油受热时低沸点燃油将先于高沸点燃油蒸发。α=0.2，0.4，0.6，0.8蒸馏曲线第2段与第3段拐点对应的蒸发百分比恰好近似为20%，40%，60%，80%，这表明了蒸馏前期馏出物中主要包含的是低沸点燃油，说明混合燃油受热时低沸点燃油更易蒸发出来。

增加低沸点燃油有助于提高整体燃油的蒸发性。随着α的增加，初馏点与10%馏出温度不断降低，表现为α=0.2，0.4，0.6，0.8时曲线3，4，5，6与横坐标交点依次向原点接近，10%馏出温度分别为57 ℃，42 ℃，30 ℃，27 ℃，喷雾蒸发特性不断改善。

因此向高沸点燃油中添加低沸点燃油，低沸点燃油易于蒸发的特性具有促进燃油喷雾雾化、蒸发的潜力，甚至导致闪沸喷雾发生，这也是本文的重点研究内容。

2.2 不同油温下低沸点燃油比例对喷雾形态的影响

为了更好地比较低沸点燃油对喷雾的影响，在较高背压(100kPa)下，选取纯油品(α=0)以及混合燃料(α=0.2，0.4，0.6)，对ASOF为0.8ms时刻不同油温下的喷雾形态进行比较，油温分别为0 ℃(低温)，50 ℃(中温)，90 ℃(高温),结果见图6。在0 ℃时， 对于α=0.2，0.4，0.6的燃油均清晰可见6束喷雾，且形态接近(2，3束喷雾因为视角关系分别为两束喷雾的图像重叠)，表明在低温下添加低沸点燃油对混合燃油的蒸发促进作用效果较小。在50 ℃时，α=0，0.2，0.4，0.6时喷雾形态接近，但随着α增加，喷雾油束间界限变得模糊(α=0.6最为明显，界限已基本消失，出现过渡闪沸的喷雾形态)，油束喷雾尖端开始消散，原喷雾尖端处出现大尺寸旋涡，喷雾贯穿距缩短。这是因为随着低沸点燃油比例的增加，喷雾整体蒸发表现更为剧烈，燃油更易发生剧烈相变而使燃油破碎成为一系列极细小的液滴。这些液滴由于自身质量小，很容易随着气流运动，造成油束间界限模糊，并且在油束尖端随气流卷吸出现旋涡。因此在中等油温情况下，加入低沸点燃油对喷雾有一定促进作用，但效果并不强烈。在90 ℃时，喷雾形态已产生较大差异，α=0和α=0.2喷雾形态接近，可见边界模糊的6束喷雾，α=0.4和α=0.6喷雾束已经出现塌陷收缩现象，油束尖端全部消失，喷雾边缘出现明显的卷流，表明已处于闪沸状态。

图6 100 kPa背压，0 ℃，50 ℃，90 ℃油温下，喷雾形态随α变化情况(ASOF为0.8 ms)

图7定量比较不同油温下的贯穿距、喷雾角变化。在较高背压环境(100kPa，200kPa)下，喷雾在0 ℃，50 ℃，90 ℃油温下处于冷态或过渡态，随着α增加贯穿距缩短；在较低背压环境(20kPa)下，此时过热度较高，50 ℃和90 ℃油温下，随α增大，喷雾先进入过渡闪沸状态，油束前段消散，贯穿距减小，进一步增大α，喷雾进入完全闪沸状态，油束坍陷，形成棒状喷雾，贯穿距增加，因此出现贯穿距先减小后增大的现象。

图7 不同背压不同油温下喷雾贯穿距和喷雾角随低沸点燃油比例的变化

各环境背压下，不同油温时喷雾角均表现为随α增大先增大后减小。α=0.2时，低沸点燃油比例较少，随α增大蒸发加剧，喷雾束变宽，而随着α进一步增大，低沸点闪沸促进喷雾达到过渡或完全闪沸状态，喷雾向中轴线收缩发生坍塌聚拢，导致喷雾角缩小。

2.3 不同背压下低沸点燃油比例对喷雾形态的影响

图8示出不同背压下燃油喷出后0.8ms不同燃油的喷雾形态，油压为15MPa，油温为90 ℃，背压范围为20～150kPa。

相同背压下，增加低沸点燃油都能够有效促进喷雾的闪沸。在低背压(20kPa，40kPa)情况下，随着α增加，喷雾从分开独立束状逐渐聚拢坍塌，最终形成棒状喷雾，经历过渡闪沸到完全闪沸的状态；在中等背压情况下(80kPa)，随着α增加，喷雾束逐渐聚拢，油束间边界消失，喷雾处于过渡闪沸状态；而当处于高压(150kPa)情况下，随着α增加，喷雾油束尖端消散，喷雾束边缘可见破碎颗粒数量增加，形成较宽喷雾束。

图8 不同背压下喷雾形态随α变化情况

增加低沸点燃油有助于喷雾在更高背压下实现闪沸，且40%添加量将有效改善喷雾形态。图8中实线区域①部分喷雾均已坍塌收缩形成棒状，表明已完全闪沸。α=0.2时，喷雾在20kPa背压下才能达到完全闪沸状态。增加低沸点燃油比例后，α=0.4和α=0.6时，喷雾可以在40kPa背压下达到相同完全闪沸状态；图8中虚线区域②部分喷雾边界消失，喷雾为分叉状，表明处于过渡闪沸阶段。当α=0.2时，喷雾在40kPa才能处于过渡闪沸状态，而当α=0.4和α=0.6时，喷雾在100kPa下也可以达到闪沸状态。因此增加α可以提高混合燃油喷雾达到闪沸状态的压力上限，是实现较高压下闪沸的一种有效方式。

此外，添加40%异戊烷即可有效改善喷雾形态。不同背压下，α=0.4促进喷雾闪沸的程度比α=0.2更明显(例如40kPa下，α=0.2为过渡闪沸状态，而α=0.4为完全闪沸状态)，α=0.6与α=0.4促进喷雾的程度相似，表明当α大于0.4时，继续提高低沸点燃油比例效果有限。

图9示出0 ℃，50 ℃，90 ℃油温，不同背压下贯穿距和喷雾角的变化情况。在低油温情况下，不同背压下α增加对于贯穿距影响均不大，基本保持不变；在中高油温下，低背压下，随低沸点燃油增加喷雾蒸发加剧，油束处于过渡闪沸到完全闪沸状态，油束塌陷收缩，贯穿距先降低后增大，而中高背压下，喷雾均处于过渡闪沸状态，喷雾贯穿距呈现降低趋势。

低油温下，不同背压下喷雾角均表现为随α增加略微增大的趋势，这是因为过热度低，喷雾均处于冷态，α增加仅仅表现为蒸发加剧，油束膨胀。中高油温下，随α增加喷雾先膨胀，喷雾角增大，随后喷雾液滴破碎加剧，油束坍塌，喷雾角减小。

图9 不同油温不同背压下喷雾贯穿距和喷雾角随低沸点燃油比例的变化

综上，向高沸点燃油中添加低沸点燃料能够显著改变混合燃料的喷雾形态，低沸点燃油能够有效带动喷雾在更高背压下达到闪沸工况，并且在高沸点燃料中加入40%低沸点燃料即可有效促使喷雾达到闪沸状态。

3 结论

a) 不同于单一油品仅在沸点时沸腾产生馏出物，混合燃油不存在确定沸点,而是表现为3段式蒸馏曲线，在一定的温度范围内均沸腾馏出,并且受热后低沸点燃油将优先蒸发;

b) 不同油温下，低沸点燃油对喷雾闪沸均有促进作用，油温越高，低沸点燃油对喷雾的闪沸促进效果越强;

c) 添加低沸点燃油能够有效地促使喷雾在原有不能闪沸的高背压工况下达到闪沸，有效拓宽高压下闪沸喷雾的应用条件；

d) 在喷雾中添加40%异戊烷对喷雾闪沸的促进作用比20%添加量更为明显，但进一步提高低沸点燃油比例对喷雾闪沸的促进作用有限，因此40%是本试验选用燃油的最佳添加比例。

致谢：

本研究得到了上海交通大学汽车电子控制技术国家工程试验室的支持。

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[编辑: 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

国家自然科学基金资助项目(51376119/E060502)

程似骐(1990—)，男，硕士，主要从事汽车发动机的研究；robertchlykk@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.001

TK411.12

B

1001-2222(2017)02-0001-06