柴油_PODE3-4混合燃料喷雾特性：宏观与微观的多维度解析.docxVIP

柴油/PODE3-4混合燃料喷雾特性：宏观与微观的多维度解析

一、绪论

1.1研究背景与意义

柴油作为一种重要的石油衍生燃料，在能源市场中占据着举足轻重的地位。其具有较高的能量密度，相同体积下能提供更多能量，使以柴油为动力的设备和交通工具续航能力更强，尤其适用于长途运输和重型机械作业。同时，柴油的燃烧效率相对较高，有助于降低燃料消耗和运营成本，并在一定程度上减少环境污染排放。此外，柴油在供应和存储方面表现出较好的稳定性和安全性，储存和运输风险较低。在交通行业，柴油车凭借强大的扭矩输出和良好的燃油经济性，在货运和公共交通领域得到广泛应用。然而，随着全球环境污染问题的日益加剧，柴油的使用也带来了一系列严峻的挑战。柴油燃烧会产生大量的氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）等污染物，这些污染物不仅会对空气质量造成严重影响，引发雾霾等环境问题，还会危害人体健康，导致呼吸系统疾病、心血管疾病等。

在此背景下，开发新型低排放燃料以替代传统柴油成为当务之急。聚甲氧基二甲醚（PODE）作为一种极具潜力的可再生储存型液体氢燃料，受到了广泛关注。PODE具有较高的十六烷值，能与柴油以任意比例互溶，可燃性和挥发性良好。特别是PODE3-4，其含氧量在47%-48%之间，能够显著改善燃烧效果，加快燃烧速度；熔点温度在-7~-41°C之间，可作为“抗凝剂”使用。将PODE3-4与柴油混合形成的混合燃料，有望在保持柴油动力性能的同时，有效降低污染物排放，实现节能减排的目标。

而掌握柴油/PODE3-4混合燃料的宏观与微观喷雾特性，是确保其在发动机中高效、清洁燃烧的关键。喷雾特性直接影响混合气的形成质量，进而决定燃烧过程的优劣。若喷雾特性不佳，可能导致混合气分布不均匀，燃烧不充分，从而增加燃油消耗和污染物排放。因此，深入研究柴油/PODE3-4混合燃料的喷雾特性，对于推动该混合燃料的实际应用，促进内燃机行业的可持续发展具有重要的现实意义。

1.2燃油喷雾理论基础

燃油喷雾的发展是一个复杂且动态的过程，从喷油嘴喷出的燃油，会经历一系列的物理变化。最初，燃油以液态形式从喷油嘴高速喷出，形成一股连续的油束。在高速喷射的作用下，油束受到周围空气的强烈剪切力，开始逐渐破碎。这种破碎过程是燃油雾化的重要阶段，它使得油束从较大的液柱分裂成许多较小的液滴，大大增加了燃油与空气的接触面积。随着时间的推移，这些小液滴在空气的阻力和自身表面张力的作用下，继续发生二次破碎和变形，进一步细化成更小的液滴，形成了一个由大量细小液滴组成的喷雾场。

燃油喷雾的结构形态通常可以分为几个明显的区域。在喷雾的中心部分，是液滴较为密集的核心区，这里的液滴浓度较高，速度也相对较大。随着径向距离的增加，液滴浓度逐渐降低，形成了喷雾的外围区域。在喷雾的前端，由于液滴与空气的摩擦和碰撞，会形成一个较为稀薄的前锋区域。此外，喷雾还具有一定的锥角，这个锥角反映了喷雾在空间中的扩散程度，对于混合气的形成和燃烧空间的分布有着重要影响。

关于燃油雾化机理的研究，多年来一直是相关领域的重点。早期的研究主要集中在基于经验和半经验的理论模型，如索特平均直径（SMD）理论，通过对液滴直径的统计和分析，来描述燃油的雾化程度。随着科学技术的不断进步，数值模拟方法逐渐成为研究燃油雾化机理的重要手段。计算流体力学（CFD）方法能够对燃油喷射和雾化过程进行详细的数值模拟，考虑到液滴与空气的相互作用、表面张力、粘性力等多种因素，从而更深入地揭示雾化过程中的物理现象。例如，通过CFD模拟可以清晰地观察到液滴在不同条件下的破碎过程、速度分布和浓度分布等。此外，实验研究也在不断发展，采用高速摄影、激光测量等先进技术，能够更加直观地获取喷雾的微观结构和动态变化信息，为理论模型和数值模拟的验证提供了重要依据。

1.3柴油/PODE3-4混合燃料研究现状

PODE3-4，即聚合度为3-4的聚甲氧基二甲醚，具有独特的理化性质。它的十六烷值高达78-90，远高于普通柴油，这使得它具有良好的着火性能，能够在发动机中快速启动和燃烧。其含氧量较高，在47%-48%之间，这一特性有助于改善燃烧过程，使燃料燃烧更加充分，从而减少污染物的排放。PODE3-4在室温下为液态，且能与柴油以任意比例互溶，这为其在柴油发动机中的应用提供了便利条件，无需对发动机的燃油供给系统进行大规模改造。

在柴油机上的应用研究中，已有众多学者开展了相关工作。研究表明，柴油机燃用PODE3-4/柴油混合燃料时，滞燃期明显缩短。这是因为PODE3-4的高十六烷值使其更容易着火，能够提前在发动机气缸内引发燃烧反应。缸内最高压力也会略有提高，这是由于混合燃料燃烧更加迅速和充分，释放出更多的能量。