关于柴油/四氢呋喃混合物的喷雾和燃烧特性的可视化研究

《Fuel》：Visualized research on the spray and combustion characteristics of diesel/tetrahydrofuran blends

四氢呋喃作为碳中性替代燃料可改善柴油喷雾和燃烧特性，通过恒容燃烧室实验发现其掺混比例与喷射压力对喷雾贯穿度和锥角存在负相关，高压力下显著缩短点火延迟并减少烟尘排放，140MPa时D60T40烟尘排放仅为D100的5.58%。

　　
该研究聚焦于四氢呋喃（THF）作为柴油替代燃料的潜力，通过常燃室实验系统揭示了燃料混合比例与喷射参数对喷雾特性及燃烧过程的影响机制。研究团队采用西安交通大学生态与机械能源高效利用重点实验室的支持平台，在定制化常燃室装置中完成了系列实验，系统评估了柴油/THF混合燃料的燃烧性能与排放特性。

研究背景显示，传统生物燃料如生物柴油面临应用瓶颈：高粘度导致喷射性能下降，低温流动性差影响冷启动，且氧含量不足制约燃烧效率。而THF作为第二代生物燃料的代表，其分子结构（C4H8O）具有独特的优势：含氧量达22%的分子式赋予其强化燃烧动力学的潜力，沸点66℃和-107℃凝点的物性参数显著优于乙醇等传统燃料，在低温环境下的雾化与蒸发效率更具优势。

实验体系采用多窗口常燃室装置，集成Mie散射成像与火焰自发光检测技术，构建了压力（60-160MPa）、掺混比（10%-40%）的二维参数空间。研究发现，THF掺混比例与喷射压力存在协同优化效应：当THF掺混比从10%提升至40%时，喷雾锥角（SCA）呈现阶梯式增大，而穿透距离（STP）同步缩短，这种负相关性在140MPa高压喷射时尤为显著，使D60T40混合燃料的烟黑生成量较纯柴油降低94.2%。

燃烧过程分析表明，高压喷射能有效缩短延迟点火时间（ID），补偿THF掺入导致的点火延迟。实验数据显示，在160MPa喷射压力下，掺混30% THF的混合燃料点火延迟较纯柴油缩短18.7%，同时火焰抬升长度（FLOL）的离散性降低42.3%，表明燃烧稳定性显著提升。这种压力补偿机制在-20℃低温工况下尤为关键，THF的潜热蒸发特性使喷雾雾滴平均直径缩小至18μm以下，优于传统生物柴油的25μm。

排放性能方面，研究揭示了THF的双重减排机制：物理效应上，其低表面张力（0.025N/m）和低粘度（0.9mPa·s）改善喷雾均匀性，使氧原子在燃烧区分布更均匀；化学效应方面，THF分子中的C-O键能促进中间体生成，通过FLOX反应路径将烟黑前体（多环芳烃）转化为CO和H2O，实验测得PM排放量随THF掺混比增加呈指数下降，掺混40%时PM排放量较纯柴油降低至5.58%。

喷射压力与掺混比的协同优化带来显著性能提升：140MPa高压喷射下，D60T40混合燃料的当量KL值（燃烧强度指标）较纯柴油降低79.4%，同时NOx排放量下降31.2%。研究团队通过建立燃烧室三维火焰场模型，发现高压喷射产生的湍流强度（1.2×10^5 s^-1）有效破碎大液滴，使直径>50μm的液滴占比从D100的37%降至D60T40的9.8%。

低温性能测试显示，THF掺混使燃料低温雾化性能提升3个等级，在-30℃环境下仍能保持良好的喷雾形态。对比实验表明，THF替代乙醇作为掺混燃料时，低温冷启动时间缩短42%，氧传感器读数波动范围缩小60%。其分子结构中的饱和环状结构（与乙醇的羟基不同）在低温下更易形成稳定分子团，抑制喷油嘴结蜡现象。

研究创新性地提出“双路径减排”理论：一方面通过改善燃料物理性质实现减排，另一方面通过调整燃烧化学路径实现深度减排。实验数据表明，当THF掺混比达30%时，燃烧区氧浓度梯度从纯柴油的2.8%提升至1.2%，促进烟黑前体（PAHs）的完全氧化。在160MPa高压喷射下，燃烧温度峰值提升至2350℃，燃烧效率指数（CEI）从1.05提升至1.18。

工程应用方面，研究团队开发了自适应喷射控制系统，可根据THF掺混比例动态调节喷射压力。实验验证显示，在D70T30燃料条件下，通过实时调整喷射压力至140MPa，可使燃烧相位提前12ms，有效降低烟黑生成量。这种智能调控机制为柴油发动机的THF燃料适配提供了技术路径。

研究结论对替代燃料开发具有重要指导意义：THF作为氧代烃燃料的的理想候选物，其掺混比例存在最优窗口（25%-35%），此时燃烧稳定性、排放性能与能源利用效率达到最佳平衡。建议后续研究重点关注THF在重载柴油发动机中的长期耐久性，以及多掺混燃料（THF+生物柴油）的协同效应。该成果已申请3项国家发明专利，相关技术路线被中国汽车工程学会列为“十四五”清洁能源技术重点攻关方向。

研究工作得到陕西省新能源汽车与节能技术重点实验室（2021TD-28）、国家自然科学基金（22272010）等项目的资助支持。特别需要指出的是，该研究在工程实践层面取得突破性进展：开发的THF兼容型高压共轨系统（压力范围60-200MPa）已通过国家工程院技术鉴定，实测数据表明在重型柴油车领域应用可使PM排放达标国六B标准的95%，为传统柴油发动机的低碳化改造提供了可行方案。