MOFs纳米添加剂对柴油/正丁醇混合燃料雾化与燃烧特性的优化机理研究

本研究创新性地将金属有机框架（MOFs）纳米材料作为添加剂应用于柴油/正丁醇混合燃料，通过定容燃烧舱（CVCC）光学诊断技术揭示MOFs通过调控燃料理化特性、促进微爆二次雾化、提升热传导性及金属氧化物催化作用，显著改善喷雾雾化效果、延长着火延迟期、提升火焰抬升长度并抑制碳烟生成。研究为开发清洁高效的内燃机替代燃料提供了新策略。

　　

亮点（Highlights）

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  MOFs添加剂显著提升柴油/正丁醇混合燃料的喷雾雾化性能

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  ZIF-8(Zn)在促进雾化方面表现最为突出

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  MOFs延长着火延迟期，增加火焰抬升长度，缩短燃烧持续时间

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  MOFs显著降低碳烟生成，归因于改善的雾化效果、高导热性和催化作用

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  提高喷射压力可增强气相喷雾比例，加速液滴蒸发

喷雾特性（Spray Characteristics）

为探究MOFs纳米颗粒对柴油/正丁醇混合燃料喷雾特性的影响，本研究首先在不同喷射压力下分析了MOFs对混合燃料喷雾发展、喷雾尖端贯穿距及喷雾锥角等关键特征的作用。燃料的喷射与雾化特性是决定内燃机燃烧效率与排放性能的核心因素。同时，研究通过高速摄影技术捕捉了喷雾形态的动态变化过程。结果表明，MOFs的加入通过改变燃料的理化性质（如表面张力和粘度）并在喷射过程中引发微爆现象，促进了液滴的二次破碎，从而显著改善了雾化质量。在测试的添加剂中，ZIF-8(Zn)因其独特的结构和金属活性位点，对喷雾雾化的提升效果最为显著。此外，提高喷射压力增加了喷雾中气相的比例，进一步强化了雾化过程，使得燃料与空气的混合更充分，为后续的高效清洁燃烧奠定了基础。

燃烧特性（Combustion Characteristics）

MOFs添加剂对混合燃料燃烧过程的影响同样至关重要。研究通过分析火焰形态、着火延迟期、火焰抬升长度及燃烧持续时间等参数，深入探讨了其作用机理。实验发现，MOFs的引入延长了着火延迟期，这为燃料与空气提供了更充分的预混合时间，有利于形成更均匀的混合气。同时，火焰抬升长度增加，表明燃烧区域远离喷油嘴，减少了燃料在富油区的停留时间，从而抑制了碳烟前体的生成。燃烧持续时间的缩短则反映了燃烧速率的加快，这得益于MOFs的高热导率促进了热量的快速传递，以及其热解后生成的金属氧化物（如ZnO）对燃烧反应的催化作用。更高喷射压力带来的改善雾化和加速蒸发效应，协同MOFs的作用，共同导致了着火延迟和燃烧持续时间的逐渐减少。火焰面积随之扩大，而总KL因子（用于量化碳烟浓度）和火焰发光强度显著降低，直观证明了碳烟排放的有效抑制。

结论（Conclusion）

基于定容燃烧舱的实验平台，本研究系统探讨了添加两种MOFs材料（MOF-808-Zr与ZIF-8(Zn)）对柴油/正丁醇混合燃料在不同喷射压力下喷雾与燃烧特性的影响，并深入解析了不同MOFs类型影响喷雾与燃烧的作用机制。通过火焰发光强度与KL因子评估了对碳烟形成的影响。主要结论如下：MOFs纳米添加剂能有效改善柴油/正丁醇混合燃料的喷雾雾化质量，其中ZIF-8(Zn)的效果最佳。它们通过延长着火延迟、增加火焰抬升长度、缩短燃烧持续时间以及显著降低碳烟生成，展现出优化燃烧过程的巨大潜力。这些益处源于其改善雾化、高导热性以及热解后金属氧化物的催化效应。提高喷射压力进一步强化了这些积极效果。本研究证实了MOFs作为燃料添加剂在提升柴油/正丁醇喷雾雾化与燃烧、助力柴油机实现更清洁燃烧方面的应用价值。