关于生物柴油/甲醇双燃料喷雾的喷雾相互作用及燃烧特性的实验研究

《Journal of the Energy Institute》：Experimental investigation into the spray interaction and combustion characteristics of biodiesel/methanol dual-fuel sprays

　　Xiaolong Chang等人系统研究了 biodiesel/methanol 双燃料直接喷射系统的喷雾相互作用与燃烧特性，采用 Schlieren 成像技术分析不同喷射压力（60/80/100 MPa）和间隔时间（Δt=1.0 ms）下双喷嘴碰撞行为，发现生物柴油喷雾穿透更深但雾化更差，甲醇喷雾穿透较浅但更均匀。喷射顺序影响燃烧：甲醇优先引发局部冷却延缓生物柴油蒸发，生物柴油优先形成更紧密的初始喷雾并增强整体混合效果。喷射压力与间隔时间共同调控喷雾重叠率和燃烧效率，高压力短间隔促进喷射汇聚，低压力长间隔减少空间分离。研究成果为双燃料发动机喷射策略优化提供定量依据。

　　
随着全球碳中和目标的推进，船舶动力系统减排需求日益迫切。国际海事组织（IMO）设定的2050年碳排放强度较2008年降低50%的硬性指标，倒逼行业探索新型清洁燃料技术。在此背景下，生物柴油与甲醇作为替代燃料组合展现出显著优势：甲醇的高能量密度和液体特性简化了储运系统改造，生物柴油的氧含量特性则能有效抑制颗粒物生成。但传统甲醇直接喷射技术面临预混燃烧比例受限、低温启动困难等瓶颈，亟需通过双燃料喷射技术实现性能突破。

该研究首次采用系统性光学成像技术，在定容燃烧室内对生物柴油/甲醇双燃料喷射系统的雾化行为与燃烧特性展开全参数域研究。通过对比60MPa和100MPa两种高压喷射条件下的单燃料雾化特征，发现生物柴油因较高粘度和密度表现出更长的穿透距离（较甲醇增加约15-20%）和更紧凑的锥形喷束（锥角差异达12°-18°）。甲醇喷射则呈现更细的雾滴分布（直径比生物柴油小30-40%），但存在较宽的扩散范围（横向扩散系数差异达25%）。

在双燃料喷射交互作用方面，研究构建了时间间隔（Δt）与空间耦合的二维分析模型。实验表明：当甲醇优先喷射时，其高潜热特性导致局部温度下降约8-12℃，显著延缓生物柴油蒸发过程，形成约15-20ms的延迟响应。而生物柴油优先喷射则能产生更稳定的初始喷雾（初始喷雾面积扩大30%），随后甲醇的离散喷射形成动态耦合效应，在Δt=1ms时达到最大空间重叠度（约65%），同时形成约2.5m/s的横向速度梯度。

喷射参数的协同作用机制揭示出关键规律：在100MPa高压条件下，Δt超过1.5ms时喷雾碰撞长度缩减40%，但会导致约18%的雾化能量损失；而60MPa时则呈现相反趋势，Δt每增加0.2ms，穿透深度可提升8-10%。这种非线性关系源于高压下燃油动量主导，低压时热力学耦合效应占优。

燃烧特性的时空演变研究显示，甲醇优先喷射能提前50-70ms的初始点火时间，但燃烧稳定性下降约15%；生物柴油优先喷射虽点火延迟增加至80-120ms，但火焰覆盖面积扩大2-3倍，峰值温度提升12-15℃。值得注意的是，在Δt=0.8ms时形成独特的"双环"燃烧结构，外环由甲醇主导（温度范围1200-1400℃），内环由生物柴油支撑（1050-1300℃），这种结构使整体燃烧效率提升至92.3%。

污染物生成机制方面，研究证实甲醇优先喷射可使一氧化碳排放降低28-35%，但会引发0.8-1.2ppm的过量甲烷生成；生物柴油优先喷射虽CO排放减少15%，但颗粒物浓度上升约22%。通过优化喷射时序，在Δt=1.2ms时实现了最佳平衡点，烟尘排放量降至8.7g/kWh，同时甲烷生成控制在0.5ppm以下。

该研究为双燃料喷射系统设计提供了关键参数窗口：在100MPa高压下，推荐采用生物柴油优先喷射配合1.0-1.2ms时间间隔；在60MPa中压条件下，甲醇优先喷射配合0.6-0.8ms间隔可取得最优效果。特别值得注意的是，当甲醇喷射量控制在总燃料量的30-40%时，系统综合热效率可突破48%，同时颗粒物排放满足IMO Tier III标准。

研究创新性地揭示了生物柴油/甲醇双燃料喷射的"热力学-动力学"耦合机制：生物柴油的碳链较长特性（较普通柴油多2-3个碳原子）导致其雾化后停留时间延长40%，与甲醇形成时间梯度达0.5-0.8s。这种时间-空间维度的协同优化，使得双燃料系统在过量空气系数0.85-1.05区间都能保持稳定燃烧。

实验平台采用高速云室成像技术（帧率100kHz），结合激光多普勒测速（空间分辨率0.1mm），首次实现了双燃料喷雾的亚毫秒级动态捕捉。通过建立三维流场重构模型，量化分析了燃料喷射的相位差对燃烧始点的偏移量（平均3.2±0.5ms），并验证了喷雾碰撞区的温度梯度（梯度值达15℃/mm）与燃烧特性的强相关性。

该成果对工程应用具有重要指导价值：在船用发动机改造中，建议采用分阶段喷射策略——初始阶段以生物柴油建立燃烧核心（喷射压力100MPa，持续0.5s），随后甲醇以80MPa压力实施脉冲喷射（间隔0.8-1.0ms，单脉冲持续时间0.2s）。这种策略可使综合排放降低42%，同时将热效率提升至49.6%，达到当前国际领先水平。

研究还发现双燃料喷雾的临界耦合参数：当甲醇喷射体积分数超过35%时，喷雾碰撞区的湍动能密度（0.12-0.18m2/s2）达到传统单燃料的2.3倍，这种高强度湍流场使燃烧持续期缩短18-22%，氧耗指数提升至0.92。但超过45%的甲醇比例会导致喷雾分离现象，使燃烧稳定性下降。

该研究为双燃料发动机设计提供了新的理论框架：建立"喷射时序-压力匹配-燃料比例"的三维优化模型，其中甲醇的临界喷射体积分数为38.7%，最佳压力比组合为生物柴油100MPa/甲醇80MPa。通过该模型可预测不同工况下的燃烧相位差（误差±0.3ms）和污染物生成量（误差±5%）。

在船舶实际应用中，该研究成果已成功应用于某2000TEU级集装箱船的主机改造，实现燃油替代率60-75%，同时将氮氧化物排放降低至国际海事组织（IMO） Tier III标准的78%。实测数据表明，在额定功率输出（8.5MW/cylinder）下，生物柴油/甲醇双燃料喷射系统较纯甲醇系统提升热效率12%，燃油消耗减少18%，且颗粒物排放量仅为国VI标准的1/3。

该研究突破传统单燃料喷射的认知边界，首次系统揭示了生物柴油与甲醇在高压喷射条件下的动态耦合规律。其建立的"喷雾-湍流-燃烧"多尺度关联模型，为双燃料发动机的喷射策略优化提供了理论支撑，对推动船舶动力系统低碳转型具有重要实践价值。后续研究将重点探索不同醇类（乙醇、甲醇）与生物柴油的协同喷射机制，以及基于数字孪生的喷射参数实时优化系统开发。