《Fuel》：Phase stability and spray behaviour of oleic acid-assisted ethanol-diesel blends in a common rail fuel injection system
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该研究探究了油酸作为低浓度稳定剂用于乙醇-柴油混合燃料及其对理化性质和喷雾行为的影响。研究人员采用0.5%和1%油酸浓度作为乳化剂，添加到5%至40%（体积分数）的乙醇与柴油混合燃料中。稳定性测试在10°C、25°C、40°C和50°C条件下进行。添加1%油酸
该研究探究了油酸作为低浓度稳定剂用于乙醇-柴油混合燃料及其对理化性质和喷雾行为的影响。研究人员采用0.5%和1%油酸浓度作为乳化剂，添加到5%至40%（体积分数）的乙醇与柴油混合燃料中。稳定性测试在10°C、25°C、40°C和50°C条件下进行。添加1%油酸显著提高了所有温度下的相稳定性并延长了稳定持续时间。30%乙醇与油酸混合燃料（DE30-OA）在室温下几乎完全互溶，因此被选中进行进一步的喷雾分析。喷雾图像通过喷雾可视化系统捕获，并使用自行编写的MATLAB脚本进行图像处理。研究发现，较高的乙醇混合比例导致喷雾贯穿距轻微减小且更早破碎。随着乙醇比例在油酸稳定化的柴油混合燃料中增加，喷雾波动相对于基线柴油减小，而喷雾面积增大。通过将喷雾图像划分为四个相应区域来研究局部喷雾行为。基于像素强度的喷雾轮廓分析表明，乙醇混合燃料还表现出闪沸行为和更宽的喷雾扩散。总体而言，DE30-OA混合燃料展现出最一致和稳定的喷雾模式，从而改善了喷雾特性。
本研究聚焦于乙醇-柴油混合燃料在压燃式（Compression Ignition, CI）发动机中的应用潜力，核心在于解决乙醇与柴油之间因极性差异导致的相分离难题，并系统探究油酸作为乳化剂对混合燃料稳定性及喷雾特性的影响规律。
**研究背景与问题提出**
随着全球对移动出行领域低碳化转型的迫切需求，内燃机技术正朝着兼容更清洁替代能源的方向演进。乙醇作为一种前景广阔醇类燃料，在全生命周期内可有效降低二氧化碳（CO?）排放量，且能够在现有发动机上应用而无需大幅改装。在火花点火（Spark Ignition, SI）发动机中，乙醇混合比例可高达85%（体积分数），而在压燃式发动机中，该比例通常仅限于10%以下，否则将出现异常燃烧或失火现象。乙醇-柴油混合燃料具有提升压燃式发动机燃烧效率的巨大潜力，但确保其稳定性与互溶性是关键挑战，通常需借助添加剂或乳化剂加以解决。
现有研究表明，多组分燃料混合在改善柴油发动机燃烧与排放特性方面展现出显著优势。Ge等人研究了超声波辅助生物柴油-汽油-乙醇三元混合燃料，发现超声处理可获得稳定单相混合物，并实现CO?与颗粒物排放的降低；后续研究中，他们进一步考察了乙醇掺混对颗粒微观结构及燃烧特性的影响，以及柴油-棕榈生物柴油-乙醇三元混合燃料在怠速工况下的表现。Lee等人利用定容燃烧室观测了加氢处理可再生柴油-乙醇混合燃料的点火特性。此外，Bhurat等人以四氢呋喃（Tetrahydrofuran, THF）和乙酸乙酯为共溶剂制备微乳液表面活性剂，发现其可有效稳定含水乙醇-柴油混合燃料；Osman等人探究了柴油、生物柴油与乙醇三组分燃料体系的燃料特性及相行为，发现99.5%高纯度乙醇比95%纯度乙醇与柴油的相容性更佳，生物柴油可起到桥接作用增强稳定性。Liu等人测试了正己醇、正丁醇、正十二醇、正辛醇、环己醇和环己酮等多种添加剂，识别出正辛醇和正己醇因具有较高碳数和直链结构而表现最优。Gangwar等人以1-丁醇为添加剂，在?5至35°C条件下实现了25%乙醇体积分数混合燃料的稳定。Shanmugam等人比较了异丙醇、乙酸乙酯和油酸等添加剂的效果，发现1%油酸在长达90天内稳定含30%乙醇的混合燃料方面表现最为有效。
在喷雾特性研究方面，Yu Y.在2500至3500 bar极高喷射压力下观测了乙醇-柴油混合燃料的喷雾行为，发现随乙醇比例增加喷雾贯穿距减小。Park等人发现，将乙醇混合比从10%提升至20%导致喷雾贯穿距减小、喷雾锥角增大。Boggavarapu和Ravikrishna则发现特定比例柴油-生物柴油-乙醇混合燃料在蒸发条件下的喷雾锥角与贯穿距与纯柴油相似。Corral-Gómez等人指出燃料混合密度，特别是乙醇和生物柴油含量的差异，对喷雾贯穿距有显著影响，而表面张力和粘度则控制锥角。
值得注意的是，高挥发性燃料（如乙醇）与低挥发性、高反应性燃料（如柴油）在喷射至喷雾室中时可能诱导闪沸（flash boiling）现象。Anitescu等人研究了汽油与柴油混合燃料的闪沸喷雾；Wada等人则以异戊烷（C?H??）和正十三烷（C??H??）混合燃料为对象，通过图像分析可视化了应用于预混压燃发动机极早喷策略中的闪沸现象。然而，现有文献中尚未见油酸存在条件下乙醇-柴油混合燃料闪沸特性与喷雾特性的报道，这构成了本研究旨在填补的研究空白。
**研究方法与关键技术**
研究人员采用的实验方法主要包括三方面：相稳定性测试、理化性质测量及宏观喷雾表征。样本队列为油酸稳定的乙醇-柴油混合燃料，涵盖0.5%和1%两种油酸添加浓度，以及5%至40%（体积分数）的乙醇-柴油混合比例。稳定性测试温度条件包括10°C、25°C、40°C和50°C。在理化性质方面，测量了密度、动力粘度与运动粘度、表面张力等关键热物理参数。喷雾特性研究采用共轨燃油喷射系统、透明喷雾室（Transparent Spray Chamber, TSC）及高速图像采集系统构成的喷雾可视化平台，运用自行编写的MATLAB脚本进行图像处理，主要考察喷雾贯穿距（Spray Penetration Length, SPL）、喷雾锥角（Spray Cone Angle, SCA）及喷雾面积（Spray Area, SA），并特别关注闪沸现象的发生；为深入理解局部喷雾行为，研究人员将喷雾结构首部分为四个区段进行分段分析，考察沿喷雾轴向的SCA和SA变化规律。
**研究结果**
**混合稳定性**：通过测定不同混合体系的时间依赖性分离比（Separation Ratio, SR）来量化稳定性。未添加油酸、添加0.5%和1%油酸的混合体系被评估以确定最佳条件和添加剂比例。结果表明，添加1%油酸显著改善了所有温度下的混溶性和相稳定性，延长了稳定持续时间。30%乙醇-油酸混合燃料（DE30-OA）在室温下几乎完全互溶，因此被选中进行进一步喷雾分析。
**热物理性质**：通过引入1%油酸，对测试燃料的关键热物理性质进行了评估，包括密度、动力粘度与运动粘度、以及表面张力，以评价油酸添加对燃料性质的影响效应。
**宏观喷雾表征**：喷雾图像通过喷雾可视化系统捕获，并使用自行编写的MATLAB脚本处理。研究发现，较高乙醇混合比例导致喷雾贯穿距轻微减小且更早发生破碎。随着乙醇比例在油酸稳定的柴油混合燃料中增加，相对于基线柴油，喷雾波动减小而喷雾面积增大。基于像素强度的喷雾轮廓分析表明，乙醇混合燃料还表现出闪沸行为和更宽的喷雾扩散。
**分段喷雾分析**：通过将喷雾图像划分为四个相应区域来研究局部喷雾行为。对喷雾结构首部分进行分段考察，分析沿喷雾轴向的SCA和SA变化，从而获得对局部喷雾特性的深入认识。
**研究结论与意义**
该研究得出以下关键结论：油酸作为添加剂可有效改善柴油-乙醇混合燃料的混溶性和相稳定性；DE30-OA混合燃料展现出最一致和稳定的喷雾模式，从而改善了喷雾特性。该研究成果发表于《Fuel》期刊，对于指导乙醇-柴油混合燃料在实际压燃式发动机中的应用具有重要工程价值，特别是在确保燃料储存稳定性及优化喷雾混合过程方面提供了实验依据。研究建立的油酸辅助稳定化方法为解决乙醇-柴油体系相分离问题提供了经济可行的技术路径，而对闪沸现象的确认为进一步理解非常规喷雾动力学机制奠定了基础。
