基于超聲霧化的柴油／汽油混合燃料液滴群燃燒特性

包堂堂，胡宗杰，胡俊超，阮逸平，鄧 俊，吳志軍

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 200092）

0 引 言

均質(zhì)充量壓縮著火（Homogeneous charge compression ignition，HCCI）技術(shù)是一種能在降低有害物排放的同時(shí)提高內(nèi)燃機(jī)燃燒效率的新型燃燒方式，近年來受到廣泛關(guān)注。由于柴油黏度高，揮發(fā)性差，柴油機(jī)HCCI面臨的主要問題之一就是如何形成均勻的柴油／空氣混合氣，此外著火時(shí)刻和燃燒反應(yīng)速率以及運(yùn)轉(zhuǎn)工況的拓寬也是其面臨的主要困難［1］。在汽油機(jī)上實(shí)現(xiàn)HCCI也要克服一系列困難，除了著火時(shí)刻難以控制、運(yùn)轉(zhuǎn)范圍狹窄等問題以外，由于汽油燃料的辛烷值和自燃溫度都較高，汽油機(jī)實(shí)現(xiàn)HCCI還要解決混合氣能夠順利自燃這一個(gè)關(guān)鍵問題。

通過重組燃料結(jié)構(gòu)，能有效拓寬HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，同時(shí)還能獲得較好的燃燒及排放特性［2－5］。Bessonette等［2］對(duì) HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃料特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為能較好地實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒方式的燃料，其理化特性應(yīng)該介于柴油類燃料和汽油類燃料之間。基于此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)柴油／汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)和模擬研究。Turner等［3］首先在直噴汽油機(jī)上使用柴油／汽油混合燃料開展研究，并將該燃料命名為“dieseline”（diesel＋gasoline）。韓東等［4］在單缸柴油機(jī)上開展了柴油／汽油混合燃料的燃燒與排放特性研究，其研究結(jié)果表明，通過選取適當(dāng)摻混比的柴油／汽油混合燃料，能有效拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)HCCI運(yùn)行工況，且能獲得較好的排放特性。Kokjohn等［5］構(gòu)建了柴油／汽油混合燃料的簡(jiǎn)化機(jī)理，并對(duì)該機(jī)理的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，利用該簡(jiǎn)化機(jī)理能較好地預(yù)測(cè)混合燃料的燃燒情況，在此基礎(chǔ)上結(jié)合KIVA程序開展了大量關(guān)于柴油／汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性的模擬研究。

噴霧特性研究是研究燃料燃燒特性的基礎(chǔ)，內(nèi)燃機(jī)燃料在燃燒之前要經(jīng)歷霧化、蒸發(fā)及與空氣混合形成可燃混合氣的過程。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者常在定容彈、快速壓縮機(jī)、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)等多種平臺(tái)上模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高溫高壓環(huán)境，利用不同光學(xué)測(cè)試手段研究噴霧形成、蒸發(fā)、油氣混合及燃燒過程等［6－8］。內(nèi)燃機(jī)燃料霧化主要是基于壓力霧化的原理，燃料經(jīng)噴嘴噴射后瞬間經(jīng)歷破碎、混合／蒸發(fā)、著火等復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，各過程在時(shí)間和空間上緊密耦合在一起，因此很難對(duì)各過程分別進(jìn)行詳細(xì)的定量研究，并且由于內(nèi)燃機(jī)的封閉式環(huán)境，測(cè)試設(shè)備布置較為困難，故在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上要深入研究該混合燃料的燃燒機(jī)理具有較大難度。

本文利用自行研制的超聲霧化多液滴群制備系統(tǒng)［12］，制成混合燃料多液滴群，并將多液滴群引入可控活化熱氛圍燃燒器，研究高溫環(huán)境下的混合燃料燃燒特性，為該混合燃料在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用以及后續(xù)開展混合燃料多液滴群排放特性及數(shù)值模擬研究打下了良好的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置介紹

試驗(yàn)所用超聲霧化多液滴群制備系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由超聲霧化、燃料供給和空氣供給三個(gè)子系統(tǒng)組成。超聲霧化子系統(tǒng)由商用壓電晶體振蕩片及其電源和控制系統(tǒng)組成，燃料供給子系統(tǒng)由燃油供給泵及其控制系統(tǒng)組成，載氣供給子系統(tǒng)由空氣泵、穩(wěn)壓箱、旁通閥、主控閥、空氣流量計(jì)、混流腔等組成。由于液滴群的初始流速較低，需要由空氣泵供應(yīng)流速較高的空氣將液滴群從噴嘴管吹出，此外，空氣還與多液滴群在噴管內(nèi)預(yù)先混合形成預(yù)混合氣流。通過分別調(diào)節(jié)燃料供給量和空氣流量可獲得當(dāng)量比、流速等獨(dú)立可變的混合氣流，并具備進(jìn)一步獨(dú)立調(diào)節(jié)液滴直徑的能力［9］。

圖1 超聲霧化多液滴群制備系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of mono－disperse multiple droplets stream system by ultrasonic atomization

超聲霧化技術(shù)可制出高濃度、分散均勻的小液滴，液滴直徑幾微米到幾十微米，與內(nèi)燃機(jī)燃油噴霧霧化液滴直徑相當(dāng)。超聲霧化液滴的平均直徑與超聲頻率有如下關(guān)系［10－11］:

式中:D為液滴平均直徑；T為液體表面張力系數(shù)；ρ為液體密度；f為超聲波頻率。

本文作者在前期工作［12］中對(duì)柴油／汽油混合燃料的密度、表面張力等物理特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，部分測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。利用測(cè)試結(jié)果并結(jié)合式（1），計(jì)算得到 D0、D20、D40、D60混合燃料多液滴群的液滴平均直徑分別為4.7、4.8、4.9、5.0μm，其中超聲波頻率與文獻(xiàn)［13］中所用數(shù)值相同，為0.54MHz；D0、D20分別表示混合燃料中柴油所占的體積分?jǐn)?shù)為0%，20%，以此類推。

圖2 混合燃料密度隨溫度變化Fig.2 Density of blends varies with temperature

圖3 混合燃料表面張力隨溫度變化Fig.3 Surface tension of blends varies with temperature

將制得的混合燃料多液滴群引入圖4所示的噴管，并與圖5所示的燃燒器中央射流管道相連接進(jìn)入可控活化熱氛圍燃燒器的高溫?zé)岱諊?，研究多液滴群的燃燒特性。試?yàn)所用燃燒器由本課題組自行研制，該燃燒器示意圖如圖5所示［13］，協(xié)流預(yù)混合氣為氫氣／空氣混合氣，混合氣進(jìn)入燃燒器后通過引燃火焰引燃，通過調(diào)節(jié)協(xié)流預(yù)混合氣中氫氣及空氣流量，熱氛圍溫度可在700～1500K內(nèi)變化，該溫度范圍基本涵蓋了各種氣體燃料或液體燃料的自燃點(diǎn)，故利用該燃燒器可進(jìn)行氣體燃料和液體燃料自燃著火規(guī)律以及影響其燃燒特性的主要因素的研究［14］。

圖4 噴管示意圖Fig.4 Schematic diagram of injection tube

2 試驗(yàn)工況

本文主要試驗(yàn)工況如表1所示，其中燃料摻混比表示混合燃料中柴油所占體積分?jǐn)?shù)。表2為不同空氣流量及燃料供給速度下?lián)Q算所得的過量空氣系數(shù)，由于柴油黏度較高，隨著混合燃料中柴油所占比例的增大，超聲霧化效果逐漸變差，本研究所用混合燃料中柴油所占體積分?jǐn)?shù)最高為60%。

表1 試驗(yàn)工況說明Table 1 Specification of test condition

表2 不同工況下的過量空氣系數(shù)Table 2 Excess air coefficient in different conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 混合燃料射流火焰燃燒特性隨摻混比的變化

本小節(jié)試驗(yàn)過程中將協(xié)流溫度控制在恒定溫度1126K，研究在相同協(xié)流溫度下，改變混合燃料摻混比及燃料供給速度等參數(shù)，對(duì)混合燃料射流火焰的起升特性的影響。

表3為混合燃料多液滴群引入溫度為1126 K的熱氛圍中穩(wěn)定著火以后的部分火焰圖片，可以看到多液滴進(jìn)入高溫?zé)岱諊笮纬闪朔€(wěn)定的起升火焰，火焰顏色呈淡藍(lán)色，為典型預(yù)混合火焰，說明液滴群與空氣在噴管內(nèi)部較好地完成了預(yù)混合的過程。試驗(yàn)中采用Nikon D5000單反相機(jī)對(duì)穩(wěn)定燃燒后的火焰圖像連續(xù)拍攝30張照片，利用Matlab軟件編寫圖像處理程序，對(duì)火焰圖像進(jìn)行二值化處理，提取火焰起升高度、寬度及高度的具體數(shù)值，并對(duì)同一工況下的數(shù)據(jù)序列取平均值，所得結(jié)果如圖6～圖8所示，以研究混合燃料多液滴群在不同燃料摻混比及不同初始條件下的燃燒特性，其中“100－20”表示燃料供給速度為100 mL／h，空氣流量為20L／min，以此類推。

表3 混合燃料多液滴群燃燒火焰圖像Table 3 Flame image of multi－droplet stream of blends

圖6 起升高度隨摻混比的變化Fig.6 Lift－off height varies with different mixture ratio

圖7 火焰高度隨摻混比的變化Fig.7 Flame height varies with different mixture ratio

圖8 火焰寬度隨摻混比的變化Fig.8 Flame width varies with different mixture ratio

由圖6～圖8可知，在相同燃料供給速度及空氣流量下，隨著混合燃料中柴油體積分?jǐn)?shù)的增大，火焰起升高度增加，火焰高度增加，寬度減少。分析認(rèn)為，隨著混合燃料中柴油體積分?jǐn)?shù)的增大，混合燃料密度及黏度都有所增加，由式（1）可知，經(jīng)超聲霧化裝置制得的混合燃料多液滴群平均直徑隨之增加，并且由于柴油蒸發(fā)溫度高于汽油，導(dǎo)致其較純汽油燃料難以較快地完全蒸發(fā)，多液滴群需往燃燒器軸向空間發(fā)展更遠(yuǎn)的距離才能充分蒸發(fā)，并且與空氣混合形成適宜著火的混合氣，故其火焰起升高度與火焰高度都有所增加；同樣，液滴平均直徑的增大以及柴油含量的增加，導(dǎo)致單個(gè)液滴質(zhì)量增加，協(xié)流空氣對(duì)其卷吸效果減弱，導(dǎo)致其往徑向發(fā)展困難，火焰寬度減小。在相同空氣流量下，燃料供給速度從100mL／h增加到150 mL／h，射流火焰起升高度降低，火焰高度減小，寬度增加且火焰亮度增加；在相同燃料供給速度下，空氣流量從20L／min增加到40L／min，射流火焰起升高度降低，火焰高度與寬度均有所增加?？梢钥吹娇諝饬髁康母淖儗?duì)混合燃料射流火焰形狀產(chǎn)生較大影響，空氣流量從20L／min增加到40L／min后，起升高度明顯下降，分析認(rèn)為隨著空氣流量的增加，燃料在噴管內(nèi)部自燃揮發(fā)程度提高較大，燃料與空氣在噴管內(nèi)混合更加充分，一經(jīng)噴管噴出后在熱氛圍中迅速燃燒，可知在試驗(yàn)工況下，燃料與空氣的物理混合過程對(duì)燃燒速度起主導(dǎo)作用；而在相同空氣流量下，過量空氣系數(shù)越接近化學(xué)計(jì)量比的工況，其燃燒速度越快，進(jìn)而導(dǎo)致較低的火焰起升高度。

3.2 混合燃料射流火焰燃燒特性隨協(xié)流溫度的變化

本小節(jié)通過改變協(xié)流中氫氣／空氣當(dāng)量比，從而改變協(xié)流溫度，研究混合燃料射流火焰在不同熱氛圍溫度下的燃燒特性。圖9為D20及D40在不同工況下的射流火焰長(zhǎng)度及寬度隨協(xié)流溫度變化關(guān)系圖，圖中L表示火焰長(zhǎng)度，W 表示火焰寬度。

圖10為燃料供給速度為100mL／h、空氣流量為20L／min時(shí)，混合燃料射流火焰起升高度隨協(xié)流溫度變化關(guān)系圖。結(jié)合圖9的分析可知，隨著協(xié)流溫度的升高，混合燃料射流火焰起升高度逐漸降低，并且混合燃料中柴油所占體積分?jǐn)?shù)越大，起升高度越高；協(xié)流溫度升高以后，射流火焰長(zhǎng)度與火焰寬度均有所減小，火焰亮度有所增加。分析認(rèn)為，協(xié)流溫度升高加快了燃料的蒸發(fā)，使其較快形成了適宜著火的混合氣，并且溫度的升高加快了燃料的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，兩因素綜合影響使得火焰起升高度及長(zhǎng)度均有所減少，相對(duì)來說，近噴管區(qū)域的碳原子濃度增加，導(dǎo)致火焰亮度增加。

圖9 火焰長(zhǎng)度及寬度隨協(xié)流溫度的變化Fig.9 Flame length and width varies with co－flow temperature

圖10 起升高度隨協(xié)流溫度的變化Fig.10 Lift－off height varies with co－flow temperature

4 結(jié) 論

（1）混合燃料多液滴群在熱氛圍中自燃后形成了穩(wěn)定的起升火焰，火焰顏色偏淡藍(lán)色，為典型預(yù)混合火焰。

（2）在相同燃料供給速度及空氣流量下，隨著柴油體積分?jǐn)?shù)的增加，火焰起升高度增加，火焰高度增加，寬度減少。

（3）在相同空氣流量下，燃料供給速度從100 mL／h增加到150mL／h，火焰起升高度降低，長(zhǎng)度減小，寬度增加且火焰亮度增加；在相同燃料供給速度下，空氣流量從20L／min增加到40L／min，火焰起升高度降低，長(zhǎng)度與寬度均有所增加。

（4）隨著協(xié)流溫度的升高，混合燃料自燃起升高度逐漸降低，火焰寬度及長(zhǎng)度減少，且火焰亮度增加。

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