管凱麗，鄧 濤，李寶剛，唐 萃

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 重慶 400074)

不同品質(zhì)柴油噴霧燃燒特性試驗(yàn)與仿真分析

管凱麗，鄧 濤，李寶剛，唐 萃

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 重慶 400074)

針對(duì)不同品質(zhì)的柴油燃燒時(shí)具有不同的噴霧形態(tài)、火焰浮起長(zhǎng)度以及碳煙排放的現(xiàn)象，用煤油作為對(duì)比柴油，搭建定容燃燒彈試驗(yàn)設(shè)備，開發(fā)了噴霧燃燒特性試驗(yàn)用圖像處理軟件，進(jìn)行不同初始條件下的火焰浮起長(zhǎng)度試驗(yàn)對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明：柴油和煤油火焰浮起長(zhǎng)度都隨著噴油壓力的提高而增長(zhǎng)，隨著燃燒彈內(nèi)的初始?jí)毫蜏囟鹊纳叨鴾p??；在較低的環(huán)境溫度和壓力下，煤油火焰浮起長(zhǎng)度值相對(duì)于柴油較大，且煤油浮起長(zhǎng)度在環(huán)境溫度和壓力條件下的變化要比柴油敏感。同時(shí)利用AutoCAD及STAR-CD等軟件，建立定容燃燒彈內(nèi)燃油噴霧燃燒仿真模型，對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行仿真計(jì)算，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明：數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，且主噴射段內(nèi)的最大誤差不超過(guò)5%，從而驗(yàn)證了在定容燃燒彈內(nèi)建立的噴霧燃燒仿真模型的準(zhǔn)確性。此外，從燃料的分子結(jié)構(gòu)及碳原子數(shù)層面來(lái)分析，該模型可以預(yù)測(cè)不同含碳量柴油的火焰浮起長(zhǎng)度值。

柴油; 噴霧; 燃燒

缸內(nèi)直噴式柴油機(jī)燃燒時(shí)所產(chǎn)生的高濃度顆粒排放物、氮氧化物等一直都是重要的環(huán)境污染問(wèn)題。在柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒中既有預(yù)混燃燒又有擴(kuò)散燃燒，一些學(xué)者將火焰在開始著火到噴嘴口的這段距離定義為火焰浮起長(zhǎng)度，這段距離內(nèi)會(huì)有大量未燃燃料及碳煙排放物生成。因此，為了更好地理解柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒條件對(duì)碳煙排放的影響以及探究減少排放污染物的方法，研究火焰浮起長(zhǎng)度非常必要。

針對(duì)影響柴油燃燒排放的各種因素，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值的方式對(duì)燃燒火焰浮起長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)做了相關(guān)的研究。Lyle M.Pickett等[1]在定容燃燒彈內(nèi)進(jìn)行了燃油噴霧燃燒特性研究，認(rèn)為減小火焰浮起長(zhǎng)度可以通過(guò)減少點(diǎn)火延遲的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；P?r Bergstrand 等[2]用高速攝影技術(shù)獲取火焰圖像，在定容燃燒彈內(nèi)研究了噴嘴參數(shù)與浮起長(zhǎng)度的關(guān)系；Z.Hu等[3]利用試驗(yàn)及數(shù)值仿真研究了柴油機(jī)冷啟動(dòng)工況時(shí)燃油噴射燃燒情況，發(fā)現(xiàn)較低的壓力和溫度會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的點(diǎn)火延遲；Liang Zhang等[4]通過(guò)在定容彈內(nèi)測(cè)量汽-柴油混合物的火焰浮起長(zhǎng)度來(lái)研究寬餾分燃油的燃燒過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨汽-柴油混合物中汽油比例的增加，火焰浮起長(zhǎng)度呈非線性增加；李寶剛[5]利用定容彈研究了船用柴油機(jī)工況下火焰燃燒浮起長(zhǎng)度與環(huán)境壓力、溫度以及密度的關(guān)系。

以上研究在一定程度上揭示了柴油機(jī)缸內(nèi)湍流燃燒與火焰浮起長(zhǎng)度的關(guān)系，且都是以柴油為燃料來(lái)進(jìn)行研究。然而，由不同地區(qū)、不同油田所產(chǎn)的柴油，其烴族組分不同致使其性質(zhì)也不盡相同，因此噴霧與燃燒特性也存在各種差異[6]。本文著重研究不同品質(zhì)的柴油在不同噴射條件下噴霧燃燒對(duì)火焰浮起長(zhǎng)度的影響。

本文選用煤油作為柴油的對(duì)照燃油進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)及仿真研究，原因是若選取的對(duì)比燃油與柴油的分子組成及含量差距很小，則兩者噴霧燃燒時(shí)的火焰浮起長(zhǎng)度的細(xì)微差別不容易被觀察到[7-8]，因此煤油是較為合適的對(duì)比燃油。通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝定容彈內(nèi)不同時(shí)刻、不同噴射條件下的煤油與柴油的燃燒火焰圖像，得出各種工況下的火焰浮起長(zhǎng)度值。同時(shí)利用STAR-CD軟件對(duì)2種燃油在不同噴射條件下的湍流燃燒特性進(jìn)行驗(yàn)證及擴(kuò)展研究。

1 噴霧燃燒特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了模擬船用柴油機(jī)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)燃油噴射及燃燒過(guò)程，搭建了由定容燃燒彈、燃油噴射系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集裝置、高速攝像機(jī)等組成的定容燃燒彈試驗(yàn)系統(tǒng)[9-10]，如圖1所示。

圖1 定容燃燒彈試驗(yàn)設(shè)備布置簡(jiǎn)圖

由于試驗(yàn)應(yīng)用對(duì)象為船用直噴式柴油機(jī)，因此本研究采用了日本工業(yè)規(guī)格(JIS)K2204規(guī)格分類標(biāo)號(hào)為1號(hào)的柴油，以及(JIS)K2203 1號(hào)煤油作為對(duì)比燃油進(jìn)行了相同的試驗(yàn)(如表1)。在實(shí)際柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，噴油開始前燃燒室內(nèi)氣體壓力為3～4 MPa，初始環(huán)境溫度為800～1 000 K。試驗(yàn)采用單孔噴油器，噴孔直徑為0.45 mm，噴射壓力分別為30、50、70 MPa。

表1 試驗(yàn)用燃油的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

在設(shè)置軟件待工作狀態(tài)后，設(shè)置試驗(yàn)系統(tǒng)及相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)。開啟噴霧開關(guān)后，相關(guān)信號(hào)將分別傳至繼電器、數(shù)據(jù)采集等軟件。幾部分軟件分別啟動(dòng)開始工作，記錄并存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)的同時(shí)，測(cè)量并記錄當(dāng)時(shí)室內(nèi)的大氣壓與大氣溫度。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 噴霧過(guò)程高速攝像分析

通過(guò)處理軟件可實(shí)現(xiàn)測(cè)量單位的換算及噴嘴位置等參數(shù)的校正，并且設(shè)計(jì)開發(fā)一款新軟件對(duì)噴霧燃燒火焰的試驗(yàn)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換，如圖2所示。在分析整理以上數(shù)據(jù)之后，對(duì)比噴霧時(shí)間，即可制作出在一次試驗(yàn)中火焰浮起長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)的圖表。

圖2 圖像處理軟件

圖3是一次利用高速攝影技術(shù)拍攝到的煤油和柴油的噴射過(guò)程的試驗(yàn)圖像，本次試驗(yàn)設(shè)定噴射壓力為50 MPa，環(huán)境壓力為4 MPa，環(huán)境溫度為800 K?？梢钥闯觯涸谡麄€(gè)燃油噴射燃燒過(guò)程中，煤油與柴油的噴霧燃燒火焰形態(tài)并無(wú)明顯的不同，但從整體上看，煤油的火焰頭部較為飽滿，火焰較為光亮；而柴油較高的揮發(fā)性導(dǎo)致霧注頭部的空氣卷吸作用較強(qiáng)。

1.3.2 火焰浮起長(zhǎng)度變化試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 不同環(huán)境壓力下火焰浮起長(zhǎng)度變化試驗(yàn)

在不同的初始環(huán)境壓力下，分別采用柴油和煤油作為試驗(yàn)用燃油，如圖4所示。顯然，隨燃燒彈內(nèi)初始?jí)毫Φ纳?，兩者的火焰浮起長(zhǎng)度都逐漸減小，且變化趨勢(shì)近似相同。而當(dāng)初始?jí)毫υ?～4.5 MPa變化時(shí)，煤油火焰浮起長(zhǎng)度一直大于柴油；且當(dāng)壓力升高至4.5 MPa后，煤油浮起長(zhǎng)度開始逐漸低于柴油。

圖4 火焰浮起長(zhǎng)度隨初始環(huán)境壓力的變化曲線

2) 不同初始環(huán)境溫度下火焰浮起長(zhǎng)度變化試驗(yàn)

在不同的初始環(huán)境溫度下，試驗(yàn)對(duì)比分析了柴油和煤油的火焰浮起長(zhǎng)度變化，如圖5所示。隨著燃燒彈內(nèi)初始環(huán)境溫度的升高，兩者的火焰浮起長(zhǎng)度都逐漸變小；當(dāng)初始環(huán)境溫度為720～850 K范圍內(nèi)，煤油火焰浮起長(zhǎng)度略高于柴油，當(dāng)溫度高于850 K時(shí)，則開始低于柴油火焰浮起長(zhǎng)度，且整體變化趨勢(shì)是非線性的。

圖5 火焰浮起長(zhǎng)度隨初始環(huán)境溫度的變化曲線

從燃油的理化特性角度分析可知：以上2種結(jié)果是由2種燃油液體表面張力的變化所致。盡管不同平均分子質(zhì)量的烴類燃油的液體表面張力都隨著溫度和壓力的升高而降低，但是它們降低的速度和程度是不同的。燃油的平均分子量越低，液體表面張力下降的幅度和速度就越大。隨著壓力和溫度越來(lái)越高，柴油浮起長(zhǎng)度減小的速度低于煤油，因此也就出現(xiàn)了如圖4、5所示的柴油火焰浮起長(zhǎng)度值反超煤油的現(xiàn)象。

3) 不同噴射壓力下火焰浮起長(zhǎng)度變化試驗(yàn)

在不同燃油噴射壓力條件下，試驗(yàn)對(duì)比分析了柴油和煤油的火焰浮起長(zhǎng)度變化，如圖6所示。由圖6可知：燃油的噴射壓力越高，兩種燃油的火焰浮起長(zhǎng)度值越大，并且呈非線性變化；當(dāng)噴射壓力為27～32 MPa時(shí)，煤油顯示出略低于柴油火焰浮起長(zhǎng)度的趨勢(shì)，但隨著噴射壓力逐漸增加至32 MPa，煤油火焰浮起長(zhǎng)度開始高于柴油，當(dāng)燃油的噴射壓力升高至58 MPa時(shí)，煤油火焰浮起長(zhǎng)度又開始低于柴油。

圖6 火焰浮起長(zhǎng)度隨噴射壓力的變化曲線

2 STAR-CD仿真分析

2.1 STAR-CD建模

利用STAR-CD軟件模擬柴油和煤油在不同的環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、噴射壓力等條件下的噴霧燃燒過(guò)程，并選定了高溫區(qū)邊緣為1 050～1 080 K的等溫線，因此火焰浮起長(zhǎng)度即可用從高溫區(qū)邊緣到噴嘴之間的距離來(lái)表示(簡(jiǎn)稱等溫線法)[11]。

利用AutoCAD建立定容燃燒彈模型，導(dǎo)入STAR-CD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇的計(jì)算網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域?yàn)椐?00 mm×400 mm的圓柱體，網(wǎng)格尺度為2 mm，網(wǎng)格總數(shù)為809 689，噴嘴在頂面中心處，如圖7所示。

圖7 CFD軟件中計(jì)算網(wǎng)格

在設(shè)置模型的初始條件及邊界條件時(shí)，考慮到燃燒彈是模仿船用柴油機(jī)工作狀態(tài)，體積較大，故不存在液柱撞壁及形成壁面液膜等現(xiàn)象，因此選取了對(duì)應(yīng)試驗(yàn)中柴油機(jī)的工作參數(shù)，并采用合適的湍流、噴霧、液滴破碎、燃燒等模型(如表2所示)。因?yàn)椴裼蜋C(jī)中燃油的噴霧、燃燒及流動(dòng)過(guò)程都是瞬態(tài)的，故采用易得到收斂解的PISO算法。

表2 計(jì)算模型

2.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.2.1 柴油火焰浮起長(zhǎng)度變化

1) 不同環(huán)境溫度下火焰浮起長(zhǎng)度變化

在不同的環(huán)境溫度下，對(duì)比分析柴油火焰浮起長(zhǎng)度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。在噴霧初期，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差距較大，但隨著燃燒彈內(nèi)的初始溫度從820 K逐漸升高至900 K時(shí)，2條變化曲線逐漸接近。故總體而言，在較高初始環(huán)境溫度下，2條曲線變化基本相似。

圖8 柴油火焰浮起長(zhǎng)度隨環(huán)境溫度變化結(jié)果對(duì)比

2) 不同環(huán)境壓力下火焰浮起長(zhǎng)度變化

在不同的環(huán)境壓力下，對(duì)比分析柴油火焰浮起長(zhǎng)度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果。由圖9可以看出：當(dāng)燃燒彈內(nèi)的初始?jí)毫?～3 MPa時(shí)，仿真得到的火焰浮起長(zhǎng)度低于試驗(yàn)值，而隨著初始?jí)毫χ饾u升高至5 MPa時(shí)，2條曲線接近至重合，整體趨勢(shì)上2條曲線變化趨于一致。

圖9 柴油火焰浮起長(zhǎng)度隨環(huán)境壓力變化結(jié)果對(duì)比

3) 不同噴射壓力下火焰浮起長(zhǎng)度變化

在不同的燃油噴射壓力下，對(duì)比分析柴油火焰浮起長(zhǎng)度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果。由圖10可知：當(dāng)燃油噴射壓力為30～40 MPa時(shí)，仿真得到的火焰浮起長(zhǎng)度高于試驗(yàn)值，但隨著噴射壓力逐漸升高至60 MPa時(shí)，仿真結(jié)果出現(xiàn)低于試驗(yàn)值的情況，且從總體變化趨勢(shì)上看，2條曲線的變化基本一致。

2.2.2 煤油火焰浮起長(zhǎng)度變化

1) 不同環(huán)境溫度下火焰浮起長(zhǎng)度變化

針對(duì)煤油，在不同的環(huán)境溫度下對(duì)比分析其火焰浮起長(zhǎng)度變化，如圖11所示?？梢钥闯觯号c試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，當(dāng)燃燒彈內(nèi)的初始溫度為750～790 K時(shí)，仿真得到的火焰浮起長(zhǎng)度要大一些，但隨著溫度不斷升高至900 K時(shí)，會(huì)出現(xiàn)先低后高的現(xiàn)象。就整體趨勢(shì)而言，兩條曲線變化基本一致。

圖10 柴油火焰浮起長(zhǎng)度隨噴射壓力變化結(jié)果對(duì)比

圖11 煤油火焰浮起長(zhǎng)度隨環(huán)境溫度變化結(jié)果對(duì)比

2) 不同環(huán)境壓力下火焰浮起長(zhǎng)度變化

在不同環(huán)境壓力下，對(duì)比分析煤油火焰浮起長(zhǎng)度變化。由圖12可知：當(dāng)燃燒彈內(nèi)的初始?jí)毫?～4 MPa時(shí)，仿真所得煤油火焰浮起長(zhǎng)度低于試驗(yàn)值，而隨著燃燒彈內(nèi)壓力升高至4.5 MPa時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高于試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。總體而言，2條曲線的變化趨勢(shì)一致。

3) 不同噴射壓力下火焰浮起長(zhǎng)度變化

在不同的燃油噴射壓力下，對(duì)比分析煤油火焰浮起長(zhǎng)度變化，如圖13所示。顯然，當(dāng)燃燒彈內(nèi)的噴射壓力為30～40 MPa時(shí)，仿真所得的火焰浮起長(zhǎng)度低于試驗(yàn)值，而隨著燃油噴射壓力升高至39 MPa時(shí)，會(huì)逐漸高于試驗(yàn)結(jié)果，但整體在變化趨勢(shì)上基本一致。

圖12 煤油火焰浮起長(zhǎng)度隨環(huán)境壓力變化結(jié)果對(duì)比

圖13 煤油火焰浮起長(zhǎng)度隨噴射壓力變化結(jié)果對(duì)比

綜上，噴霧初期火焰浮起長(zhǎng)度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)相比誤差較大，這可能是由于多種因素造成的。例如，試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生的人為誤差、高速攝影與燃油噴射的同步觸發(fā)誤差，以及仿真軟件中的計(jì)算誤差等[12]，因此本文主要對(duì)主噴射段進(jìn)行分析。由計(jì)算結(jié)果可知：主噴射段內(nèi)誤差最大不超過(guò)5%，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，確保了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

此外，由于柴油是一種組成成分非常復(fù)雜的混合燃油，因此為了預(yù)測(cè)不同品質(zhì)的柴油火焰浮起長(zhǎng)度的變化規(guī)律及相關(guān)因素，文中采用了烴類分子平均含碳原子數(shù)n作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)測(cè)結(jié)果：在相同的燃油噴射壓力下，所含平均含碳原子數(shù)n越高的柴油，其相應(yīng)獲得的初始燃油噴射速度就越低，且在較低的初始環(huán)境溫度和初始環(huán)境壓力下，其火焰浮起長(zhǎng)度也較小。

3 結(jié)論

1) 搭建了合理的定容燃燒彈試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了科學(xué)的試驗(yàn)步驟，開發(fā)出噴霧燃燒特性試驗(yàn)圖像處理軟件，進(jìn)行了不同的初始條件下的柴油和煤油的噴霧燃燒特性試驗(yàn)。結(jié)果表明了柴油和煤油浮起長(zhǎng)度的大小及變化速度的異同：當(dāng)燃燒彈內(nèi)的初始環(huán)境溫度和初始環(huán)境壓力較低時(shí)，煤油火焰浮起長(zhǎng)度大于柴油，隨著定容燃燒彈內(nèi)的溫度和壓力升高，煤油浮起長(zhǎng)度逐漸低于柴油；柴油和煤油火焰浮起長(zhǎng)度都隨燃燒彈內(nèi)初始環(huán)境溫度和初始環(huán)境壓力的升高而降低，但隨噴射壓力的升高而增大。

2) 利用STAR-CD軟件建立了定容燃燒彈仿真模型，選擇合適的計(jì)算子模型并設(shè)置參數(shù)和算法，模擬分析了柴油和煤油在不同初始環(huán)境壓力、初始環(huán)境溫度、噴射壓力等條件參數(shù)下的火焰浮起長(zhǎng)度，并與定容燃燒彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

3) 從燃料分子結(jié)構(gòu)及碳原子數(shù)的層面考慮，可以對(duì)不同品質(zhì)柴油的火焰浮起長(zhǎng)度做出簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)，即平均含碳原子數(shù)越高的柴油，在較低的環(huán)境溫度和壓力下，火焰浮起長(zhǎng)度較小，變化越不明顯。

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(責(zé)任編輯陳 艷)

ExperimentalandSimulationAnalysisonSprayandCombustionCharacteristicsforDifferentQualitiesofDiesel

GUAN Kaili, DENG Tao, LI Baogang, TANG Cui

(School of Mechatronics & Automotive Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Due to the different qualities of diesel have different combustion characteristics and flame lift-off under various injection conditions, kerosene is used as a contrast diesel, the equipment of constant volume bomb is designed, the spray combustion characteristics of image processing software is developed, and the flame lift-off length under the different ambient pressure, ambient temperature and injection pressure is test and compared. The experiment results indicate that the flame lift-off length of diesel and kerosene increase with the injection pressure increasing, and decrease with the ambient pressure and ambient temperature decreasing. Under the lower ambient temperature and ambient pressure, the flame lift-off length of kerosene is longer than that of diesel, and more sensitive to the ambient temperature and ambient pressure. Meanwhile, the three-dimensional simulation model of constant volume bomb is built with the STAR-CD software. The results show that the simulation results are nearly same with the test results, and the deviation of the main injection section is not more than 5%, which verifies the accuracy of the simulation model. In addition, from the perspective of the molecular structure of the fuel and the number of carbon atoms, it can be used to predict the flame lift value of different carbon fuel.

diesel; spray; combustion

2017-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305473)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M552317)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2013jcyjA60007)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ120421); 重慶市博士后研究人員科研項(xiàng)目特別資助(xm2014032)

管凱麗(1992—)，女，碩士研究生，主要從事混合動(dòng)力、電動(dòng)汽車控制研究，E-mail:2518132089@qq.com;鄧濤，男，博士，教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事混合動(dòng)力、電動(dòng)汽車控制研究。

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