譚貴榮,趙增亮,王毅,陳俞霖,黃豪中

(1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司,廣西 玉林 537005;2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)

中國能源結(jié)構(gòu)的典型特征是缺油、少氣、富煤,煤炭儲存量達(dá)到5.9×1012t,占能源總量的94%[1]。同時,中國對石油能源的需求較大,石油消費(fèi)量位于世界前二。但國內(nèi)的石油資源與消費(fèi)需求并不匹配,進(jìn)口依賴度過高,容易受到國外制約,對我國的能源安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

近十年來,在重型運(yùn)輸、工程機(jī)械以及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域,以石油產(chǎn)品為燃料的發(fā)動機(jī)仍舊是最主要的動力裝置。隨著“雙碳戰(zhàn)略”的提出,中國重型商用車燃料消耗量限值(第三階段)、國六b排放法規(guī)相繼出臺[2-3],對發(fā)動機(jī)的油耗和NOx排放提出了更加嚴(yán)厲的要求。這就迫使研究人員開發(fā)更為清潔的替代燃料,以優(yōu)化發(fā)動機(jī)的燃燒特性,降低排放,減少我國對石油資源的進(jìn)口依賴[4]。

煤制油(coal to liquid,CTL)是一種以煤為原料,通過直接液化或間接液化技術(shù)生產(chǎn)的合成燃料。其中,間接液化法主要使用費(fèi)托合成法,對原料煤的品質(zhì)要求較低,得到的煤制油組分與石油基柴油十分相近。相比柴油而言,煤制油具有高十六烷值、低硫、低芳烴含量的優(yōu)點(diǎn),有利于提高發(fā)動機(jī)的燃燒性能。我國已形成了規(guī)?；拇笮蜕a(chǎn)線[5],為煤制油的推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

目前,以煤制油作為替代燃料,國內(nèi)外相繼開展了試驗(yàn)和仿真研究,以分析其性能表現(xiàn)。Soloiu等[6]試驗(yàn)研究了CTL20混合燃料(80%超低硫柴油+20%費(fèi)托煤制油)在柴油發(fā)動機(jī)上的燃燒性能,結(jié)果表明:CTL20在較高噴油壓力下可以降低NOx排放,且能夠使燃油消耗率降低3%～5%。強(qiáng)艷飛等[7]通過Converge軟件仿真分析了F-T煤制油在缸內(nèi)直噴柴油機(jī)上的性能表現(xiàn),結(jié)果表明:燃用F-T煤制油時,缸內(nèi)壓力低于燃用普通柴油,放熱始點(diǎn)提前,預(yù)混放熱峰值降低,且炭煙排放量相比于柴油降低了42%。Sun等[8]研究了CTL-汽油混合物對壓縮點(diǎn)火發(fā)動機(jī)燃燒性能和排放特性的影響,研究結(jié)果表明,CTL-汽油混合物帶來更高的預(yù)混合燃燒比,并可在引入EGR后保持最低水平的煙塵和NOx排放。劉海峰等[9]使用直接液化煤制油和間接液化煤制油進(jìn)行試驗(yàn),研究了兩者對重型柴油機(jī)燃燒和排放的影響,研究發(fā)現(xiàn),間接液化煤制油的滯燃期短,預(yù)混燃燒比例低,最大壓力升高率較小,在大負(fù)荷工況下有效熱效率低于柴油。

綜上所述,煤制油的燃燒性能良好,且有助于降低排放,是一種極具潛力的柴油替代燃料。然而,目前的研究主要集中在煤制油對發(fā)動機(jī)燃燒和排放的影響,對煤制油的噴霧特性了解十分有限。燃油噴霧的破碎、蒸發(fā)過程影響著缸內(nèi)油氣混合情況,進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的燃燒特性。因此,有必要使用可視化裝置,對比分析煤制油和柴油的霧化過程,從而認(rèn)識煤制油的燃燒機(jī)理,為煤制油的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。

1 研究對象

1.1 試驗(yàn)平臺

試驗(yàn)在一套光學(xué)可視化測試平臺上進(jìn)行,該平臺由課題組自行搭建而成,能夠?qū)σ簯B(tài)燃料開展噴霧和燃燒試驗(yàn)。測試平臺主要包括定容燃燒彈、高壓共軌噴油系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)等,整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—油箱; 2—高壓油泵; 3—高壓共軌; 4—ECU; 5—鹵鎢燈; 6—高速相機(jī); 7—計算機(jī); 8—高壓氣瓶;9—石英視窗; 10—熱電偶; 11—定容燃燒彈; 12—噴油器。圖1 可視化試驗(yàn)平臺裝置

其中,定容燃燒彈為方形結(jié)構(gòu),彈體材料為45號鋼,壁厚65 mm,內(nèi)部空間約7.5 L。側(cè)面安裝有3個帶有石英玻璃的圓形視窗用于圖像采集,石英玻璃厚度70 mm,圓形視窗直徑為100 mm,玻璃透光率約為90%。定容燃燒彈內(nèi)安裝有4根電加熱棒,以對定容彈內(nèi)氣體進(jìn)行加熱。攝像系統(tǒng)采用FASTCAM-SA7高速相機(jī),可實(shí)現(xiàn)最高30 000 幀/s的拍攝速度。為了獲得完整的噴霧圖像,通過程序控制使噴油信號觸發(fā)高速相機(jī)完成拍攝?？紤]到信號傳遞的延遲,在試驗(yàn)中設(shè)置高速相機(jī)觸發(fā)提前量為5 ms。

定容燃燒彈內(nèi)還安裝有熱電偶溫度計、壓力表等儀器,用于檢測定容彈內(nèi)的壓力和溫度(分別命名為環(huán)境壓力和環(huán)境溫度)。壓力表量程0～10 MPa,測量誤差1.6%;熱電偶溫度計量程273.15～1 000 K,誤差小于0.15%。試驗(yàn)開始前需檢查氣密性,通過注入壓縮空氣使環(huán)境壓力達(dá)到6 MPa,定容彈靜置1 h后環(huán)境壓力變化小于0.1 MPa,證明該裝置的氣密性良好。

1.2 特征參數(shù)

試驗(yàn)過程中通過高速攝影獲得噴霧的原始圖像,然后導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行處理,通過去背景操作和灰度處理,實(shí)現(xiàn)噴霧前景圖像與背景部分的分割,從而得到具有完整噴霧形狀的圖像。

噴霧的主要特征參數(shù)有噴霧貫穿距離(SL)和噴霧錐角(θ)。噴霧參數(shù)定義示意見圖2。其中,液相噴霧貫穿距離定義為燃油從噴嘴噴出到噴霧前端能夠達(dá)到的最遠(yuǎn)軸向距離。根據(jù)相關(guān)定義[10],以1/2燃油噴霧貫穿距離處噴霧邊緣輪廓兩條切線形成的夾角作為液相噴霧錐角。利用Sobel算子和Canny算子對噴霧圖像做邊緣檢測,基于圖像像素點(diǎn)和相關(guān)公式,即可計算出噴霧特性參數(shù)的具體數(shù)值。

圖2 噴霧參數(shù)定義示意

1.3 試驗(yàn)方案

為了研究煤制油和柴油的具體區(qū)別,噴霧試驗(yàn)在不同環(huán)境壓力和環(huán)境溫度下進(jìn)行,整體方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 環(huán)境壓力對噴霧特性的影響

圖3示出了環(huán)境溫度為500 K時,煤制油和純柴油在不同環(huán)境壓力下的噴霧發(fā)展趨勢。試驗(yàn)過程中采用直拍法來獲取噴霧圖像,這種方法的缺點(diǎn)在于只能捕捉到液相燃油噴霧。因此,根據(jù)噴霧圖像的亮度可以確定其霧化情況:聚集大量液相燃油顆粒的位置(如噴霧中心處)對光的散射作用強(qiáng),亮度較大;而亮度較小的位置表示此處的液相燃油顆粒大部分已經(jīng)汽化,屬于液相-氣相的混合區(qū)域。

圖3 不同環(huán)境壓力下噴霧形態(tài)的變化

從圖3a中可以看出,煤制油的液相噴霧形狀在短時間內(nèi)劇烈變化,噴油后(after start of injection,ASOI)0.7 ms的時間內(nèi)就從油束形態(tài)成長為類似錐形的噴霧形狀。在噴油前期,液態(tài)燃油在噴油器的高壓作用下從噴孔垂直向下噴射,初始動能較大,因此呈現(xiàn)出束狀形態(tài)。隨著噴油的持續(xù)進(jìn)行,燃油束卷吸空氣與之混合,液態(tài)燃油破碎為顆粒,并在氣流的帶動下往徑向方向發(fā)展。因此在這段時間內(nèi),噴霧貫穿距和噴霧錐角均快速增加,噴霧面積迅速增大。而在這之后,燃油噴霧受到環(huán)境阻力的影響,大顆粒燃油液滴破碎為小顆粒,動能減小,噴霧向前發(fā)展的趨勢放緩,噴霧形態(tài)不再發(fā)生大的改變。此外,在噴霧的邊緣輪廓處,部分卷吸了熱空氣的燃油液滴被蒸發(fā)汽化,出現(xiàn)了液-氣混合的稀薄區(qū)域,導(dǎo)致平順性降低。

對比圖3a和圖3b可知,柴油和煤制油具有同樣的噴霧發(fā)展趨勢,且受到環(huán)境壓力的影響也相同。從噴霧圖像來看,煤制油噴霧表現(xiàn)出明顯的三角錐形狀態(tài),而柴油噴霧前端呈現(xiàn)出的最終狀態(tài)近似于弧形。根據(jù)噴霧圖像還可以發(fā)現(xiàn),煤制油噴霧具有更寬泛的面積,說明其擴(kuò)散性能要優(yōu)于柴油。

圖4、圖5分別示出了液相噴霧貫穿距和噴霧錐角的變化。可以發(fā)現(xiàn),煤制油和柴油的噴霧貫穿距具有相同的發(fā)展趨勢,曲線斜率隨時間的推移而不斷減小。在噴霧發(fā)展前期,燃油液滴的初始動能較大,貫穿距迅速增加。而在中后期時,燃油液滴的動能在環(huán)境阻力的影響下不斷減小,噴霧貫穿距的增速放緩,因此貫穿距曲線變得平緩。相比之下,噴霧錐角曲線的斜率更低。在噴油開始后,噴霧錐角迅速增大到一定程度,然后在這個特定值附近上下波動。

圖4 不同環(huán)境壓力下的噴霧貫穿距(環(huán)境溫度500 K)

圖5 不同環(huán)境壓力下的噴霧錐角(環(huán)境溫度500 K)

從整體來看,隨著環(huán)境壓力的升高,煤制油噴霧的貫穿距逐漸減小,而噴霧錐角則呈逐漸增大的趨勢。環(huán)境壓力由3 MPa提高到6 MPa時,煤制油噴霧的貫穿距減小了22.67%,而錐角則增大了46.9%。在低環(huán)境壓力下,油束受到的環(huán)境阻力較小,動能的損失量較低,因此油束的發(fā)展較為容易,貫穿距較長。隨著環(huán)境壓力的增加,定容彈內(nèi)環(huán)境氣體的密度增大,燃油噴霧受到的阻力增加,動能損失提高。此時燃油束在軸向方向的發(fā)展受到抑制,而在徑向方向的發(fā)展趨勢得到增強(qiáng)。因此,隨著環(huán)境壓力提升,出現(xiàn)噴霧貫穿距減小而噴霧錐角增大的現(xiàn)象。

對比煤制油和柴油的噴霧貫穿距曲線可知,在3 MPa的環(huán)境壓力下,兩種燃油的最大噴霧貫穿距分別為60 mm和58.8 mm,煤制油噴霧的貫穿距略大于柴油噴霧。這是因?yàn)樵诘铜h(huán)境壓力下,環(huán)境阻礙較小,貫穿距主要與液滴的初始動能有關(guān)。在相同噴射壓力下,密度越小的燃油,其液滴的初始速度越大[11],越有利于軸向方向的發(fā)展,因此小密度的煤制油擁有較大的貫穿距。當(dāng)環(huán)境壓力提高到6 MPa時,煤制油的噴霧貫穿距急劇降低,甚至低于柴油。在500 K,6 MPa的環(huán)境條件下,煤制油和柴油的噴霧貫穿距分別為46.4 mm和49.6 mm。這是因?yàn)槊褐朴偷酿ざ群捅砻鎻埩Φ陀诓裼?在高壓環(huán)境中更容易破碎成小顆粒,而破碎過程中液滴的部分動能轉(zhuǎn)移給環(huán)境氣體,降低了液滴在軸向方向的貫穿能力。

對于噴霧錐角,所有工況下煤制油均擁有比柴油更大的數(shù)值。特別是在6 MPa時,煤制油噴霧的錐角比柴油增加了4.5°。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要在于煤制油和柴油的物性區(qū)別。由于煤制油的密度低于柴油,在相同噴射壓力下能獲得更大的噴射速率,使得燃料破碎后湍流混合速率增大,燃油液滴沿噴嘴徑向的速度梯度提升[12],進(jìn)而加大了噴霧錐角。

2.2 環(huán)境溫度對噴霧特性的影響

圖6示出6 MPa的環(huán)境壓力下,環(huán)境溫度對煤制油噴霧形態(tài)的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著溫度升高,煤制油的液相噴霧面積逐漸減小,噴霧形態(tài)發(fā)生了較大改變。在500 K溫度下,噴霧能觀測出良好的“錐形”形態(tài)。而在溫度升高到700 K后,噴霧顯示出狹長的“束狀”形態(tài),在噴霧前鋒面出現(xiàn)明顯的液-氣混合稀薄區(qū)域。此外,可以發(fā)現(xiàn)在700 K環(huán)境溫度時,0.7～1.5 ms時間內(nèi),噴霧形態(tài)未產(chǎn)生明顯變化。這是因?yàn)樵诟邷丨h(huán)境中,燃油噴霧蒸發(fā)速度較快,0.7 ms后燃油的補(bǔ)充和蒸發(fā)達(dá)到平衡,這種狀態(tài)被稱為液態(tài)噴霧的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段。

圖6 不同環(huán)境溫度下煤制油噴霧形態(tài)的變化

如前所述,燃油束卷吸空氣,破碎成小液滴,從而往徑向發(fā)展形成錐形噴霧。隨著環(huán)境溫度的升高,燃油液滴與環(huán)境熱氣體產(chǎn)生了更加強(qiáng)烈的對流換熱,且定容彈內(nèi)的蒸發(fā)效果加強(qiáng),大量燃油液滴在破碎后迅速汽化,因此徑向方向上沒有足夠的液相燃油存在。最終只有噴霧中心軸處存在較多的液態(tài)燃油,故得到的圖片上呈現(xiàn)出燃油束的形態(tài)。由于環(huán)境溫度較高,燃油液滴只需卷吸少量環(huán)境氣體即可霧化,所以噴霧前端顯得更為發(fā)散,在700 K時出現(xiàn)了液-氣混合稀薄區(qū)域。

圖7示出柴油在不同環(huán)境溫度下的噴霧形態(tài)變化,可以發(fā)現(xiàn)柴油表現(xiàn)出和煤制油相同的趨勢。在700 K的溫度下,柴油噴霧前端出現(xiàn)了大量的液-氣混合區(qū),發(fā)散情況較煤制油噴霧更為明顯。這主要是兩者的蒸發(fā)性不同導(dǎo)致的。柴油的50%餾分溫度和終餾點(diǎn)均高于煤制油,在高溫下的蒸發(fā)性能弱于后者。因此在達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)噴霧階段后,柴油噴霧前端破碎產(chǎn)生的小液滴汽化速度慢于煤制油噴霧,因此柴油噴霧前端出現(xiàn)了更多的稀薄區(qū)域。

圖7 不同環(huán)境溫度下柴油噴霧形態(tài)的變化

圖8示出了煤制油和柴油在不同環(huán)境溫度下液相噴霧貫穿距隨時間的變化。可以看到,液態(tài)貫穿距與溫度之間未表現(xiàn)出明顯關(guān)系。在500 K和600 K時,噴霧貫穿距相差不大,但當(dāng)溫度提升到700 K后,貫穿距急劇減小。這主要是因?yàn)?00 K的環(huán)境溫度超過了煤制油和柴油的餾程,在油束進(jìn)入定容彈后,油束前鋒面迅速受熱汽化,噴油后短時間內(nèi)液態(tài)噴霧就進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段,液相噴霧貫穿距達(dá)到峰值,后續(xù)燃油的持續(xù)噴入造成貫穿距產(chǎn)生波動,從而出現(xiàn)圖8中所展示的貫穿距曲線形狀。

圖8 不同環(huán)境溫度下的噴霧貫穿距(環(huán)境壓力6 MPa)

圖9示出了煤制油和柴油在不同環(huán)境溫度下噴霧錐角的變化趨勢。由圖可知,在高溫環(huán)境下,煤制油噴霧的錐角依然大于柴油噴霧。隨著溫度的升高,兩種燃料的噴霧錐角均呈減小的趨勢。特別是環(huán)境溫度由600 K提升到700 K時,煤制油的噴霧錐角減小了34%。其原因如前所述,徑向方向的大量燃油液滴被汽化,使得液態(tài)噴霧錐角明顯減小。

圖9 不同環(huán)境溫度下的噴霧錐角(環(huán)境壓力6 MPa)

2.3 環(huán)境壓力對著火特性的影響

為了研究煤制油的著火特性,提高環(huán)境溫度至800 K,替換環(huán)境氣體為空氣進(jìn)行試驗(yàn)。圖10所示為不同環(huán)境壓力下的煤制油火焰圖像。

由圖10可知,在3 MPa的環(huán)境壓力下,煤制油的著火點(diǎn)較寬,處于噴霧中前段。著火后發(fā)生明顯的擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象,火焰沿噴霧軸向同時向上下游方向發(fā)展,火焰面積擴(kuò)大,火焰浮起長度減小。隨著燃燒的進(jìn)行,火焰不再向上游發(fā)展,火焰前鋒面變寬,逐漸呈現(xiàn)錐形形狀。最終,火焰失去燃油噴霧的支撐,亮度和面積逐漸衰減。當(dāng)環(huán)境壓力升高到5 MPa時,煤制油的著火時刻明顯提前,噴油后0.7 ms時即有火核出現(xiàn)。隨著噴油的進(jìn)行,補(bǔ)充的燃油迅速燃燒,火焰亮度明顯提高。在高壓作用下,噴霧錐角增大,火焰也往徑向發(fā)展,呈現(xiàn)出類似球形的形態(tài)。

對比圖10a和圖10b可以發(fā)現(xiàn),在高環(huán)境壓力下,火焰亮度有明顯提升。而火焰自然發(fā)光主要?dú)w因于炭煙顆粒在高溫下熱輻射發(fā)光,因此生成的炭煙越多,火焰亮度越高。隨著環(huán)境壓力的提升,滯燃期縮短使得擴(kuò)散燃燒比例增加,促進(jìn)了炭煙的生成,使得火焰亮度提高。

圖11示出了環(huán)境壓力對火焰浮起長度的影響。火焰浮起長度是指在混合油氣著火后,擴(kuò)散火焰距離噴嘴最近位置的長度[13]。由前所述,隨著環(huán)境壓力增大,噴霧的軸向發(fā)展受到抑制,但有更多的液滴破碎成小顆粒,油氣混合質(zhì)量提高,形成了噴霧自燃的有利條件。因此,高環(huán)境壓力下煤制油自燃的時刻提前,火核出現(xiàn)的位置更靠近噴嘴,故火焰浮起長度隨環(huán)境壓力的提升而迅速縮短。當(dāng)環(huán)境壓力由3 MPa提高到6 MPa時,火焰浮起長度由38.8 mm縮短至30 mm,降幅達(dá)到22.7%。

圖11 不同環(huán)境壓力下的火焰浮起長度

從煤制油和柴油的噴霧特性對比來看,兩者表現(xiàn)出良好的一致性。煤制油在高溫環(huán)境中更容易蒸發(fā),其貫穿距低于柴油,故煤制油在實(shí)際使用過程中更不容易產(chǎn)生撞壁現(xiàn)象。從煤制油的著火特性看,其在高壓環(huán)境中滯燃期較短,火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快,有利于燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。因此,使用煤制油作為柴油的替代燃料,在噴油器的選擇和發(fā)動機(jī)活塞燃燒室等結(jié)構(gòu)設(shè)計方面都無需進(jìn)行改動,可以有效節(jié)約設(shè)計成本。

3 結(jié)論

a) 隨著環(huán)境壓力提升,燃油液滴受到的阻力增加,更多的液滴破碎成小顆粒,動能逐漸減小,在軸向方向的發(fā)展受到抑制;而高環(huán)境壓力帶來更大的氣體剪切力,使得噴霧與環(huán)境氣體的卷吸作用增強(qiáng),促進(jìn)了燃油液滴在徑向方向的發(fā)展,從而提高了噴霧錐角;

b) 隨著環(huán)境溫度的提高,煤制油和柴油的噴霧貫穿距、噴霧錐角均表現(xiàn)出明顯的降低趨勢;在6 MPa的環(huán)境壓力下,環(huán)境溫度由600 K提升到700 K時,煤制油的噴霧錐角減小了34%;

c) 煤制油噴霧和柴油噴霧具有良好的一致性,相比于柴油,煤制油噴霧的貫穿距較短而錐角較大;在500 K,6 MPa的環(huán)境條件下,煤制油和柴油的噴霧貫穿距分別為46.4 mm和49.6 mm,因此在實(shí)際使用時,煤制油更不容易產(chǎn)生撞壁現(xiàn)象;

d) 當(dāng)環(huán)境壓力由3 MPa提高到6 MPa時,煤制油的著火時刻明顯縮短,火焰浮起長度由38.8 mm縮短至30 mm,火焰亮度提高,并呈現(xiàn)出類似球形的形態(tài)。