摘要： 為探究低溫工況下醇類摻混對(duì)柴油噴霧特性的影響，明晰多元燃料物性與噴霧特性的聯(lián)系，利用高速攝影技術(shù)進(jìn)行了柴油與丙醇、己醇混合燃料（醇類摻混比分別為0%，20%，40%）低溫工況噴霧試驗(yàn)，基于摻混燃料各組分物性進(jìn)行了Higgins液相貫穿距預(yù)測(cè)模型修正以及CONVERGE仿真破碎模型參數(shù)修正，并進(jìn)一步通過仿真探究了醇類摻混對(duì)柴油噴霧溫度及當(dāng)量比分布特性的影響。結(jié)果表明：在低溫工況下，醇類的蒸發(fā)性遠(yuǎn)好于柴油，在噴霧發(fā)展過程中醇類先于柴油蒸發(fā)，高汽化潛熱引發(fā)了噴霧核心區(qū)域溫度降低，進(jìn)而抑制了柴油液滴的破碎與蒸發(fā)過程，最終導(dǎo)致了噴霧液相貫穿距的延長(zhǎng)，且隨著摻混比的增大，抑制作用更加明顯。

關(guān)鍵詞： 噴霧特性；多元燃料；低溫試驗(yàn)；模型修正；燃料；物性

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.001

中圖分類號(hào)：TK421.43" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B" 文章編號(hào)： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００01 11

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，汽車工業(yè)持續(xù)發(fā)展，目前，交通運(yùn)輸行業(yè)的能源嚴(yán)重依賴于汽油、煤油和柴油等化石基液體燃料。盡管我國(guó)新能源汽車發(fā)展迅速，但新能源汽車絕大多數(shù)分流了汽油車銷量，而柴油車的電動(dòng)化替代依舊任重而道遠(yuǎn)^［1］。大量化石燃料的燃燒除了造成能源的短缺，同時(shí)也引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題^［2］。因此，發(fā)展柴油替代能源以及實(shí)現(xiàn)柴油替代燃料的多樣化，是解決汽車的燃油匱乏問題、緩解碳排放及環(huán)境污染問題的重要途徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家“可持續(xù)發(fā)展”及“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

生物燃料被認(rèn)為是最可行的清潔能源之一，大量研究均表明醇類燃料可以直接在柴油機(jī)中應(yīng)用而不改變其原有結(jié)構(gòu)，可將醇類與柴油進(jìn)行調(diào)和，形成專門設(shè)計(jì)的多元化混合燃料，通過改進(jìn)混合燃料的理化特性實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)燃料與含氧燃料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)^［3］。

然而，醇類物性相較于柴油物性還具有低沸點(diǎn)、低熱值、高汽化潛熱的特征，因此在摻混燃料中，醇類組分相較于柴油組分具有更強(qiáng)的蒸發(fā)性。北京理工大學(xué)的Z. J. NI等^［4］建立了多組分柴油表征燃料與ABE燃料的摻混物液滴蒸發(fā)模型，并發(fā)現(xiàn)酮類和醇類組分先于柴油組分快速蒸發(fā)，并能顯著降低液滴溫度，使得柴油表征燃料組分的蒸發(fā)速率保持在一個(gè)較低水平。所以在低溫工況下，摻混醇類會(huì)惡化柴油噴霧的蒸發(fā)過程，當(dāng)使用醇類替代部分柴油應(yīng)用于柴油機(jī)時(shí)會(huì)存在冷起動(dòng)困難的問題，因此，針對(duì)低溫工況下的醇類摻混燃料研究是很有必要的。

柴油與醇類摻混燃料的噴霧特性是影響發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒的關(guān)鍵因素^［5］。液相貫穿距作為衡量噴霧破碎蒸發(fā)效果的關(guān)鍵宏觀噴霧特性之一，是壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中一個(gè)重要的噴霧特征參數(shù)。文獻(xiàn)［6］中Higgins給出了液體長(zhǎng)度與燃料性質(zhì)的關(guān)系式，可預(yù)測(cè)液體長(zhǎng)度隨燃料性質(zhì)和操作條件的變化而發(fā)生的相對(duì)變化。然而Higgins提出的預(yù)測(cè)公式僅適用于常規(guī)柴油液態(tài)替代燃料典型工況下的貫穿距預(yù)測(cè)，有關(guān)低溫工況下?lián)交烊剂衔镄詫?duì)噴霧特性的影響研究還很少。

已有的關(guān)于柴油 醇摻混燃料的噴霧特性研究主要集中于試驗(yàn)研究，通過采集噴霧宏觀特性數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。長(zhǎng)安大學(xué)張文凱^［7］在柴油中摻混體積分?jǐn)?shù)分別為0%，10%和20%的環(huán)己醇進(jìn)行燃油噴霧試驗(yàn)，試驗(yàn)表明在相同環(huán)境條件下，CH10和CH20的噴霧貫穿距均大于柴油。H. P. SU等^［8］研究了不同摻混比的乙醇與生物柴油混合燃料的噴霧與霧化特性，結(jié)果表明乙醇的添加對(duì)混合燃料噴霧貫穿距影響不大。華中科技大學(xué)馬寅杰^［9］研究了正戊醇與柴油混合燃料的噴霧特性，結(jié)果表明，正戊醇的加入顯著降低了柴油噴霧貫穿能力。

綜上所述，在不同環(huán)境條件下，不同醇類以及不同醇類摻混比對(duì)于柴油宏觀噴霧特性的影響規(guī)律不同，因此有必要總結(jié)燃料物性以及環(huán)境因素對(duì)噴霧發(fā)展過程的影響規(guī)律。本研究針對(duì)低溫工況下的柴油 醇摻混燃料噴霧特性進(jìn)行研究，對(duì)噴霧宏觀現(xiàn)象的微觀破碎與蒸發(fā)過程進(jìn)行量化分析，研究噴霧宏觀特性變化的內(nèi)在機(jī)理，從而探明低溫工況下?lián)交齑碱悓?duì)柴油噴霧特性及混合氣形成過程的影響，明晰多元燃料物性與噴霧特性的聯(lián)系。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)裝置

燃油噴射過程在內(nèi)部體積為15 L的CVCC（定容燃燒彈）中模擬，通過在一個(gè)高壓容器內(nèi)對(duì)充量進(jìn)行加壓和加溫來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮終了時(shí)刻的環(huán)境條件，CVCC主體主要由腔體、端蓋法蘭、石英視窗、法蘭螺栓、防松墊圈、石墨墊片、保溫層蓋板、保溫層蓋板螺釘、加熱管、硅膠墊片和金屬孔堵組成。試驗(yàn)裝置的示意見圖1。在本研究中，0號(hào)柴油通過0.12 mm的博世單孔噴油器噴射到燃燒室，噴油壓力和噴油持續(xù)時(shí)間由安裝了ECKA 2.0數(shù)據(jù)采集軟件的ECTEK電子控制單元（ECU）控制。該CVCC有4個(gè)垂直分開布置的直徑為100 mm的光學(xué)石英視窗。腔體的材料為40CrNiMoA高強(qiáng)度合金鋼，有高的強(qiáng)度、韌度和良好的淬透性以及抗過熱的穩(wěn)定性，經(jīng)強(qiáng)度校核計(jì)算，該預(yù)燃式定容彈腔體能夠承受30 MPa的超高壓熱沖擊。有關(guān)該光學(xué)試驗(yàn)裝置的更多信息參見文獻(xiàn)［10 11］。

為了全面探究摻混醇類燃料對(duì)柴油低溫噴霧特性的影響，根據(jù)F. S. LIU等^［12］對(duì)柴油臨界著火條件的研究基礎(chǔ)，本研究選取環(huán)境溫度800 K作為低溫工況代表溫度，進(jìn)行不同醇類及摻混比下的低溫噴霧特性試驗(yàn)。將丙醇（P）、己醇（H）燃料分別按照20%和40%的體積比與柴油（D）進(jìn)行摻混，80%柴油摻混20%丙醇記為D80P20，60%柴油摻混40%丙醇記為D60P40，80%柴油摻混20%己醇記為D80H20，60%柴油摻混40%己醇記為D60H40。試驗(yàn)工況為噴射壓力60 MPa，噴油量18.2 mg，燃油溫度293 K，環(huán)境溫度800 K，環(huán)境密度10 kg/m3，噴孔直徑0.12 mm，環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)21%。

試驗(yàn)中配置的燃油均按照室溫下的體積比例摻混。將配置好的燃油攪拌后靜置1周，確定沒有出現(xiàn)燃油分層現(xiàn)象后，在試驗(yàn)前進(jìn)行第二次攪拌。表1示出了各摻混燃料的宏觀理化特性^{［13 14］}。

1.2 噴霧模型

本研究的CONVERGE仿真模型構(gòu)建采用C. H. SUN等^［15］構(gòu)建的四組分（丁基環(huán)己烷（C4H9CC6H11）、異十六烷（IC16H34）、甲基萘（A2CH3）、正十六烷（NC16H34））柴油表征燃料機(jī)理，包含80種物質(zhì)和251個(gè)反應(yīng)，構(gòu)建的表征燃料能夠更好地再現(xiàn)真實(shí)柴油的蒸餾性能，在蒸餾曲線上與柴油最為貼近，可以用于預(yù)測(cè)柴油的關(guān)鍵理化特性。其中表征燃料各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。

在CONVERGE中建立直徑150 mm、高度51 mm的圓柱體區(qū)域以模擬燃油噴射過程。噴嘴位于距頂面1 mm的軸線上。最小網(wǎng)格尺寸為0.25 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的基本網(wǎng)格尺寸為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒網(wǎng)絡(luò)（ECN）推薦的噴霧燃燒模型的網(wǎng)格尺寸^{［16 17］}，基本網(wǎng)格尺寸設(shè)置為4 mm。為了捕捉噴霧的細(xì)節(jié)，在噴嘴和壁面附近使用了4級(jí)加密。在速度變化的區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)加密，最小細(xì)化網(wǎng)格尺寸為0.25 mm。具體模型設(shè)置如表3所示。

2 結(jié)果和討論

2.1 基于物性的多元燃料貫穿距預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

為了深入探究在低溫工況下，不同醇類及不同摻混比對(duì)噴霧氣液相貫穿距的影響規(guī)律，本研究利用高速攝影技術(shù)在環(huán)境溫度800 K、噴油壓力60 MPa時(shí)進(jìn)行了噴霧試驗(yàn)。圖 2示出了不同摻混燃料在其液相噴霧穩(wěn)定后的原始試驗(yàn)圖像，可以看到，在低溫工況下，醇類摻混燃料噴霧液相貫穿距（LPL）相比于純柴油出現(xiàn)延長(zhǎng)現(xiàn)象，且醇類摻混比越大，LPL延長(zhǎng)現(xiàn)象越明顯，而相同摻混比下不同醇類摻混燃料的LPL幾乎一致。LPL與燃油噴霧的破碎和蒸發(fā)過程相關(guān)，其延長(zhǎng)現(xiàn)象表明噴霧液滴的破碎蒸發(fā)過程受到抑制。

由于氣相噴霧隨著時(shí)間的發(fā)展處于持續(xù)擴(kuò)散過程，因此選取各燃料氣相噴霧發(fā)展過程中的同時(shí)刻圖像進(jìn)行對(duì)比。圖3示出不同摻混燃料在0.7 ms時(shí)的氣相噴霧原始圖像，可以發(fā)現(xiàn)不同摻混燃料氣相噴霧輪廓與噴霧貫穿程度幾乎一致。

為進(jìn)一步探究噴霧宏觀特性隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，利用圖像處理技術(shù)對(duì)不同摻混燃料在不同時(shí)刻的氣液相貫穿距進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。由圖4a可以看到，隨著燃油噴出，液相貫穿距逐漸增大，各摻混燃料在噴霧初期LPL的發(fā)展趨勢(shì)幾乎一致，是因?yàn)閲婌F初期LPL的發(fā)展主要受初始動(dòng)能的影響，在噴油參數(shù)一致的情況下，噴霧初期貫穿距相同。在空氣的卷吸和加熱作用下，燃油補(bǔ)充與液滴破碎蒸發(fā)過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，最后LPL穩(wěn)定在某一值附近波動(dòng)。其中，D100穩(wěn)定在29 mm左右，D80P20，D80H20穩(wěn)定在33 mm左右，D60P40，D60H40穩(wěn)定在39 mm左右。由圖4b可以看出，不同摻混燃料的氣相貫穿距（VPL）隨時(shí)間發(fā)展幾乎保持一致，均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，是因?yàn)閂PL主要受噴油壓力等噴油參數(shù)的影響，與燃料物性相關(guān)性不大，因此醇類摻混燃料相對(duì)于柴油噴霧VPL幾乎沒有變化。

根據(jù)燃料物性可知，醇類燃料本身的蒸發(fā)性能遠(yuǎn)好于柴油，其沸點(diǎn)低更易蒸發(fā)、密度低更易破碎，對(duì)摻混燃料的貫穿能力具有抑制作用，理論液相貫穿距應(yīng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。然而，本研究中醇類燃料與柴油的物理性質(zhì)，尤其是沸點(diǎn)、比熱容、汽化潛熱，差異巨大。因此，從蒸發(fā)特性上分析，柴油摻混醇類燃料之后會(huì)有如下表現(xiàn)：由于沸點(diǎn)低，醇類燃料會(huì)先于柴油迅速蒸發(fā)并降低液滴周圍氣相溫度；由于汽化潛熱高，醇類燃料在蒸發(fā)過程中吸收大量熱量，會(huì)降低柴油液滴溫度；由于醇類比熱容高，噴霧卷吸空氣帶來的加熱作用進(jìn)一步減弱，最終表現(xiàn)為柴油蒸發(fā)速度減慢，整體液滴壽命增長(zhǎng)。本研究中，低溫工況冷空氣對(duì)噴霧的加熱能力有限，不足以彌補(bǔ)醇類蒸發(fā)對(duì)噴霧的冷卻作用，綜合構(gòu)成醇類對(duì)柴油貫穿能力的促進(jìn)作用，引起醇類摻混燃料液相貫穿距增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

為了更全面地評(píng)估摻混燃料物性對(duì)噴霧液相貫穿距的影響，本研究擬引入噴霧液相貫穿距理論預(yù)測(cè)模型，從而對(duì)燃料物性與噴霧發(fā)展過程間的聯(lián)系進(jìn)行探究。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，Higgins模型直接從多元燃料各物性出發(fā)，在考慮環(huán)境工況的同時(shí)，基于噴霧發(fā)展過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與能量傳遞過程對(duì)摻混燃料液相貫穿距進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)本研究低溫工況醇類摻混燃料噴霧液相貫穿距延長(zhǎng)現(xiàn)象的理論分析具有重要指導(dǎo)意義。除此之外，Higgins模型也是眾多研究人員^{［18 20］}進(jìn)行多元燃料噴霧液相貫穿距預(yù)測(cè)的原始參考公式，他們多在Higgins模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正或參考該模型的形式進(jìn)行構(gòu)建。因此，本節(jié)引入Higgins模型并基于二元燃料蒸發(fā)順序差異對(duì)模型公式進(jìn)行修正。

Higgins模型提出的液相貫穿距預(yù)測(cè)公式如下：

xliqd0=kAαBβ。（1）

式中：xliq為液相貫穿距；d0為噴孔直徑；A為燃料密度與空氣密度之比；B為“比能量比”；k，α，β為Higgins在公式參數(shù)標(biāo)定中確認(rèn)的適用于典型溫度/密度的相關(guān)系數(shù)^［6］。

通過質(zhì)量和動(dòng)量守恒分析可知，貫穿能力與燃料密度和空氣密度比值成比例關(guān)系，A的計(jì)算公式如下：

A=ρfρa(bǔ)。（2）

式中：ρf為燃料密度；ρa(bǔ)為空氣密度。

從能量守恒的角度分析發(fā)現(xiàn)，液相貫穿距與液相燃油蒸發(fā)所需能量和噴霧卷吸空氣帶來的熱量之比相關(guān)，定義為“比能量比”B，計(jì)算公式如下：

B=hvap+cp，liqTb-Tfcp，airTair-Tb。（3）

式中：cp，liq為燃料比定壓熱容；Tb為燃料沸點(diǎn)；Tf為燃料初始溫度；hvap為燃料汽化潛熱；cp，air為空氣比熱容；Tair為空氣溫度。對(duì)于多組分燃料，B可通過各組分物性進(jìn)行計(jì)算：

B=∑mihvap，i+cp，liq，iTb，max-Tfcp，airTair-Tb，max∑mi。（4）

式中：mi為各組分質(zhì)量；Tb，max為各組分中最高的沸點(diǎn)。本研究中柴油、丙醇、己醇采用的沸點(diǎn)分別為565 K，370 K，430 K，因此醇類摻混燃料的Tb，max均為565 K。

在Higgins模型中，參數(shù)A反映了燃料與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，考慮了燃料與空氣密度的影響。參數(shù)B反映了燃料與空氣的能量傳遞過程，考慮了燃料沸點(diǎn)、比熱容、汽化潛熱和空氣溫度的影響?？筛鶕?jù)不同摻混燃料物性計(jì)算得到Higgins模型中參數(shù)A和B的取值。不同摻混燃料的Higgins模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

通過進(jìn)一步分析Higgins公式中各參數(shù)的物理意義發(fā)現(xiàn)，在公式中參數(shù)B的計(jì)算過程中，分子表征單位質(zhì)量的液態(tài)燃料蒸發(fā)所需要的能量，其中液態(tài)燃料由初始溫度升溫至沸點(diǎn)所需能量計(jì)算公式中的沸點(diǎn)統(tǒng)一取值為混合燃料中單組分最高沸點(diǎn)，而忽略了上文提到的二元液滴蒸發(fā)過程中醇類燃料先于柴油燃料蒸發(fā)所引起的對(duì)燃料綜合蒸發(fā)效應(yīng)的抑制過程。研究人員使用Higgins模型比較了單組分燃料和摻混燃料液相貫穿距預(yù)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模型中燃料沸點(diǎn)Tb的取值對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果影響較大。由于模型中使用摻混燃料組分沸點(diǎn)最高值Tb，max進(jìn)行計(jì)算，因此在考慮蒸發(fā)過程傳熱量時(shí)，不同摻混比的燃料差距極小。E. CANAAN，K. MYONG，D. L. SIEBERS等^{［18 20］}分別嘗試選取摻混燃料餾程中的50%，75%，90%作為Tb的值代入模型進(jìn)行擬合，不同燃料在各自工況下均出現(xiàn)較好的擬合結(jié)果，說明該值應(yīng)隨燃料組分和比例進(jìn)行調(diào)整。

因此，本研究基于醇類摻混燃料各組分蒸發(fā)順序不同對(duì)Higgins公式中B的計(jì)算公式進(jìn)行修正，提出基于摻混燃料組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算的摻混燃料表征沸點(diǎn)，由各組分燃料沸點(diǎn)以及各組分燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定，用摻混燃料表征沸點(diǎn)Tb，l替代原公式中的Tb，max，擬合所得計(jì)算公式如下：

Tb，l=k（Tb，1M1α+Tb，2M2β）。（5）

式中：k=0.965；α=0.377；β=1.027；Tb，1為柴油沸點(diǎn)；M1為柴油質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Tb，2為醇類沸點(diǎn)；M2為醇類質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此公式中M1lt;1，M2lt;1，αlt;1，βgt;1，且由于Tb，1gt;Tb，2，表明在計(jì)算過程中提升了混合燃料整體沸點(diǎn)，考慮了由于醇類汽化潛熱降溫對(duì)液滴蒸發(fā)過程的抑制作用，修正后的B計(jì)算公式如下：

B=∑mihvap，i+cp，liq，iTb，l-Tfcp，airTair-Tb，l∑mi。（6）

基于修正后的公式計(jì)算所得摻混燃料綜合表征沸點(diǎn)Tb，l及B如表5所示。從表5可以看到，修正后的摻混燃料表征沸點(diǎn)Tb，l相對(duì)于原公式的Tb，max（565 K）有了一定程度的提高，同時(shí)B與原公式計(jì)算結(jié)果相比也有了提升，表明受醇類低沸點(diǎn)、高比熱容、高汽化潛熱的影響，噴霧溫度降低，整體液滴的蒸發(fā)過程受到抑制，液滴蒸發(fā)所需能量提高。

利用修正前與修正后的Higgins公式進(jìn)行計(jì)算，環(huán)境溫度為800 K時(shí)不同摻混燃料噴霧液相貫穿距預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比如圖5所示。由圖5可見，Higgins公式修正前預(yù)測(cè)誤差較大，修正后Higgins公式預(yù)測(cè)誤差在0.3%以內(nèi)，充分考慮了在噴霧發(fā)展過程中醇類燃料先于柴油燃料蒸發(fā)對(duì)燃料整體蒸發(fā)的抑制效果，驗(yàn)證了修正后的Higgins公式在低溫工況下液相貫穿距預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.2 基于物性的CONVERGE破碎模型修正

為了明晰醇類摻混燃料噴霧發(fā)展過程中的液滴破碎與蒸發(fā)過程，通過CONVERGE三維CFD仿真進(jìn)行探究，首先進(jìn)行了柴油模型的標(biāo)定，以標(biāo)定后的柴油模型為基礎(chǔ)，僅替換仿真模型燃料物性相關(guān)機(jī)理文件，固定模型參數(shù)，將噴霧液相貫穿距與氣相貫穿距作為噴霧特征參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，LPL計(jì)算結(jié)果相近，未能反映試驗(yàn)中摻醇導(dǎo)致柴油噴霧液相貫穿距增大的現(xiàn)象，說明針對(duì)不同的摻混燃料仿真模型，僅替換燃料物性文件在噴霧破碎、蒸發(fā)過程的預(yù)測(cè)上會(huì)存在偏差。

燃油高速噴出后，隨著噴霧的發(fā)展，液滴與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度逐漸降低，而噴霧溫度降低會(huì)抑制燃油蒸發(fā)，使得噴霧中留存更多未完全蒸發(fā)的低速油滴，導(dǎo)致剩余油滴平均相對(duì)速度降低，破碎過程受抑制，破碎時(shí)間延長(zhǎng)，噴霧液滴整體平均尺寸增大。

為了對(duì)破碎及蒸發(fā)模型進(jìn)行準(zhǔn)確修正，首先提取不同摻混燃料液滴溫度 液滴尺寸（半徑）點(diǎn)圖（見圖7）。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，摻混醇類造成整體液滴溫度降低，并且隨著醇類摻混比的增大，整體液滴溫度下降更明顯。而不同燃料的整體液滴尺寸范圍并未出現(xiàn)明顯差異，因此模型能夠體現(xiàn)不同摻混燃料蒸發(fā)過程的差異，而并未體現(xiàn)不同摻混燃料液滴破碎過程的變化。對(duì)于本研究選擇的CONVERGE仿真噴霧破碎模型，影響液滴破碎過程、決定液滴尺寸的關(guān)鍵參數(shù)為C2，因此需要對(duì)破碎模型參數(shù)C2進(jìn)行調(diào)整。

本研究對(duì)不同醇類摻混燃料油滴與空氣的相對(duì)速度進(jìn)行了計(jì)算，平均相對(duì)速度是通過將各液滴速度與其所在網(wǎng)格內(nèi)氣體速度作差再取平均值計(jì)算得到的，計(jì)算公式如式（7）所示。圖8示出了計(jì)算得到的不同摻混燃料在噴霧發(fā)展過程中，不同時(shí)刻的液滴平均相對(duì)速度。從圖8可以看出，不同摻混燃料噴霧液滴的平均相對(duì)速度幾乎沒有差異，未能體現(xiàn)醇類摻混燃料噴霧液滴破碎過程中由于醇類蒸發(fā)吸熱、溫度降低導(dǎo)致的液滴平均相對(duì)速度的降低效果。

平均相對(duì)速度=∑（單網(wǎng)格內(nèi)液滴速度-單網(wǎng)格內(nèi)氣體速度）總網(wǎng)格數(shù)。（7）

除油滴與周圍氣體之間的相對(duì)速度外，液滴尺寸也是衡量油滴破碎程度的重要指標(biāo)，本研究以SMD（Sauter平均直徑）和DV90（體積分布中90%噴霧顆粒所對(duì)應(yīng)的粒度）作為液滴尺寸的表征參數(shù)。圖9及圖10示出不同摻混燃料SMD及DV90的對(duì)比，從圖中可以看出，不同摻混燃料的液滴尺寸幾乎沒有變化，仿真過程未能體現(xiàn)醇類蒸發(fā)吸熱、溫度降低對(duì)油滴破碎過程的抑制作用。

進(jìn)一步提取不同摻混燃料氣相溫度場(chǎng)平均溫度和最低溫度，對(duì)比結(jié)果如圖11和圖12所示。從圖中可以看到，摻醇造成了噴霧氣相溫度場(chǎng)平均溫度與最低溫度的降低，且隨著醇類摻混比的增大，溫度降低的現(xiàn)象更加明顯。

除了計(jì)算氣液相溫度外，還可以通過計(jì)算不同醇類摻混燃料的柴油表征燃料蒸發(fā)率，驗(yàn)證醇類蒸發(fā)吸熱的降溫效應(yīng)對(duì)柴油組分蒸發(fā)過程的抑制作用。圖13示出不同摻混燃料同一組分蒸發(fā)率對(duì)比，蒸發(fā)率由式（8）計(jì)算：

蒸發(fā)率=氣相燃油質(zhì)量（氣相燃油質(zhì)量+液相燃油質(zhì)量）。（8）

可以看出，摻混醇類導(dǎo)致柴油各組分的蒸發(fā)均受到抑制，且不同醇類摻混燃料在相同摻混比下的蒸發(fā)率下降程度幾乎一致。隨著摻混比的增大，柴油各組分的蒸發(fā)率進(jìn)一步降低，即醇類含量的增加導(dǎo)致蒸發(fā)吸熱的降溫效應(yīng)更加明顯，從而進(jìn)一步地抑制了柴油組分的蒸發(fā)。綜上，可以判斷仿真模型對(duì)噴霧液滴蒸發(fā)過程的模擬比較準(zhǔn)確，能夠復(fù)現(xiàn)醇類蒸發(fā)吸熱對(duì)液滴蒸發(fā)過程的抑制效果。

因此，以標(biāo)定后的柴油模型為基礎(chǔ)、僅替換燃料的仿真模型的計(jì)算過程，能還原蒸發(fā)過程中因醇類大量蒸發(fā)導(dǎo)致的噴霧核心溫度降低、柴油表征燃料各組分蒸發(fā)率下降等參數(shù)變化情況，而不能充分模擬低溫工況下，摻混燃料由于醇類蒸發(fā)吸熱、溫度降低造成的液滴尺寸增大、液滴相對(duì)速度降低等液滴破碎過程抑制效應(yīng)，所以需要對(duì)CONVERGE破碎模型的參數(shù)進(jìn)行修正。

仿真模型中使用的是KH RT破碎模型^［21］，認(rèn)為破碎子液滴尺寸與擾動(dòng)波長(zhǎng)成正比，如式（9）所示。同時(shí)引入了液滴尺寸變化率概念，認(rèn)為原液滴尺寸變化并非階躍，而是與子液滴尺寸相關(guān)的連續(xù)變化過程，如式（10）所示。而C2是液滴尺寸變化率計(jì)算過程中的關(guān)鍵參數(shù)，如式（11）所示。

rc=C1ΛKH，（9）

drpdt=-rp-rcτKH，（10）

τKH=3.726C2rpΛKHΩKH。（11）

式中：rc為子液滴尺寸；ΛKH為擾動(dòng)波長(zhǎng)；rp為液滴尺寸；drp/dt為液滴尺寸變化率；τKH為破碎時(shí)間；ΩKH為最大增長(zhǎng)率。

之前的討論已經(jīng)證明，模型對(duì)液滴破碎過程預(yù)測(cè)不足，為彌補(bǔ)液滴尺寸變化，對(duì)模型中的破碎參數(shù)C2進(jìn)行修正。圖14示出模型標(biāo)定后的C2修正結(jié)果。

本研究結(jié)合Higgins模型提出參數(shù)C2與燃料物性的擬合關(guān)系，為仿真模型標(biāo)定提供理論依據(jù)。擬合形式如式（12）所示，其中λ為0.600，γ為0.260，σ為2.214。

C2=λ×ρfρa(bǔ)γ×∑mihvap，i+cp，liq，iTb，l-Tfcp，airTair-Tb，l∑miσ。（12）

式中：ρf為燃料密度；ρa(bǔ)為空氣密度；cp，liq為燃料比定壓熱容；Tb，l為燃料表征沸點(diǎn)；Tf為燃料初始溫度；hvap為燃料汽化潛熱；cp，air為空氣比熱容；Tair為空氣溫度。

2.3 CONVERGE破碎模型驗(yàn)證與噴霧特性仿真

圖15示出C2修改后仿真計(jì)算所得的不同摻混燃料液相貫穿距和氣相貫穿距與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。

從圖中可以看出，模型可以較好地預(yù)測(cè)摻混醇類對(duì)柴油噴霧液相貫穿距的延長(zhǎng)作用，并且預(yù)測(cè)所得液相貫穿距與實(shí)際貫穿距較為接近。

為進(jìn)一步驗(yàn)證修正后CONVERGE仿真模型對(duì)摻混燃料噴霧液滴破碎抑制作用的預(yù)測(cè)結(jié)果，量化液滴的破碎效果，本研究提取了修正模型計(jì)算所得域內(nèi)不同摻混燃料噴霧的SMD及DV90隨時(shí)間的變化曲線，如圖16和圖17所示。由圖可見，修正后的仿真模型可以較好地模擬醇類蒸發(fā)吸熱、溫度降低導(dǎo)致油滴破碎效果被抑制的過程。摻混醇類提升了噴霧SMD，并且SMD隨著摻醇比的增大而增大，說明燃油液滴整體尺寸范圍上升。

如圖17所示，燃油從噴嘴高速噴出，伴隨著燃油液滴的破碎，不同摻混燃料噴霧的DV90也逐漸下降并且最終穩(wěn)定在某一數(shù)值，表明燃油液滴隨著高溫空氣的卷吸作用破碎加劇；摻混醇類提升了噴霧的DV90，并且隨著摻醇比的增大而增大，驗(yàn)證了燃油液滴整體尺寸范圍上升，油滴破碎過程被抑制的結(jié)論。

另外，本研究利用修正后的模型進(jìn)行了不同醇類摻混燃料油滴與空氣的相對(duì)速度計(jì)算，結(jié)果如圖18所示?？梢钥吹?，油滴平均相對(duì)速度先增大后減小并穩(wěn)定在一定水平；隨著摻混比的升高，平均相對(duì)速度降低，同樣也表明修正后的模型驗(yàn)證了摻醇導(dǎo)致噴霧油滴壽命增長(zhǎng)、整體平均相對(duì)速度降低、破碎過程減慢的過程。

為量化摻混醇類對(duì)噴霧核心區(qū)域溫度的影響，提取域內(nèi)不同摻混燃料軸線溫度及當(dāng)量比發(fā)展變化曲線（見圖19）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，溫度在軸向上呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，其原因一方面為初始燃油溫度低，大量液態(tài)燃油與周圍空氣的傳熱導(dǎo)致對(duì)氣相噴霧的冷卻，另一方面為醇類燃油沸點(diǎn)低，在初始階段快速蒸發(fā)，引起噴霧根部當(dāng)量比提升的同時(shí)也造成氣相燃油溫度的降低，高比熱容也削弱了熱空氣對(duì)噴霧的加熱作用，綜合造成噴霧核心溫度的急劇下降。隨著空氣的卷吸作用，燃油蒸氣與周圍空氣混合使得溫度逐漸上升，直至與環(huán)境溫度一致，氣相燃油被不斷稀釋，當(dāng)量比逐漸下降。

通過提取不同醇類摻混燃料噴霧軸線上各物質(zhì)組分濃度進(jìn)行比較，可以驗(yàn)證二元醇類摻混燃料蒸發(fā)次序差異。圖20中比較了不同摻混燃料噴霧軸線上的摻混燃料各組分分布情況，其中虛線代表四組分表征燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和，即柴油質(zhì)量分?jǐn)?shù)。可以看到，丙醇由于沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于己醇，在噴霧根部（小于20 mm處）集中大量蒸發(fā)且質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速升高，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于柴油組分。對(duì)于己醇，由于其沸點(diǎn)比丙醇高而比柴油低，所以在噴霧根部沒有集中大量蒸發(fā)，但其質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍高于柴油質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)于高摻混比醇類摻混燃料，噴霧根部醇類組分先于柴油組分蒸發(fā)的現(xiàn)象更加明顯。

綜上，對(duì)于柴油 醇摻混燃料噴霧，在燃油噴射后，醇類的快速蒸發(fā)吸熱造成摻混燃料噴霧溫度降低，進(jìn)而抑制噴霧液相根部附近柴油組分的蒸發(fā)，這是抑制噴霧液滴蒸發(fā)及破碎過程，進(jìn)而引起液相貫穿距延長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。

參照Higgins公式原理對(duì)CONVERGE模型做出修正后，模型可以較好地模擬低溫工況下醇類摻混對(duì)柴油噴霧破碎蒸發(fā)過程的抑制作用，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油 醇摻混燃料噴霧氣液相貫穿距的預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

a） 醇類摻混對(duì)柴油噴霧破碎及蒸發(fā)過程的抑制作用造成了混合燃料液相貫穿距的增大，且隨著摻混比的增加，噴霧液相貫穿距也增大；

b） 基于Higgins理論模型并結(jié)合燃料物性，構(gòu)建了適用于低溫工況的雙組分醇類摻混燃料噴霧液相貫穿距預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明，由于二元燃料蒸發(fā)順序差異，Higgins公式中的B參數(shù)需要結(jié)合摻混燃料各組分沸點(diǎn)占比綜合計(jì)算，以體現(xiàn)醇類高汽化潛熱對(duì)噴霧液滴蒸發(fā)過程的抑制作用；

c） 醇類低沸點(diǎn)、高比熱容、高汽化潛熱的物性會(huì)對(duì)噴霧核心起到降溫效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致噴霧液滴破碎過程受到抑制，燃油液滴尺寸增大、破碎時(shí)間延長(zhǎng)，CONVERGE仿真計(jì)算中的破碎模型參數(shù)C2需依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及燃料物性綜合計(jì)算進(jìn)行修正與標(biāo)定；

d） 在燃油噴射后，由于醇類組分沸點(diǎn)低，先于柴油組分蒸發(fā)，造成液滴周圍氣相溫度降低；其高汽化潛熱導(dǎo)致柴油液滴溫度降低，高比熱容進(jìn)一步降低了高溫環(huán)境氣體對(duì)噴霧的卷吸加熱作用，綜合導(dǎo)致?lián)交烊剂蠂婌F核心溫度降低，同時(shí)抑制了柴油組分液滴的蒸發(fā)及破碎過程，摻混醇類造成柴油噴霧液相貫穿距增大的主要原因是燃油整體液滴相對(duì)壽命延長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 孔勁媛，羅艷托，胡愛君.中國(guó)成品油市場(chǎng)2022年回顧與2023年供需預(yù)測(cè)［J］.國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2023，31（4）：59 66.

［2］ 郭宇.動(dòng)力多元化內(nèi)燃機(jī)市場(chǎng)活力增強(qiáng)［N］.中國(guó)工業(yè)報(bào)，2022 11 10（2）.

［3］ MAHMUDUL H M，HAGOS F Y，MAMAT R，et al.Production，characterization and performance of biodiesel as an alternative fuel in diesel engines：A review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2017，72：497 509.

［4］ NI Z J，HAN K，ZHAO C L，et al.Numerical simulation of droplet evaporation characteristics of multi component acetone butanol ethanol and diesel blends under different environments［J］.Fuel，2018，230：27 36.

［5］ 付煒.生物柴油及其混合燃料的噴霧特性研究［D］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2024.

［6］ MARTINEZ MARTNEZ S，SNCHEZ CRUZ F A，RODRIGUEZ MORALES G，et al.Simultaneous measurement of evaporating fuel spray using laser induced exciplex fluorescence［J］.Journal of KONES Power and Transport，2007，14（2）：315 326.

［7］ 張文凱.柴油/環(huán)己醇混合燃料的噴霧與燃燒特性試驗(yàn)研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2022.

［8］ SU H P，HYUN K S，CHANG S L.Effect of bioethanol biodiesel blending ratio on fuel spray behavior and atomization characteristics［J］.Energyamp;Fuels，2009，23（8）：101 113.

［9］ 馬寅杰.定容彈內(nèi)正戊醇/柴油/生物柴油混合燃料噴霧燃燒及聯(lián)合反應(yīng)機(jī)理研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2017.

［10］ LI Y K，WANG D F，SHI Z J，et al.Environment adaptive method to control intake preheating for diesel engines at cold start conditions［J］.Energy，2021，227：120423.

［11］ WANG D F，SHI Z J，YANG Z M，et al.Experimental study of wall impinging diesel spray ignition and combustion characteristics under critical conditions［J］.Fuel，2022，308：121976.

［12］ LIU F S，SHI Z J，ZHANG Z，et al.Numerical study on critical ambient temperature for auto ignition of the diesel spray under cold start conditions［J］.Fuel，2019，258：116191.

［13］ PubChem.Explore chemistry quickly find chemical information from authoritative sources［DB/OL］.（2020 10 21）［2024 03 03］.https：//pubchem.ncbi.nim.nih.gov.

［14］ DDBST GmbH.Dortmund Data Bank［DB/OL］.（2021 12 07）［2024 03 03］.https：//dortmunddatabank.com/ddb search.html.

［15］ SUN C H，SHI Z J，LI Y K，et al.Development of a skeletal mechanism of a four component diesel surrogate fuel using the decoupling method［J］.ACS Omega，2023，39（8）：35904 35918.

［16］ BARDI M，PAYRI R，MALBEC L M.Engine Combustion Network：Comparison of spary development，vaporization，and combustion in different combustion vessels［J］.Atomization and Sprays，2012，22（10）：807 842.

［17］ SHI Z J，LIU F S，SHANG W W，et al.Numerical study on the influence of injection pressure on the ignition and combustion of n dodecane spray at cold start conditions［J］.Fuel，2020，264：116882.

［18］ CANAAN E.The influence of fuel volatility on the liquid phase fuel penetration in a heavy duty DI diesel engine［C］.SAE" Paper" 980510，1998.

［19］ MYONG K，ARAI M，SUZUKI H，et al.Vaporization characteristics and liquid phase penetration for multi component fuels［C］.SAE Paper 2004 01 0529.

［20］ SIEBERS D L.Scaling liquid phase fuel penetration in diesel sprays based on mixing limited vaporization［C］.SAE Paper 1999 01 0528.

［21］ REITZ R D.Modeling atomization processes in high pressure vaporizing sprays［J］.Atomization and Spray Technology，1987，3：309 337.

Multi Fuel Low Temperature Spray Characteristics Prediction Model Construction and Simulation Analysis

LI Yikai1，CHEN Jiasen1，SUN Chenghan1，YANG Ziming1，PAN Jiaying2

（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China）

Abstract： To investigate the impact of alcohol blending on the spray characteristics of diesel under low temperature conditions and to clarify the relationship between the properties of multi fuels and spray characteristics， high speed photography technology was utilized to conduct spray experiments of mixed fuels which consisted of diesel and alcohols like propanol and hexanol with alcohol blending ratios of 0%， 20%， and 40% under low temperature conditions. Corrections were made to the Higgins liquid phase penetration distance prediction model and the CONVERGE simulation breakup model parameters based on the physical properties of the components of blended fuel. Furthermore， simulations were conducted to explore the effects of alcohol blending on the spray temperature and equivalence ratio distribution characteristics of diesel spray. The results show that the evaporation of alcohols is far superior to that of diesel under low temperature conditions. During the spray development process， alcohols evaporate before diesel. The high latent heat of vaporization leads to a decrease of temperature in the spray core area， which in turn inhibits the breakup and evaporation process of diesel droplets， ultimately resulting in an extension of spray liquid phase penetration distance. Moreover， as the blending ratio increases， the inhibitory effect becomes more pronounced.

Key words： spray characteristic;multi fuel;low temperature test;model correction;fuel;physical property

［編輯： 姜曉博］