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

（同濟大學 汽車學院，上海 200092）

0 引 言

均質充量壓縮著火（Homogeneous charge compression ignition，HCCI）技術是一種能在降低有害物排放的同時提高內燃機燃燒效率的新型燃燒方式，近年來受到廣泛關注。由于柴油黏度高，揮發性差，柴油機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，此外著火時刻和燃燒反應速率以及運轉工況的拓寬也是其面臨的主要困難［1］。在汽油機上實現HCCI也要克服一系列困難，除了著火時刻難以控制、運轉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，汽油機實現HCCI還要解決混合氣能夠順利自燃這一個關鍵問題。

通過重組燃料結構，能有效拓寬HCCI發動機運行工況，同時還能獲得較好的燃燒及排放特性［2－5］。Bessonette等［2］對 HCCI發動機燃料特性進行了研究，認為能較好地實現HCCI燃燒方式的燃料，其理化特性應該介于柴油類燃料和汽油類燃料之間?；诖?，國內外眾多學者對柴油／汽油混合燃料發動機的燃燒特性進行了廣泛的試驗和模擬研究。Turner等［3］首先在直噴汽油機上使用柴油／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，其研究結果表明，通過選取適當摻混比的柴油／汽油混合燃料，能有效拓寬發動機HCCI運行工況，且能獲得較好的排放特性。Kokjohn等［5］構建了柴油／汽油混合燃料的簡化機理，并對該機理的有效性進行了實驗驗證，結果表明，利用該簡化機理能較好地預測混合燃料的燃燒情況，在此基礎上結合KIVA程序開展了大量關于柴油／汽油混合燃料發動機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，內燃機燃料在燃燒之前要經歷霧化、蒸發及與空氣混合形成可燃混合氣的過程。因此國內外學者常在定容彈、快速壓縮機、光學發動機等多種平臺上模擬發動機缸內高溫高壓環境，利用不同光學測試手段研究噴霧形成、蒸發、油氣混合及燃燒過程等［6－8］。內燃機燃料霧化主要是基于壓力霧化的原理，燃料經噴嘴噴射后瞬間經歷破碎、混合／蒸發、著火等復雜的物理和化學過程，各過程在時間和空間上緊密耦合在一起，因此很難對各過程分別進行詳細的定量研究，并且由于內燃機的封閉式環境，測試設備布置較為困難，故在實際發動機上要深入研究該混合燃料的燃燒機理具有較大難度。

本文利用自行研制的超聲霧化多液滴群制備系統［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，研究高溫環境下的混合燃料燃燒特性，為該混合燃料在實際發動機中的應用以及后續開展混合燃料多液滴群排放特性及數值模擬研究打下了良好的基礎。

1 試驗裝置介紹

試驗所用超聲霧化多液滴群制備系統示意圖如圖1所示，該系統主要由超聲霧化、燃料供給和空氣供給三個子系統組成。超聲霧化子系統由商用壓電晶體振蕩片及其電源和控制系統組成，燃料供給子系統由燃油供給泵及其控制系統組成，載氣供給子系統由空氣泵、穩壓箱、旁通閥、主控閥、空氣流量計、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預先混合形成預混合氣流。通過分別調節燃料供給量和空氣流量可獲得當量比、流速等獨立可變的混合氣流，并具備進一步獨立調節液滴直徑的能力［9］。

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

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

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

本文作者在前期工作［12］中對柴油／汽油混合燃料的密度、表面張力等物理特性參數進行了測量，部分測試結果如圖2、圖3所示。利用測試結果并結合式（1），計算得到 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［13］中所用數值相同，為0.54MHz；D0、D20分別表示混合燃料中柴油所占的體積分數為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入可控活化熱氛圍燃燒器的高溫熱氛圍中，研究多液滴群的燃燒特性。試驗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］，協流預混合氣為氫氣／空氣混合氣，混合氣進入燃燒器后通過引燃火焰引燃，通過調節協流預混合氣中氫氣及空氣流量，熱氛圍溫度可在700～1500K內變化，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，故利用該燃燒器可進行氣體燃料和液體燃料自燃著火規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 試驗工況

本文主要試驗工況如表1所示，其中燃料摻混比表示混合燃料中柴油所占體積分數。表2為不同空氣流量及燃料供給速度下換算所得的過量空氣系數，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數最高為60%。

表1 試驗工況說明Table 1 Specification of test condition

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

3 試驗結果及分析

3.1 混合燃料射流火焰燃燒特性隨摻混比的變化

本小節試驗過程中將協流溫度控制在恒定溫度1126K，研究在相同協流溫度下，改變混合燃料摻混比及燃料供給速度等參數，對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的熱氛圍中穩定著火以后的部分火焰圖片，可以看到多液滴進入高溫熱氛圍后形成了穩定的起升火焰，火焰顏色呈淡藍色，為典型預混合火焰，說明液滴群與空氣在噴管內部較好地完成了預混合的過程。試驗中采用Nikon D5000單反相機對穩定燃燒后的火焰圖像連續拍攝30張照片，利用Matlab軟件編寫圖像處理程序，對火焰圖像進行二值化處理，提取火焰起升高度、寬度及高度的具體數值，并對同一工況下的數據序列取平均值，所得結果如圖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數的增大，火焰起升高度增加，火焰高度增加，寬度減少。分析認為，隨著混合燃料中柴油體積分數的增大，混合燃料密度及黏度都有所增加，由式（1）可知，經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，并且由于柴油蒸發溫度高于汽油，導致其較純汽油燃料難以較快地完全蒸發，多液滴群需往燃燒器軸向空間發展更遠的距離才能充分蒸發，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，導致單個液滴質量增加，協流空氣對其卷吸效果減弱，導致其往徑向發展困難，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旌先剂仙淞骰鹧嫘螤町a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，分析認為隨著空氣流量的增加，燃料在噴管內部自燃揮發程度提高較大，燃料與空氣在噴管內混合更加充分，一經噴管噴出后在熱氛圍中迅速燃燒，可知在試驗工況下，燃料與空氣的物理混合過程對燃燒速度起主導作用；而在相同空氣流量下，過量空氣系數越接近化學計量比的工況，其燃燒速度越快，進而導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流溫度的變化

本小節通過改變協流中氫氣／空氣當量比，從而改變協流溫度，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度及寬度隨協流溫度變化關系圖，圖中L表示火焰長度，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，混合燃料射流火焰起升高度隨協流溫度變化關系圖。結合圖9的分析可知，隨著協流溫度的升高，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數越大，起升高度越高；協流溫度升高以后，射流火焰長度與火焰寬度均有所減小，火焰亮度有所增加。分析認為，協流溫度升高加快了燃料的蒸發，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反應進程，兩因素綜合影響使得火焰起升高度及長度均有所減少，相對來說，近噴管區域的碳原子濃度增加，導致火焰亮度增加。

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

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

4 結 論

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

（2）在相同燃料供給速度及空氣流量下，隨著柴油體積分數的增加，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，長度與寬度均有所增加。

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

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