燃料特性對乙醇—正丁醇—十四烷燃油霧化特性的影響分析

胡鵬++王偉++琚雪明

摘 要：為探討燃料特性促進柴油機缸內乙醇柴油霧化過程的影響機理，采用單組份十四烷代替實際多組分柴油，利用經典KH模型和TAB模型數值分析燃料特性對乙醇-正丁醇-十四烷混合燃料初次和二次霧化的影響規律。結果表明，十四烷中摻混乙醇和正丁醇后初次霧化團塊液核半徑和破碎時間均降低，有助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂，促進柴油機近噴嘴區燃油初次霧化；在相同的條件下，乙醇柴油理化性質對二次霧化的影響很小；液滴半徑越小，破碎后Sauter平均半徑和破碎時間對半徑增量敏感性越強，越容易發生二次霧化；良好初次霧化和液滴蒸發特性促進液滴二次霧化和液滴蒸發。

關鍵詞：內燃機；乙醇柴油；燃料特性；初次霧化；二次霧化

中圖分類號：TK402文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.01.07

Abstract：In order to investigate the effect of fuel properties on the atomization of ethanol-diesel blended， the primary atomization of liquid jet and secondary atomization of droplet were calculated by Kelvin-Helmholtz instability（KH） model and taylor analogy breakup（TAB） Model， respectively. The diesel was replaced by n-tetradecane in the model. The results indicate that the liquid core radius and breaking time of the primary atomization of liquid jet of ethanol-diesel are reduced. Adding ethanol and n-butyl alcohol to n-tetradecane is beneficial to fuel spray atomization near the nozzle exit in diesel engine. Under the same conditions， fuel properties have little effect on secondary atomization of droplet. For smaller radius of droplet， the sensitivity of the droplet radius and breaking time of secondary atomization to droplet radius is stronger， and it is easier to induce secondary atomization of droplet. Good primary atomization and droplet evaporation characteristic can promote the secondary atomization of droplets and droplet evaporation.

Keywords：internal combustion engine； ethanol-diesel； fuel property； primary atomization； secondary atomization

隨著石油供需矛盾的不斷加劇，代用清潔燃料的研究越來越受到重視。乙醇是一種可再生的清潔含氧燃料，借助助溶劑制備乙醇柴油，具有廣闊的應用前景。隨著柴油機向著高效、清潔和低CO2排放發展，需要深入了解多組分燃料乙醇柴油在缸內霧化燃燒行為的細節，利用燃料的理化性質協同燃燒邊界優化控制燃燒路徑，實現“油、氣、室”三者的優化匹配。在柴油機和直噴式汽油機中，都是將燃油直接噴入燃燒室內，液相燃油射流要經歷破碎和霧化、蒸發、與空氣混合直至燃燒。

國內外許多學者研究了乙醇柴油燃料理化特性對內燃機燃燒和排放的影響[1-4]，結果表明，柴油中摻混醇后，燃油霧化效果改善，油氣混合速率提高。上述研究結果是各種因素的綜合效果，筆者為了探明乙醇柴油燃油特性促進缸內燃油霧化蒸發的根本原因，對燃油進入缸內后的物理化學子過程進行逐步研究。首先研究正十二烷單液滴在含乙醇氛圍中的蒸發特性[5]以及乙醇柴油液滴蒸發特性[6]，結果表明，空氣中含低質量分數乙醇蒸氣對十二烷單液滴蒸發沒有明顯影響，這說明乙醇柴油中優先蒸發出來的低質量分數的醇蒸氣（由于柴油機燃油質量占缸內氣體質量分數很低）對柴油蒸氣擴散的傳質數沒有影響，同時乙醇柴油中由于摻混乙醇而顯著促進液滴蒸發。

內燃機燃油射流屬于噴霧流，在噴嘴附近存在絲狀和膜狀液流以及其進一步分裂的液滴群。由于初期形成的液流和液滴后期進一步分裂有相似性，因此本文在相同環境條件下研究燃料特性對單一液流油團和液滴破碎的影響規律。由于經典的KH和TAB模型的有效性已得到研究者驗證，因此利用其計算燃油連續射流初次霧化和液滴二次霧化過程，探討乙醇柴油燃料特性并對初次和二次霧化基礎問題進行研究，為后續研究乙醇柴油特性對燃油噴霧流局部的平衡區渦團脈動，以及探明乙醇柴油燃油特性促進缸內燃油霧化蒸發的根本原因奠定基礎。

1 初次和二次霧化計算模型

1.1 初次霧化計算

從噴嘴孔射出的燃油實際上并非離散的油滴，而是連續的射流。連續射流在缸內各種動力和靜力的作用下破裂，其破裂過程與單個油滴的破裂過程有很大的區別。利用Reize等建立的KH模型描述連續射流破碎過程[7-9]（圖1），油團半徑r?和液霧流的破裂時間τ由式（1）和式（2）計算。

圖中：L為噴嘴孔長，cm；D為噴嘴直徑，cm；R為轉角半徑，cm；ur為小油滴相對速度，cm/s；L1為破裂長度，cm ；r?為初始油滴半徑，cm；Λ為波長，cm；η為波高，cm。

式中：B00.61；Λ為對應于燃料表面Kelvin-Helmholtz波的波長，cm；r0為破碎前的油團半徑，cm；為Kelvin-Helmholtz波的頻率；B1為常數，其值為40。

由式（1）和式（2）可知，作用在射流表面增長最快的擾動波波長Λ可反映液滴破碎后半徑規律，液滴破碎后半徑與波長Λ成正比；和Λ乘積反映破碎時間，令，這樣破碎時間與PS成正比。和Λ的計算公式如式（3）。

式中：下標l和2分別表示液相和氣相；為液相表面正應力，Pa；為液相表面密度，kg/m3；μ為液相表面動力粘度系數，Pa·s。無量綱變量被定義為： 、、、和

和。

1.2 液滴二次霧化計算

直徑為d0的液滴以速度uL在速度為ug的氣流中相對運動時，其受力分析如圖2所示。

液滴一半對另一半的吸引力為

。

由于氣流作用在球面上的壓力分布，使液滴在垂直于氣流方向上拉開的力正比于氣動壓力及液滴的迎風面積：

式中：d為直徑，m；為表面張力系數，N/m；為氣流密度，kg/m3；k為系數；ug和uL分別為液滴和氣流速度，m/s。

由于蒸發和氣流阻力的作用，上式中的d和uL是隨時間改變的，因此，為處理數據方便，以初始直徑d0和氣流速度ug來表示氣流與液滴的相對速度。液滴變形的條件為：

。

式（6）左邊的物理意義為氣動力與表面張力的比值，即為韋伯數We。

開始變形破碎的韋伯數稱為臨界韋伯數，記為We，c。接下來按照TAB模型計算液滴二次霧化的破碎時間和破碎后半徑，具體為：①按式（7）進行計算液滴破裂時間；②聯合式（7）～（9），并進行離散，代入t=tbu可計算分裂產生的油滴群的Sauter平均半徑。

1.3 混合燃料物性參數計算

研究燃料特性對連續射流初次霧化和液滴二次霧化的影響分析，涉及十四烷、乙醇和正丁醇在370 K和500 K時的密度、表面張力和動力粘度系數，記十四烷、乙醇和丁醇分別為組分1 、組分2和組分3。本文根據文獻[6]和[10]，獲得三種燃料的密度、表面張力和動力粘度系數，見表1和表2。

混合燃料中十四烷、乙醇和正丁醇的質量分數分別為y1、y2和y3，對應的密度分別1、2和3，摩爾質量分別為 M1、M2和M3，則混合燃料中組分i的摩爾分數為：

。

混合燃料的物性參數采用如下法則進行計算：①乙醇柴油的密度采用式（12）計算；②混合燃料的表面張力、粘度和摩爾質量用式（13）計算。

式中：P0為混合燃料物性值（除密度外）；xi為第i種組分的摩爾分數；Pi為第i種組分的物性值。

2 計算結果與分析

2.1 對初次霧化的影響

圖3為燃料特性對初次霧化特征參數Ω和PS變化的影響關系。由圖3可知：（1）十四烷中摻醇后射流表面增長最快的擾動波的波長Λ降低。與十四烷相比， N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的Λ降幅分別為4.76%、7.65%、9.95%和7.96%；由于破碎出來的液滴半徑正比于增長最快的擾動波的波長，因此十四烷中摻混醇有助于降低連續的射流破碎后團塊液核半徑。（2）與十四烷相比，所有乙醇柴油的初次霧化破碎參數PS降低；N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的PS降幅分別為2.12%、4.08%、5.72%和3.59%。由于破碎時間正比于破碎參數PS，柴油機燃用乙醇柴油時初次霧化破碎時間縮短。因此在相同的噴射條件下十四烷摻醇后，有助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂，促進缸內燃油初次霧化。（3）隨著乙醇柴油中添加醇的質量分數的增加，乙醇柴油初次霧化后燃料破碎半徑和破碎時間均降低，且添加相同質量分數的乙醇降低效果更加明顯。

2.2 對液滴二次霧化的影響

由式（7）可知，臨界韋伯數主要與液滴直徑、氣流與液滴的相對速度的平方成正比，與燃料的表面張力成反比。由式（8）可知，破碎時間與燃料表面張力和密度有關。由文獻[1]中液滴蒸發特性和燃料屬性對初始霧化的液滴半徑可知，在相同時刻和相同位置噴入缸內的乙醇柴油和柴油，乙醇柴油液滴比柴油液滴更加容易發生破碎，而發生破碎時間需要進一步考察。接下來研究當介質密度、液滴直徑和氣液相對速度相同時，由于燃料配比的改變導致發生破碎的臨界韋伯數及破碎時間具體比例關系。

圖4為乙醇柴油液滴（溫度為370 K和500 K）的臨界韋伯數和破碎時間的直方圖。由圖可知：

（1乙醇柴油的臨界韋伯數均高于十四烷，表明乙醇柴油液滴比十四烷更難發生破碎。溫度為370 K的液滴臨界韋伯數增加幅值較小，而溫度為500 K的液滴韋伯數增幅較大。與十四烷相比，液滴溫度370 K時，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的韋伯數增幅分別為3.28%、4.94%、6.31%和5.59%；液滴溫度為500 K時，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的韋伯數增幅分別為21.67%、38.49%、55.50%和42.24%。（2）所有乙醇柴油的破碎時間均高于十四烷，這點和乙醇柴油臨界韋伯數增加相對應。與十四烷相比，液滴溫度350 K時，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的破碎時間增幅分別為1.83%、2.70%、3.42%和3.16%；液滴溫度為500 K時，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的破碎時間增幅分別為10.11%、17.45%、24.41%和18.84%。（3）乙醇柴油中乙醇或正丁醇的質量分數增加，其臨界韋伯數和破碎時間均增加。（4）結合文獻[1]中單液滴蒸發特性，可知在液滴溫度升高至500 K時，液滴中乙醇和正丁醇質量分數非常小，醇對二次霧化作用較小。也就是說，柴油中摻混乙醇，混合燃料液滴臨界韋伯數和破碎時間增加，但是增幅較小。

圖5是乙醇柴油液滴（溫度為370 K和500 K）破碎后的Sauter平均半徑變化情況，其中初始參數和圖3一致。由圖可知：（1）十四烷中摻醇后，液滴破碎后Sauter平均半徑變化規律與溫度有關，這是由于液滴破碎后Sauter平均半徑與密度有關，而十四烷、乙醇和正丁醇三者的密度大小關系取決于液體溫度。當液滴溫度為370 K時，三者的密度關系為：正丁醇>乙醇>十四烷；當液滴溫度為500 K時，三者的密度大小關系為十四烷>乙醇>正丁醇。液滴溫度為370 K，不同配比的乙醇柴油液滴破碎后Sauter平均半徑均增加，但增幅較小，與十四烷相比，Sauter平均半徑增幅分別為1.12%、1.95%、2.61%和1.92%。液滴溫度為500 K時，乙醇柴油液滴破碎后Sauter平均半徑均降低，與十四烷相比，該溫度下Sauter平均半徑降幅分別為1.70%、3.24%、4.83%和3.27%。（2）隨著十四烷中摻醇比例的增加，破碎后Sauter平均半徑變化幅值減小。液滴溫度為500 K時，燃料中乙醇和正丁醇的質量分數很低，因此在柴油中摻混低質量分數的乙醇或正丁醇，液滴破碎后Sauter平均半徑變化規律更加接近液滴溫度為370 K的情況。綜上所述，隨著液滴蒸發和破碎的進行，乙醇柴油燃料特性對破碎后Sauter平均半徑影響很小。

由圖5可知，液滴溫度為370 K時，乙醇柴油燃料特性對臨界韋伯數、破碎時間和破碎后Sauter平均半徑的影響非常小。根據計算結果，乙醇柴油本身理化性質并不能促進柴油機缸內二次霧化，對二次霧化起阻礙作用，但影響很小。

2.3 二次霧化參數對液滴半徑敏感性分析

由文獻[1]中乙醇柴油和柴油液滴蒸發特性與前文所述燃料屬性對缸內射流初次霧化的影響可知，相同噴射條件下，乙醇柴油液滴半徑小于柴油液滴，而液滴二次霧化特征參數與液滴半徑有關，因此研究液滴二次霧化對液滴半徑的敏感性分析，如圖6所示。

由圖6可知：（1）隨著液滴半徑增幅的增加，破碎后Sauter平均半徑和破碎時間的增幅均增加。當液滴半徑增量為1 ?m時，液滴半徑為10 ?m的破碎后Sauter平均半徑和破碎時間增幅分別為9.97%和15.37%。同時由式（7）可知，破碎時間的降低幅值與液滴半徑r1.5成正比，因此液滴半徑降低，破碎時間縮短。結合燃料特性對缸內射流初始霧化的影響，由于初始霧化后形成的液滴群是二次霧化液滴的來源，因此燃用乙醇柴油時缸內射流初次霧化后液滴半徑的減小會進一步促進液滴二次霧化。（2）在相同的液滴半徑增量的基礎上，液滴半徑越小，破碎后Sauter平均半徑和破碎時間對半徑增量敏感性越強。因此當柴油機燃用乙醇柴油時，由于乙醇柴油具有較好的初次霧化以及蒸發特性，使乙醇柴油在柴油機缸內最終霧化效果優于傳統燃料柴油。

3 結論

（1）十四烷中醇后初次霧化團塊液核半徑和破碎時間均降低，有助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂，促進缸內燃油初次霧化。隨著乙醇柴油中添加醇的質量分數增加，乙醇柴油初次霧化后燃油破碎半徑和破碎時間均降低，且添加相同質量分數的乙醇降低效果更加明顯。

（2）在相同的條件下，乙醇柴油理化性質并不能促進柴油機缸內二次霧化，對二次霧化起阻礙作用，但影響很小。與十四烷相比，液滴溫度350 K時，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的破碎時間增幅分別為1.83%、2.70%、3.42%和3.16%。

（3）在相同的液滴半徑增量的基礎上，液滴半徑越小，破碎后Sauter平均半徑和破碎時間對半徑增量敏感性越強，越容易發生二次霧化。

（4）由于初始霧化后形成的液滴群是二次霧化液滴的來源，燃用乙醇柴油時缸內射流初次霧化后液滴半徑的減小會促進二次霧化；同時乙醇柴油具有良好的液滴蒸發特性，也會促進液滴二次霧化。

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