不同品質柴油噴霧燃燒特性試驗與仿真分析

管凱麗，鄧 濤，李寶剛，唐 萃

(重慶交通大學 機電與車輛工程學院， 重慶 400074)

不同品質柴油噴霧燃燒特性試驗與仿真分析

管凱麗，鄧 濤，李寶剛，唐 萃

(重慶交通大學 機電與車輛工程學院， 重慶 400074)

針對不同品質的柴油燃燒時具有不同的噴霧形態、火焰浮起長度以及碳煙排放的現象，用煤油作為對比柴油，搭建定容燃燒彈試驗設備，開發了噴霧燃燒特性試驗用圖像處理軟件，進行不同初始條件下的火焰浮起長度試驗對比。試驗結果表明：柴油和煤油火焰浮起長度都隨著噴油壓力的提高而增長，隨著燃燒彈內的初始壓力和溫度的升高而減小；在較低的環境溫度和壓力下，煤油火焰浮起長度值相對于柴油較大，且煤油浮起長度在環境溫度和壓力條件下的變化要比柴油敏感。同時利用AutoCAD及STAR-CD等軟件，建立定容燃燒彈內燃油噴霧燃燒仿真模型，對試驗工況進行仿真計算，并與試驗數據進行對比研究。結果表明：數值仿真結果與試驗結果基本一致，且主噴射段內的最大誤差不超過5%，從而驗證了在定容燃燒彈內建立的噴霧燃燒仿真模型的準確性。此外，從燃料的分子結構及碳原子數層面來分析，該模型可以預測不同含碳量柴油的火焰浮起長度值。

柴油; 噴霧; 燃燒

缸內直噴式柴油機燃燒時所產生的高濃度顆粒排放物、氮氧化物等一直都是重要的環境污染問題。在柴油機缸內燃燒中既有預混燃燒又有擴散燃燒，一些學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度，這段距離內會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缸內燃燒條件對碳煙排放的影響以及探究減少排放污染物的方法，研究火焰浮起長度非常必要。

針對影響柴油燃燒排放的各種因素，國內外專家學者通過試驗和數值的方式對燃燒火焰浮起長度的變化趨勢做了相關的研究。Lyle M.Pickett等[1]在定容燃燒彈內進行了燃油噴霧燃燒特性研究，認為減小火焰浮起長度可以通過減少點火延遲的方式來實現；P?r Bergstrand 等[2]用高速攝影技術獲取火焰圖像，在定容燃燒彈內研究了噴嘴參數與浮起長度的關系；Z.Hu等[3]利用試驗及數值仿真研究了柴油機冷啟動工況時燃油噴射燃燒情況，發現較低的壓力和溫度會導致較長的點火延遲；Liang Zhang等[4]通過在定容彈內測量汽-柴油混合物的火焰浮起長度來研究寬餾分燃油的燃燒過程，發現隨汽-柴油混合物中汽油比例的增加，火焰浮起長度呈非線性增加；李寶剛[5]利用定容彈研究了船用柴油機工況下火焰燃燒浮起長度與環境壓力、溫度以及密度的關系。

以上研究在一定程度上揭示了柴油機缸內湍流燃燒與火焰浮起長度的關系，且都是以柴油為燃料來進行研究。然而，由不同地區、不同油田所產的柴油，其烴族組分不同致使其性質也不盡相同，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的柴油在不同噴射條件下噴霧燃燒對火焰浮起長度的影響。

本文選用煤油作為柴油的對照燃油進行了相關的試驗及仿真研究，原因是若選取的對比燃油與柴油的分子組成及含量差距很小，則兩者噴霧燃燒時的火焰浮起長度的細微差別不容易被觀察到[7-8]，因此煤油是較為合適的對比燃油。通過高速攝像機拍攝定容彈內不同時刻、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度值。同時利用STAR-CD軟件對2種燃油在不同噴射條件下的湍流燃燒特性進行驗證及擴展研究。

1 噴霧燃燒特性試驗

1.1 試驗系統

為了模擬船用柴油機活塞到達上止點時燃油噴射及燃燒過程，搭建了由定容燃燒彈、燃油噴射系統、冷卻系統、進排氣系統、數據采集裝置、高速攝像機等組成的定容燃燒彈試驗系統[9-10]，如圖1所示。

圖1 定容燃燒彈試驗設備布置簡圖

由于試驗應用對象為船用直噴式柴油機，因此本研究采用了日本工業規格(JIS)K2204規格分類標號為1號的柴油，以及(JIS)K2203 1號煤油作為對比燃油進行了相同的試驗(如表1)。在實際柴油機運行時，噴油開始前燃燒室內氣體壓力為3～4 MPa，初始環境溫度為800～1 000 K。試驗采用單孔噴油器，噴孔直徑為0.45 mm，噴射壓力分別為30、50、70 MPa。

表1 試驗用燃油的基本性質

1.2 試驗過程

在設置軟件待工作狀態后，設置試驗系統及相關試驗參數。開啟噴霧開關后，相關信號將分別傳至繼電器、數據采集等軟件。幾部分軟件分別啟動開始工作，記錄并存儲試驗數據。在試驗的同時，測量并記錄當時室內的大氣壓與大氣溫度。

1.3 試驗結果分析

1.3.1 噴霧過程高速攝像分析

通過處理軟件可實現測量單位的換算及噴嘴位置等參數的校正，并且設計開發一款新軟件對噴霧燃燒火焰的試驗圖像進行數據處理轉換，如圖2所示。在分析整理以上數據之后，對比噴霧時間，即可制作出在一次試驗中火焰浮起長度隨時間的變化趨勢的圖表。

圖2 圖像處理軟件

圖3是一次利用高速攝影技術拍攝到的煤油和柴油的噴射過程的試驗圖像，本次試驗設定噴射壓力為50 MPa，環境壓力為4 MPa，環境溫度為800 K。可以看出：在整個燃油噴射燃燒過程中，煤油與柴油的噴霧燃燒火焰形態并無明顯的不同，但從整體上看，煤油的火焰頭部較為飽滿，火焰較為光亮；而柴油較高的揮發性導致霧注頭部的空氣卷吸作用較強。

1.3.2 火焰浮起長度變化試驗結果分析

1) 不同環境壓力下火焰浮起長度變化試驗

在不同的初始環境壓力下，分別采用柴油和煤油作為試驗用燃油，如圖4所示。顯然，隨燃燒彈內初始壓力的升高，兩者的火焰浮起長度都逐漸減小，且變化趨勢近似相同。而當初始壓力在2～4.5 MPa變化時，煤油火焰浮起長度一直大于柴油；且當壓力升高至4.5 MPa后，煤油浮起長度開始逐漸低于柴油。

圖4 火焰浮起長度隨初始環境壓力的變化曲線

2) 不同初始環境溫度下火焰浮起長度變化試驗

在不同的初始環境溫度下，試驗對比分析了柴油和煤油的火焰浮起長度變化，如圖5所示。隨著燃燒彈內初始環境溫度的升高，兩者的火焰浮起長度都逐漸變小；當初始環境溫度為720～850 K范圍內，煤油火焰浮起長度略高于柴油，當溫度高于850 K時，則開始低于柴油火焰浮起長度，且整體變化趨勢是非線性的。

圖5 火焰浮起長度隨初始環境溫度的變化曲線

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越高，柴油浮起長度減小的速度低于煤油，因此也就出現了如圖4、5所示的柴油火焰浮起長度值反超煤油的現象。

3) 不同噴射壓力下火焰浮起長度變化試驗

在不同燃油噴射壓力條件下，試驗對比分析了柴油和煤油的火焰浮起長度變化，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度值越大，并且呈非線性變化；當噴射壓力為27～32 MPa時，煤油顯示出略低于柴油火焰浮起長度的趨勢，但隨著噴射壓力逐漸增加至32 MPa，煤油火焰浮起長度開始高于柴油，當燃油的噴射壓力升高至58 MPa時，煤油火焰浮起長度又開始低于柴油。

圖6 火焰浮起長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境壓力、環境溫度、噴射壓力等條件下的噴霧燃燒過程，并選定了高溫區邊緣為1 050～1 080 K的等溫線，因此火焰浮起長度即可用從高溫區邊緣到噴嘴之間的距離來表示(簡稱等溫線法)[11]。

利用AutoCAD建立定容燃燒彈模型，導入STAR-CD軟件進行網格劃分，選擇的計算網格為六面體網格，計算區域為Ф200 mm×400 mm的圓柱體，網格尺度為2 mm，網格總數為809 689，噴嘴在頂面中心處，如圖7所示。

圖7 CFD軟件中計算網格

在設置模型的初始條件及邊界條件時，考慮到燃燒彈是模仿船用柴油機工作狀態，體積較大，故不存在液柱撞壁及形成壁面液膜等現象，因此選取了對應試驗中柴油機的工作參數，并采用合適的湍流、噴霧、液滴破碎、燃燒等模型(如表2所示)。因為柴油機中燃油的噴霧、燃燒及流動過程都是瞬態的，故采用易得到收斂解的PISO算法。

表2 計算模型

2.2 仿真與試驗結果對比分析

2.2.1 柴油火焰浮起長度變化

1) 不同環境溫度下火焰浮起長度變化

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

圖8 柴油火焰浮起長度隨環境溫度變化結果對比

2) 不同環境壓力下火焰浮起長度變化

在不同的環境壓力下，對比分析柴油火焰浮起長度的仿真與試驗結果。由圖9可以看出：當燃燒彈內的初始壓力為2～3 MPa時，仿真得到的火焰浮起長度低于試驗值，而隨著初始壓力逐漸升高至5 MPa時，2條曲線接近至重合，整體趨勢上2條曲線變化趨于一致。

圖9 柴油火焰浮起長度隨環境壓力變化結果對比

3) 不同噴射壓力下火焰浮起長度變化

在不同的燃油噴射壓力下，對比分析柴油火焰浮起長度的仿真與試驗結果。由圖10可知：當燃油噴射壓力為30～40 MPa時，仿真得到的火焰浮起長度高于試驗值，但隨著噴射壓力逐漸升高至60 MPa時，仿真結果出現低于試驗值的情況，且從總體變化趨勢上看，2條曲線的變化基本一致。

2.2.2 煤油火焰浮起長度變化

1) 不同環境溫度下火焰浮起長度變化

針對煤油，在不同的環境溫度下對比分析其火焰浮起長度變化，如圖11所示。可以看出：與試驗結果對比，當燃燒彈內的初始溫度為750～790 K時，仿真得到的火焰浮起長度要大一些，但隨著溫度不斷升高至900 K時，會出現先低后高的現象。就整體趨勢而言，兩條曲線變化基本一致。

圖10 柴油火焰浮起長度隨噴射壓力變化結果對比

圖11 煤油火焰浮起長度隨環境溫度變化結果對比

2) 不同環境壓力下火焰浮起長度變化

在不同環境壓力下，對比分析煤油火焰浮起長度變化。由圖12可知：當燃燒彈內的初始壓力為2～4 MPa時，仿真所得煤油火焰浮起長度低于試驗值，而隨著燃燒彈內壓力升高至4.5 MPa時，會出現高于試驗的數據。總體而言，2條曲線的變化趨勢一致。

3) 不同噴射壓力下火焰浮起長度變化

在不同的燃油噴射壓力下，對比分析煤油火焰浮起長度變化，如圖13所示。顯然，當燃燒彈內的噴射壓力為30～40 MPa時，仿真所得的火焰浮起長度低于試驗值，而隨著燃油噴射壓力升高至39 MPa時，會逐漸高于試驗結果，但整體在變化趨勢上基本一致。

圖12 煤油火焰浮起長度隨環境壓力變化結果對比

圖13 煤油火焰浮起長度隨噴射壓力變化結果對比

綜上，噴霧初期火焰浮起長度的仿真結果與試驗相比誤差較大，這可能是由于多種因素造成的。例如，試驗測量過程產生的人為誤差、高速攝影與燃油噴射的同步觸發誤差，以及仿真軟件中的計算誤差等[12]，因此本文主要對主噴射段進行分析。由計算結果可知：主噴射段內誤差最大不超過5%，仿真結果與試驗結果基本吻合，確保了數值模擬結果的準確性。

此外，由于柴油是一種組成成分非常復雜的混合燃油，因此為了預測不同品質的柴油火焰浮起長度的變化規律及相關因素，文中采用了烴類分子平均含碳原子數n作為評估標準。預測結果：在相同的燃油噴射壓力下，所含平均含碳原子數n越高的柴油，其相應獲得的初始燃油噴射速度就越低，且在較低的初始環境溫度和初始環境壓力下，其火焰浮起長度也較小。

3 結論

1) 搭建了合理的定容燃燒彈試驗系統，設計了科學的試驗步驟，開發出噴霧燃燒特性試驗圖像處理軟件，進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。結果表明了柴油和煤油浮起長度的大小及變化速度的異同：當燃燒彈內的初始環境溫度和初始環境壓力較低時，煤油火焰浮起長度大于柴油，隨著定容燃燒彈內的溫度和壓力升高，煤油浮起長度逐漸低于柴油；柴油和煤油火焰浮起長度都隨燃燒彈內初始環境溫度和初始環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，選擇合適的計算子模型并設置參數和算法，模擬分析了柴油和煤油在不同初始環境壓力、初始環境溫度、噴射壓力等條件參數下的火焰浮起長度，并與定容燃燒彈試驗數據進行了對比驗證，驗證了仿真模型的準確性。

3) 從燃料分子結構及碳原子數的層面考慮，可以對不同品質柴油的火焰浮起長度做出簡單的預測，即平均含碳原子數越高的柴油，在較低的環境溫度和壓力下，火焰浮起長度較小，變化越不明顯。

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[2] BERGSTRAND P,F?RSTH M,DENBRATT I.The influence of orifice diameter on flame lift-off length[J].Zaragoza,2002,9:11.

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[5] 李寶剛.柴油機噴霧燃燒特性實驗研究 [D].重慶:重慶交通大學,2015.

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[8] 張恩源.GDI發動機缸內噴霧場仿真研究[D].重慶:重慶大學,2015.

[9] SIEBERS D,HIGGINS B.Flame lift-off on direct-injection diesel sprays under quiescent conditions[R].USA:SAE Technical Paper,2001.

[10] 蔣德明.內燃機燃燒與排放學[M].西安:西安交通大學出版社,2001.

[11] 趙昌普,汪曉偉,陳乃轉,等.柴油機噴霧環境條件和噴油參數對火焰浮起長度及其空氣卷吸率影響的研究[J].拖拉機與農用運輸車,2012(6):1-8.

[12] 趙陸明,何旭,鄭亮,等.高噴射壓力下生物柴油噴霧特性試驗與仿真[J].農業機械學報,2012,43(9):6-10.

(責任編輯陳 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

國家自然科學基金資助項目(51305473)；中國博士后科學基金資助項目(2014M552317)；重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2013jcyjA60007)；重慶市教委科學技術研究項目(KJ120421); 重慶市博士后研究人員科研項目特別資助(xm2014032)

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

管凱麗，鄧濤，李寶剛，等.不同品質柴油噴霧燃燒特性試驗與仿真分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(11):39-45.

formatGUAN Kaili, DENG Tao, LI Baogang, et al.Experimental and Simulation Analysis on Spray and Combustion Characteristics for Different Qualities of Diesel[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):39-45.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.006

TK421

A

1674-8425(2017)11-0039-07