基于超声雾化的柴油／汽油混合燃料液滴群燃烧特性

包堂堂，胡宗杰，胡俊超，阮逸平，邓 俊，吴志军

（同济大学 汽车学院，上海 200092）

0 引 言

均质充量压缩着火（Homogeneous charge compression ignition，HCCI）技术是一种能在降低有害物排放的同时提高内燃机燃烧效率的新型燃烧方式，近年来受到广泛关注。由于柴油黏度高，挥发性差，柴油机HCCI面临的主要问题之一就是如何形成均匀的柴油／空气混合气，此外着火时刻和燃烧反应速率以及运转工况的拓宽也是其面临的主要困难［1］。在汽油机上实现HCCI也要克服一系列困难，除了着火时刻难以控制、运转范围狭窄等问题以外，由于汽油燃料的辛烷值和自燃温度都较高，汽油机实现HCCI还要解决混合气能够顺利自燃这一个关键问题。

通过重组燃料结构，能有效拓宽HCCI发动机运行工况，同时还能获得较好的燃烧及排放特性［2－5］。Bessonette等［2］对 HCCI发动机燃料特性进行了研究，认为能较好地实现HCCI燃烧方式的燃料，其理化特性应该介于柴油类燃料和汽油类燃料之间。基于此，国内外众多学者对柴油／汽油混合燃料发动机的燃烧特性进行了广泛的试验和模拟研究。Turner等［3］首先在直喷汽油机上使用柴油／汽油混合燃料开展研究，并将该燃料命名为“dieseline”（diesel＋gasoline）。韩东等［4］在单缸柴油机上开展了柴油／汽油混合燃料的燃烧与排放特性研究，其研究结果表明，通过选取适当掺混比的柴油／汽油混合燃料，能有效拓宽发动机HCCI运行工况，且能获得较好的排放特性。Kokjohn等［5］构建了柴油／汽油混合燃料的简化机理，并对该机理的有效性进行了实验验证，结果表明，利用该简化机理能较好地预测混合燃料的燃烧情况，在此基础上结合KIVA程序开展了大量关于柴油／汽油混合燃料发动机燃烧及排放特性的模拟研究。

喷雾特性研究是研究燃料燃烧特性的基础，内燃机燃料在燃烧之前要经历雾化、蒸发及与空气混合形成可燃混合气的过程。因此国内外学者常在定容弹、快速压缩机、光学发动机等多种平台上模拟发动机缸内高温高压环境，利用不同光学测试手段研究喷雾形成、蒸发、油气混合及燃烧过程等［6－8］。内燃机燃料雾化主要是基于压力雾化的原理，燃料经喷嘴喷射后瞬间经历破碎、混合／蒸发、着火等复杂的物理和化学过程，各过程在时间和空间上紧密耦合在一起，因此很难对各过程分别进行详细的定量研究，并且由于内燃机的封闭式环境，测试设备布置较为困难，故在实际发动机上要深入研究该混合燃料的燃烧机理具有较大难度。

本文利用自行研制的超声雾化多液滴群制备系统［12］，制成混合燃料多液滴群，并将多液滴群引入可控活化热氛围燃烧器，研究高温环境下的混合燃料燃烧特性，为该混合燃料在实际发动机中的应用以及后续开展混合燃料多液滴群排放特性及数值模拟研究打下了良好的基础。

1 试验装置介绍

试验所用超声雾化多液滴群制备系统示意图如图1所示，该系统主要由超声雾化、燃料供给和空气供给三个子系统组成。超声雾化子系统由商用压电晶体振荡片及其电源和控制系统组成，燃料供给子系统由燃油供给泵及其控制系统组成，载气供给子系统由空气泵、稳压箱、旁通阀、主控阀、空气流量计、混流腔等组成。由于液滴群的初始流速较低，需要由空气泵供应流速较高的空气将液滴群从喷嘴管吹出，此外，空气还与多液滴群在喷管内预先混合形成预混合气流。通过分别调节燃料供给量和空气流量可获得当量比、流速等独立可变的混合气流，并具备进一步独立调节液滴直径的能力［9］。

图1 超声雾化多液滴群制备系统示意图Fig.1 Schematic diagram of mono－disperse multiple droplets stream system by ultrasonic atomization

超声雾化技术可制出高浓度、分散均匀的小液滴，液滴直径几微米到几十微米，与内燃机燃油喷雾雾化液滴直径相当。超声雾化液滴的平均直径与超声频率有如下关系［10－11］:

式中:D为液滴平均直径；T为液体表面张力系数；ρ为液体密度；f为超声波频率。

本文作者在前期工作［12］中对柴油／汽油混合燃料的密度、表面张力等物理特性参数进行了测量，部分测试结果如图2、图3所示。利用测试结果并结合式（1），计算得到 D0、D20、D40、D60混合燃料多液滴群的液滴平均直径分别为4.7、4.8、4.9、5.0μm，其中超声波频率与文献［13］中所用数值相同，为0.54MHz；D0、D20分别表示混合燃料中柴油所占的体积分数为0%，20%，以此类推。

图2 混合燃料密度随温度变化Fig.2 Density of blends varies with temperature

图3 混合燃料表面张力随温度变化Fig.3 Surface tension of blends varies with temperature

将制得的混合燃料多液滴群引入图4所示的喷管，并与图5所示的燃烧器中央射流管道相连接进入可控活化热氛围燃烧器的高温热氛围中，研究多液滴群的燃烧特性。试验所用燃烧器由本课题组自行研制，该燃烧器示意图如图5所示［13］，协流预混合气为氢气／空气混合气，混合气进入燃烧器后通过引燃火焰引燃，通过调节协流预混合气中氢气及空气流量，热氛围温度可在700～1500K内变化，该温度范围基本涵盖了各种气体燃料或液体燃料的自燃点，故利用该燃烧器可进行气体燃料和液体燃料自燃着火规律以及影响其燃烧特性的主要因素的研究［14］。

图4 喷管示意图Fig.4 Schematic diagram of injection tube

2 试验工况

本文主要试验工况如表1所示，其中燃料掺混比表示混合燃料中柴油所占体积分数。表2为不同空气流量及燃料供给速度下换算所得的过量空气系数，由于柴油黏度较高，随着混合燃料中柴油所占比例的增大，超声雾化效果逐渐变差，本研究所用混合燃料中柴油所占体积分数最高为60%。

表1 试验工况说明Table 1 Specification of test condition

表2 不同工况下的过量空气系数Table 2 Excess air coefficient in different conditions

3 试验结果及分析

3.1 混合燃料射流火焰燃烧特性随掺混比的变化

本小节试验过程中将协流温度控制在恒定温度1126K，研究在相同协流温度下，改变混合燃料掺混比及燃料供给速度等参数，对混合燃料射流火焰的起升特性的影响。

表3为混合燃料多液滴群引入温度为1126 K的热氛围中稳定着火以后的部分火焰图片，可以看到多液滴进入高温热氛围后形成了稳定的起升火焰，火焰颜色呈淡蓝色，为典型预混合火焰，说明液滴群与空气在喷管内部较好地完成了预混合的过程。试验中采用Nikon D5000单反相机对稳定燃烧后的火焰图像连续拍摄30张照片，利用Matlab软件编写图像处理程序，对火焰图像进行二值化处理，提取火焰起升高度、宽度及高度的具体数值，并对同一工况下的数据序列取平均值，所得结果如图6～图8所示，以研究混合燃料多液滴群在不同燃料掺混比及不同初始条件下的燃烧特性，其中“100－20”表示燃料供给速度为100 mL／h，空气流量为20L／min，以此类推。

表3 混合燃料多液滴群燃烧火焰图像Table 3 Flame image of multi－droplet stream of blends

图6 起升高度随掺混比的变化Fig.6 Lift－off height varies with different mixture ratio

图7 火焰高度随掺混比的变化Fig.7 Flame height varies with different mixture ratio

图8 火焰宽度随掺混比的变化Fig.8 Flame width varies with different mixture ratio

由图6～图8可知，在相同燃料供给速度及空气流量下，随着混合燃料中柴油体积分数的增大，火焰起升高度增加，火焰高度增加，宽度减少。分析认为，随着混合燃料中柴油体积分数的增大，混合燃料密度及黏度都有所增加，由式（1）可知，经超声雾化装置制得的混合燃料多液滴群平均直径随之增加，并且由于柴油蒸发温度高于汽油，导致其较纯汽油燃料难以较快地完全蒸发，多液滴群需往燃烧器轴向空间发展更远的距离才能充分蒸发，并且与空气混合形成适宜着火的混合气，故其火焰起升高度与火焰高度都有所增加；同样，液滴平均直径的增大以及柴油含量的增加，导致单个液滴质量增加，协流空气对其卷吸效果减弱，导致其往径向发展困难，火焰宽度减小。在相同空气流量下，燃料供给速度从100mL／h增加到150 mL／h，射流火焰起升高度降低，火焰高度减小，宽度增加且火焰亮度增加；在相同燃料供给速度下，空气流量从20L／min增加到40L／min，射流火焰起升高度降低，火焰高度与宽度均有所增加。可以看到空气流量的改变对混合燃料射流火焰形状产生较大影响，空气流量从20L／min增加到40L／min后，起升高度明显下降，分析认为随着空气流量的增加，燃料在喷管内部自燃挥发程度提高较大，燃料与空气在喷管内混合更加充分，一经喷管喷出后在热氛围中迅速燃烧，可知在试验工况下，燃料与空气的物理混合过程对燃烧速度起主导作用；而在相同空气流量下，过量空气系数越接近化学计量比的工况，其燃烧速度越快，进而导致较低的火焰起升高度。

3.2 混合燃料射流火焰燃烧特性随协流温度的变化

本小节通过改变协流中氢气／空气当量比，从而改变协流温度，研究混合燃料射流火焰在不同热氛围温度下的燃烧特性。图9为D20及D40在不同工况下的射流火焰长度及宽度随协流温度变化关系图，图中L表示火焰长度，W 表示火焰宽度。

图10为燃料供给速度为100mL／h、空气流量为20L／min时，混合燃料射流火焰起升高度随协流温度变化关系图。结合图9的分析可知，随着协流温度的升高，混合燃料射流火焰起升高度逐渐降低，并且混合燃料中柴油所占体积分数越大，起升高度越高；协流温度升高以后，射流火焰长度与火焰宽度均有所减小，火焰亮度有所增加。分析认为，协流温度升高加快了燃料的蒸发，使其较快形成了适宜着火的混合气，并且温度的升高加快了燃料的化学反应进程，两因素综合影响使得火焰起升高度及长度均有所减少，相对来说，近喷管区域的碳原子浓度增加，导致火焰亮度增加。

图9 火焰长度及宽度随协流温度的变化Fig.9 Flame length and width varies with co－flow temperature

图10 起升高度随协流温度的变化Fig.10 Lift－off height varies with co－flow temperature

4 结 论

（1）混合燃料多液滴群在热氛围中自燃后形成了稳定的起升火焰，火焰颜色偏淡蓝色，为典型预混合火焰。

（2）在相同燃料供给速度及空气流量下，随着柴油体积分数的增加，火焰起升高度增加，火焰高度增加，宽度减少。

（3）在相同空气流量下，燃料供给速度从100 mL／h增加到150mL／h，火焰起升高度降低，长度减小，宽度增加且火焰亮度增加；在相同燃料供给速度下，空气流量从20L／min增加到40L／min，火焰起升高度降低，长度与宽度均有所增加。

（4）随着协流温度的升高，混合燃料自燃起升高度逐渐降低，火焰宽度及长度减少，且火焰亮度增加。

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