燃料特性对乙醇—正丁醇—十四烷燃油雾化特性的影响分析

胡鹏++王伟++琚雪明

摘 要：为探讨燃料特性促进柴油机缸内乙醇柴油雾化过程的影响机理，采用单组份十四烷代替实际多组分柴油，利用经典KH模型和TAB模型数值分析燃料特性对乙醇-正丁醇-十四烷混合燃料初次和二次雾化的影响规律。结果表明，十四烷中掺混乙醇和正丁醇后初次雾化团块液核半径和破碎时间均降低，有助于燃油在喷油器油嘴附近撕裂，促进柴油机近喷嘴区燃油初次雾化；在相同的条件下，乙醇柴油理化性质对二次雾化的影响很小；液滴半径越小，破碎后Sauter平均半径和破碎时间对半径增量敏感性越强，越容易发生二次雾化；良好初次雾化和液滴蒸发特性促进液滴二次雾化和液滴蒸发。

关键词：内燃机；乙醇柴油；燃料特性；初次雾化；二次雾化

中图分类号：TK402文献标文献标识码：A文献标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

随着石油供需矛盾的不断加剧，代用清洁燃料的研究越来越受到重视。乙醇是一种可再生的清洁含氧燃料，借助助溶剂制备乙醇柴油，具有广阔的应用前景。随着柴油机向着高效、清洁和低CO2排放发展，需要深入了解多组分燃料乙醇柴油在缸内雾化燃烧行为的细节，利用燃料的理化性质协同燃烧边界优化控制燃烧路径，实现“油、气、室”三者的优化匹配。在柴油机和直喷式汽油机中，都是将燃油直接喷入燃烧室内，液相燃油射流要经历破碎和雾化、蒸发、与空气混合直至燃烧。

国内外许多学者研究了乙醇柴油燃料理化特性对内燃机燃烧和排放的影响[1-4]，结果表明，柴油中掺混醇后，燃油雾化效果改善，油气混合速率提高。上述研究结果是各种因素的综合效果，笔者为了探明乙醇柴油燃油特性促进缸内燃油雾化蒸发的根本原因，对燃油进入缸内后的物理化学子过程进行逐步研究。首先研究正十二烷单液滴在含乙醇氛围中的蒸发特性[5]以及乙醇柴油液滴蒸发特性[6]，结果表明，空气中含低质量分数乙醇蒸气对十二烷单液滴蒸发没有明显影响，这说明乙醇柴油中优先蒸发出来的低质量分数的醇蒸气（由于柴油机燃油质量占缸内气体质量分数很低）对柴油蒸气扩散的传质数没有影响，同时乙醇柴油中由于掺混乙醇而显著促进液滴蒸发。

内燃机燃油射流属于喷雾流，在喷嘴附近存在丝状和膜状液流以及其进一步分裂的液滴群。由于初期形成的液流和液滴后期进一步分裂有相似性，因此本文在相同环境条件下研究燃料特性对单一液流油团和液滴破碎的影响规律。由于经典的KH和TAB模型的有效性已得到研究者验证，因此利用其计算燃油连续射流初次雾化和液滴二次雾化过程，探讨乙醇柴油燃料特性并对初次和二次雾化基础问题进行研究，为后续研究乙醇柴油特性对燃油喷雾流局部的平衡区涡团脉动，以及探明乙醇柴油燃油特性促进缸内燃油雾化蒸发的根本原因奠定基础。

1 初次和二次雾化计算模型

1.1 初次雾化计算

从喷嘴孔射出的燃油实际上并非离散的油滴，而是连续的射流。连续射流在缸内各种动力和静力的作用下破裂，其破裂过程与单个油滴的破裂过程有很大的区别。利用Reize等建立的KH模型描述连续射流破碎过程[7-9]（图1），油团半径r?和液雾流的破裂时间τ由式（1）和式（2）计算。

图中：L为喷嘴孔长，cm；D为喷嘴直径，cm；R为转角半径，cm；ur为小油滴相对速度，cm/s；L1为破裂长度，cm ；r?为初始油滴半径，cm；Λ为波长，cm；η为波高，cm。

式中：B00.61；Λ为对应于燃料表面Kelvin-Helmholtz波的波长，cm；r0为破碎前的油团半径，cm；为Kelvin-Helmholtz波的频率；B1为常数，其值为40。

由式（1）和式（2）可知，作用在射流表面增长最快的扰动波波长Λ可反映液滴破碎后半径规律，液滴破碎后半径与波长Λ成正比；和Λ乘积反映破碎时间，令，这样破碎时间与PS成正比。和Λ的计算公式如式（3）。

式中：下标l和2分别表示液相和气相；为液相表面正应力，Pa；为液相表面密度，kg/m3；μ为液相表面动力粘度系数，Pa·s。无量纲变量被定义为： 、、、和

和。

1.2 液滴二次雾化计算

直径为d0的液滴以速度uL在速度为ug的气流中相对运动时，其受力分析如图2所示。

液滴一半对另一半的吸引力为

。

由于气流作用在球面上的压力分布，使液滴在垂直于气流方向上拉开的力正比于气动压力及液滴的迎风面积：

式中：d为直径，m；为表面张力系数，N/m；为气流密度，kg/m3；k为系数；ug和uL分别为液滴和气流速度，m/s。

由于蒸发和气流阻力的作用，上式中的d和uL是随时间改变的，因此，为处理数据方便，以初始直径d0和气流速度ug来表示气流与液滴的相对速度。液滴变形的条件为：

。

式（6）左边的物理意义为气动力与表面张力的比值，即为韦伯数We。

开始变形破碎的韦伯数称为临界韦伯数，记为We，c。接下来按照TAB模型计算液滴二次雾化的破碎时间和破碎后半径，具体为：①按式（7）进行计算液滴破裂时间；②联合式（7）～（9），并进行离散，代入t=tbu可计算分裂产生的油滴群的Sauter平均半径。

1.3 混合燃料物性参数计算

研究燃料特性对连续射流初次雾化和液滴二次雾化的影响分析，涉及十四烷、乙醇和正丁醇在370 K和500 K时的密度、表面张力和动力粘度系数，记十四烷、乙醇和丁醇分别为组分1 、组分2和组分3。本文根据文献[6]和[10]，获得三种燃料的密度、表面张力和动力粘度系数，见表1和表2。

混合燃料中十四烷、乙醇和正丁醇的质量分数分别为y1、y2和y3，对应的密度分别1、2和3，摩尔质量分别为 M1、M2和M3，则混合燃料中组分i的摩尔分数为：

。

混合燃料的物性参数采用如下法则进行计算：①乙醇柴油的密度采用式（12）计算；②混合燃料的表面张力、粘度和摩尔质量用式（13）计算。

式中：P0为混合燃料物性值（除密度外）；xi为第i种组分的摩尔分数；Pi为第i种组分的物性值。

2 计算结果与分析

2.1 对初次雾化的影响

图3为燃料特性对初次雾化特征参数Ω和PS变化的影响关系。由图3可知：（1）十四烷中掺醇后射流表面增长最快的扰动波的波长Λ降低。与十四烷相比， N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的Λ降幅分别为4.76%、7.65%、9.95%和7.96%；由于破碎出来的液滴半径正比于增长最快的扰动波的波长，因此十四烷中掺混醇有助于降低连续的射流破碎后团块液核半径。（2）与十四烷相比，所有乙醇柴油的初次雾化破碎参数PS降低；N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的PS降幅分别为2.12%、4.08%、5.72%和3.59%。由于破碎时间正比于破碎参数PS，柴油机燃用乙醇柴油时初次雾化破碎时间缩短。因此在相同的喷射条件下十四烷掺醇后，有助于燃油在喷油器油嘴附近撕裂，促进缸内燃油初次雾化。（3）随着乙醇柴油中添加醇的质量分数的增加，乙醇柴油初次雾化后燃料破碎半径和破碎时间均降低，且添加相同质量分数的乙醇降低效果更加明显。

2.2 对液滴二次雾化的影响

由式（7）可知，临界韦伯数主要与液滴直径、气流与液滴的相对速度的平方成正比，与燃料的表面张力成反比。由式（8）可知，破碎时间与燃料表面张力和密度有关。由文献[1]中液滴蒸发特性和燃料属性对初始雾化的液滴半径可知，在相同时刻和相同位置喷入缸内的乙醇柴油和柴油，乙醇柴油液滴比柴油液滴更加容易发生破碎，而发生破碎时间需要进一步考察。接下来研究当介质密度、液滴直径和气液相对速度相同时，由于燃料配比的改变导致发生破碎的临界韦伯数及破碎时间具体比例关系。

图4为乙醇柴油液滴（温度为370 K和500 K）的临界韦伯数和破碎时间的直方图。由图可知：

（1乙醇柴油的临界韦伯数均高于十四烷，表明乙醇柴油液滴比十四烷更难发生破碎。温度为370 K的液滴临界韦伯数增加幅值较小，而温度为500 K的液滴韦伯数增幅较大。与十四烷相比，液滴温度370 K时，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的韦伯数增幅分别为3.28%、4.94%、6.31%和5.59%；液滴温度为500 K时，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的韦伯数增幅分别为21.67%、38.49%、55.50%和42.24%。（2）所有乙醇柴油的破碎时间均高于十四烷，这点和乙醇柴油临界韦伯数增加相对应。与十四烷相比，液滴温度350 K时，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的破碎时间增幅分别为1.83%、2.70%、3.42%和3.16%；液滴温度为500 K时，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的破碎时间增幅分别为10.11%、17.45%、24.41%和18.84%。（3）乙醇柴油中乙醇或正丁醇的质量分数增加，其临界韦伯数和破碎时间均增加。（4）结合文献[1]中单液滴蒸发特性，可知在液滴温度升高至500 K时，液滴中乙醇和正丁醇质量分数非常小，醇对二次雾化作用较小。也就是说，柴油中掺混乙醇，混合燃料液滴临界韦伯数和破碎时间增加，但是增幅较小。

图5是乙醇柴油液滴（温度为370 K和500 K）破碎后的Sauter平均半径变化情况，其中初始参数和图3一致。由图可知：（1）十四烷中掺醇后，液滴破碎后Sauter平均半径变化规律与温度有关，这是由于液滴破碎后Sauter平均半径与密度有关，而十四烷、乙醇和正丁醇三者的密度大小关系取决于液体温度。当液滴温度为370 K时，三者的密度关系为：正丁醇>乙醇>十四烷；当液滴温度为500 K时，三者的密度大小关系为十四烷>乙醇>正丁醇。液滴温度为370 K，不同配比的乙醇柴油液滴破碎后Sauter平均半径均增加，但增幅较小，与十四烷相比，Sauter平均半径增幅分别为1.12%、1.95%、2.61%和1.92%。液滴温度为500 K时，乙醇柴油液滴破碎后Sauter平均半径均降低，与十四烷相比，该温度下Sauter平均半径降幅分别为1.70%、3.24%、4.83%和3.27%。（2）随着十四烷中掺醇比例的增加，破碎后Sauter平均半径变化幅值减小。液滴温度为500 K时，燃料中乙醇和正丁醇的质量分数很低，因此在柴油中掺混低质量分数的乙醇或正丁醇，液滴破碎后Sauter平均半径变化规律更加接近液滴温度为370 K的情况。综上所述，随着液滴蒸发和破碎的进行，乙醇柴油燃料特性对破碎后Sauter平均半径影响很小。

由图5可知，液滴温度为370 K时，乙醇柴油燃料特性对临界韦伯数、破碎时间和破碎后Sauter平均半径的影响非常小。根据计算结果，乙醇柴油本身理化性质并不能促进柴油机缸内二次雾化，对二次雾化起阻碍作用，但影响很小。

2.3 二次雾化参数对液滴半径敏感性分析

由文献[1]中乙醇柴油和柴油液滴蒸发特性与前文所述燃料属性对缸内射流初次雾化的影响可知，相同喷射条件下，乙醇柴油液滴半径小于柴油液滴，而液滴二次雾化特征参数与液滴半径有关，因此研究液滴二次雾化对液滴半径的敏感性分析，如图6所示。

由图6可知：（1）随着液滴半径增幅的增加，破碎后Sauter平均半径和破碎时间的增幅均增加。当液滴半径增量为1 ?m时，液滴半径为10 ?m的破碎后Sauter平均半径和破碎时间增幅分别为9.97%和15.37%。同时由式（7）可知，破碎时间的降低幅值与液滴半径r1.5成正比，因此液滴半径降低，破碎时间缩短。结合燃料特性对缸内射流初始雾化的影响，由于初始雾化后形成的液滴群是二次雾化液滴的来源，因此燃用乙醇柴油时缸内射流初次雾化后液滴半径的减小会进一步促进液滴二次雾化。（2）在相同的液滴半径增量的基础上，液滴半径越小，破碎后Sauter平均半径和破碎时间对半径增量敏感性越强。因此当柴油机燃用乙醇柴油时，由于乙醇柴油具有较好的初次雾化以及蒸发特性，使乙醇柴油在柴油机缸内最终雾化效果优于传统燃料柴油。

3 结论

（1）十四烷中醇后初次雾化团块液核半径和破碎时间均降低，有助于燃油在喷油器油嘴附近撕裂，促进缸内燃油初次雾化。随着乙醇柴油中添加醇的质量分数增加，乙醇柴油初次雾化后燃油破碎半径和破碎时间均降低，且添加相同质量分数的乙醇降低效果更加明显。

（2）在相同的条件下，乙醇柴油理化性质并不能促进柴油机缸内二次雾化，对二次雾化起阻碍作用，但影响很小。与十四烷相比，液滴温度350 K时，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的破碎时间增幅分别为1.83%、2.70%、3.42%和3.16%。

（3）在相同的液滴半径增量的基础上，液滴半径越小，破碎后Sauter平均半径和破碎时间对半径增量敏感性越强，越容易发生二次雾化。

（4）由于初始雾化后形成的液滴群是二次雾化液滴的来源，燃用乙醇柴油时缸内射流初次雾化后液滴半径的减小会促进二次雾化；同时乙醇柴油具有良好的液滴蒸发特性，也会促进液滴二次雾化。

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