可控热氛围下丙烷柴油混合燃料喷雾及自燃特性试验研究*

赵文伯　张青　吴志军　胡宗杰　邓俊（同济大学，上海201804）



可控热氛围下丙烷柴油混合燃料喷雾及自燃特性试验研究*

赵文伯张青吴志军胡宗杰邓俊
（同济大学，上海201804）

【摘要】在可控活化热氛围燃烧试验平台上，使用高速摄像机研究丙烷柴油混合燃料在不同背景温度下的喷雾特性和自燃特性。结果证明，在常温和低协流温度下，加入丙烷能够增大喷雾贯穿距和喷雾锥角，从而有效改善柴油燃料的雾化和蒸发过程；在高协流温度下，快速蒸发的丙烷对燃料的自燃过程产生显著影响；5%体积分数的丙烷使混合燃料的自燃着火点温度提高了30 K；柴油和混合燃料的滞燃期均随温度升高而降低。

主题词：丙烷柴油混合燃料喷雾自燃

1　前言

近年来，均质压燃（HCCI）技术凭借其较低碳烟排放和较高的热效率成为内燃机的主要研究方向之一［1～4］。文献［5］表明，燃料与空气快速均匀地混合是限制HCCI技术发展的主要因素。而丙烷作为一种低沸点的代用燃料，常温常压下就以液体存在，储运方便且价格低廉，并能与柴油在任意比例互溶。文献［6］表明，可以利用低沸点燃料的闪急沸腾引起的微爆效应促进高沸点、高黏度燃料的雾化与蒸发。因此，柴油中添加适当比例的丙烷可大大改善柴油喷雾雾化质量，降低发动机碳烟和HC排放［7、8］。同时，丙烷较高的汽化潜热能够降低缸内温度，实现低温燃烧，从而减少NOx排放。

本文利用高速摄影仪，在可控活化热氛围燃烧器提供的稳定均匀的温度场上对混合燃料喷雾及自燃过程进行可视化研究，分析丙烷的添加对喷雾和起升火焰特征参数的影响及其内在机制。

2　试验

2.1试验台架

可控活化热氛围燃烧试验系统主要由混合燃料制备系统、燃油增压系统（高压氮罐、蓄能器）、柴油喷嘴、ECU、数据采集系统、高速摄影机构成，如图1所示。

图1　喷射试验系统示意

可控活化热氛围燃烧器结构如图2所示。火焰燃烧系统总成由圆形多孔燃烧盘、外层挡圈、中央喷嘴3部分组成。协流混合气（氢气和空气）燃烧产生协流火焰，从而形成稳定的协流温度场，通过调节混合气的混合比例，可以控制协流的热氛围、氧氛围，温度范围300～1 700 K。中央射流（柴油/混合燃料）由喷嘴喷出，经过协流温度场加热形成起升火焰。火焰基部距喷嘴口距离为火焰起升高度。

图2　热氛围燃烧器示意［9］

试验使用的柴油及丙烷燃料在0.101 MPa和300 K温度条件下的理化特性参数如表1所列。常压下丙烷沸点为231 K，极易汽化。常温（300 K）条件下，丙烷在较低的压力（≥1 MPa）下即可液化。本文选用丙烷体积分数为5%的混合燃料作为研究对象。

2.2试验设置及方法

分别在常温和不同协流温度下进行纯柴油和混合燃料的喷雾及自燃特性试验。采用1500 ms的喷油脉宽，记录两种燃料喷雾及火焰的瞬态发展过程和稳定形态。柴油试验协流温度范围为373～923 K，以50 K为间隔进行喷雾贯穿距和喷雾锥角的数据采集，自燃现象发生后改以25 K为间隔进行记录；混合燃料试验温度范围为423～923 K，以100 K为间隔采集相应的喷雾数据，发生自燃后以20 K为间隔进行研究。喷雾和自燃试验的喷射压力均为15 MPa，喷孔直径为0.12 mm，协流流量为109.5 m3/h，环境温度为300 K。

ECU发出喷油电信号的同时高速摄影系统也被触发，由于喷嘴对电信号的响应延迟，导致喷油始点比拍摄始点晚约85 ms。图3所示为喷油始点的确定方案［17］。试验开始后，先打开激光器，随后通过采集控制卡触发高速摄影仪，延时一定时间后控制油泵试验台进行喷油。当燃油离开喷嘴口后，激光由于油雾的作用而发生散射，散射光进入光电耦合器（CCD），从而在高速摄影图像上形成一个光斑，进而可以准确测定喷油起始点。高速摄影法以首次可见火焰的出现时刻为着火起始点，由首次出现散射光斑及首次可见火焰之间的帧数及相应的拍摄速率即可确定滞燃期。自燃点位置的试验结果也是通过对高速摄影图像中的首次可见火焰图片进行处理而得到的。

2.3数据处理

使用Phantom v7.3高速摄影机，可以获得喷雾及起升火焰的图像。为了避免外部光线的干扰，拍摄过程是在封闭暗室内进行的，拍摄帧数为5 000帧/s。利用MATLAB程序对高速摄影机所采集的大量图像信息进行处理。读取喷雾及火焰图像的红、绿、蓝3种颜色信息，并通过公式（1）将其转化为灰度值（Gs）。

式中，R、G、B分别代表红、绿、蓝3色的灰度值。

为了突出火焰基部的淡蓝色，式（1）中蓝色所占比重较常用方法高。为了过滤背景环境的干扰，设置火焰灰度的阈值为5。此后将灰度图转换为二值图像。为验证所用方法的精确性，选取更低的灰度阈值（Gs=3），并人工去除噪声。所得结果并无明显差别，表明灰度阈值5即可很好地捕捉喷雾发展及火焰火核。为了验证喷雾和火焰的可重复性，在相同的边界条件下，选取两组喷雾数据和3组火焰数据进行比较，所得的喷雾贯穿距、喷雾锥角和滞燃期等数据的相对误差均在5%以下。

3　喷雾特性的研究

本文中的喷雾特性主要包括喷雾贯穿距和喷雾锥角2个宏观参数。喷雾贯穿距表示油束的贯穿能力，喷雾锥角是衡量油束紧密程度的参数。燃料粘度的改变会影响燃料的喷雾锥角。粘度较小的燃料在喷雾过程中气液混合状况较好，从而改善雾化状况［10、11］。

3.1常温下燃料的喷雾特性对比试验

常温下，柴油与混合燃料喷雾随时间发展过程如表2所列。两种燃料的喷雾贯穿距随着喷射时间的增长而增长。喷雾早期，燃油以极高的速度从喷嘴喷出，油束液滴尚未充分破碎，惯性、动量较高，运动速度较快。随着燃油喷雾进一步向上发展，环境气体的阻滞作用使得油束前端面的发展速度下降。同时，由于气体与液体的相对速度会造成油束的碎裂，使得其径向发展趋势明显增加，有利于燃油与空气更充分的混合。

表2　常温下柴油与混合燃料喷雾发展过程

图4和图5反映了常温下纯柴油和混合燃料喷雾前锋面及喷雾锥角随时间的变化。常温下，纯柴油喷雾稳定状态下的喷雾锥角约为10.5°，而混合燃料的喷雾锥角则达到14°。

图4　常温下喷雾前锋面的运动曲线

由图4和图5可以看出，常温下混合燃料的喷雾贯穿距和喷雾锥角都大于纯柴油，说明少量丙烷的添加就可以有效改善燃料的雾化过程。常压条件下混合燃料从喷嘴喷出后，其中溶解的低沸点的丙烷迅速汽化产生微爆效应，促进了油束的破碎，使得燃油液滴的粒径减小，喷雾形态更加发散。同时，油束周围的空气由于闪急沸腾作用迅速扩散，增大了燃油液滴的径向速度，导致喷雾锥角变大。

为了分析混合燃料喷雾贯穿距高于纯柴油喷雾的原因，进一步研究两种燃料的喷雾发展速度，即对喷雾贯穿距求导得到喷雾速度的变化曲线，如图6所示。可见，喷雾速度随时间发展而降低，且速度变化逐渐平缓。这是由于燃油液滴随着速度降低所受到的气相阻力逐渐减小导致的。

对比两种燃料喷雾发展后期的速率变化发现，柴油喷雾的发展速度始终保持较高的减速度至降低为零（3～4.3 ms）；而对于混合燃料，当喷雾速度降低到约35 m/s后，其喷雾速度下降速率明显减缓，并以较低的速度减小至零（2.3～8 ms）。造成这种速度变化规律的原因有两方面：一是由于喷雾发展过程中，汽化潜热较高的丙烷汽化带走了较高的热量，降低了柴油液滴的蒸发速度，导致混合燃料喷雾发展时间延长；二是因为混合燃料喷雾前锋面的初始动量下降为零后，丙烷的闪急沸腾导致前锋面附近的燃油液滴迅速扩散并向外辐射，而向上发展的动量导致了喷雾前锋面继续以较低的速度向上发展。这也是导致常温下混合燃料喷雾贯穿距大于柴油的原因。

图6　常温下喷雾速度随时间的变化曲线

3.2不同协流温度下燃料的喷雾特性对比试验

表3为软件处理后423～923 K协流温度下柴油和混合燃料喷雾稳态图像对比。可知，随着协流温度的升高，柴油及混合燃料喷雾的最大贯穿距和喷雾锥角均不断减小。这是由燃油液滴的蒸发随协流温度的提高而加快导致的。

表3　不同协流温度下柴油及混合燃料喷雾对比

图7和图8为柴油和混合燃料的喷雾贯穿距和喷雾锥角随协流温度变化的对比图。在较低协流温度下，柴油燃料的喷雾贯穿距及锥角与常温下结果相同，即均小于混合燃料。而随着协流温度升高，混合燃料贯穿距及锥角的下降速度较快，在高温区域内反而低于柴油喷雾。这是因为丙烷的闪急沸腾现象促进了混合燃料喷雾的破碎与扩散，使得燃料液滴粒径明显小于柴油喷雾，这些小液滴在高温下迅速蒸发，导致高协流温度下混合燃料的贯穿距和锥角小于纯柴油。

图7　最大喷雾贯穿距随协流温度的变化曲线

图8　喷雾锥角随协流温度的变化曲线

Park S H［12］等人针对生物柴油喷雾雾化特性的研究也表明，由于温度的升高促进了小尺寸液滴的蒸发，从而增大了大尺寸液滴的比例，导致燃油液滴的索特平均直径（SMD）随着温度的升高而增大。因此，混合燃料的喷雾贯穿距和喷雾锥角对于温度的变化表现出了更高的敏感性。

4　自燃特性的研究

4.1协流温度对滞燃期的影响

对试验所得的火焰图像进行分析处理，得到混合燃料和柴油滞燃期的变化，如图9所示。同时，通过Chemkin软件对自燃过程进行模拟，选用均质反应器来研究温度变化对化学动力学准备过程的影响，得到混合燃料和柴油在化学当量比下的滞燃期变化曲线并与试验数据进行对比。模拟选用美国Curran［13］等人提出的正庚烷氧化反应机理，该反应机理包含544种物质和2 446个基元反应。试验数据表明，两种燃料的滞燃期均随协流温度的上升而降低，且在低温区对温度的变化较为敏感，而在高温阶段变化较小。此外，对比两种燃料试验数据发现，滞燃期的下降由剧烈到平缓的转折温度点不同，混合燃料的温度转折点由1 013.5 K提高到1 038.5 K。

图9　滞燃期随协流温度的变化对比

对比试验数据和模拟结果可知，整体上计算得到的滞燃期要略高于试验数据，在高协流温度下差距较小。喷雾的自燃过程主要受到燃料的蒸发雾化、可燃混合气的形成（物理准备过程），以及燃油分子的裂解、氧化等化学动力学过程（化学准备过程，即Chemkin计算结果）两方面限制。

Chemkin模拟结果表明，滞燃期对温度的敏感性随协流温度的提高而降低。在低协流温度工况下，燃料的化学滞燃期较长，化学准备过程对于滞燃期的限制起主导作用。随着协流温度的进一步升高，化学准备过程大大缩短，对实际滞燃期的影响逐渐减小，因此在高协流温度区，滞燃期随温度升高而降低的趋势减缓，曲线斜率出现转折点。而协流温度的提高对可燃混合气的混合过程提升较小，此时滞燃期主要受物理准备过程的限制。

由图9中试验结果可知，高协流温度下混合燃料滞燃期小于柴油。这是因为此时物理准备过程是滞燃期的主要影响因素，而丙烷的闪急沸腾现象有利于混合燃料的雾化和混合气的形成，因此混合燃料的滞燃期较短。在低协流温度工况下，两种燃料滞燃期的变化曲线斜率不同且发生交叉。这是由于丙烷的闪急沸腾现象有利于混合燃料的雾化和混合气的形成等物理准备过程，降低了温度对于燃油蒸发等物理过程的影响。但是，与柴油相比丙烷的汽化潜热较高，蒸发速度较快，汽化带走的热量更多，导致了化学过程被延长，这与模拟结果中混合燃料滞燃期在低协流温度下高于柴油的现象相符。因此，在低协流温度下，混合燃料化学滞燃期受到温度限制的范围比纯柴油大，所以滞燃期曲线斜率的转折点由1 013.5 K提高到了1 038.5 K。

4.2协流温度对火焰起升高度的影响

油束在喷入热协流后，卷吸周围的空气，很快达到其自燃所需的温度及浓度，自燃随即发生［14］。随着协流温度的不同，自燃发生时刻也不同。表4为不同协流温度下柴油与混合燃料的稳定火焰图像对比。

表4　不同协流温度下柴油与混合燃料稳态火焰图像对比

试验中观察火焰形态发现，当协流温度较低时，火焰整体呈淡蓝色，符合预混火焰特性［15］。当协流温度较高时，火焰整体的大部分呈明亮黄色火焰，呈现出扩散燃烧火焰的特点［16］，且起升火焰较为稳定。试验表明，混合燃料达到自燃的临界温度约为993 K，低于此温度时无法形成明显的火焰，临界温度与柴油相比提高了30 K。当协流温度低于1 013 K时，火焰呈极淡的蓝色，火焰基部波动较大。当温度高于1 013 K时，与纯柴油喷雾自燃现象相似，呈现扩散燃烧火焰的特点。

图10为混合燃料和柴油的火焰起升高度随协流温度的变化。可知，两种燃料火焰的起升高度都随协流温度的升高而降低。这是因为着火延迟期越长，喷雾前锋面行进的距离越长，火焰的稳定起升高度也就越高。

图10　火焰起升高度随协流温度的变化曲线

对比两种燃料火焰起升高度随温度变化的规律可以发现，混合燃料的火焰起升高度在所有试验温度范围内均高于柴油喷雾，这与两种燃料滞燃期随温度变化的规律并不完全相符。根据图9的试验结果，混合燃料的滞燃期在较高协流温度范围内低于柴油，而其火焰起升高度反而更高。

观察自燃发生后的稳定火焰图像，并对混合燃料的火焰起升高度进行数据采集发现，自燃发生后混合燃料火焰的起升点会随着时间逐渐上移，因而尽管混合燃料在高温下的滞燃期小于柴油，但随着时间的推移，其火焰起升高度反而高于柴油。产生这种现象的原因是由于高温下混合燃料的滞燃期虽然较短，但是随着喷射时间的增加，丙烷较快的蒸发速度和较高的汽化潜热导致喷嘴口附近区域的协流温度降低，因此混合燃料喷雾发生自燃的化学动力学准备过程也更长，从而使得最终的起升高度高于纯柴油。

5　结束语

a.在常温或低协流温度下，添加丙烷能够促进燃料的雾化和蒸发，增大了混合燃料的喷雾锥角；燃油液滴蒸发速度变慢，混合燃料喷雾发展时间延长；受丙烷闪急沸腾作用的推动，喷雾前锋面向外扩散辐射，导致混合燃料喷雾贯穿距大于柴油。

b.在高协流温度下，混合燃料喷雾中较小尺寸的液滴迅速蒸发，导致其贯穿距及锥角在高温工况下小于柴油喷雾。

c.混合燃料的滞燃期随温度升高而降低，当低协流温度较低时，化学准备过程对于滞燃期的限制起主导作用；在较高的协流温度下，可燃混合气的形成过程对滞燃期的限制起主导作用。

d.柴油和混合燃料的火焰均呈典型起升火焰特点，协流温度较低时，火焰起升高度较高，基部远离喷嘴口。柴油喷雾的最低自燃温度约为963 K，低于该温度时难以形成比较稳定的自燃火焰，而混合燃料最低自燃温度提高了30 K。

e.两种燃料的火焰起升高度随着温度升高而降低。混合燃料的起升高度在整个温度区间内均高于柴油。

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（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年6月1日。

中图分类号：U464；U473.1

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）07-0024-06

*基金项目：国家自然科学基金项目（51006075 9144110128）。

通讯作者：吴志军，教授，博士生导师，E-mail：zjwu@tongji.edu.cn。

Experimental Research on Spray and Auto-ignition Characteristics of Propane-diesel Blended Fuel in a Controllable Active Thermo Atmosphere

Zhao Wenbo，Zhang Qing，Wu Zhijun，Hu Zongjie，Deng Jun
（Tongji University，Shanghai 201804）

【Abstract】Spray and auto-ignition characteristics of propane-diesel blended fuel under different temperatures are studied in a controllable active thermo-atmosphere by high-speed photographic camera.The results show that spray penetration and spray cone angle are increased by the addition of propane under normal and low co-flow temperature，and the atomization and evaporation process of the fuel are thus improved.While under high co-flow temperature，the autoignition process of the fuel is dramatically influenced by the rapidly-evaporated propane.The temperature of the autoignition point is increased by 30K with the addition of 5%volume fraction propane.Ignition delay period of both fuels decreases as the co-flow temperature increases.

Key words:Propane，Diesel，Blended fuel，Spray，Auto-ignition