不同品质柴油喷雾燃烧特性试验与仿真分析

管凯丽，邓 涛，李宝刚，唐 萃

(重庆交通大学 机电与车辆工程学院， 重庆 400074)

不同品质柴油喷雾燃烧特性试验与仿真分析

管凯丽，邓 涛，李宝刚，唐 萃

(重庆交通大学 机电与车辆工程学院， 重庆 400074)

针对不同品质的柴油燃烧时具有不同的喷雾形态、火焰浮起长度以及碳烟排放的现象，用煤油作为对比柴油，搭建定容燃烧弹试验设备，开发了喷雾燃烧特性试验用图像处理软件，进行不同初始条件下的火焰浮起长度试验对比。试验结果表明：柴油和煤油火焰浮起长度都随着喷油压力的提高而增长，随着燃烧弹内的初始压力和温度的升高而减小；在较低的环境温度和压力下，煤油火焰浮起长度值相对于柴油较大，且煤油浮起长度在环境温度和压力条件下的变化要比柴油敏感。同时利用AutoCAD及STAR-CD等软件，建立定容燃烧弹内燃油喷雾燃烧仿真模型，对试验工况进行仿真计算，并与试验数据进行对比研究。结果表明：数值仿真结果与试验结果基本一致，且主喷射段内的最大误差不超过5%，从而验证了在定容燃烧弹内建立的喷雾燃烧仿真模型的准确性。此外，从燃料的分子结构及碳原子数层面来分析，该模型可以预测不同含碳量柴油的火焰浮起长度值。

柴油; 喷雾; 燃烧

缸内直喷式柴油机燃烧时所产生的高浓度颗粒排放物、氮氧化物等一直都是重要的环境污染问题。在柴油机缸内燃烧中既有预混燃烧又有扩散燃烧，一些学者将火焰在开始着火到喷嘴口的这段距离定义为火焰浮起长度，这段距离内会有大量未燃燃料及碳烟排放物生成。因此，为了更好地理解柴油机缸内燃烧条件对碳烟排放的影响以及探究减少排放污染物的方法，研究火焰浮起长度非常必要。

针对影响柴油燃烧排放的各种因素，国内外专家学者通过试验和数值的方式对燃烧火焰浮起长度的变化趋势做了相关的研究。Lyle M.Pickett等[1]在定容燃烧弹内进行了燃油喷雾燃烧特性研究，认为减小火焰浮起长度可以通过减少点火延迟的方式来实现；Pär Bergstrand 等[2]用高速摄影技术获取火焰图像，在定容燃烧弹内研究了喷嘴参数与浮起长度的关系；Z.Hu等[3]利用试验及数值仿真研究了柴油机冷启动工况时燃油喷射燃烧情况，发现较低的压力和温度会导致较长的点火延迟；Liang Zhang等[4]通过在定容弹内测量汽-柴油混合物的火焰浮起长度来研究宽馏分燃油的燃烧过程，发现随汽-柴油混合物中汽油比例的增加，火焰浮起长度呈非线性增加；李宝刚[5]利用定容弹研究了船用柴油机工况下火焰燃烧浮起长度与环境压力、温度以及密度的关系。

以上研究在一定程度上揭示了柴油机缸内湍流燃烧与火焰浮起长度的关系，且都是以柴油为燃料来进行研究。然而，由不同地区、不同油田所产的柴油，其烃族组分不同致使其性质也不尽相同，因此喷雾与燃烧特性也存在各种差异[6]。本文着重研究不同品质的柴油在不同喷射条件下喷雾燃烧对火焰浮起长度的影响。

本文选用煤油作为柴油的对照燃油进行了相关的试验及仿真研究，原因是若选取的对比燃油与柴油的分子组成及含量差距很小，则两者喷雾燃烧时的火焰浮起长度的细微差别不容易被观察到[7-8]，因此煤油是较为合适的对比燃油。通过高速摄像机拍摄定容弹内不同时刻、不同喷射条件下的煤油与柴油的燃烧火焰图像，得出各种工况下的火焰浮起长度值。同时利用STAR-CD软件对2种燃油在不同喷射条件下的湍流燃烧特性进行验证及扩展研究。

1 喷雾燃烧特性试验

1.1 试验系统

为了模拟船用柴油机活塞到达上止点时燃油喷射及燃烧过程，搭建了由定容燃烧弹、燃油喷射系统、冷却系统、进排气系统、数据采集装置、高速摄像机等组成的定容燃烧弹试验系统[9-10]，如图1所示。

图1 定容燃烧弹试验设备布置简图

由于试验应用对象为船用直喷式柴油机，因此本研究采用了日本工业规格(JIS)K2204规格分类标号为1号的柴油，以及(JIS)K2203 1号煤油作为对比燃油进行了相同的试验(如表1)。在实际柴油机运行时，喷油开始前燃烧室内气体压力为3～4 MPa，初始环境温度为800～1 000 K。试验采用单孔喷油器，喷孔直径为0.45 mm，喷射压力分别为30、50、70 MPa。

表1 试验用燃油的基本性质

1.2 试验过程

在设置软件待工作状态后，设置试验系统及相关试验参数。开启喷雾开关后，相关信号将分别传至继电器、数据采集等软件。几部分软件分别启动开始工作，记录并存储试验数据。在试验的同时，测量并记录当时室内的大气压与大气温度。

1.3 试验结果分析

1.3.1 喷雾过程高速摄像分析

通过处理软件可实现测量单位的换算及喷嘴位置等参数的校正，并且设计开发一款新软件对喷雾燃烧火焰的试验图像进行数据处理转换，如图2所示。在分析整理以上数据之后，对比喷雾时间，即可制作出在一次试验中火焰浮起长度随时间的变化趋势的图表。

图2 图像处理软件

图3是一次利用高速摄影技术拍摄到的煤油和柴油的喷射过程的试验图像，本次试验设定喷射压力为50 MPa，环境压力为4 MPa，环境温度为800 K。可以看出：在整个燃油喷射燃烧过程中，煤油与柴油的喷雾燃烧火焰形态并无明显的不同，但从整体上看，煤油的火焰头部较为饱满，火焰较为光亮；而柴油较高的挥发性导致雾注头部的空气卷吸作用较强。

1.3.2 火焰浮起长度变化试验结果分析

1) 不同环境压力下火焰浮起长度变化试验

在不同的初始环境压力下，分别采用柴油和煤油作为试验用燃油，如图4所示。显然，随燃烧弹内初始压力的升高，两者的火焰浮起长度都逐渐减小，且变化趋势近似相同。而当初始压力在2～4.5 MPa变化时，煤油火焰浮起长度一直大于柴油；且当压力升高至4.5 MPa后，煤油浮起长度开始逐渐低于柴油。

图4 火焰浮起长度随初始环境压力的变化曲线

2) 不同初始环境温度下火焰浮起长度变化试验

在不同的初始环境温度下，试验对比分析了柴油和煤油的火焰浮起长度变化，如图5所示。随着燃烧弹内初始环境温度的升高，两者的火焰浮起长度都逐渐变小；当初始环境温度为720～850 K范围内，煤油火焰浮起长度略高于柴油，当温度高于850 K时，则开始低于柴油火焰浮起长度，且整体变化趋势是非线性的。

图5 火焰浮起长度随初始环境温度的变化曲线

从燃油的理化特性角度分析可知：以上2种结果是由2种燃油液体表面张力的变化所致。尽管不同平均分子质量的烃类燃油的液体表面张力都随着温度和压力的升高而降低，但是它们降低的速度和程度是不同的。燃油的平均分子量越低，液体表面张力下降的幅度和速度就越大。随着压力和温度越来越高，柴油浮起长度减小的速度低于煤油，因此也就出现了如图4、5所示的柴油火焰浮起长度值反超煤油的现象。

3) 不同喷射压力下火焰浮起长度变化试验

在不同燃油喷射压力条件下，试验对比分析了柴油和煤油的火焰浮起长度变化，如图6所示。由图6可知：燃油的喷射压力越高，两种燃油的火焰浮起长度值越大，并且呈非线性变化；当喷射压力为27～32 MPa时，煤油显示出略低于柴油火焰浮起长度的趋势，但随着喷射压力逐渐增加至32 MPa，煤油火焰浮起长度开始高于柴油，当燃油的喷射压力升高至58 MPa时，煤油火焰浮起长度又开始低于柴油。

图6 火焰浮起长度随喷射压力的变化曲线

2 STAR-CD仿真分析

2.1 STAR-CD建模

利用STAR-CD软件模拟柴油和煤油在不同的环境压力、环境温度、喷射压力等条件下的喷雾燃烧过程，并选定了高温区边缘为1 050～1 080 K的等温线，因此火焰浮起长度即可用从高温区边缘到喷嘴之间的距离来表示(简称等温线法)[11]。

利用AutoCAD建立定容燃烧弹模型，导入STAR-CD软件进行网格划分，选择的计算网格为六面体网格，计算区域为Ф200 mm×400 mm的圆柱体，网格尺度为2 mm，网格总数为809 689，喷嘴在顶面中心处，如图7所示。

图7 CFD软件中计算网格

在设置模型的初始条件及边界条件时，考虑到燃烧弹是模仿船用柴油机工作状态，体积较大，故不存在液柱撞壁及形成壁面液膜等现象，因此选取了对应试验中柴油机的工作参数，并采用合适的湍流、喷雾、液滴破碎、燃烧等模型(如表2所示)。因为柴油机中燃油的喷雾、燃烧及流动过程都是瞬态的，故采用易得到收敛解的PISO算法。

表2 计算模型

2.2 仿真与试验结果对比分析

2.2.1 柴油火焰浮起长度变化

1) 不同环境温度下火焰浮起长度变化

在不同的环境温度下，对比分析柴油火焰浮起长度的仿真与试验结果，如图8所示。在喷雾初期，仿真结果与试验结果差距较大，但随着燃烧弹内的初始温度从820 K逐渐升高至900 K时，2条变化曲线逐渐接近。故总体而言，在较高初始环境温度下，2条曲线变化基本相似。

图8 柴油火焰浮起长度随环境温度变化结果对比

2) 不同环境压力下火焰浮起长度变化

在不同的环境压力下，对比分析柴油火焰浮起长度的仿真与试验结果。由图9可以看出：当燃烧弹内的初始压力为2～3 MPa时，仿真得到的火焰浮起长度低于试验值，而随着初始压力逐渐升高至5 MPa时，2条曲线接近至重合，整体趋势上2条曲线变化趋于一致。

图9 柴油火焰浮起长度随环境压力变化结果对比

3) 不同喷射压力下火焰浮起长度变化

在不同的燃油喷射压力下，对比分析柴油火焰浮起长度的仿真与试验结果。由图10可知：当燃油喷射压力为30～40 MPa时，仿真得到的火焰浮起长度高于试验值，但随着喷射压力逐渐升高至60 MPa时，仿真结果出现低于试验值的情况，且从总体变化趋势上看，2条曲线的变化基本一致。

2.2.2 煤油火焰浮起长度变化

1) 不同环境温度下火焰浮起长度变化

针对煤油，在不同的环境温度下对比分析其火焰浮起长度变化，如图11所示。可以看出：与试验结果对比，当燃烧弹内的初始温度为750～790 K时，仿真得到的火焰浮起长度要大一些，但随着温度不断升高至900 K时，会出现先低后高的现象。就整体趋势而言，两条曲线变化基本一致。

图10 柴油火焰浮起长度随喷射压力变化结果对比

图11 煤油火焰浮起长度随环境温度变化结果对比

2) 不同环境压力下火焰浮起长度变化

在不同环境压力下，对比分析煤油火焰浮起长度变化。由图12可知：当燃烧弹内的初始压力为2～4 MPa时，仿真所得煤油火焰浮起长度低于试验值，而随着燃烧弹内压力升高至4.5 MPa时，会出现高于试验的数据。总体而言，2条曲线的变化趋势一致。

3) 不同喷射压力下火焰浮起长度变化

在不同的燃油喷射压力下，对比分析煤油火焰浮起长度变化，如图13所示。显然，当燃烧弹内的喷射压力为30～40 MPa时，仿真所得的火焰浮起长度低于试验值，而随着燃油喷射压力升高至39 MPa时，会逐渐高于试验结果，但整体在变化趋势上基本一致。

图12 煤油火焰浮起长度随环境压力变化结果对比

图13 煤油火焰浮起长度随喷射压力变化结果对比

综上，喷雾初期火焰浮起长度的仿真结果与试验相比误差较大，这可能是由于多种因素造成的。例如，试验测量过程产生的人为误差、高速摄影与燃油喷射的同步触发误差，以及仿真软件中的计算误差等[12]，因此本文主要对主喷射段进行分析。由计算结果可知：主喷射段内误差最大不超过5%，仿真结果与试验结果基本吻合，确保了数值模拟结果的准确性。

此外，由于柴油是一种组成成分非常复杂的混合燃油，因此为了预测不同品质的柴油火焰浮起长度的变化规律及相关因素，文中采用了烃类分子平均含碳原子数n作为评估标准。预测结果：在相同的燃油喷射压力下，所含平均含碳原子数n越高的柴油，其相应获得的初始燃油喷射速度就越低，且在较低的初始环境温度和初始环境压力下，其火焰浮起长度也较小。

3 结论

1) 搭建了合理的定容燃烧弹试验系统，设计了科学的试验步骤，开发出喷雾燃烧特性试验图像处理软件，进行了不同的初始条件下的柴油和煤油的喷雾燃烧特性试验。结果表明了柴油和煤油浮起长度的大小及变化速度的异同：当燃烧弹内的初始环境温度和初始环境压力较低时，煤油火焰浮起长度大于柴油，随着定容燃烧弹内的温度和压力升高，煤油浮起长度逐渐低于柴油；柴油和煤油火焰浮起长度都随燃烧弹内初始环境温度和初始环境压力的升高而降低，但随喷射压力的升高而增大。

2) 利用STAR-CD软件建立了定容燃烧弹仿真模型，选择合适的计算子模型并设置参数和算法，模拟分析了柴油和煤油在不同初始环境压力、初始环境温度、喷射压力等条件参数下的火焰浮起长度，并与定容燃烧弹试验数据进行了对比验证，验证了仿真模型的准确性。

3) 从燃料分子结构及碳原子数的层面考虑，可以对不同品质柴油的火焰浮起长度做出简单的预测，即平均含碳原子数越高的柴油，在较低的环境温度和压力下，火焰浮起长度较小，变化越不明显。

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

[3] HU Z,SOMERS L M T,DAVIES T,et al.A study of liquid fuel injection and combustion in a constant volume vessel at diesel engine conditions[J].Fuel,2013,107:63-73.

[4] ZHENG L,MA X,WANG Z.An optical study on liquid-phase penetration,flame lift-off location and soot volume fraction distribution of gasoli ne-diesel blends in a constant volume vessel[J].Fuel,2015,139:365-373.

[5] 李宝刚.柴油机喷雾燃烧特性实验研究 [D].重庆:重庆交通大学,2015.

[7] YI Y,DEMINCO C M.Numerical investigation of mixture preparation in a GDI engine[R].USA:SAE Technical Paper,2006.

[8] 张恩源.GDI发动机缸内喷雾场仿真研究[D].重庆:重庆大学,2015.

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

[10] 蒋德明.内燃机燃烧与排放学[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[11] 赵昌普,汪晓伟,陈乃转,等.柴油机喷雾环境条件和喷油参数对火焰浮起长度及其空气卷吸率影响的研究[J].拖拉机与农用运输车,2012(6):1-8.

[12] 赵陆明,何旭,郑亮,等.高喷射压力下生物柴油喷雾特性试验与仿真[J].农业机械学报,2012,43(9):6-10.

(责任编辑陈 艳)

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

国家自然科学基金资助项目(51305473)；中国博士后科学基金资助项目(2014M552317)；重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2013jcyjA60007)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ120421); 重庆市博士后研究人员科研项目特别资助(xm2014032)

管凯丽(1992—)，女，硕士研究生，主要从事混合动力、电动汽车控制研究，E-mail:2518132089@qq.com;邓涛，男，博士，教授、硕士生导师，主要从事混合动力、电动汽车控制研究。

管凯丽，邓涛，李宝刚，等.不同品质柴油喷雾燃烧特性试验与仿真分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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