天然气/柴油双燃料发动机同轴喷射特性分析

李玉兰，王 谦，黄英杰，邵长胜,康佳明，相英杰

(1.江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013；2.镇江高等职业技术学校，江苏 镇江 212016)

随着发动机燃料多样化和双燃料喷射技术的发展，柴油引燃天然气缸内直喷式发动机因燃烧效率高、排放性能好等优点而受到国内外学者的重视[1-4].而了解其缸内燃料喷射特性可以使天然气发动机喷射策略和燃烧过程得到优化.缸内混合气形成主要受到柴油喷雾卷吸特性及天然气射流扩散特性的影响.国内外学者对柴油喷雾卷吸特性和天然气射流扩散特性进行了大量的研究.袁小飞[5]基于KIVA-3V软件对天然气射流进行模拟研究，发现缸内压力、喷射压力等因素对天然气喷射的发展速率及缸内混合气形成有较大的影响.I.ERFAN等[1]在定容弹内开展天然气射流试验，纹影法拍摄后的图像用MATLAB后处理分析，得到了量纲一化的天然气射流贯穿距公式.G.BRUNEAUX[6]通过PLIF对天然气射流的体积分数场进行了研究.YU J.Z.等[7]利用平面激光诱导荧光法研究了天然气射流的撞壁过程.O.A.KUTI等[8]对柴油和生物柴油喷雾速度场进行分析，试验发现由于生物柴油的黏度较高，其喷雾卷吸特性较差.王长园等[9]在定容弹内试验研究了不同喷射高度和喷射角度对天然气射流撞壁和卷吸的影响，通过分析图像，对一般天然气射流碰壁下贯穿距和卷吸的经验公式进行了修改.邓鹏等[10]对不同喷射压力下柴油喷雾的特征进行分析，发现柴油喷雾的根部和头部湍流作用决定油气的混合速率.

由以上分析可知，虽然国内外对天然气喷射和柴油喷雾特性研究较多，但对双燃料同轴喷射发动机条件下的喷射特性研究较少.因此，笔者在本课题组研究成果的基础上，利用高速纹影法开展天然气单燃料和天然气/柴油双燃料同轴喷射试验，同时建立柴油/天然气双燃料同轴喷射混合模型，利用CONVERGE软件进行天然气/柴油双燃料发动机同轴喷射特性研究.

1 试验和模拟方法

1.1 试验方法

1.1.1试验装置

图1为双燃料发动机同轴喷射试验装置示意图，整个装置包括定容弹系统、双燃料喷射组合器、柴油和天然气(CH4)的供给系统、PIV纹影系统和ECU控制系统.

图1 双燃料发动机同轴喷射试验装置示意图

本试验定容弹的直径和高度均为700 mm，视窗有效直径为165 mm，定容弹内以氮气作为环境气体，耐压为1.5 MPa.柴油共轨可提供的最高压力为250 MPa，天然气(CH4)最高压力达12 MPa.设计的双燃料喷射组合器(见图2)使天然气喷射器(孔径为1.00 mm)垂直放置喷射，而柴油喷射器(孔径为

图2 双燃料喷射组合器

0.16 mm)倾斜放置喷射，实现双燃料缸内直喷，从而实现模拟同轴喷射技术.柴油喷射器和天然气喷射器在双燃料ECU的控制下可实现不同的试验需求.纹影系统采用的是 Z 形双反射式光路[11]，由高速摄像成像.高速相机型号为 FASTCAM SA-Z，试验拍摄速度为 10 000 帧·s-1，图像像素为 1 024×1 024.

1.1.2试验参数

通过对双燃料同轴喷射发动机[12-13]的调研，确定试验参数如下：柴油喷射压力为40 MPa,柴油喷射脉宽为0.7 ms，天然气喷射脉宽为1.5 ms，两者喷射间隔为0.2 ms左右，环境温度为293 K.选取环境背压分别为0.3、0.5、1.0 MPa和天然气喷射压力分别为3、5、8 MPa来研究天然气喷射压力和环境背压对天然气/柴油双燃料发动机同轴喷射特性的影响.为了保证试验结果的准确性，对5次重复试验结果取平均值.

1.1.3图像处理

试验获得了大量的有效图片数据，选取天然气单燃料喷射5 ms内的喷雾图像数据来进行研究.通过编写MATLAB程序[14]对图像进行批量数字化处理.

1.1.4射流参数定义

O.A.KUTI等[8]在生物柴油的喷雾特性试验研究中，以60%的贯穿距为基准，研究了柴油喷雾的卷吸特性.为了更加准确地研究双燃料发动机的喷雾卷吸特性，将天然气射流的完整轮廓线长度、射流前端轮廓线长度和射流侧面轮廓线长度作为描述天然气射流卷吸作用的特征参数.射流参数如图3所示，射流贯穿距L为从喷嘴出口到射流尖端的距离，选取距离喷孔0.6L的截面为分界线[8]，分界线以下的轮廓线定义为射流前端轮廓线(射流头部)，分界线以上的轮廓线定义为射流侧面轮廓线(射流底部).

图3 射流参数

1.2 模拟方法

1.2.1模型建立

考虑到CONVERGE软件中并不存在气体喷孔的设置，为了与试验条件相匹配，所以在建模过程中添加了天然气喷孔的几何结构，与水平角度呈10°的斜面，天然气喷孔垂直于斜面，以便获得较为对称的天然气射流结构.实际定容弹偏大，但研究范围集中于视窗内，所以建立的定容弹几何模型尺寸略大于视窗尺寸，节省了计算时间.

为了保证计算的精确性，分别选取16、8、4 mm的基础网格对网格敏感性进行分析，并对喷雾区域进行3级速度自适应加密，其最小网格尺寸分别为2.0、1.0、0.5 mm.不同基础网格下，喷嘴附近天然气射流对比如图4所示，当基础网格尺寸为4 mm时，天然气射流形状与试验接近，并且网格数量已经到达180万个，继续缩小网格尺寸将大大增加计算量，最后选取4 mm网格尺寸来进行模型验证与分析.天然气喷孔和柴油喷孔各参数与试验参数相同，柴油、天然气、空气等温度均为293 K.

图4 不同基础网格下喷嘴附近天然气射流对比

1.2.2喷射模型选择

湍流模型的选择对模拟燃料的喷射、雾化、蒸发和与空气的混合过程有显著影响，这也同时决定了模拟结果的准确性.而且柴油/天然气双燃料的喷射过程由于2种燃料存在的相互影响，所以选择适用于内燃机里复杂流动过程的RNGk-ε模型.破碎模型选用KH-RT模型来分别描述一次雾化和二次雾化，由于喷射引燃柴油量较少，所以具体的破碎时间常数和尺寸常数参考文献[15]进行设置.蒸发模型采用适用于定容弹内计算的Frossling模型，湍流耗散模型采用考虑连续湍流影响的O′Rourke模型.

2 试验和模拟结果讨论

2.1 试验结果与讨论

为了研究天然气/柴油双燃料发动机同轴喷射特性，柴油预先喷入定容弹，天然气柴油喷射间隔为

0.2 ms,这样定容弹内就会悬浮大量柴油液滴，并扩散到环境气体中.为了更好地对比双燃料发动机同轴喷射混合过程，特别进行天然气单燃料和天然气/柴油双燃料同轴喷射试验.采用MATLAB软件处理获得的不同天然气喷射压力p下双燃料射流纹影图像如图5所示，在不同天然气喷射压力下，试验获得了较好的双燃料射流形状和发展过程.随着天然气喷射压力的增加，双燃料天然气射流贯穿距增加，而且随着喷射时间t的增加，天然气射流贯穿距增加的幅度越来越大.

图5 不同天然气喷射压力下双燃料射流纹影图像

通过MATLAB软件计算得到天然气射流完整的外轮廓线长度、前端外轮廓线长度以及侧面轮廓线长度的数据.不同环境背压pe和喷射压力下天然气射流轮廓周长lc随时间的变化曲线如图6所示.

图6 不同环境背压和不同喷射压力下天然气射流轮廓周长随时间的变化曲线

天然气喷射压力为5 MPa时，单燃料和双燃料在不同背压下，天然气射流轮廓周长随时间的变化曲线如图6a所示.天然气喷射脉宽为1.50 ms，因此，天然气射流发展可分为2个阶段：0～1.50 ms喷射阶段和1.50～5.00 ms发展阶段.从图6a可以看出：单燃料和双燃料天然气射流轮廓周长的变化趋势相同，即随着环境背压增加，射流轮廓周长变小，这说明当环境背压减小时，环境对射流的阻力变小，高密度的天然气冲击低密度的环境，使得天然气射流发展更快，天然气对外扩散加剧；但随着环境背压的减小，喷射阶段时，单燃料比双燃料轮廓周长变化幅度大.这是因为双燃料喷射时，由于柴油的影响，天然气喷雾轴向扩散受到了限制.在发展阶段，单燃料喷射时，轮廓周长波动趋于平缓.当双燃料喷射时，由于柴油射流涡流使得天然气射流发展受到影响，轮廓周长曲线波动愈发剧烈.可见，此时天然气与柴油混合作用明显.当环境背压为0.5 MPa时，单燃料和双燃料天然气射流轮廓周长在不同天然气喷射压力下随时间的变化曲线如图6b所示，喷射阶段轮廓周长随时间的变化较快，发展阶段轮廓周长随时间的变化增速减缓，这是因为随着射流发展时间增加，天然气射流前端速度受到环境阻力的作用减慢，后喷入的天然气受到射流前端的阻碍，速度减弱更加明显.天然气射流的发展速度随喷射压力的增大而逐渐增大，这是因为随着喷射压力的增大天然气射流的动量变大，其天然气射流贯穿距也变大.对比单燃料喷射和双燃料喷射中的轮廓周长发现，轮廓周长增幅随着喷射压力的增加而减小.喷射压力为3 MPa与5 MPa的轮廓周长差距明显，双燃料的轮廓周长大于单燃料的轮廓周长.单燃料比双燃料喷射时轮廓周长曲线相对平缓，分析认为，随着喷射压力增加，天然气射流受到的环境阻力增加，轮廓周长增幅变小，所以喷射压力较低时，喷射压力对射流的发展作用明显.双燃料喷射时，柴油的速度较快，喷射阶段天然气射流速度较大，柴油射流引起的空气流动对天然气射流影响较小.发展阶段混合区域内天然气射流速度较慢，天然气射流受到柴油射流引起的涡流产生的卷吸作用大.

不同环境背压下天然气射流头部周长lh和底部周长lb随时间的变化曲线如图7所示.从图7a可以看出：单燃料和双燃料天然气射流头部周长随喷射时间变化趋势基本相同，单燃料头部周长曲线变化平稳，而双燃料头部周长曲线波动较大；随着环境背压增加，单燃料和双燃料天然气射流头部周长减小，且减小幅度增加，两者头部周长差别越大，波动出现时刻越早.可以得出，由于环境背压的减小使得天然气射流扩散变快，天然气射流边缘密度变化加剧，因此射流的头部周长曲线波动明显，天然气受到柴油的卷吸作用显著.

从图7b可以看出：随着环境背压的减小，单燃料与双燃料底部周长差距变大，说明环境背压越小，柴油射流对天然气射流底部周长的卷吸作用越大；当环境背压为0.3 MPa时，在喷射阶段，单燃料射流的底部周长比双燃料射流的底部周长要大.结合图8可以看出，柴油射流在天然气射流初期就极大影响了射流发展，天然气射流侧面形成了一些凸起(见图8a中红圈所示区域)，阻碍了天然气射流侧边的发展，使得天然气射流锥角减小，达到射流发展阶段时，底部周长波动更大，柴油射流引起的卷吸作用更显著，并呈现出双燃料射流的底部周长比单燃料射流底部周长大的规律.

图7 不同环境背压下天然气射流头部周长和底部周长随喷射时间的变化曲线

图8 环境背压为0.3 MPa时双燃料和单燃料纹影图像对比

环境背压为0.5 MPa时，不同喷射压力下天然气射流头部和底部周长随喷射时间的变化曲线如图9所示.喷射时间为4.00 ms时，不同喷射压力下双燃料和单燃料纹影图像对比如图10所示.

图9 不同喷射压力下天然气射流头部周长和底部周长随喷射时间的变化曲线

图10 喷射时间为4.00 ms时不同喷射压力下双燃料和单燃料纹影图像对比

从图9a和图10可以看出：随着天然气喷射压力的增大，单燃料射流和双燃料射流的头部周长增加，但两者的增幅都减小，这是因为随着天然气喷射压力的增大，其射流受到环境阻力增大；同一喷射压力下，在天然气喷射阶段，单燃料射流和双燃料射流头部周长差距较小，发展阶段时，头部周长差距逐渐明显，并且随着喷射压力的增大，两者的差别增大，这是由于双燃料射流在发展阶段，柴油射流造成空气的扰动，在天然气射流侧边头部形成强烈的阻碍和卷吸作用，天然气头部体积分数因此发生变化.喷射压力为5 MPa时，双燃料的头部周长在柴油的卷吸作用下逐渐超过了8 MPa单燃料射流的头部周长，由此可见，柴油的卷吸作用对天然气侧边射流产生了巨大影响，不仅限制了天然气轴向射流的发展，也使天然气测流射流产生凸起，使天然气侧边体积分数发生变化.

从图9b和图10可以看出：随着喷射压力增大，天然气射流底部周长增大，增幅变小；当喷射压力达到5 MPa时，底部周长变化不明显，在天然气喷射压力为8 MPa时，底部周长波动出现了一定的规律性，上下起伏；天然气射流底部周长波动比头部周长小，说明整个喷射过程中，都是天然气射流头部受到的柴油卷吸更强，但是在射流的底部还是存在一定的扰动，并且喷射压力越高，射流发展越久，其作用也越明显，正是两者的叠加作用，呈现出了轮廓周长中巨大的波动.

2.2 模拟结果与讨论

2.2.1双燃料喷射模型验证

为了确定柴油/天然气双燃料发动机同轴喷射混合模型的准确性，将双燃料同轴喷射仿真值和试验值进行了对比.根据相关柴油引燃天然气发动机的文献资料[12-14]可知，天然气能量替代率为90%左右，根据试验条件确定天然气与柴油喷射夹角为10°进行模拟验证以确保其准确性.

天然气喷射压力分别为3、4、5 MPa时，双燃料喷射试验与模拟的图像分别如图11-13所示，其中φ为天然气的体积分数.试验中先喷入柴油，天然气喷射始点为0 ms,柴油喷射持续时间比较短，使得柴油颗粒很快扩散到空气中.

图11 喷射压力为3 MPa时双燃料喷射试验与模拟的图像

图12 喷射压力为4 MPa时双燃料喷射试验与模拟的图像

图13 喷射压力为5 MPa时双燃料喷射试验与模拟的图像

从图11-13可以看出：试验与模拟中天然气射流轮廓基本一致，可以基于该模拟结果对双燃料喷射进行分析；随着喷射压力增大，同一时刻天然气射流贯穿距增加，柴油射流对天然气射流的影响逐渐减小，这是因为喷射压力越大，天然气射流的出口速度越快，向周围扩散的动量增加，而柴油喷射量较少，其动量对天然气射流的影响就相对变小.这与文献[5]的模拟结果相近.

2.2.2双燃料喷射体积分数场模拟分析

天然气喷射压力较小时，柴油射流对其影响较明显.因此，选取天然气喷射压力为3 MPa时，分析柴油喷雾对天然气射流的影响.柴油喷雾时天然气射流体积分数场随喷射时间的变化如图14所示，在天然气射流轴向方向，天然气体积分数缓慢减弱，在天然气射流径向方向，天然气体积分数快速下降，这与G.BRUNEAUX[6]试验获得天然气体积分数变化的结果相同.当喷射时间为0.50 ms时，天然气射流的头部碰到柴油；在喷射时间为0.75 ms时，天然气射流逐渐带动柴油射流向前发展；当喷射时间为1.00 ms时，大部分柴油颗粒位于射流中段，在天然气射流头部也带有少部分柴油颗粒，天然气射流头部出现了向左卷吸的趋势；当喷射时间为1.25 ms时，天然气向左卷吸的趋势逐渐减弱，大部分柴油颗粒出现在天然气射流的头部，小部分柴油颗粒由于惯性的作用还位于天然气射流的中段；当喷射时间为1.50 ms时，柴油射流颗粒大部分均匀地分布在天然射流的头部和中部，仅有少量未接触.这说明柴油喷雾和天然气射流相撞后，由于天然气射流的携带，柴油与天然气逐渐混合均匀.

图14 柴油喷雾时天然气射流体积分数场随喷射时间的变化

2.2.3双燃料喷射速度场模拟分析

当喷射时间为1.50 ms时，模拟的速度场和利用PIV获得的速度场、涡量场和湍流场如图15所示.

图15 模拟的速度场与PIV获得的速度场、涡量场、湍流场

使用PIV结合高速纹影法进行试验时，柴油先喷，天然气后喷，天然气喷射压力高，速度快，进入其内部的示踪粒子很少，因而PIV获得的速度场是指天然气轮廓处和周围环境的PIV结果.将模拟速度场(图15a)和PIV拍摄的速度场(图15b)对比可以看出：天然气射流沿轴线速度衰减较慢，沿径向速度衰减较快，其中心的速度较快.在天然气轮廓周围存在一定的速度场，并且从射流头部到底部速度逐渐减弱.在天然气轮廓周围存在一定的涡旋，促进天然气与空气混合，以及天然气与柴油的混合.这是因为天然气射流速度较快，与周围空气存在速度差.从图15c可以看出，天然气射流左侧与柴油射流混合产生许多涡量场.一部分原因是柴油喷雾的卷吸，另外原因是天然气射流与空气混合.从图15d可以看出，在天然气射流与柴油喷雾接触区域出现了湍流强度很小的区域，这主要是柴油喷雾干扰产生的.

双燃料喷雾速度场随时间的变化如图16所示，由于柴油的喷射时间较短，喷射压力较低，使得其射流速度较慢.天然气射流中心区域速度很快，沿天然气射流径向，天然气速度快速下降.沿天然气射流轴向，天然气速度缓慢下降.随着时间的推移，天然气射流头部的速度逐渐下降，而射流底部仍保持较快的速度.当天然气喷射结束时，天然气射流底部速度快速下降，其内部速度趋于一致.当喷射时间为0.30 ms时，由于柴油喷雾造成空气流动，使得在天然气射流头部下方空气具有一定向下的速度.这时天然气与柴油还没有接触，但天然气射流已经受其下方空气影响，使得射流头部形状和体积分数场发生变化.这说明在双燃料喷雾中，柴油射流还可以间接对天然气射流产生作用.当喷射时间为0.30 ms和0.50 ms时，天然气射流侧面有明显的涡旋.当喷射时间为0.50 ms后涡旋逐渐减弱.

图16 双燃料喷雾速度场随时间的变化

3 结 论

1) 随着喷射压力减小和环境背压升高，由于柴油对天然气的卷吸作用减小，单燃料喷射和双燃料射流完整轮廓线周长减小，而且喷射工况中两者的天然气射流完整外轮廓线周长差距变小；双燃料喷射工况下的射流轮廓线长度波动变小.

2) 随着喷射压力减小，天然气射流前端轮廓线长度和侧面轮廓线长度均减小，单侧面轮廓线长度下降更多，天然气喷射压力的下降，使天然气侧面受卷吸影响更大.

3) 随着环境背压减小，单燃料与双燃料喷射下天然气射流前端轮廓线长度和侧面轮廓线长度均增大，且射流轮廓线长度差距增大.柴油喷射时，环境背压对天然气前端卷吸过程有较大影响，但随着环境背压的升高，柴油喷射对天然气射流侧面卷吸过程影响减弱.

4) 当天然气射流头部碰到柴油喷雾时，由于柴油喷雾的阻碍，部分天然气会停在射流头部，影响了整个射流的体积分数分布.天然气喷射压力越小，柴油对天然气射流卷吸的影响越大.

5) 天然气射流从头部到底部速度减小，由于柴油喷射和天然气射流与空气卷吸的影响，在射流中部存在许多涡旋和涡量场，在柴油喷雾与天然气射流相互碰撞的区域出现了很小的湍流强度.