定容弹内煤制油喷雾及着火特性的可视化研究

谭贵荣,赵增亮,王毅,陈俞霖,黄豪中

(1.广西玉柴机器股份有限公司,广西 玉林 537005;2.广西大学机械工程学院,广西 南宁 530004)

中国能源结构的典型特征是缺油、少气、富煤,煤炭储存量达到5.9×1012t,占能源总量的94%[1]。同时,中国对石油能源的需求较大,石油消费量位于世界前二。但国内的石油资源与消费需求并不匹配,进口依赖度过高,容易受到国外制约,对我国的能源安全构成严重威胁。

近十年来,在重型运输、工程机械以及工业生产等领域,以石油产品为燃料的发动机仍旧是最主要的动力装置。随着“双碳战略”的提出,中国重型商用车燃料消耗量限值(第三阶段)、国六b排放法规相继出台[2-3],对发动机的油耗和NOx排放提出了更加严厉的要求。这就迫使研究人员开发更为清洁的替代燃料,以优化发动机的燃烧特性,降低排放,减少我国对石油资源的进口依赖[4]。

煤制油(coal to liquid,CTL)是一种以煤为原料,通过直接液化或间接液化技术生产的合成燃料。其中,间接液化法主要使用费托合成法,对原料煤的品质要求较低,得到的煤制油组分与石油基柴油十分相近。相比柴油而言,煤制油具有高十六烷值、低硫、低芳烃含量的优点,有利于提高发动机的燃烧性能。我国已形成了规模化的大型生产线[5],为煤制油的推广应用打下了良好的基础。

目前,以煤制油作为替代燃料,国内外相继开展了试验和仿真研究,以分析其性能表现。Soloiu等[6]试验研究了CTL20混合燃料(80%超低硫柴油+20%费托煤制油)在柴油发动机上的燃烧性能,结果表明:CTL20在较高喷油压力下可以降低NOx排放,且能够使燃油消耗率降低3%～5%。强艳飞等[7]通过Converge软件仿真分析了F-T煤制油在缸内直喷柴油机上的性能表现,结果表明:燃用F-T煤制油时,缸内压力低于燃用普通柴油,放热始点提前,预混放热峰值降低,且炭烟排放量相比于柴油降低了42%。Sun等[8]研究了CTL-汽油混合物对压缩点火发动机燃烧性能和排放特性的影响,研究结果表明,CTL-汽油混合物带来更高的预混合燃烧比,并可在引入EGR后保持最低水平的烟尘和NOx排放。刘海峰等[9]使用直接液化煤制油和间接液化煤制油进行试验,研究了两者对重型柴油机燃烧和排放的影响,研究发现,间接液化煤制油的滞燃期短,预混燃烧比例低,最大压力升高率较小,在大负荷工况下有效热效率低于柴油。

综上所述,煤制油的燃烧性能良好,且有助于降低排放,是一种极具潜力的柴油替代燃料。然而,目前的研究主要集中在煤制油对发动机燃烧和排放的影响,对煤制油的喷雾特性了解十分有限。燃油喷雾的破碎、蒸发过程影响着缸内油气混合情况,进而影响发动机的燃烧特性。因此,有必要使用可视化装置,对比分析煤制油和柴油的雾化过程,从而认识煤制油的燃烧机理,为煤制油的实际应用提供理论支持。

1 研究对象

1.1 试验平台

试验在一套光学可视化测试平台上进行,该平台由课题组自行搭建而成,能够对液态燃料开展喷雾和燃烧试验。测试平台主要包括定容燃烧弹、高压共轨喷油系统、图像采集系统等,整体系统结构如图1所示。

1—油箱; 2—高压油泵; 3—高压共轨; 4—ECU; 5—卤钨灯; 6—高速相机; 7—计算机; 8—高压气瓶;9—石英视窗; 10—热电偶; 11—定容燃烧弹; 12—喷油器。图1 可视化试验平台装置

其中,定容燃烧弹为方形结构,弹体材料为45号钢,壁厚65 mm,内部空间约7.5 L。侧面安装有3个带有石英玻璃的圆形视窗用于图像采集,石英玻璃厚度70 mm,圆形视窗直径为100 mm,玻璃透光率约为90%。定容燃烧弹内安装有4根电加热棒,以对定容弹内气体进行加热。摄像系统采用FASTCAM-SA7高速相机,可实现最高30 000 帧/s的拍摄速度。为了获得完整的喷雾图像,通过程序控制使喷油信号触发高速相机完成拍摄。考虑到信号传递的延迟,在试验中设置高速相机触发提前量为5 ms。

定容燃烧弹内还安装有热电偶温度计、压力表等仪器,用于检测定容弹内的压力和温度(分别命名为环境压力和环境温度)。压力表量程0～10 MPa,测量误差1.6%;热电偶温度计量程273.15～1 000 K,误差小于0.15%。试验开始前需检查气密性,通过注入压缩空气使环境压力达到6 MPa,定容弹静置1 h后环境压力变化小于0.1 MPa,证明该装置的气密性良好。

1.2 特征参数

试验过程中通过高速摄影获得喷雾的原始图像,然后导入MATLAB中进行处理,通过去背景操作和灰度处理,实现喷雾前景图像与背景部分的分割,从而得到具有完整喷雾形状的图像。

喷雾的主要特征参数有喷雾贯穿距离(SL)和喷雾锥角(θ)。喷雾参数定义示意见图2。其中,液相喷雾贯穿距离定义为燃油从喷嘴喷出到喷雾前端能够达到的最远轴向距离。根据相关定义[10],以1/2燃油喷雾贯穿距离处喷雾边缘轮廓两条切线形成的夹角作为液相喷雾锥角。利用Sobel算子和Canny算子对喷雾图像做边缘检测,基于图像像素点和相关公式,即可计算出喷雾特性参数的具体数值。

图2 喷雾参数定义示意

1.3 试验方案

为了研究煤制油和柴油的具体区别,喷雾试验在不同环境压力和环境温度下进行,整体方案如表1所示。

表1 试验方案

2 试验结果分析

2.1 环境压力对喷雾特性的影响

图3示出了环境温度为500 K时,煤制油和纯柴油在不同环境压力下的喷雾发展趋势。试验过程中采用直拍法来获取喷雾图像,这种方法的缺点在于只能捕捉到液相燃油喷雾。因此,根据喷雾图像的亮度可以确定其雾化情况:聚集大量液相燃油颗粒的位置(如喷雾中心处)对光的散射作用强,亮度较大;而亮度较小的位置表示此处的液相燃油颗粒大部分已经汽化,属于液相-气相的混合区域。

图3 不同环境压力下喷雾形态的变化

从图3a中可以看出,煤制油的液相喷雾形状在短时间内剧烈变化,喷油后(after start of injection,ASOI)0.7 ms的时间内就从油束形态成长为类似锥形的喷雾形状。在喷油前期,液态燃油在喷油器的高压作用下从喷孔垂直向下喷射,初始动能较大,因此呈现出束状形态。随着喷油的持续进行,燃油束卷吸空气与之混合,液态燃油破碎为颗粒,并在气流的带动下往径向方向发展。因此在这段时间内,喷雾贯穿距和喷雾锥角均快速增加,喷雾面积迅速增大。而在这之后,燃油喷雾受到环境阻力的影响,大颗粒燃油液滴破碎为小颗粒,动能减小,喷雾向前发展的趋势放缓,喷雾形态不再发生大的改变。此外,在喷雾的边缘轮廓处,部分卷吸了热空气的燃油液滴被蒸发汽化,出现了液-气混合的稀薄区域,导致平顺性降低。

对比图3a和图3b可知,柴油和煤制油具有同样的喷雾发展趋势,且受到环境压力的影响也相同。从喷雾图像来看,煤制油喷雾表现出明显的三角锥形状态,而柴油喷雾前端呈现出的最终状态近似于弧形。根据喷雾图像还可以发现,煤制油喷雾具有更宽泛的面积,说明其扩散性能要优于柴油。

图4、图5分别示出了液相喷雾贯穿距和喷雾锥角的变化。可以发现,煤制油和柴油的喷雾贯穿距具有相同的发展趋势,曲线斜率随时间的推移而不断减小。在喷雾发展前期,燃油液滴的初始动能较大,贯穿距迅速增加。而在中后期时,燃油液滴的动能在环境阻力的影响下不断减小,喷雾贯穿距的增速放缓,因此贯穿距曲线变得平缓。相比之下,喷雾锥角曲线的斜率更低。在喷油开始后,喷雾锥角迅速增大到一定程度,然后在这个特定值附近上下波动。

图4 不同环境压力下的喷雾贯穿距(环境温度500 K)

图5 不同环境压力下的喷雾锥角(环境温度500 K)

从整体来看,随着环境压力的升高,煤制油喷雾的贯穿距逐渐减小,而喷雾锥角则呈逐渐增大的趋势。环境压力由3 MPa提高到6 MPa时,煤制油喷雾的贯穿距减小了22.67%,而锥角则增大了46.9%。在低环境压力下,油束受到的环境阻力较小,动能的损失量较低,因此油束的发展较为容易,贯穿距较长。随着环境压力的增加,定容弹内环境气体的密度增大,燃油喷雾受到的阻力增加,动能损失提高。此时燃油束在轴向方向的发展受到抑制,而在径向方向的发展趋势得到增强。因此,随着环境压力提升,出现喷雾贯穿距减小而喷雾锥角增大的现象。

对比煤制油和柴油的喷雾贯穿距曲线可知,在3 MPa的环境压力下,两种燃油的最大喷雾贯穿距分别为60 mm和58.8 mm,煤制油喷雾的贯穿距略大于柴油喷雾。这是因为在低环境压力下,环境阻碍较小,贯穿距主要与液滴的初始动能有关。在相同喷射压力下,密度越小的燃油,其液滴的初始速度越大[11],越有利于轴向方向的发展,因此小密度的煤制油拥有较大的贯穿距。当环境压力提高到6 MPa时,煤制油的喷雾贯穿距急剧降低,甚至低于柴油。在500 K,6 MPa的环境条件下,煤制油和柴油的喷雾贯穿距分别为46.4 mm和49.6 mm。这是因为煤制油的黏度和表面张力低于柴油,在高压环境中更容易破碎成小颗粒,而破碎过程中液滴的部分动能转移给环境气体,降低了液滴在轴向方向的贯穿能力。

对于喷雾锥角,所有工况下煤制油均拥有比柴油更大的数值。特别是在6 MPa时,煤制油喷雾的锥角比柴油增加了4.5°。出现该现象的原因主要在于煤制油和柴油的物性区别。由于煤制油的密度低于柴油,在相同喷射压力下能获得更大的喷射速率,使得燃料破碎后湍流混合速率增大,燃油液滴沿喷嘴径向的速度梯度提升[12],进而加大了喷雾锥角。

2.2 环境温度对喷雾特性的影响

图6示出6 MPa的环境压力下,环境温度对煤制油喷雾形态的影响。从图中可以发现,随着温度升高,煤制油的液相喷雾面积逐渐减小,喷雾形态发生了较大改变。在500 K温度下,喷雾能观测出良好的“锥形”形态。而在温度升高到700 K后,喷雾显示出狭长的“束状”形态,在喷雾前锋面出现明显的液-气混合稀薄区域。此外,可以发现在700 K环境温度时,0.7～1.5 ms时间内,喷雾形态未产生明显变化。这是因为在高温环境中,燃油喷雾蒸发速度较快,0.7 ms后燃油的补充和蒸发达到平衡,这种状态被称为液态喷雾的准稳态阶段。

图6 不同环境温度下煤制油喷雾形态的变化

如前所述,燃油束卷吸空气,破碎成小液滴,从而往径向发展形成锥形喷雾。随着环境温度的升高,燃油液滴与环境热气体产生了更加强烈的对流换热,且定容弹内的蒸发效果加强,大量燃油液滴在破碎后迅速汽化,因此径向方向上没有足够的液相燃油存在。最终只有喷雾中心轴处存在较多的液态燃油,故得到的图片上呈现出燃油束的形态。由于环境温度较高,燃油液滴只需卷吸少量环境气体即可雾化,所以喷雾前端显得更为发散,在700 K时出现了液-气混合稀薄区域。

图7示出柴油在不同环境温度下的喷雾形态变化,可以发现柴油表现出和煤制油相同的趋势。在700 K的温度下,柴油喷雾前端出现了大量的液-气混合区,发散情况较煤制油喷雾更为明显。这主要是两者的蒸发性不同导致的。柴油的50%馏分温度和终馏点均高于煤制油,在高温下的蒸发性能弱于后者。因此在达到准稳态喷雾阶段后,柴油喷雾前端破碎产生的小液滴汽化速度慢于煤制油喷雾,因此柴油喷雾前端出现了更多的稀薄区域。

图7 不同环境温度下柴油喷雾形态的变化

图8示出了煤制油和柴油在不同环境温度下液相喷雾贯穿距随时间的变化。可以看到,液态贯穿距与温度之间未表现出明显关系。在500 K和600 K时,喷雾贯穿距相差不大,但当温度提升到700 K后,贯穿距急剧减小。这主要是因为700 K的环境温度超过了煤制油和柴油的馏程,在油束进入定容弹后,油束前锋面迅速受热汽化,喷油后短时间内液态喷雾就进入准稳态阶段,液相喷雾贯穿距达到峰值,后续燃油的持续喷入造成贯穿距产生波动,从而出现图8中所展示的贯穿距曲线形状。

图8 不同环境温度下的喷雾贯穿距(环境压力6 MPa)

图9示出了煤制油和柴油在不同环境温度下喷雾锥角的变化趋势。由图可知,在高温环境下,煤制油喷雾的锥角依然大于柴油喷雾。随着温度的升高,两种燃料的喷雾锥角均呈减小的趋势。特别是环境温度由600 K提升到700 K时,煤制油的喷雾锥角减小了34%。其原因如前所述,径向方向的大量燃油液滴被汽化,使得液态喷雾锥角明显减小。

图9 不同环境温度下的喷雾锥角(环境压力6 MPa)

2.3 环境压力对着火特性的影响

为了研究煤制油的着火特性,提高环境温度至800 K,替换环境气体为空气进行试验。图10所示为不同环境压力下的煤制油火焰图像。

由图10可知,在3 MPa的环境压力下,煤制油的着火点较宽,处于喷雾中前段。着火后发生明显的扩散燃烧现象,火焰沿喷雾轴向同时向上下游方向发展,火焰面积扩大,火焰浮起长度减小。随着燃烧的进行,火焰不再向上游发展,火焰前锋面变宽,逐渐呈现锥形形状。最终,火焰失去燃油喷雾的支撑,亮度和面积逐渐衰减。当环境压力升高到5 MPa时,煤制油的着火时刻明显提前,喷油后0.7 ms时即有火核出现。随着喷油的进行,补充的燃油迅速燃烧,火焰亮度明显提高。在高压作用下,喷雾锥角增大,火焰也往径向发展,呈现出类似球形的形态。

对比图10a和图10b可以发现,在高环境压力下,火焰亮度有明显提升。而火焰自然发光主要归因于炭烟颗粒在高温下热辐射发光,因此生成的炭烟越多,火焰亮度越高。随着环境压力的提升,滞燃期缩短使得扩散燃烧比例增加,促进了炭烟的生成,使得火焰亮度提高。

图11示出了环境压力对火焰浮起长度的影响。火焰浮起长度是指在混合油气着火后,扩散火焰距离喷嘴最近位置的长度[13]。由前所述,随着环境压力增大,喷雾的轴向发展受到抑制,但有更多的液滴破碎成小颗粒,油气混合质量提高,形成了喷雾自燃的有利条件。因此,高环境压力下煤制油自燃的时刻提前,火核出现的位置更靠近喷嘴,故火焰浮起长度随环境压力的提升而迅速缩短。当环境压力由3 MPa提高到6 MPa时,火焰浮起长度由38.8 mm缩短至30 mm,降幅达到22.7%。

图11 不同环境压力下的火焰浮起长度

从煤制油和柴油的喷雾特性对比来看,两者表现出良好的一致性。煤制油在高温环境中更容易蒸发,其贯穿距低于柴油,故煤制油在实际使用过程中更不容易产生撞壁现象。从煤制油的着火特性看,其在高压环境中滞燃期较短,火焰传播速度较快,有利于燃烧反应的进行。因此,使用煤制油作为柴油的替代燃料,在喷油器的选择和发动机活塞燃烧室等结构设计方面都无需进行改动,可以有效节约设计成本。

3 结论

a) 随着环境压力提升,燃油液滴受到的阻力增加,更多的液滴破碎成小颗粒,动能逐渐减小,在轴向方向的发展受到抑制;而高环境压力带来更大的气体剪切力,使得喷雾与环境气体的卷吸作用增强,促进了燃油液滴在径向方向的发展,从而提高了喷雾锥角;

b) 随着环境温度的提高,煤制油和柴油的喷雾贯穿距、喷雾锥角均表现出明显的降低趋势;在6 MPa的环境压力下,环境温度由600 K提升到700 K时,煤制油的喷雾锥角减小了34%;

c) 煤制油喷雾和柴油喷雾具有良好的一致性,相比于柴油,煤制油喷雾的贯穿距较短而锥角较大;在500 K,6 MPa的环境条件下,煤制油和柴油的喷雾贯穿距分别为46.4 mm和49.6 mm,因此在实际使用时,煤制油更不容易产生撞壁现象;

d) 当环境压力由3 MPa提高到6 MPa时,煤制油的着火时刻明显缩短,火焰浮起长度由38.8 mm缩短至30 mm,火焰亮度提高,并呈现出类似球形的形态。