多元燃料低温喷雾特性预测模型构建及仿真分析

摘要： 为探究低温工况下醇类掺混对柴油喷雾特性的影响，明晰多元燃料物性与喷雾特性的联系，利用高速摄影技术进行了柴油与丙醇、己醇混合燃料（醇类掺混比分别为0%，20%，40%）低温工况喷雾试验，基于掺混燃料各组分物性进行了Higgins液相贯穿距预测模型修正以及CONVERGE仿真破碎模型参数修正，并进一步通过仿真探究了醇类掺混对柴油喷雾温度及当量比分布特性的影响。结果表明：在低温工况下，醇类的蒸发性远好于柴油，在喷雾发展过程中醇类先于柴油蒸发，高汽化潜热引发了喷雾核心区域温度降低，进而抑制了柴油液滴的破碎与蒸发过程，最终导致了喷雾液相贯穿距的延长，且随着掺混比的增大，抑制作用更加明显。

关键词： 喷雾特性；多元燃料；低温试验；模型修正；燃料；物性

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.001

中图分类号：TK421.43" 文献标志码： B" 文章编号： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００01 11

随着我国经济的快速增长，汽车工业持续发展，目前，交通运输行业的能源严重依赖于汽油、煤油和柴油等化石基液体燃料。尽管我国新能源汽车发展迅速，但新能源汽车绝大多数分流了汽油车销量，而柴油车的电动化替代依旧任重而道远^［1］。大量化石燃料的燃烧除了造成能源的短缺，同时也引发了严重的环境污染问题^［2］。因此，发展柴油替代能源以及实现柴油替代燃料的多样化，是解决汽车的燃油匮乏问题、缓解碳排放及环境污染问题的重要途径，对实现国家“可持续发展”及“双碳”目标具有重要意义。

生物燃料被认为是最可行的清洁能源之一，大量研究均表明醇类燃料可以直接在柴油机中应用而不改变其原有结构，可将醇类与柴油进行调和，形成专门设计的多元化混合燃料，通过改进混合燃料的理化特性实现传统燃料与含氧燃料的优势互补^［3］。

然而，醇类物性相较于柴油物性还具有低沸点、低热值、高汽化潜热的特征，因此在掺混燃料中，醇类组分相较于柴油组分具有更强的蒸发性。北京理工大学的Z. J. NI等^［4］建立了多组分柴油表征燃料与ABE燃料的掺混物液滴蒸发模型，并发现酮类和醇类组分先于柴油组分快速蒸发，并能显著降低液滴温度，使得柴油表征燃料组分的蒸发速率保持在一个较低水平。所以在低温工况下，掺混醇类会恶化柴油喷雾的蒸发过程，当使用醇类替代部分柴油应用于柴油机时会存在冷起动困难的问题，因此，针对低温工况下的醇类掺混燃料研究是很有必要的。

柴油与醇类掺混燃料的喷雾特性是影响发动机高效清洁燃烧的关键因素^［5］。液相贯穿距作为衡量喷雾破碎蒸发效果的关键宏观喷雾特性之一，是压燃式发动机设计过程中一个重要的喷雾特征参数。文献［6］中Higgins给出了液体长度与燃料性质的关系式，可预测液体长度随燃料性质和操作条件的变化而发生的相对变化。然而Higgins提出的预测公式仅适用于常规柴油液态替代燃料典型工况下的贯穿距预测，有关低温工况下掺混燃料物性对喷雾特性的影响研究还很少。

已有的关于柴油 醇掺混燃料的喷雾特性研究主要集中于试验研究，通过采集喷雾宏观特性数据进行研究分析。长安大学张文凯^［7］在柴油中掺混体积分数分别为0%，10%和20%的环己醇进行燃油喷雾试验，试验表明在相同环境条件下，CH10和CH20的喷雾贯穿距均大于柴油。H. P. SU等^［8］研究了不同掺混比的乙醇与生物柴油混合燃料的喷雾与雾化特性，结果表明乙醇的添加对混合燃料喷雾贯穿距影响不大。华中科技大学马寅杰^［9］研究了正戊醇与柴油混合燃料的喷雾特性，结果表明，正戊醇的加入显著降低了柴油喷雾贯穿能力。

综上所述，在不同环境条件下，不同醇类以及不同醇类掺混比对于柴油宏观喷雾特性的影响规律不同，因此有必要总结燃料物性以及环境因素对喷雾发展过程的影响规律。本研究针对低温工况下的柴油 醇掺混燃料喷雾特性进行研究，对喷雾宏观现象的微观破碎与蒸发过程进行量化分析，研究喷雾宏观特性变化的内在机理，从而探明低温工况下掺混醇类对柴油喷雾特性及混合气形成过程的影响，明晰多元燃料物性与喷雾特性的联系。

1 研究方法

1.1 试验装置

燃油喷射过程在内部体积为15 L的CVCC（定容燃烧弹）中模拟，通过在一个高压容器内对充量进行加压和加温来模拟发动机缸内压缩终了时刻的环境条件，CVCC主体主要由腔体、端盖法兰、石英视窗、法兰螺栓、防松垫圈、石墨垫片、保温层盖板、保温层盖板螺钉、加热管、硅胶垫片和金属孔堵组成。试验装置的示意见图1。在本研究中，0号柴油通过0.12 mm的博世单孔喷油器喷射到燃烧室，喷油压力和喷油持续时间由安装了ECKA 2.0数据采集软件的ECTEK电子控制单元（ECU）控制。该CVCC有4个垂直分开布置的直径为100 mm的光学石英视窗。腔体的材料为40CrNiMoA高强度合金钢，有高的强度、韧度和良好的淬透性以及抗过热的稳定性，经强度校核计算，该预燃式定容弹腔体能够承受30 MPa的超高压热冲击。有关该光学试验装置的更多信息参见文献［10 11］。

为了全面探究掺混醇类燃料对柴油低温喷雾特性的影响，根据F. S. LIU等^［12］对柴油临界着火条件的研究基础，本研究选取环境温度800 K作为低温工况代表温度，进行不同醇类及掺混比下的低温喷雾特性试验。将丙醇（P）、己醇（H）燃料分别按照20%和40%的体积比与柴油（D）进行掺混，80%柴油掺混20%丙醇记为D80P20，60%柴油掺混40%丙醇记为D60P40，80%柴油掺混20%己醇记为D80H20，60%柴油掺混40%己醇记为D60H40。试验工况为喷射压力60 MPa，喷油量18.2 mg，燃油温度293 K，环境温度800 K，环境密度10 kg/m3，喷孔直径0.12 mm，环境氧体积分数21%。

试验中配置的燃油均按照室温下的体积比例掺混。将配置好的燃油搅拌后静置1周，确定没有出现燃油分层现象后，在试验前进行第二次搅拌。表1示出了各掺混燃料的宏观理化特性^{［13 14］}。

1.2 喷雾模型

本研究的CONVERGE仿真模型构建采用C. H. SUN等^［15］构建的四组分（丁基环己烷（C4H9CC6H11）、异十六烷（IC16H34）、甲基萘（A2CH3）、正十六烷（NC16H34））柴油表征燃料机理，包含80种物质和251个反应，构建的表征燃料能够更好地再现真实柴油的蒸馏性能，在蒸馏曲线上与柴油最为贴近，可以用于预测柴油的关键理化特性。其中表征燃料各组分的质量分数如表2所示。

在CONVERGE中建立直径150 mm、高度51 mm的圆柱体区域以模拟燃油喷射过程。喷嘴位于距顶面1 mm的轴线上。最小网格尺寸为0.25 mm时对应的基本网格尺寸为发动机燃烧网络（ECN）推荐的喷雾燃烧模型的网格尺寸^{［16 17］}，基本网格尺寸设置为4 mm。为了捕捉喷雾的细节，在喷嘴和壁面附近使用了4级加密。在速度变化的区域对网格进行自适应加密，最小细化网格尺寸为0.25 mm。具体模型设置如表3所示。

2 结果和讨论

2.1 基于物性的多元燃料贯穿距预测模型构建

为了深入探究在低温工况下，不同醇类及不同掺混比对喷雾气液相贯穿距的影响规律，本研究利用高速摄影技术在环境温度800 K、喷油压力60 MPa时进行了喷雾试验。图 2示出了不同掺混燃料在其液相喷雾稳定后的原始试验图像，可以看到，在低温工况下，醇类掺混燃料喷雾液相贯穿距（LPL）相比于纯柴油出现延长现象，且醇类掺混比越大，LPL延长现象越明显，而相同掺混比下不同醇类掺混燃料的LPL几乎一致。LPL与燃油喷雾的破碎和蒸发过程相关，其延长现象表明喷雾液滴的破碎蒸发过程受到抑制。

由于气相喷雾随着时间的发展处于持续扩散过程，因此选取各燃料气相喷雾发展过程中的同时刻图像进行对比。图3示出不同掺混燃料在0.7 ms时的气相喷雾原始图像，可以发现不同掺混燃料气相喷雾轮廓与喷雾贯穿程度几乎一致。

为进一步探究喷雾宏观特性随时间的发展规律，利用图像处理技术对不同掺混燃料在不同时刻的气液相贯穿距进行计算，结果如图4所示。由图4a可以看到，随着燃油喷出，液相贯穿距逐渐增大，各掺混燃料在喷雾初期LPL的发展趋势几乎一致，是因为喷雾初期LPL的发展主要受初始动能的影响，在喷油参数一致的情况下，喷雾初期贯穿距相同。在空气的卷吸和加热作用下，燃油补充与液滴破碎蒸发过程达到动态平衡，最后LPL稳定在某一值附近波动。其中，D100稳定在29 mm左右，D80P20，D80H20稳定在33 mm左右，D60P40，D60H40稳定在39 mm左右。由图4b可以看出，不同掺混燃料的气相贯穿距（VPL）随时间发展几乎保持一致，均呈现逐渐上升的趋势，是因为VPL主要受喷油压力等喷油参数的影响，与燃料物性相关性不大，因此醇类掺混燃料相对于柴油喷雾VPL几乎没有变化。

根据燃料物性可知，醇类燃料本身的蒸发性能远好于柴油，其沸点低更易蒸发、密度低更易破碎，对掺混燃料的贯穿能力具有抑制作用，理论液相贯穿距应呈现下降趋势。然而，本研究中醇类燃料与柴油的物理性质，尤其是沸点、比热容、汽化潜热，差异巨大。因此，从蒸发特性上分析，柴油掺混醇类燃料之后会有如下表现：由于沸点低，醇类燃料会先于柴油迅速蒸发并降低液滴周围气相温度；由于汽化潜热高，醇类燃料在蒸发过程中吸收大量热量，会降低柴油液滴温度；由于醇类比热容高，喷雾卷吸空气带来的加热作用进一步减弱，最终表现为柴油蒸发速度减慢，整体液滴寿命增长。本研究中，低温工况冷空气对喷雾的加热能力有限，不足以弥补醇类蒸发对喷雾的冷却作用，综合构成醇类对柴油贯穿能力的促进作用，引起醇类掺混燃料液相贯穿距增长的现象。

为了更全面地评估掺混燃料物性对喷雾液相贯穿距的影响，本研究拟引入喷雾液相贯穿距理论预测模型，从而对燃料物性与喷雾发展过程间的联系进行探究。经调研发现，Higgins模型直接从多元燃料各物性出发，在考虑环境工况的同时，基于喷雾发展过程中的运动状态与能量传递过程对掺混燃料液相贯穿距进行预测，对本研究低温工况醇类掺混燃料喷雾液相贯穿距延长现象的理论分析具有重要指导意义。除此之外，Higgins模型也是众多研究人员^{［18 20］}进行多元燃料喷雾液相贯穿距预测的原始参考公式，他们多在Higgins模型的基础上进行修正或参考该模型的形式进行构建。因此，本节引入Higgins模型并基于二元燃料蒸发顺序差异对模型公式进行修正。

Higgins模型提出的液相贯穿距预测公式如下：

xliqd0=kAαBβ。（1）

式中：xliq为液相贯穿距；d0为喷孔直径；A为燃料密度与空气密度之比；B为“比能量比”；k，α，β为Higgins在公式参数标定中确认的适用于典型温度/密度的相关系数^［6］。

通过质量和动量守恒分析可知，贯穿能力与燃料密度和空气密度比值成比例关系，A的计算公式如下：

A=ρfρa。（2）

式中：ρf为燃料密度；ρa为空气密度。

从能量守恒的角度分析发现，液相贯穿距与液相燃油蒸发所需能量和喷雾卷吸空气带来的热量之比相关，定义为“比能量比”B，计算公式如下：

B=hvap+cp，liqTb-Tfcp，airTair-Tb。（3）

式中：cp，liq为燃料比定压热容；Tb为燃料沸点；Tf为燃料初始温度；hvap为燃料汽化潜热；cp，air为空气比热容；Tair为空气温度。对于多组分燃料，B可通过各组分物性进行计算：

B=∑mihvap，i+cp，liq，iTb，max-Tfcp，airTair-Tb，max∑mi。（4）

式中：mi为各组分质量；Tb，max为各组分中最高的沸点。本研究中柴油、丙醇、己醇采用的沸点分别为565 K，370 K，430 K，因此醇类掺混燃料的Tb，max均为565 K。

在Higgins模型中，参数A反映了燃料与空气的相对运动状态，考虑了燃料与空气密度的影响。参数B反映了燃料与空气的能量传递过程，考虑了燃料沸点、比热容、汽化潜热和空气温度的影响。可根据不同掺混燃料物性计算得到Higgins模型中参数A和B的取值。不同掺混燃料的Higgins模型参数计算结果如表4所示。

通过进一步分析Higgins公式中各参数的物理意义发现，在公式中参数B的计算过程中，分子表征单位质量的液态燃料蒸发所需要的能量，其中液态燃料由初始温度升温至沸点所需能量计算公式中的沸点统一取值为混合燃料中单组分最高沸点，而忽略了上文提到的二元液滴蒸发过程中醇类燃料先于柴油燃料蒸发所引起的对燃料综合蒸发效应的抑制过程。研究人员使用Higgins模型比较了单组分燃料和掺混燃料液相贯穿距预测结果，发现模型中燃料沸点Tb的取值对预测结果影响较大。由于模型中使用掺混燃料组分沸点最高值Tb，max进行计算，因此在考虑蒸发过程传热量时，不同掺混比的燃料差距极小。E. CANAAN，K. MYONG，D. L. SIEBERS等^{［18 20］}分别尝试选取掺混燃料馏程中的50%，75%，90%作为Tb的值代入模型进行拟合，不同燃料在各自工况下均出现较好的拟合结果，说明该值应随燃料组分和比例进行调整。

因此，本研究基于醇类掺混燃料各组分蒸发顺序不同对Higgins公式中B的计算公式进行修正，提出基于掺混燃料组分质量分数计算的掺混燃料表征沸点，由各组分燃料沸点以及各组分燃料质量分数确定，用掺混燃料表征沸点Tb，l替代原公式中的Tb，max，拟合所得计算公式如下：

Tb，l=k（Tb，1M1α+Tb，2M2β）。（5）

式中：k=0.965；α=0.377；β=1.027；Tb，1为柴油沸点；M1为柴油质量分数；Tb，2为醇类沸点；M2为醇类质量分数。此公式中M1lt;1，M2lt;1，αlt;1，βgt;1，且由于Tb，1gt;Tb，2，表明在计算过程中提升了混合燃料整体沸点，考虑了由于醇类汽化潜热降温对液滴蒸发过程的抑制作用，修正后的B计算公式如下：

B=∑mihvap，i+cp，liq，iTb，l-Tfcp，airTair-Tb，l∑mi。（6）

基于修正后的公式计算所得掺混燃料综合表征沸点Tb，l及B如表5所示。从表5可以看到，修正后的掺混燃料表征沸点Tb，l相对于原公式的Tb，max（565 K）有了一定程度的提高，同时B与原公式计算结果相比也有了提升，表明受醇类低沸点、高比热容、高汽化潜热的影响，喷雾温度降低，整体液滴的蒸发过程受到抑制，液滴蒸发所需能量提高。

利用修正前与修正后的Higgins公式进行计算，环境温度为800 K时不同掺混燃料喷雾液相贯穿距预测值与实际值对比如图5所示。由图5可见，Higgins公式修正前预测误差较大，修正后Higgins公式预测误差在0.3%以内，充分考虑了在喷雾发展过程中醇类燃料先于柴油燃料蒸发对燃料整体蒸发的抑制效果，验证了修正后的Higgins公式在低温工况下液相贯穿距预测的准确性。

2.2 基于物性的CONVERGE破碎模型修正

为了明晰醇类掺混燃料喷雾发展过程中的液滴破碎与蒸发过程，通过CONVERGE三维CFD仿真进行探究，首先进行了柴油模型的标定，以标定后的柴油模型为基础，仅替换仿真模型燃料物性相关机理文件，固定模型参数，将喷雾液相贯穿距与气相贯穿距作为喷雾特征参数进行标定，仿真计算结果如图6所示。由图6可见，LPL计算结果相近，未能反映试验中掺醇导致柴油喷雾液相贯穿距增大的现象，说明针对不同的掺混燃料仿真模型，仅替换燃料物性文件在喷雾破碎、蒸发过程的预测上会存在偏差。

燃油高速喷出后，随着喷雾的发展，液滴与空气的相对运动速度逐渐降低，而喷雾温度降低会抑制燃油蒸发，使得喷雾中留存更多未完全蒸发的低速油滴，导致剩余油滴平均相对速度降低，破碎过程受抑制，破碎时间延长，喷雾液滴整体平均尺寸增大。

为了对破碎及蒸发模型进行准确修正，首先提取不同掺混燃料液滴温度 液滴尺寸（半径）点图（见图7）。由图7可以发现，掺混醇类造成整体液滴温度降低，并且随着醇类掺混比的增大，整体液滴温度下降更明显。而不同燃料的整体液滴尺寸范围并未出现明显差异，因此模型能够体现不同掺混燃料蒸发过程的差异，而并未体现不同掺混燃料液滴破碎过程的变化。对于本研究选择的CONVERGE仿真喷雾破碎模型，影响液滴破碎过程、决定液滴尺寸的关键参数为C2，因此需要对破碎模型参数C2进行调整。

本研究对不同醇类掺混燃料油滴与空气的相对速度进行了计算，平均相对速度是通过将各液滴速度与其所在网格内气体速度作差再取平均值计算得到的，计算公式如式（7）所示。图8示出了计算得到的不同掺混燃料在喷雾发展过程中，不同时刻的液滴平均相对速度。从图8可以看出，不同掺混燃料喷雾液滴的平均相对速度几乎没有差异，未能体现醇类掺混燃料喷雾液滴破碎过程中由于醇类蒸发吸热、温度降低导致的液滴平均相对速度的降低效果。

平均相对速度=∑（单网格内液滴速度-单网格内气体速度）总网格数。（7）

除油滴与周围气体之间的相对速度外，液滴尺寸也是衡量油滴破碎程度的重要指标，本研究以SMD（Sauter平均直径）和DV90（体积分布中90%喷雾颗粒所对应的粒度）作为液滴尺寸的表征参数。图9及图10示出不同掺混燃料SMD及DV90的对比，从图中可以看出，不同掺混燃料的液滴尺寸几乎没有变化，仿真过程未能体现醇类蒸发吸热、温度降低对油滴破碎过程的抑制作用。

进一步提取不同掺混燃料气相温度场平均温度和最低温度，对比结果如图11和图12所示。从图中可以看到，掺醇造成了喷雾气相温度场平均温度与最低温度的降低，且随着醇类掺混比的增大，温度降低的现象更加明显。

除了计算气液相温度外，还可以通过计算不同醇类掺混燃料的柴油表征燃料蒸发率，验证醇类蒸发吸热的降温效应对柴油组分蒸发过程的抑制作用。图13示出不同掺混燃料同一组分蒸发率对比，蒸发率由式（8）计算：

蒸发率=气相燃油质量（气相燃油质量+液相燃油质量）。（8）

可以看出，掺混醇类导致柴油各组分的蒸发均受到抑制，且不同醇类掺混燃料在相同掺混比下的蒸发率下降程度几乎一致。随着掺混比的增大，柴油各组分的蒸发率进一步降低，即醇类含量的增加导致蒸发吸热的降温效应更加明显，从而进一步地抑制了柴油组分的蒸发。综上，可以判断仿真模型对喷雾液滴蒸发过程的模拟比较准确，能够复现醇类蒸发吸热对液滴蒸发过程的抑制效果。

因此，以标定后的柴油模型为基础、仅替换燃料的仿真模型的计算过程，能还原蒸发过程中因醇类大量蒸发导致的喷雾核心温度降低、柴油表征燃料各组分蒸发率下降等参数变化情况，而不能充分模拟低温工况下，掺混燃料由于醇类蒸发吸热、温度降低造成的液滴尺寸增大、液滴相对速度降低等液滴破碎过程抑制效应，所以需要对CONVERGE破碎模型的参数进行修正。

仿真模型中使用的是KH RT破碎模型^［21］，认为破碎子液滴尺寸与扰动波长成正比，如式（9）所示。同时引入了液滴尺寸变化率概念，认为原液滴尺寸变化并非阶跃，而是与子液滴尺寸相关的连续变化过程，如式（10）所示。而C2是液滴尺寸变化率计算过程中的关键参数，如式（11）所示。

rc=C1ΛKH，（9）

drpdt=-rp-rcτKH，（10）

τKH=3.726C2rpΛKHΩKH。（11）

式中：rc为子液滴尺寸；ΛKH为扰动波长；rp为液滴尺寸；drp/dt为液滴尺寸变化率；τKH为破碎时间；ΩKH为最大增长率。

之前的讨论已经证明，模型对液滴破碎过程预测不足，为弥补液滴尺寸变化，对模型中的破碎参数C2进行修正。图14示出模型标定后的C2修正结果。

本研究结合Higgins模型提出参数C2与燃料物性的拟合关系，为仿真模型标定提供理论依据。拟合形式如式（12）所示，其中λ为0.600，γ为0.260，σ为2.214。

C2=λ×ρfρaγ×∑mihvap，i+cp，liq，iTb，l-Tfcp，airTair-Tb，l∑miσ。（12）

式中：ρf为燃料密度；ρa为空气密度；cp，liq为燃料比定压热容；Tb，l为燃料表征沸点；Tf为燃料初始温度；hvap为燃料汽化潜热；cp，air为空气比热容；Tair为空气温度。

2.3 CONVERGE破碎模型验证与喷雾特性仿真

图15示出C2修改后仿真计算所得的不同掺混燃料液相贯穿距和气相贯穿距与试验数据的对比。

从图中可以看出，模型可以较好地预测掺混醇类对柴油喷雾液相贯穿距的延长作用，并且预测所得液相贯穿距与实际贯穿距较为接近。

为进一步验证修正后CONVERGE仿真模型对掺混燃料喷雾液滴破碎抑制作用的预测结果，量化液滴的破碎效果，本研究提取了修正模型计算所得域内不同掺混燃料喷雾的SMD及DV90随时间的变化曲线，如图16和图17所示。由图可见，修正后的仿真模型可以较好地模拟醇类蒸发吸热、温度降低导致油滴破碎效果被抑制的过程。掺混醇类提升了喷雾SMD，并且SMD随着掺醇比的增大而增大，说明燃油液滴整体尺寸范围上升。

如图17所示，燃油从喷嘴高速喷出，伴随着燃油液滴的破碎，不同掺混燃料喷雾的DV90也逐渐下降并且最终稳定在某一数值，表明燃油液滴随着高温空气的卷吸作用破碎加剧；掺混醇类提升了喷雾的DV90，并且随着掺醇比的增大而增大，验证了燃油液滴整体尺寸范围上升，油滴破碎过程被抑制的结论。

另外，本研究利用修正后的模型进行了不同醇类掺混燃料油滴与空气的相对速度计算，结果如图18所示。可以看到，油滴平均相对速度先增大后减小并稳定在一定水平；随着掺混比的升高，平均相对速度降低，同样也表明修正后的模型验证了掺醇导致喷雾油滴寿命增长、整体平均相对速度降低、破碎过程减慢的过程。

为量化掺混醇类对喷雾核心区域温度的影响，提取域内不同掺混燃料轴线温度及当量比发展变化曲线（见图19）。从图中可以发现，温度在轴向上呈现先降低后升高的趋势，其原因一方面为初始燃油温度低，大量液态燃油与周围空气的传热导致对气相喷雾的冷却，另一方面为醇类燃油沸点低，在初始阶段快速蒸发，引起喷雾根部当量比提升的同时也造成气相燃油温度的降低，高比热容也削弱了热空气对喷雾的加热作用，综合造成喷雾核心温度的急剧下降。随着空气的卷吸作用，燃油蒸气与周围空气混合使得温度逐渐上升，直至与环境温度一致，气相燃油被不断稀释，当量比逐渐下降。

通过提取不同醇类掺混燃料喷雾轴线上各物质组分浓度进行比较，可以验证二元醇类掺混燃料蒸发次序差异。图20中比较了不同掺混燃料喷雾轴线上的掺混燃料各组分分布情况，其中虚线代表四组分表征燃料质量分数之和，即柴油质量分数。可以看到，丙醇由于沸点远低于己醇，在喷雾根部（小于20 mm处）集中大量蒸发且质量分数快速升高，其质量分数远高于柴油组分。对于己醇，由于其沸点比丙醇高而比柴油低，所以在喷雾根部没有集中大量蒸发，但其质量分数仍高于柴油质量分数。对于高掺混比醇类掺混燃料，喷雾根部醇类组分先于柴油组分蒸发的现象更加明显。

综上，对于柴油 醇掺混燃料喷雾，在燃油喷射后，醇类的快速蒸发吸热造成掺混燃料喷雾温度降低，进而抑制喷雾液相根部附近柴油组分的蒸发，这是抑制喷雾液滴蒸发及破碎过程，进而引起液相贯穿距延长的关键因素。

参照Higgins公式原理对CONVERGE模型做出修正后，模型可以较好地模拟低温工况下醇类掺混对柴油喷雾破碎蒸发过程的抑制作用，可以较好地实现对柴油 醇掺混燃料喷雾气液相贯穿距的预测。

3 结论

a） 醇类掺混对柴油喷雾破碎及蒸发过程的抑制作用造成了混合燃料液相贯穿距的增大，且随着掺混比的增加，喷雾液相贯穿距也增大；

b） 基于Higgins理论模型并结合燃料物性，构建了适用于低温工况的双组分醇类掺混燃料喷雾液相贯穿距预测模型，结果表明，由于二元燃料蒸发顺序差异，Higgins公式中的B参数需要结合掺混燃料各组分沸点占比综合计算，以体现醇类高汽化潜热对喷雾液滴蒸发过程的抑制作用；

c） 醇类低沸点、高比热容、高汽化潜热的物性会对喷雾核心起到降温效应，进而导致喷雾液滴破碎过程受到抑制，燃油液滴尺寸增大、破碎时间延长，CONVERGE仿真计算中的破碎模型参数C2需依据试验数据以及燃料物性综合计算进行修正与标定；

d） 在燃油喷射后，由于醇类组分沸点低，先于柴油组分蒸发，造成液滴周围气相温度降低；其高汽化潜热导致柴油液滴温度降低，高比热容进一步降低了高温环境气体对喷雾的卷吸加热作用，综合导致掺混燃料喷雾核心温度降低，同时抑制了柴油组分液滴的蒸发及破碎过程，掺混醇类造成柴油喷雾液相贯穿距增大的主要原因是燃油整体液滴相对寿命延长。

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Multi Fuel Low Temperature Spray Characteristics Prediction Model Construction and Simulation Analysis

LI Yikai1，CHEN Jiasen1，SUN Chenghan1，YANG Ziming1，PAN Jiaying2

（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China）

Abstract： To investigate the impact of alcohol blending on the spray characteristics of diesel under low temperature conditions and to clarify the relationship between the properties of multi fuels and spray characteristics， high speed photography technology was utilized to conduct spray experiments of mixed fuels which consisted of diesel and alcohols like propanol and hexanol with alcohol blending ratios of 0%， 20%， and 40% under low temperature conditions. Corrections were made to the Higgins liquid phase penetration distance prediction model and the CONVERGE simulation breakup model parameters based on the physical properties of the components of blended fuel. Furthermore， simulations were conducted to explore the effects of alcohol blending on the spray temperature and equivalence ratio distribution characteristics of diesel spray. The results show that the evaporation of alcohols is far superior to that of diesel under low temperature conditions. During the spray development process， alcohols evaporate before diesel. The high latent heat of vaporization leads to a decrease of temperature in the spray core area， which in turn inhibits the breakup and evaporation process of diesel droplets， ultimately resulting in an extension of spray liquid phase penetration distance. Moreover， as the blending ratio increases， the inhibitory effect becomes more pronounced.

Key words： spray characteristic;multi fuel;low temperature test;model correction;fuel;physical property

［编辑： 姜晓博］