趙文伯　張青　吳志軍　胡宗杰　鄧俊（同濟大學，上海201804）

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可控熱氛圍下丙烷柴油混合燃料噴霧及自燃特性試驗研究*

趙文伯張青吳志軍胡宗杰鄧俊
（同濟大學，上海201804）

【摘要】在可控活化熱氛圍燃燒試驗平臺上，使用高速攝像機研究丙烷柴油混合燃料在不同背景溫度下的噴霧特性和自燃特性。結果證明，在常溫和低協(xié)流溫度下，加入丙烷能夠增大噴霧貫穿距和噴霧錐角，從而有效改善柴油燃料的霧化和蒸發(fā)過程；在高協(xié)流溫度下，快速蒸發(fā)的丙烷對燃料的自燃過程產(chǎn)生顯著影響；5%體積分數(shù)的丙烷使混合燃料的自燃著火點溫度提高了30 K；柴油和混合燃料的滯燃期均隨溫度升高而降低。

主題詞：丙烷柴油混合燃料噴霧自燃

1　前言

近年來，均質(zhì)壓燃（HCCI）技術憑借其較低碳煙排放和較高的熱效率成為內(nèi)燃機的主要研究方向之一［1～4］。文獻［5］表明，燃料與空氣快速均勻地混合是限制HCCI技術發(fā)展的主要因素。而丙烷作為一種低沸點的代用燃料，常溫常壓下就以液體存在，儲運方便且價格低廉，并能與柴油在任意比例互溶。文獻［6］表明，可以利用低沸點燃料的閃急沸騰引起的微爆效應促進高沸點、高黏度燃料的霧化與蒸發(fā)。因此，柴油中添加適當比例的丙烷可大大改善柴油噴霧霧化質(zhì)量，降低發(fā)動機碳煙和HC排放［7、8］。同時，丙烷較高的汽化潛熱能夠降低缸內(nèi)溫度，實現(xiàn)低溫燃燒，從而減少NOx排放。

本文利用高速攝影儀，在可控活化熱氛圍燃燒器提供的穩(wěn)定均勻的溫度場上對混合燃料噴霧及自燃過程進行可視化研究，分析丙烷的添加對噴霧和起升火焰特征參數(shù)的影響及其內(nèi)在機制。

2　試驗

2.1試驗臺架

可控活化熱氛圍燃燒試驗系統(tǒng)主要由混合燃料制備系統(tǒng)、燃油增壓系統(tǒng)（高壓氮罐、蓄能器）、柴油噴嘴、ECU、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝影機構成，如圖1所示。

圖1　噴射試驗系統(tǒng)示意

可控活化熱氛圍燃燒器結構如圖2所示?；鹧嫒紵到y(tǒng)總成由圓形多孔燃燒盤、外層擋圈、中央噴嘴3部分組成。協(xié)流混合氣（氫氣和空氣）燃燒產(chǎn)生協(xié)流火焰，從而形成穩(wěn)定的協(xié)流溫度場，通過調(diào)節(jié)混合氣的混合比例，可以控制協(xié)流的熱氛圍、氧氛圍，溫度范圍300～1 700 K。中央射流（柴油/混合燃料）由噴嘴噴出，經(jīng)過協(xié)流溫度場加熱形成起升火焰?；鹧婊烤鄧娮炜诰嚯x為火焰起升高度。

圖2　熱氛圍燃燒器示意［9］

試驗使用的柴油及丙烷燃料在0.101 MPa和300 K溫度條件下的理化特性參數(shù)如表1所列。常壓下丙烷沸點為231 K，極易汽化。常溫（300 K）條件下，丙烷在較低的壓力（≥1 MPa）下即可液化。本文選用丙烷體積分數(shù)為5%的混合燃料作為研究對象。

2.2試驗設置及方法

分別在常溫和不同協(xié)流溫度下進行純柴油和混合燃料的噴霧及自燃特性試驗。采用1500 ms的噴油脈寬，記錄兩種燃料噴霧及火焰的瞬態(tài)發(fā)展過程和穩(wěn)定形態(tài)。柴油試驗協(xié)流溫度范圍為373～923 K，以50 K為間隔進行噴霧貫穿距和噴霧錐角的數(shù)據(jù)采集，自燃現(xiàn)象發(fā)生后改以25 K為間隔進行記錄；混合燃料試驗溫度范圍為423～923 K，以100 K為間隔采集相應的噴霧數(shù)據(jù)，發(fā)生自燃后以20 K為間隔進行研究。噴霧和自燃試驗的噴射壓力均為15 MPa，噴孔直徑為0.12 mm，協(xié)流流量為109.5 m3/h，環(huán)境溫度為300 K。

ECU發(fā)出噴油電信號的同時高速攝影系統(tǒng)也被觸發(fā)，由于噴嘴對電信號的響應延遲，導致噴油始點比拍攝始點晚約85 ms。圖3所示為噴油始點的確定方案［17］。試驗開始后，先打開激光器，隨后通過采集控制卡觸發(fā)高速攝影儀，延時一定時間后控制油泵試驗臺進行噴油。當燃油離開噴嘴口后，激光由于油霧的作用而發(fā)生散射，散射光進入光電耦合器（CCD），從而在高速攝影圖像上形成一個光斑，進而可以準確測定噴油起始點。高速攝影法以首次可見火焰的出現(xiàn)時刻為著火起始點，由首次出現(xiàn)散射光斑及首次可見火焰之間的幀數(shù)及相應的拍攝速率即可確定滯燃期。自燃點位置的試驗結果也是通過對高速攝影圖像中的首次可見火焰圖片進行處理而得到的。

2.3數(shù)據(jù)處理

使用Phantom v7.3高速攝影機，可以獲得噴霧及起升火焰的圖像。為了避免外部光線的干擾，拍攝過程是在封閉暗室內(nèi)進行的，拍攝幀數(shù)為5 000幀/s。利用MATLAB程序?qū)Ω咚贁z影機所采集的大量圖像信息進行處理。讀取噴霧及火焰圖像的紅、綠、藍3種顏色信息，并通過公式（1）將其轉(zhuǎn)化為灰度值（Gs）。

式中，R、G、B分別代表紅、綠、藍3色的灰度值。

為了突出火焰基部的淡藍色，式（1）中藍色所占比重較常用方法高。為了過濾背景環(huán)境的干擾，設置火焰灰度的閾值為5。此后將灰度圖轉(zhuǎn)換為二值圖像。為驗證所用方法的精確性，選取更低的灰度閾值（Gs=3），并人工去除噪聲。所得結果并無明顯差別，表明灰度閾值5即可很好地捕捉噴霧發(fā)展及火焰火核。為了驗證噴霧和火焰的可重復性，在相同的邊界條件下，選取兩組噴霧數(shù)據(jù)和3組火焰數(shù)據(jù)進行比較，所得的噴霧貫穿距、噴霧錐角和滯燃期等數(shù)據(jù)的相對誤差均在5%以下。

3　噴霧特性的研究

本文中的噴霧特性主要包括噴霧貫穿距和噴霧錐角2個宏觀參數(shù)。噴霧貫穿距表示油束的貫穿能力，噴霧錐角是衡量油束緊密程度的參數(shù)。燃料粘度的改變會影響燃料的噴霧錐角。粘度較小的燃料在噴霧過程中氣液混合狀況較好，從而改善霧化狀況［10、11］。

3.1常溫下燃料的噴霧特性對比試驗

常溫下，柴油與混合燃料噴霧隨時間發(fā)展過程如表2所列。兩種燃料的噴霧貫穿距隨著噴射時間的增長而增長。噴霧早期，燃油以極高的速度從噴嘴噴出，油束液滴尚未充分破碎，慣性、動量較高，運動速度較快。隨著燃油噴霧進一步向上發(fā)展，環(huán)境氣體的阻滯作用使得油束前端面的發(fā)展速度下降。同時，由于氣體與液體的相對速度會造成油束的碎裂，使得其徑向發(fā)展趨勢明顯增加，有利于燃油與空氣更充分的混合。

表2　常溫下柴油與混合燃料噴霧發(fā)展過程

圖4和圖5反映了常溫下純柴油和混合燃料噴霧前鋒面及噴霧錐角隨時間的變化。常溫下，純柴油噴霧穩(wěn)定狀態(tài)下的噴霧錐角約為10.5°，而混合燃料的噴霧錐角則達到14°。

圖4　常溫下噴霧前鋒面的運動曲線

由圖4和圖5可以看出，常溫下混合燃料的噴霧貫穿距和噴霧錐角都大于純柴油，說明少量丙烷的添加就可以有效改善燃料的霧化過程。常壓條件下混合燃料從噴嘴噴出后，其中溶解的低沸點的丙烷迅速汽化產(chǎn)生微爆效應，促進了油束的破碎，使得燃油液滴的粒徑減小，噴霧形態(tài)更加發(fā)散。同時，油束周圍的空氣由于閃急沸騰作用迅速擴散，增大了燃油液滴的徑向速度，導致噴霧錐角變大。

為了分析混合燃料噴霧貫穿距高于純柴油噴霧的原因，進一步研究兩種燃料的噴霧發(fā)展速度，即對噴霧貫穿距求導得到噴霧速度的變化曲線，如圖6所示?？梢姡瑖婌F速度隨時間發(fā)展而降低，且速度變化逐漸平緩。這是由于燃油液滴隨著速度降低所受到的氣相阻力逐漸減小導致的。

對比兩種燃料噴霧發(fā)展后期的速率變化發(fā)現(xiàn)，柴油噴霧的發(fā)展速度始終保持較高的減速度至降低為零（3～4.3 ms）；而對于混合燃料，當噴霧速度降低到約35 m/s后，其噴霧速度下降速率明顯減緩，并以較低的速度減小至零（2.3～8 ms）。造成這種速度變化規(guī)律的原因有兩方面：一是由于噴霧發(fā)展過程中，汽化潛熱較高的丙烷汽化帶走了較高的熱量，降低了柴油液滴的蒸發(fā)速度，導致混合燃料噴霧發(fā)展時間延長；二是因為混合燃料噴霧前鋒面的初始動量下降為零后，丙烷的閃急沸騰導致前鋒面附近的燃油液滴迅速擴散并向外輻射，而向上發(fā)展的動量導致了噴霧前鋒面繼續(xù)以較低的速度向上發(fā)展。這也是導致常溫下混合燃料噴霧貫穿距大于柴油的原因。

圖6　常溫下噴霧速度隨時間的變化曲線

3.2不同協(xié)流溫度下燃料的噴霧特性對比試驗

表3為軟件處理后423～923 K協(xié)流溫度下柴油和混合燃料噴霧穩(wěn)態(tài)圖像對比?？芍?，隨著協(xié)流溫度的升高，柴油及混合燃料噴霧的最大貫穿距和噴霧錐角均不斷減小。這是由燃油液滴的蒸發(fā)隨協(xié)流溫度的提高而加快導致的。

表3　不同協(xié)流溫度下柴油及混合燃料噴霧對比

圖7和圖8為柴油和混合燃料的噴霧貫穿距和噴霧錐角隨協(xié)流溫度變化的對比圖。在較低協(xié)流溫度下，柴油燃料的噴霧貫穿距及錐角與常溫下結果相同，即均小于混合燃料。而隨著協(xié)流溫度升高，混合燃料貫穿距及錐角的下降速度較快，在高溫區(qū)域內(nèi)反而低于柴油噴霧。這是因為丙烷的閃急沸騰現(xiàn)象促進了混合燃料噴霧的破碎與擴散，使得燃料液滴粒徑明顯小于柴油噴霧，這些小液滴在高溫下迅速蒸發(fā)，導致高協(xié)流溫度下混合燃料的貫穿距和錐角小于純柴油。

圖7　最大噴霧貫穿距隨協(xié)流溫度的變化曲線

圖8　噴霧錐角隨協(xié)流溫度的變化曲線

Park S H［12］等人針對生物柴油噴霧霧化特性的研究也表明，由于溫度的升高促進了小尺寸液滴的蒸發(fā)，從而增大了大尺寸液滴的比例，導致燃油液滴的索特平均直徑（SMD）隨著溫度的升高而增大。因此，混合燃料的噴霧貫穿距和噴霧錐角對于溫度的變化表現(xiàn)出了更高的敏感性。

4　自燃特性的研究

4.1協(xié)流溫度對滯燃期的影響

對試驗所得的火焰圖像進行分析處理，得到混合燃料和柴油滯燃期的變化，如圖9所示。同時，通過Chemkin軟件對自燃過程進行模擬，選用均質(zhì)反應器來研究溫度變化對化學動力學準備過程的影響，得到混合燃料和柴油在化學當量比下的滯燃期變化曲線并與試驗數(shù)據(jù)進行對比。模擬選用美國Curran［13］等人提出的正庚烷氧化反應機理，該反應機理包含544種物質(zhì)和2 446個基元反應。試驗數(shù)據(jù)表明，兩種燃料的滯燃期均隨協(xié)流溫度的上升而降低，且在低溫區(qū)對溫度的變化較為敏感，而在高溫階段變化較小。此外，對比兩種燃料試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，滯燃期的下降由劇烈到平緩的轉(zhuǎn)折溫度點不同，混合燃料的溫度轉(zhuǎn)折點由1 013.5 K提高到1 038.5 K。

圖9　滯燃期隨協(xié)流溫度的變化對比

對比試驗數(shù)據(jù)和模擬結果可知，整體上計算得到的滯燃期要略高于試驗數(shù)據(jù)，在高協(xié)流溫度下差距較小。噴霧的自燃過程主要受到燃料的蒸發(fā)霧化、可燃混合氣的形成（物理準備過程），以及燃油分子的裂解、氧化等化學動力學過程（化學準備過程，即Chemkin計算結果）兩方面限制。

Chemkin模擬結果表明，滯燃期對溫度的敏感性隨協(xié)流溫度的提高而降低。在低協(xié)流溫度工況下，燃料的化學滯燃期較長，化學準備過程對于滯燃期的限制起主導作用。隨著協(xié)流溫度的進一步升高，化學準備過程大大縮短，對實際滯燃期的影響逐漸減小，因此在高協(xié)流溫度區(qū)，滯燃期隨溫度升高而降低的趨勢減緩，曲線斜率出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。而協(xié)流溫度的提高對可燃混合氣的混合過程提升較小，此時滯燃期主要受物理準備過程的限制。

由圖9中試驗結果可知，高協(xié)流溫度下混合燃料滯燃期小于柴油。這是因為此時物理準備過程是滯燃期的主要影響因素，而丙烷的閃急沸騰現(xiàn)象有利于混合燃料的霧化和混合氣的形成，因此混合燃料的滯燃期較短。在低協(xié)流溫度工況下，兩種燃料滯燃期的變化曲線斜率不同且發(fā)生交叉。這是由于丙烷的閃急沸騰現(xiàn)象有利于混合燃料的霧化和混合氣的形成等物理準備過程，降低了溫度對于燃油蒸發(fā)等物理過程的影響。但是，與柴油相比丙烷的汽化潛熱較高，蒸發(fā)速度較快，汽化帶走的熱量更多，導致了化學過程被延長，這與模擬結果中混合燃料滯燃期在低協(xié)流溫度下高于柴油的現(xiàn)象相符。因此，在低協(xié)流溫度下，混合燃料化學滯燃期受到溫度限制的范圍比純柴油大，所以滯燃期曲線斜率的轉(zhuǎn)折點由1 013.5 K提高到了1 038.5 K。

4.2協(xié)流溫度對火焰起升高度的影響

油束在噴入熱協(xié)流后，卷吸周圍的空氣，很快達到其自燃所需的溫度及濃度，自燃隨即發(fā)生［14］。隨著協(xié)流溫度的不同，自燃發(fā)生時刻也不同。表4為不同協(xié)流溫度下柴油與混合燃料的穩(wěn)定火焰圖像對比。

表4　不同協(xié)流溫度下柴油與混合燃料穩(wěn)態(tài)火焰圖像對比

試驗中觀察火焰形態(tài)發(fā)現(xiàn)，當協(xié)流溫度較低時，火焰整體呈淡藍色，符合預混火焰特性［15］。當協(xié)流溫度較高時，火焰整體的大部分呈明亮黃色火焰，呈現(xiàn)出擴散燃燒火焰的特點［16］，且起升火焰較為穩(wěn)定。試驗表明，混合燃料達到自燃的臨界溫度約為993 K，低于此溫度時無法形成明顯的火焰，臨界溫度與柴油相比提高了30 K。當協(xié)流溫度低于1 013 K時，火焰呈極淡的藍色，火焰基部波動較大。當溫度高于1 013 K時，與純柴油噴霧自燃現(xiàn)象相似，呈現(xiàn)擴散燃燒火焰的特點。

圖10為混合燃料和柴油的火焰起升高度隨協(xié)流溫度的變化?？芍?，兩種燃料火焰的起升高度都隨協(xié)流溫度的升高而降低。這是因為著火延遲期越長，噴霧前鋒面行進的距離越長，火焰的穩(wěn)定起升高度也就越高。

圖10　火焰起升高度隨協(xié)流溫度的變化曲線

對比兩種燃料火焰起升高度隨溫度變化的規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，混合燃料的火焰起升高度在所有試驗溫度范圍內(nèi)均高于柴油噴霧，這與兩種燃料滯燃期隨溫度變化的規(guī)律并不完全相符。根據(jù)圖9的試驗結果，混合燃料的滯燃期在較高協(xié)流溫度范圍內(nèi)低于柴油，而其火焰起升高度反而更高。

觀察自燃發(fā)生后的穩(wěn)定火焰圖像，并對混合燃料的火焰起升高度進行數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，自燃發(fā)生后混合燃料火焰的起升點會隨著時間逐漸上移，因而盡管混合燃料在高溫下的滯燃期小于柴油，但隨著時間的推移，其火焰起升高度反而高于柴油。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于高溫下混合燃料的滯燃期雖然較短，但是隨著噴射時間的增加，丙烷較快的蒸發(fā)速度和較高的汽化潛熱導致噴嘴口附近區(qū)域的協(xié)流溫度降低，因此混合燃料噴霧發(fā)生自燃的化學動力學準備過程也更長，從而使得最終的起升高度高于純柴油。

5　結束語

a.在常溫或低協(xié)流溫度下，添加丙烷能夠促進燃料的霧化和蒸發(fā)，增大了混合燃料的噴霧錐角；燃油液滴蒸發(fā)速度變慢，混合燃料噴霧發(fā)展時間延長；受丙烷閃急沸騰作用的推動，噴霧前鋒面向外擴散輻射，導致混合燃料噴霧貫穿距大于柴油。

b.在高協(xié)流溫度下，混合燃料噴霧中較小尺寸的液滴迅速蒸發(fā)，導致其貫穿距及錐角在高溫工況下小于柴油噴霧。

c.混合燃料的滯燃期隨溫度升高而降低，當?shù)蛥f(xié)流溫度較低時，化學準備過程對于滯燃期的限制起主導作用；在較高的協(xié)流溫度下，可燃混合氣的形成過程對滯燃期的限制起主導作用。

d.柴油和混合燃料的火焰均呈典型起升火焰特點，協(xié)流溫度較低時，火焰起升高度較高，基部遠離噴嘴口。柴油噴霧的最低自燃溫度約為963 K，低于該溫度時難以形成比較穩(wěn)定的自燃火焰，而混合燃料最低自燃溫度提高了30 K。

e.兩種燃料的火焰起升高度隨著溫度升高而降低?；旌先剂系钠鹕叨仍谡麄€溫度區(qū)間內(nèi)均高于柴油。

參考文獻

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（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年6月1日。

中圖分類號：U464；U473.1

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）07-0024-06

*基金項目：國家自然科學基金項目（51006075 9144110128）。

通訊作者：吳志軍，教授，博士生導師，E-mail：zjwu@#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