李玉蘭，王 謙，黃英杰，邵長勝,康佳明，相英杰

(1.江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江 212016)

隨著發(fā)動機燃料多樣化和雙燃料噴射技術(shù)的發(fā)展，柴油引燃天然氣缸內(nèi)直噴式發(fā)動機因燃燒效率高、排放性能好等優(yōu)點而受到國內(nèi)外學(xué)者的重視[1-4].而了解其缸內(nèi)燃料噴射特性可以使天然氣發(fā)動機噴射策略和燃燒過程得到優(yōu)化.缸內(nèi)混合氣形成主要受到柴油噴霧卷吸特性及天然氣射流擴散特性的影響.國內(nèi)外學(xué)者對柴油噴霧卷吸特性和天然氣射流擴散特性進行了大量的研究.袁小飛[5]基于KIVA-3V軟件對天然氣射流進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)壓力、噴射壓力等因素對天然氣噴射的發(fā)展速率及缸內(nèi)混合氣形成有較大的影響.I.ERFAN等[1]在定容彈內(nèi)開展天然氣射流試驗，紋影法拍攝后的圖像用MATLAB后處理分析，得到了量綱一化的天然氣射流貫穿距公式.G.BRUNEAUX[6]通過PLIF對天然氣射流的體積分數(shù)場進行了研究.YU J.Z.等[7]利用平面激光誘導(dǎo)熒光法研究了天然氣射流的撞壁過程.O.A.KUTI等[8]對柴油和生物柴油噴霧速度場進行分析，試驗發(fā)現(xiàn)由于生物柴油的黏度較高，其噴霧卷吸特性較差.王長園等[9]在定容彈內(nèi)試驗研究了不同噴射高度和噴射角度對天然氣射流撞壁和卷吸的影響，通過分析圖像，對一般天然氣射流碰壁下貫穿距和卷吸的經(jīng)驗公式進行了修改.鄧鵬等[10]對不同噴射壓力下柴油噴霧的特征進行分析，發(fā)現(xiàn)柴油噴霧的根部和頭部湍流作用決定油氣的混合速率.

由以上分析可知，雖然國內(nèi)外對天然氣噴射和柴油噴霧特性研究較多，但對雙燃料同軸噴射發(fā)動機條件下的噴射特性研究較少.因此，筆者在本課題組研究成果的基礎(chǔ)上，利用高速紋影法開展天然氣單燃料和天然氣/柴油雙燃料同軸噴射試驗，同時建立柴油/天然氣雙燃料同軸噴射混合模型，利用CONVERGE軟件進行天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機同軸噴射特性研究.

1 試驗和模擬方法

1.1 試驗方法

1.1.1試驗裝置

圖1為雙燃料發(fā)動機同軸噴射試驗裝置示意圖，整個裝置包括定容彈系統(tǒng)、雙燃料噴射組合器、柴油和天然氣(CH4)的供給系統(tǒng)、PIV紋影系統(tǒng)和ECU控制系統(tǒng).

圖1 雙燃料發(fā)動機同軸噴射試驗裝置示意圖

本試驗定容彈的直徑和高度均為700 mm，視窗有效直徑為165 mm，定容彈內(nèi)以氮氣作為環(huán)境氣體，耐壓為1.5 MPa.柴油共軌可提供的最高壓力為250 MPa，天然氣(CH4)最高壓力達12 MPa.設(shè)計的雙燃料噴射組合器(見圖2)使天然氣噴射器(孔徑為1.00 mm)垂直放置噴射，而柴油噴射器(孔徑為

圖2 雙燃料噴射組合器

0.16 mm)傾斜放置噴射，實現(xiàn)雙燃料缸內(nèi)直噴，從而實現(xiàn)模擬同軸噴射技術(shù).柴油噴射器和天然氣噴射器在雙燃料ECU的控制下可實現(xiàn)不同的試驗需求.紋影系統(tǒng)采用的是 Z 形雙反射式光路[11]，由高速攝像成像.高速相機型號為 FASTCAM SA-Z，試驗拍攝速度為 10 000 幀·s-1，圖像像素為 1 024×1 024.

1.1.2試驗參數(shù)

通過對雙燃料同軸噴射發(fā)動機[12-13]的調(diào)研，確定試驗參數(shù)如下：柴油噴射壓力為40 MPa,柴油噴射脈寬為0.7 ms，天然氣噴射脈寬為1.5 ms，兩者噴射間隔為0.2 ms左右，環(huán)境溫度為293 K.選取環(huán)境背壓分別為0.3、0.5、1.0 MPa和天然氣噴射壓力分別為3、5、8 MPa來研究天然氣噴射壓力和環(huán)境背壓對天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機同軸噴射特性的影響.為了保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，對5次重復(fù)試驗結(jié)果取平均值.

1.1.3圖像處理

試驗獲得了大量的有效圖片數(shù)據(jù)，選取天然氣單燃料噴射5 ms內(nèi)的噴霧圖像數(shù)據(jù)來進行研究.通過編寫MATLAB程序[14]對圖像進行批量數(shù)字化處理.

1.1.4射流參數(shù)定義

O.A.KUTI等[8]在生物柴油的噴霧特性試驗研究中，以60%的貫穿距為基準(zhǔn)，研究了柴油噴霧的卷吸特性.為了更加準(zhǔn)確地研究雙燃料發(fā)動機的噴霧卷吸特性，將天然氣射流的完整輪廓線長度、射流前端輪廓線長度和射流側(cè)面輪廓線長度作為描述天然氣射流卷吸作用的特征參數(shù).射流參數(shù)如圖3所示，射流貫穿距L為從噴嘴出口到射流尖端的距離，選取距離噴孔0.6L的截面為分界線[8]，分界線以下的輪廓線定義為射流前端輪廓線(射流頭部)，分界線以上的輪廓線定義為射流側(cè)面輪廓線(射流底部).

圖3 射流參數(shù)

1.2 模擬方法

1.2.1模型建立

考慮到CONVERGE軟件中并不存在氣體噴孔的設(shè)置，為了與試驗條件相匹配，所以在建模過程中添加了天然氣噴孔的幾何結(jié)構(gòu)，與水平角度呈10°的斜面，天然氣噴孔垂直于斜面，以便獲得較為對稱的天然氣射流結(jié)構(gòu).實際定容彈偏大，但研究范圍集中于視窗內(nèi)，所以建立的定容彈幾何模型尺寸略大于視窗尺寸，節(jié)省了計算時間.

為了保證計算的精確性，分別選取16、8、4 mm的基礎(chǔ)網(wǎng)格對網(wǎng)格敏感性進行分析，并對噴霧區(qū)域進行3級速度自適應(yīng)加密，其最小網(wǎng)格尺寸分別為2.0、1.0、0.5 mm.不同基礎(chǔ)網(wǎng)格下，噴嘴附近天然氣射流對比如圖4所示，當(dāng)基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為4 mm時，天然氣射流形狀與試驗接近，并且網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)到達180萬個，繼續(xù)縮小網(wǎng)格尺寸將大大增加計算量，最后選取4 mm網(wǎng)格尺寸來進行模型驗證與分析.天然氣噴孔和柴油噴孔各參數(shù)與試驗參數(shù)相同，柴油、天然氣、空氣等溫度均為293 K.

圖4 不同基礎(chǔ)網(wǎng)格下噴嘴附近天然氣射流對比

1.2.2噴射模型選擇

湍流模型的選擇對模擬燃料的噴射、霧化、蒸發(fā)和與空氣的混合過程有顯著影響，這也同時決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性.而且柴油/天然氣雙燃料的噴射過程由于2種燃料存在的相互影響，所以選擇適用于內(nèi)燃機里復(fù)雜流動過程的RNGk-ε模型.破碎模型選用KH-RT模型來分別描述一次霧化和二次霧化，由于噴射引燃柴油量較少，所以具體的破碎時間常數(shù)和尺寸常數(shù)參考文獻[15]進行設(shè)置.蒸發(fā)模型采用適用于定容彈內(nèi)計算的Frossling模型，湍流耗散模型采用考慮連續(xù)湍流影響的O′Rourke模型.

2 試驗和模擬結(jié)果討論

2.1 試驗結(jié)果與討論

為了研究天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機同軸噴射特性，柴油預(yù)先噴入定容彈，天然氣柴油噴射間隔為

0.2 ms,這樣定容彈內(nèi)就會懸浮大量柴油液滴，并擴散到環(huán)境氣體中.為了更好地對比雙燃料發(fā)動機同軸噴射混合過程，特別進行天然氣單燃料和天然氣/柴油雙燃料同軸噴射試驗.采用MATLAB軟件處理獲得的不同天然氣噴射壓力p下雙燃料射流紋影圖像如圖5所示，在不同天然氣噴射壓力下，試驗獲得了較好的雙燃料射流形狀和發(fā)展過程.隨著天然氣噴射壓力的增加，雙燃料天然氣射流貫穿距增加，而且隨著噴射時間t的增加，天然氣射流貫穿距增加的幅度越來越大.

圖5 不同天然氣噴射壓力下雙燃料射流紋影圖像

通過MATLAB軟件計算得到天然氣射流完整的外輪廓線長度、前端外輪廓線長度以及側(cè)面輪廓線長度的數(shù)據(jù).不同環(huán)境背壓pe和噴射壓力下天然氣射流輪廓周長lc隨時間的變化曲線如圖6所示.

圖6 不同環(huán)境背壓和不同噴射壓力下天然氣射流輪廓周長隨時間的變化曲線

天然氣噴射壓力為5 MPa時，單燃料和雙燃料在不同背壓下，天然氣射流輪廓周長隨時間的變化曲線如圖6a所示.天然氣噴射脈寬為1.50 ms，因此，天然氣射流發(fā)展可分為2個階段：0～1.50 ms噴射階段和1.50～5.00 ms發(fā)展階段.從圖6a可以看出：單燃料和雙燃料天然氣射流輪廓周長的變化趨勢相同，即隨著環(huán)境背壓增加，射流輪廓周長變小，這說明當(dāng)環(huán)境背壓減小時，環(huán)境對射流的阻力變小，高密度的天然氣沖擊低密度的環(huán)境，使得天然氣射流發(fā)展更快，天然氣對外擴散加劇；但隨著環(huán)境背壓的減小，噴射階段時，單燃料比雙燃料輪廓周長變化幅度大.這是因為雙燃料噴射時，由于柴油的影響，天然氣噴霧軸向擴散受到了限制.在發(fā)展階段，單燃料噴射時，輪廓周長波動趨于平緩.當(dāng)雙燃料噴射時，由于柴油射流渦流使得天然氣射流發(fā)展受到影響，輪廓周長曲線波動愈發(fā)劇烈.可見，此時天然氣與柴油混合作用明顯.當(dāng)環(huán)境背壓為0.5 MPa時，單燃料和雙燃料天然氣射流輪廓周長在不同天然氣噴射壓力下隨時間的變化曲線如圖6b所示，噴射階段輪廓周長隨時間的變化較快，發(fā)展階段輪廓周長隨時間的變化增速減緩，這是因為隨著射流發(fā)展時間增加，天然氣射流前端速度受到環(huán)境阻力的作用減慢，后噴入的天然氣受到射流前端的阻礙，速度減弱更加明顯.天然氣射流的發(fā)展速度隨噴射壓力的增大而逐漸增大，這是因為隨著噴射壓力的增大天然氣射流的動量變大，其天然氣射流貫穿距也變大.對比單燃料噴射和雙燃料噴射中的輪廓周長發(fā)現(xiàn)，輪廓周長增幅隨著噴射壓力的增加而減小.噴射壓力為3 MPa與5 MPa的輪廓周長差距明顯，雙燃料的輪廓周長大于單燃料的輪廓周長.單燃料比雙燃料噴射時輪廓周長曲線相對平緩，分析認為，隨著噴射壓力增加，天然氣射流受到的環(huán)境阻力增加，輪廓周長增幅變小，所以噴射壓力較低時，噴射壓力對射流的發(fā)展作用明顯.雙燃料噴射時，柴油的速度較快，噴射階段天然氣射流速度較大，柴油射流引起的空氣流動對天然氣射流影響較小.發(fā)展階段混合區(qū)域內(nèi)天然氣射流速度較慢，天然氣射流受到柴油射流引起的渦流產(chǎn)生的卷吸作用大.

不同環(huán)境背壓下天然氣射流頭部周長lh和底部周長lb隨時間的變化曲線如圖7所示.從圖7a可以看出：單燃料和雙燃料天然氣射流頭部周長隨噴射時間變化趨勢基本相同，單燃料頭部周長曲線變化平穩(wěn)，而雙燃料頭部周長曲線波動較大；隨著環(huán)境背壓增加，單燃料和雙燃料天然氣射流頭部周長減小，且減小幅度增加，兩者頭部周長差別越大，波動出現(xiàn)時刻越早.可以得出，由于環(huán)境背壓的減小使得天然氣射流擴散變快，天然氣射流邊緣密度變化加劇，因此射流的頭部周長曲線波動明顯，天然氣受到柴油的卷吸作用顯著.

從圖7b可以看出：隨著環(huán)境背壓的減小，單燃料與雙燃料底部周長差距變大，說明環(huán)境背壓越小，柴油射流對天然氣射流底部周長的卷吸作用越大；當(dāng)環(huán)境背壓為0.3 MPa時，在噴射階段，單燃料射流的底部周長比雙燃料射流的底部周長要大.結(jié)合圖8可以看出，柴油射流在天然氣射流初期就極大影響了射流發(fā)展，天然氣射流側(cè)面形成了一些凸起(見圖8a中紅圈所示區(qū)域)，阻礙了天然氣射流側(cè)邊的發(fā)展，使得天然氣射流錐角減小，達到射流發(fā)展階段時，底部周長波動更大，柴油射流引起的卷吸作用更顯著，并呈現(xiàn)出雙燃料射流的底部周長比單燃料射流底部周長大的規(guī)律.

圖7 不同環(huán)境背壓下天然氣射流頭部周長和底部周長隨噴射時間的變化曲線

圖8 環(huán)境背壓為0.3 MPa時雙燃料和單燃料紋影圖像對比

環(huán)境背壓為0.5 MPa時，不同噴射壓力下天然氣射流頭部和底部周長隨噴射時間的變化曲線如圖9所示.噴射時間為4.00 ms時，不同噴射壓力下雙燃料和單燃料紋影圖像對比如圖10所示.

圖9 不同噴射壓力下天然氣射流頭部周長和底部周長隨噴射時間的變化曲線

圖10 噴射時間為4.00 ms時不同噴射壓力下雙燃料和單燃料紋影圖像對比

從圖9a和圖10可以看出：隨著天然氣噴射壓力的增大，單燃料射流和雙燃料射流的頭部周長增加，但兩者的增幅都減小，這是因為隨著天然氣噴射壓力的增大，其射流受到環(huán)境阻力增大；同一噴射壓力下，在天然氣噴射階段，單燃料射流和雙燃料射流頭部周長差距較小，發(fā)展階段時，頭部周長差距逐漸明顯，并且隨著噴射壓力的增大，兩者的差別增大，這是由于雙燃料射流在發(fā)展階段，柴油射流造成空氣的擾動，在天然氣射流側(cè)邊頭部形成強烈的阻礙和卷吸作用，天然氣頭部體積分數(shù)因此發(fā)生變化.噴射壓力為5 MPa時，雙燃料的頭部周長在柴油的卷吸作用下逐漸超過了8 MPa單燃料射流的頭部周長，由此可見，柴油的卷吸作用對天然氣側(cè)邊射流產(chǎn)生了巨大影響，不僅限制了天然氣軸向射流的發(fā)展，也使天然氣測流射流產(chǎn)生凸起，使天然氣側(cè)邊體積分數(shù)發(fā)生變化.

從圖9b和圖10可以看出：隨著噴射壓力增大，天然氣射流底部周長增大，增幅變?。划?dāng)噴射壓力達到5 MPa時，底部周長變化不明顯，在天然氣噴射壓力為8 MPa時，底部周長波動出現(xiàn)了一定的規(guī)律性，上下起伏；天然氣射流底部周長波動比頭部周長小，說明整個噴射過程中，都是天然氣射流頭部受到的柴油卷吸更強，但是在射流的底部還是存在一定的擾動，并且噴射壓力越高，射流發(fā)展越久，其作用也越明顯，正是兩者的疊加作用，呈現(xiàn)出了輪廓周長中巨大的波動.

2.2 模擬結(jié)果與討論

2.2.1雙燃料噴射模型驗證

為了確定柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機同軸噴射混合模型的準(zhǔn)確性，將雙燃料同軸噴射仿真值和試驗值進行了對比.根據(jù)相關(guān)柴油引燃天然氣發(fā)動機的文獻資料[12-14]可知，天然氣能量替代率為90%左右，根據(jù)試驗條件確定天然氣與柴油噴射夾角為10°進行模擬驗證以確保其準(zhǔn)確性.

天然氣噴射壓力分別為3、4、5 MPa時，雙燃料噴射試驗與模擬的圖像分別如圖11-13所示，其中φ為天然氣的體積分數(shù).試驗中先噴入柴油，天然氣噴射始點為0 ms,柴油噴射持續(xù)時間比較短，使得柴油顆粒很快擴散到空氣中.

圖11 噴射壓力為3 MPa時雙燃料噴射試驗與模擬的圖像

圖12 噴射壓力為4 MPa時雙燃料噴射試驗與模擬的圖像

圖13 噴射壓力為5 MPa時雙燃料噴射試驗與模擬的圖像

從圖11-13可以看出：試驗與模擬中天然氣射流輪廓基本一致，可以基于該模擬結(jié)果對雙燃料噴射進行分析；隨著噴射壓力增大，同一時刻天然氣射流貫穿距增加，柴油射流對天然氣射流的影響逐漸減小，這是因為噴射壓力越大，天然氣射流的出口速度越快，向周圍擴散的動量增加，而柴油噴射量較少，其動量對天然氣射流的影響就相對變小.這與文獻[5]的模擬結(jié)果相近.

2.2.2雙燃料噴射體積分數(shù)場模擬分析

天然氣噴射壓力較小時，柴油射流對其影響較明顯.因此，選取天然氣噴射壓力為3 MPa時，分析柴油噴霧對天然氣射流的影響.柴油噴霧時天然氣射流體積分數(shù)場隨噴射時間的變化如圖14所示，在天然氣射流軸向方向，天然氣體積分數(shù)緩慢減弱，在天然氣射流徑向方向，天然氣體積分數(shù)快速下降，這與G.BRUNEAUX[6]試驗獲得天然氣體積分數(shù)變化的結(jié)果相同.當(dāng)噴射時間為0.50 ms時，天然氣射流的頭部碰到柴油；在噴射時間為0.75 ms時，天然氣射流逐漸帶動柴油射流向前發(fā)展；當(dāng)噴射時間為1.00 ms時，大部分柴油顆粒位于射流中段，在天然氣射流頭部也帶有少部分柴油顆粒，天然氣射流頭部出現(xiàn)了向左卷吸的趨勢；當(dāng)噴射時間為1.25 ms時，天然氣向左卷吸的趨勢逐漸減弱，大部分柴油顆粒出現(xiàn)在天然氣射流的頭部，小部分柴油顆粒由于慣性的作用還位于天然氣射流的中段；當(dāng)噴射時間為1.50 ms時，柴油射流顆粒大部分均勻地分布在天然射流的頭部和中部，僅有少量未接觸.這說明柴油噴霧和天然氣射流相撞后，由于天然氣射流的攜帶，柴油與天然氣逐漸混合均勻.

圖14 柴油噴霧時天然氣射流體積分數(shù)場隨噴射時間的變化

2.2.3雙燃料噴射速度場模擬分析

當(dāng)噴射時間為1.50 ms時，模擬的速度場和利用PIV獲得的速度場、渦量場和湍流場如圖15所示.

圖15 模擬的速度場與PIV獲得的速度場、渦量場、湍流場

使用PIV結(jié)合高速紋影法進行試驗時，柴油先噴，天然氣后噴，天然氣噴射壓力高，速度快，進入其內(nèi)部的示蹤粒子很少，因而PIV獲得的速度場是指天然氣輪廓處和周圍環(huán)境的PIV結(jié)果.將模擬速度場(圖15a)和PIV拍攝的速度場(圖15b)對比可以看出：天然氣射流沿軸線速度衰減較慢，沿徑向速度衰減較快，其中心的速度較快.在天然氣輪廓周圍存在一定的速度場，并且從射流頭部到底部速度逐漸減弱.在天然氣輪廓周圍存在一定的渦旋，促進天然氣與空氣混合，以及天然氣與柴油的混合.這是因為天然氣射流速度較快，與周圍空氣存在速度差.從圖15c可以看出，天然氣射流左側(cè)與柴油射流混合產(chǎn)生許多渦量場.一部分原因是柴油噴霧的卷吸，另外原因是天然氣射流與空氣混合.從圖15d可以看出，在天然氣射流與柴油噴霧接觸區(qū)域出現(xiàn)了湍流強度很小的區(qū)域，這主要是柴油噴霧干擾產(chǎn)生的.

雙燃料噴霧速度場隨時間的變化如圖16所示，由于柴油的噴射時間較短，噴射壓力較低，使得其射流速度較慢.天然氣射流中心區(qū)域速度很快，沿天然氣射流徑向，天然氣速度快速下降.沿天然氣射流軸向，天然氣速度緩慢下降.隨著時間的推移，天然氣射流頭部的速度逐漸下降，而射流底部仍保持較快的速度.當(dāng)天然氣噴射結(jié)束時，天然氣射流底部速度快速下降，其內(nèi)部速度趨于一致.當(dāng)噴射時間為0.30 ms時，由于柴油噴霧造成空氣流動，使得在天然氣射流頭部下方空氣具有一定向下的速度.這時天然氣與柴油還沒有接觸，但天然氣射流已經(jīng)受其下方空氣影響，使得射流頭部形狀和體積分數(shù)場發(fā)生變化.這說明在雙燃料噴霧中，柴油射流還可以間接對天然氣射流產(chǎn)生作用.當(dāng)噴射時間為0.30 ms和0.50 ms時，天然氣射流側(cè)面有明顯的渦旋.當(dāng)噴射時間為0.50 ms后渦旋逐漸減弱.

圖16 雙燃料噴霧速度場隨時間的變化

3 結(jié) 論

1) 隨著噴射壓力減小和環(huán)境背壓升高，由于柴油對天然氣的卷吸作用減小，單燃料噴射和雙燃料射流完整輪廓線周長減小，而且噴射工況中兩者的天然氣射流完整外輪廓線周長差距變?。浑p燃料噴射工況下的射流輪廓線長度波動變小.

2) 隨著噴射壓力減小，天然氣射流前端輪廓線長度和側(cè)面輪廓線長度均減小，單側(cè)面輪廓線長度下降更多，天然氣噴射壓力的下降，使天然氣側(cè)面受卷吸影響更大.

3) 隨著環(huán)境背壓減小，單燃料與雙燃料噴射下天然氣射流前端輪廓線長度和側(cè)面輪廓線長度均增大，且射流輪廓線長度差距增大.柴油噴射時，環(huán)境背壓對天然氣前端卷吸過程有較大影響，但隨著環(huán)境背壓的升高，柴油噴射對天然氣射流側(cè)面卷吸過程影響減弱.

4) 當(dāng)天然氣射流頭部碰到柴油噴霧時，由于柴油噴霧的阻礙，部分天然氣會停在射流頭部，影響了整個射流的體積分數(shù)分布.天然氣噴射壓力越小，柴油對天然氣射流卷吸的影響越大.

5) 天然氣射流從頭部到底部速度減小，由于柴油噴射和天然氣射流與空氣卷吸的影響，在射流中部存在許多渦旋和渦量場，在柴油噴霧與天然氣射流相互碰撞的區(qū)域出現(xiàn)了很小的湍流強度.