【一、文章導(dǎo)讀】

重質(zhì)燃料油(HFO)因其較高熱值和低廉的價(jià)格，成為船用柴油機(jī)的主要燃料，其成分極為復(fù)雜，主要由烷烴、芳香烴、瀝青質(zhì)及少量的金屬和硫化物組成。為減少硫氧化物排放，HFO 中的含硫量被嚴(yán)格限制。低硫 HFO 在生產(chǎn)中受原料產(chǎn)地、生產(chǎn)技術(shù)影響，其理化性質(zhì)存在較大差別，這些差別將對(duì)燃料噴霧、燃燒過(guò)程及污染物形成產(chǎn)生重要影響。

船用二沖程柴油機(jī)廣泛使用 HFO 作為燃料。四沖程柴油機(jī)常被用于中小型船舶的推進(jìn)裝置或大型船舶的發(fā)電原動(dòng)機(jī)。為了節(jié)約燃料成本，這類(lèi)四沖程柴油機(jī)也常以 HFO 作為燃料。與大型二沖程柴油機(jī)不同，四沖程柴油機(jī)的噴油器噴孔直徑較小、噴射壓力較高，且四沖程柴油機(jī)通常是基于燃用柴油而設(shè)計(jì)。近年來(lái)，學(xué)者們認(rèn)為改變噴射條件能提高熱效率、降低排放，噴射條件持續(xù)向高壓-微孔發(fā)展。高壓-微孔條件下 HFO 的噴霧與著火特性需引起關(guān)注，而當(dāng)前大多數(shù)研究側(cè)重于分析 HFO 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響，對(duì) HFO 的噴霧和燃燒特性則鮮見(jiàn)報(bào)道；現(xiàn)有研究主要集中在 HFO 的噴霧而忽略了著火和燃燒過(guò)程，并且 HFO 可能具有不同的物性。

基于此，筆者以多種黏度和含硫量的 HFO 為對(duì)象，在高噴射壓力、微孔噴射條件下對(duì) HFO 的噴霧與著火特性開(kāi)展研究。首先，基于光學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立并驗(yàn)證了多工況的 CVCC 模型；其次，以 3 種黏度極具代表性的 HFO 為研究對(duì)象分析了燃料物性對(duì)噴霧與著火特性的影響；同時(shí)，在不同環(huán)境條件下研究了氧化作用對(duì)噴霧發(fā)展的影響，以期為 HFO 在四沖程船舶柴油機(jī)上的高效清潔應(yīng)用提供參考。

【二、試驗(yàn)裝置模型驗(yàn)證與研究條件】

試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在 ECN 最新一代的 CVCC 上開(kāi)展。該裝置的環(huán)境條件覆蓋了絕大多數(shù)的柴油機(jī)工況，環(huán)境溫度為 450～1 300 K、環(huán)境密度為 3～60 kg/m3 且環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)為 0%～21%。CVCC 的有效容積為 1.15 L，通過(guò)燃燒可燃混合氣營(yíng)造高溫、高壓的環(huán)境條件。噴射系統(tǒng)適用于多種燃料，最大噴射壓力為 150 MPa，最大噴孔直徑為 0.5 mm。試驗(yàn)的 4 種工況條件如表 1 所示，使用噴孔直徑為 0.09 mm 的單孔噴油器。噴射壓力為 150 MPa，噴射持續(xù)期為 1.54 ms，單次噴射 3.46 mg 的正十二烷。試驗(yàn)中針對(duì)不同工況采用了多種光學(xué)觀測(cè)手段，獲得液相噴霧貫穿距離(LPL)、氣相噴霧貫穿距離(VPL)、火焰浮起長(zhǎng)度(FLOL)、著火時(shí)刻(IT)和火焰形態(tài)等參數(shù)。

表1 環(huán)境工況和噴射條件

模型的建立與驗(yàn)證

模型的建立：

筆者建立 CVCC 模型，并使用 Converge 在 4 種工況下進(jìn)行模型驗(yàn)證?；A(chǔ)網(wǎng)格尺寸為 8 mm，表 2 為網(wǎng)格設(shè)定與加密策略，進(jìn)行網(wǎng)格加密后最小網(wǎng)格尺寸為 0.062 5 mm。對(duì)噴孔附近進(jìn)行 7 級(jí)固定加密，且根據(jù)速度和溫度梯度施行 7 級(jí)自適應(yīng)加密。圖 1 為 CVCC 的幾何模型尺寸及加密效果。使用 163 種組分和 887 個(gè)反應(yīng)的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理結(jié)合 SAGE 化學(xué)動(dòng)力學(xué)求解器描述燃料氧化、著火和燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)。采用 KH-RT 描述燃料的破碎過(guò)程，其中模型常數(shù) B0 和 B1 分別取值為 0.61 和 50。大渦模擬(LES)和雷諾平均(RANS)都可以對(duì)噴霧過(guò)程中的湍流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行較為精確地描述，但在高噴射壓力條件下，LES 具有更好的瞬態(tài)精確度，因而筆者使用 LES 求解噴霧和燃燒過(guò)程中涉及的湍流運(yùn)動(dòng)。分別采用液體燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 90% 和氣態(tài)燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.1% 作為計(jì)算 LPL 和 VPL 的閾值。研究中 LPL 使用 ECN 的推薦值，而 VPL 則根據(jù)密度梯度進(jìn)行測(cè)算。對(duì)密度求導(dǎo)后得到密度梯度的切片，經(jīng)圖像處理與識(shí)別得到密度梯度圖像邊緣與噴嘴的最大垂直距離。使用密度梯度統(tǒng)計(jì) VPL 的優(yōu)勢(shì)在于其與紋影技術(shù)原理更為接近。同時(shí)，可以避免因燃燒導(dǎo)致仿真計(jì)算中以質(zhì)量分?jǐn)?shù)閾值統(tǒng)計(jì) VPL 產(chǎn)生的波動(dòng)與錯(cuò)誤。將燃燒化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度最大值的一半所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻定義為 IT。以 OH* 的化學(xué)熒光表示火焰的位置，火焰與噴嘴間的最短距離定義為 FLOL。

表2 網(wǎng)格設(shè)定與加密

圖1 幾何模型與網(wǎng)格細(xì)化

模型驗(yàn)證：

VPL 和 LPL 分別是對(duì)應(yīng)閾值與噴孔的最大垂向距離，表征了燃料射流的穿透能力。試驗(yàn)中使用高速紋影法、擴(kuò)散背景成像法和 Mie 散射法獲得噴霧的 VPL 和 LPL，仿真中使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)法和密度梯度法獲得 VPL 和 LPL。圖 2 為工況 1、2 和 3 下 CVCC 模型的驗(yàn)證。該模型能較好地描述非反應(yīng)條件下燃料的噴射和霧化過(guò)程。

圖 3 和圖 4 為反應(yīng)條件下(含氧)噴霧貫穿距離、燃燒參數(shù)和火焰形態(tài)的驗(yàn)證。圖 3 中工況 4 的 LPL 驗(yàn)證結(jié)果較好。缸內(nèi)壓力、累積放熱量和 FLOL 的吻合程度極佳。整個(gè)燃燒過(guò)程中定容燃燒彈彈體內(nèi)的壓力波動(dòng)極小(0.02 MPa)，放熱量約為 75J。缸內(nèi)壓力、累積放熱量和穩(wěn)態(tài) FLOL(OH^*質(zhì)量分?jǐn)?shù)閾值為 0.03%)的變化趨勢(shì)和誤差都在可接受范圍內(nèi)。

圖3 工況4的模型驗(yàn)證

圖4 工況4的火焰形態(tài)驗(yàn)證

圖 4 為 1 600 K 以上區(qū)域表征燃燒火焰形態(tài)與自發(fā)光火焰圖像的對(duì)比。可知，火焰的長(zhǎng)度、寬度和面積以及火焰上游(靠近噴嘴)與噴嘴的距離都與試驗(yàn)有較好的相似度。然而圖 3(a)中 VPL 的驗(yàn)證結(jié)果表明，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)法和密度梯度法得到的 VPL 存在較大差異。高速紋影法和密度梯度法獲得的 VPL 隨時(shí)間增加，而使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)法獲得的 VPL 在燃燒發(fā)生后保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，主要原因是火焰區(qū)域的氣相燃料由于燃燒消耗導(dǎo)致質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于閾值而未被統(tǒng)計(jì)。此外，氧化和裂解等作用使統(tǒng)計(jì)目標(biāo)演化為其他組分而導(dǎo)致。

圖5為質(zhì)量分?jǐn)?shù)法和密度梯度法得到的氣相噴霧形態(tài)與試驗(yàn)紋影圖像和自發(fā)光火焰圖像對(duì)比。實(shí)際上在著火后噴霧仍繼續(xù)向前貫穿，且貫穿速度與非燃燒噴霧接近。使用密度梯度法計(jì)算 VPL 比質(zhì)量分?jǐn)?shù)法更符合實(shí)際。綜上所述，模型的有效性得到了良好的驗(yàn)證，可使用模型開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。

圖5 不同仿真方法處理的氣相噴霧與試驗(yàn)對(duì)比

研究條件

按照是否發(fā)生燃燒將噴霧分成無(wú)氧條件下非反應(yīng)噴霧及含氧條件下的反應(yīng)噴霧。筆者使用的燃料性質(zhì)、CVCC 內(nèi)的初始條件及噴射條件見(jiàn)表 3。研究中使用 3 種硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度和黏度極具代表性的 HFO。燃料的黏度和密度隨硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)，其中密度最大差異為 12.1%，黏度相差 144 倍。按照黏度(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù))升序?qū)?HFO 從燃料A～C編號(hào)。

表3 燃料的性質(zhì)、初始和噴射條件

根據(jù)試驗(yàn)獲得的黏度-溫度特性曲線，設(shè)置 HFO 溫度以保證 HFO 與 nC₁₂H₂₆ 的黏度一致。噴孔直徑、噴射壓力和噴射持續(xù)期維持不變(分別為 0.09 mm、150 MPa 和 1.54 ms)，調(diào)整噴射質(zhì)量以消除因密度差異引起的噴射特性改變。為探究化學(xué)反應(yīng)對(duì)噴霧發(fā)展過(guò)程的影響，在不同環(huán)境條件進(jìn)行噴霧的試驗(yàn)和仿真研究。調(diào)整組分占比獲得相同初始條件(溫度、壓力和密度)下 0% 和 15% 的環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)。以燃料和氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)算例進(jìn)行命名，A0 代表燃料 A 和環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)為 0% 的組合。

【三、分析與討論】

噴霧特性

燃料在離開(kāi)噴嘴后經(jīng)歷的一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程共同決定著噴霧的發(fā)展。圖 6 為不同環(huán)境條件(氧體積分?jǐn)?shù)為 0% 和 15%)下噴霧的發(fā)展。LPL 和 VPL 在離開(kāi)噴嘴后迅速分離。LPL 短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定并停止貫穿直到噴射結(jié)束，VPL 在整個(gè)噴射過(guò)程中持續(xù)向前貫穿。低黏度燃料的 VPL 偏低，高黏度燃料的 LPL 偏高，VPL 的差異因燃燒而增大。在氧化作用存在的條件下，低黏度 HFO 的貫穿能力明顯減弱。噴射速率等于蒸發(fā)速率、燃燒速率等于混合速率是液體燃料射流和燃燒的兩個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段。這兩個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段受燃料性質(zhì)和環(huán)境條件的共同影響導(dǎo)致了 LPL 和 VPL 的差異。反應(yīng)與非反應(yīng)條件的噴霧貫穿距離之比如圖 6(c)和圖 6(d)所示，燃燒對(duì)噴霧發(fā)展的影響顯著。反應(yīng)條件與非反應(yīng)條件的 LPL 之比越接近 1，表明氧化作用對(duì)噴霧發(fā)展影響越小。氧化作用對(duì) LPL 和 VPL 都存在影響但程度有所區(qū)別。在點(diǎn)火前 LPL 不受氧化作用影響，在噴射結(jié)束前燃燒會(huì)弱化液滴的軸向貫穿能力。相比于 LPL，氧化對(duì) VPL 的影響異常明顯，特別是在著火發(fā)生之后。隨著燃燒的不斷進(jìn)行，VPL 受氧化反應(yīng)的影響愈加強(qiáng)烈，且 HFO 的黏度越低所受的影響越大。高黏度 HFO 的氣相貫穿能力更強(qiáng)，在著火后輕微下降并迅速恢復(fù)。低黏度 HFO 在著火后貫穿能力顯著下降。說(shuō)明高黏度 HFO 的蒸發(fā)、擴(kuò)散和混合較差。

圖6 不同氧體積分?jǐn)?shù)下的噴霧貫穿參數(shù)

      高黏度燃料的液滴穩(wěn)定性增加、破碎難度增加，破碎后的液滴直徑增加、霧化質(zhì)量變差。SMD 是評(píng)價(jià)霧化質(zhì)量的重要指標(biāo)，能體現(xiàn)燃料的破碎與蒸發(fā)特性。SMD 越小說(shuō)明霧化程度越好。圖 7 為不同燃料的液相噴霧參數(shù)。圖 7(a)中，SMD 的變化與黏度呈正比，且最大差異超過(guò) 85%。噴霧初期，SMD 與是否發(fā)生氧化反應(yīng)無(wú)關(guān)，著火前 SMD 有輕微的上升趨勢(shì)，噴射結(jié)束后 SMD 顯著上升。為了極大程度地降低計(jì)算時(shí)間、節(jié)約計(jì)算資源，Converge 在求解噴霧的過(guò)程中引入了粒子包(parcel)的概念。粒子包是由一系列半徑、速度和溫度等相同的燃料液滴組成，因而粒子包的數(shù)量與噴霧場(chǎng)中液滴直徑的種類(lèi)相同，如噴霧場(chǎng)中有 x 個(gè)粒子包，就會(huì)有 x 種液滴直徑。圖 7(b)為燃料黏度對(duì)粒子包數(shù)量的影響。根據(jù)粒子包與粒子直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可知，液滴直徑種類(lèi)與 HFO 的黏度無(wú)關(guān)，但直徑種類(lèi)都因燃燒而降低。同時(shí)，液滴表面積的下降速度大于液相體積的下降速度，使 SMD 上升，因而粒徑種類(lèi)降低說(shuō)明氧化與燃燒促進(jìn)大直徑液滴的破碎與小直徑液滴的蒸發(fā)。液相體積與表面積變化趨勢(shì)說(shuō)明在著火前低黏度對(duì)液滴破碎有利。燃料 B 和燃料 C 的液滴表面積和 SMD 接近，但液相體積相差較大，而二者的粒徑種類(lèi)相差超過(guò) 70% ，因而可以推斷燃料 C 噴霧的大直徑液滴占比更多。同時(shí)，更大的液滴表面積強(qiáng)化了液滴與環(huán)境的相互作用，蒸發(fā)與卷吸效果增強(qiáng)。燃料黏度、霧化和蒸發(fā)等過(guò)程都會(huì)影響液滴直徑的分布規(guī)律。圖 8 為 0.1 ms 和 0.9 ms 時(shí)刻噴霧場(chǎng)內(nèi)的液滴分布和液相形態(tài)。液相噴霧在徑向的擴(kuò)散能力與黏度呈正比。黏度增加，液滴的分布形態(tài)變得中部寬而頭尾窄，液相噴霧的最大寬度增加。液滴分布也反映出黏度越低，大直徑液滴占比越低，液相噴霧前端的分散度越好。著火與燃燒加速了小直徑液滴蒸發(fā)，SMD 減小，噴霧體積降低，證明了燃料 C 的液相噴霧中大直徑液滴占比更多的推斷。

圖7 不同燃料的液相噴霧參數(shù)

圖8 液相噴霧形態(tài)

“燃燒特性”部分內(nèi)容見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

【四、結(jié)論】

(1) 反應(yīng)與非反應(yīng)噴霧的噴霧貫穿距離(LPL 和 VPL)不同；著火與燃燒對(duì) VPL 的影響顯著且影響效果與黏度呈反比，而對(duì) LPL 的影響微乎其微，并幾乎與黏度無(wú)關(guān)；高黏度 HFO 的噴霧形態(tài)“窄而長(zhǎng)”且噴孔附近的噴霧邊緣呈“鋸齒”狀。

(2) SMD 和液滴直徑分布受著火與燃燒作用的影響截然相反；液滴表面積的下降速率大于液相體積的下降速率，導(dǎo)致含氧條件 SMD 略有增加。

(3) HFO 的黏度增加使 IT 推遲、燃燒相位提前，但著火后放熱率變緩、峰值下降、火焰與噴嘴間的距離縮短；IDS 內(nèi)等體積的液滴束表面積差異較大，低黏度 HFO 液滴表面積波動(dòng)，液滴穩(wěn)定性差。

(4) HFO 黏度增加則氣相噴霧與噴嘴的距離增加，火焰的拖尾現(xiàn)象嚴(yán)重；火焰頭部的寬度與 HFO 黏度呈反比，而與噴霧對(duì)環(huán)境空氣的卷吸能力呈正比；HFO 黏度不會(huì)對(duì)穩(wěn)態(tài)燃燒的火焰擴(kuò)散能力和燃料消耗速率產(chǎn)生影響。

點(diǎn)石儀器自主研制的定容燃燒彈系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高壓-微孔噴射條件下的精細(xì)化燃燒分析，通過(guò)精確調(diào)控環(huán)境參數(shù)（溫度、氧濃度等）和噴射條件，結(jié)合高速紋影、化學(xué)發(fā)光等多模態(tài)光學(xué)診斷手段，可定量表征重質(zhì)燃料油的噴霧貫穿、液滴破碎、著火延遲及火焰發(fā)展全過(guò)程。該系統(tǒng)尤其適用于高黏度燃料的霧化機(jī)理研究，通過(guò)改變?nèi)剂项A(yù)熱溫度實(shí)現(xiàn)黏度參數(shù)解耦，為優(yōu)化船用柴油機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)。