燃料特性對(duì)乙醇—正丁醇—十四烷燃油霧化特性的影響分析

胡鵬++王偉++琚雪明

摘 要：為探討燃料特性促進(jìn)柴油機(jī)缸內(nèi)乙醇柴油霧化過(guò)程的影響機(jī)理，采用單組份十四烷代替實(shí)際多組分柴油，利用經(jīng)典KH模型和TAB模型數(shù)值分析燃料特性對(duì)乙醇-正丁醇-十四烷混合燃料初次和二次霧化的影響規(guī)律。結(jié)果表明，十四烷中摻混乙醇和正丁醇后初次霧化團(tuán)塊液核半徑和破碎時(shí)間均降低，有助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂，促進(jìn)柴油機(jī)近噴嘴區(qū)燃油初次霧化；在相同的條件下，乙醇柴油理化性質(zhì)對(duì)二次霧化的影響很??；液滴半徑越小，破碎后Sauter平均半徑和破碎時(shí)間對(duì)半徑增量敏感性越強(qiáng)，越容易發(fā)生二次霧化；良好初次霧化和液滴蒸發(fā)特性促進(jìn)液滴二次霧化和液滴蒸發(fā)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；乙醇柴油；燃料特性；初次霧化；二次霧化

中圖分類號(hào)：TK402文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.01.07

Abstract：In order to investigate the effect of fuel properties on the atomization of ethanol-diesel blended， the primary atomization of liquid jet and secondary atomization of droplet were calculated by Kelvin-Helmholtz instability（KH） model and taylor analogy breakup（TAB） Model， respectively. The diesel was replaced by n-tetradecane in the model. The results indicate that the liquid core radius and breaking time of the primary atomization of liquid jet of ethanol-diesel are reduced. Adding ethanol and n-butyl alcohol to n-tetradecane is beneficial to fuel spray atomization near the nozzle exit in diesel engine. Under the same conditions， fuel properties have little effect on secondary atomization of droplet. For smaller radius of droplet， the sensitivity of the droplet radius and breaking time of secondary atomization to droplet radius is stronger， and it is easier to induce secondary atomization of droplet. Good primary atomization and droplet evaporation characteristic can promote the secondary atomization of droplets and droplet evaporation.

Keywords：internal combustion engine； ethanol-diesel； fuel property； primary atomization； secondary atomization

隨著石油供需矛盾的不斷加劇，代用清潔燃料的研究越來(lái)越受到重視。乙醇是一種可再生的清潔含氧燃料，借助助溶劑制備乙醇柴油，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著柴油機(jī)向著高效、清潔和低CO2排放發(fā)展，需要深入了解多組分燃料乙醇柴油在缸內(nèi)霧化燃燒行為的細(xì)節(jié)，利用燃料的理化性質(zhì)協(xié)同燃燒邊界優(yōu)化控制燃燒路徑，實(shí)現(xiàn)“油、氣、室”三者的優(yōu)化匹配。在柴油機(jī)和直噴式汽油機(jī)中，都是將燃油直接噴入燃燒室內(nèi)，液相燃油射流要經(jīng)歷破碎和霧化、蒸發(fā)、與空氣混合直至燃燒。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了乙醇柴油燃料理化特性對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒和排放的影響[1-4]，結(jié)果表明，柴油中摻混醇后，燃油霧化效果改善，油氣混合速率提高。上述研究結(jié)果是各種因素的綜合效果，筆者為了探明乙醇柴油燃油特性促進(jìn)缸內(nèi)燃油霧化蒸發(fā)的根本原因，對(duì)燃油進(jìn)入缸內(nèi)后的物理化學(xué)子過(guò)程進(jìn)行逐步研究。首先研究正十二烷單液滴在含乙醇氛圍中的蒸發(fā)特性[5]以及乙醇柴油液滴蒸發(fā)特性[6]，結(jié)果表明，空氣中含低質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙醇蒸氣對(duì)十二烷單液滴蒸發(fā)沒(méi)有明顯影響，這說(shuō)明乙醇柴油中優(yōu)先蒸發(fā)出來(lái)的低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的醇蒸氣（由于柴油機(jī)燃油質(zhì)量占缸內(nèi)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低）對(duì)柴油蒸氣擴(kuò)散的傳質(zhì)數(shù)沒(méi)有影響，同時(shí)乙醇柴油中由于摻混乙醇而顯著促進(jìn)液滴蒸發(fā)。

內(nèi)燃機(jī)燃油射流屬于噴霧流，在噴嘴附近存在絲狀和膜狀液流以及其進(jìn)一步分裂的液滴群。由于初期形成的液流和液滴后期進(jìn)一步分裂有相似性，因此本文在相同環(huán)境條件下研究燃料特性對(duì)單一液流油團(tuán)和液滴破碎的影響規(guī)律。由于經(jīng)典的KH和TAB模型的有效性已得到研究者驗(yàn)證，因此利用其計(jì)算燃油連續(xù)射流初次霧化和液滴二次霧化過(guò)程，探討乙醇柴油燃料特性并對(duì)初次和二次霧化基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行研究，為后續(xù)研究乙醇柴油特性對(duì)燃油噴霧流局部的平衡區(qū)渦團(tuán)脈動(dòng)，以及探明乙醇柴油燃油特性促進(jìn)缸內(nèi)燃油霧化蒸發(fā)的根本原因奠定基礎(chǔ)。

1 初次和二次霧化計(jì)算模型

1.1 初次霧化計(jì)算

從噴嘴孔射出的燃油實(shí)際上并非離散的油滴，而是連續(xù)的射流。連續(xù)射流在缸內(nèi)各種動(dòng)力和靜力的作用下破裂，其破裂過(guò)程與單個(gè)油滴的破裂過(guò)程有很大的區(qū)別。利用Reize等建立的KH模型描述連續(xù)射流破碎過(guò)程[7-9]（圖1），油團(tuán)半徑r?和液霧流的破裂時(shí)間τ由式（1）和式（2）計(jì)算。

圖中：L為噴嘴孔長(zhǎng)，cm；D為噴嘴直徑，cm；R為轉(zhuǎn)角半徑，cm；ur為小油滴相對(duì)速度，cm/s；L1為破裂長(zhǎng)度，cm ；r?為初始油滴半徑，cm；Λ為波長(zhǎng)，cm；η為波高，cm。

式中：B00.61；Λ為對(duì)應(yīng)于燃料表面Kelvin-Helmholtz波的波長(zhǎng)，cm；r0為破碎前的油團(tuán)半徑，cm；為Kelvin-Helmholtz波的頻率；B1為常數(shù)，其值為40。

由式（1）和式（2）可知，作用在射流表面增長(zhǎng)最快的擾動(dòng)波波長(zhǎng)Λ可反映液滴破碎后半徑規(guī)律，液滴破碎后半徑與波長(zhǎng)Λ成正比；和Λ乘積反映破碎時(shí)間，令，這樣破碎時(shí)間與PS成正比。和Λ的計(jì)算公式如式（3）。

式中：下標(biāo)l和2分別表示液相和氣相；為液相表面正應(yīng)力，Pa；為液相表面密度，kg/m3；μ為液相表面動(dòng)力粘度系數(shù)，Pa·s。無(wú)量綱變量被定義為： 、、、和

和。

1.2 液滴二次霧化計(jì)算

直徑為d0的液滴以速度uL在速度為ug的氣流中相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力分析如圖2所示。

液滴一半對(duì)另一半的吸引力為

。

由于氣流作用在球面上的壓力分布，使液滴在垂直于氣流方向上拉開(kāi)的力正比于氣動(dòng)壓力及液滴的迎風(fēng)面積：

式中：d為直徑，m；為表面張力系數(shù)，N/m；為氣流密度，kg/m3；k為系數(shù)；ug和uL分別為液滴和氣流速度，m/s。

由于蒸發(fā)和氣流阻力的作用，上式中的d和uL是隨時(shí)間改變的，因此，為處理數(shù)據(jù)方便，以初始直徑d0和氣流速度ug來(lái)表示氣流與液滴的相對(duì)速度。液滴變形的條件為：

。

式（6）左邊的物理意義為氣動(dòng)力與表面張力的比值，即為韋伯?dāng)?shù)We。

開(kāi)始變形破碎的韋伯?dāng)?shù)稱為臨界韋伯?dāng)?shù)，記為We，c。接下來(lái)按照TAB模型計(jì)算液滴二次霧化的破碎時(shí)間和破碎后半徑，具體為：①按式（7）進(jìn)行計(jì)算液滴破裂時(shí)間；②聯(lián)合式（7）～（9），并進(jìn)行離散，代入t=tbu可計(jì)算分裂產(chǎn)生的油滴群的Sauter平均半徑。

1.3 混合燃料物性參數(shù)計(jì)算

研究燃料特性對(duì)連續(xù)射流初次霧化和液滴二次霧化的影響分析，涉及十四烷、乙醇和正丁醇在370 K和500 K時(shí)的密度、表面張力和動(dòng)力粘度系數(shù)，記十四烷、乙醇和丁醇分別為組分1 、組分2和組分3。本文根據(jù)文獻(xiàn)[6]和[10]，獲得三種燃料的密度、表面張力和動(dòng)力粘度系數(shù)，見(jiàn)表1和表2。

混合燃料中十四烷、乙醇和正丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為y1、y2和y3，對(duì)應(yīng)的密度分別1、2和3，摩爾質(zhì)量分別為 M1、M2和M3，則混合燃料中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)為：

。

混合燃料的物性參數(shù)采用如下法則進(jìn)行計(jì)算：①乙醇柴油的密度采用式（12）計(jì)算；②混合燃料的表面張力、粘度和摩爾質(zhì)量用式（13）計(jì)算。

式中：P0為混合燃料物性值（除密度外）；xi為第i種組分的摩爾分?jǐn)?shù)；Pi為第i種組分的物性值。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 對(duì)初次霧化的影響

圖3為燃料特性對(duì)初次霧化特征參數(shù)Ω和PS變化的影響關(guān)系。由圖3可知：（1）十四烷中摻醇后射流表面增長(zhǎng)最快的擾動(dòng)波的波長(zhǎng)Λ降低。與十四烷相比， N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的Λ降幅分別為4.76%、7.65%、9.95%和7.96%；由于破碎出來(lái)的液滴半徑正比于增長(zhǎng)最快的擾動(dòng)波的波長(zhǎng)，因此十四烷中摻混醇有助于降低連續(xù)的射流破碎后團(tuán)塊液核半徑。（2）與十四烷相比，所有乙醇柴油的初次霧化破碎參數(shù)PS降低；N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的PS降幅分別為2.12%、4.08%、5.72%和3.59%。由于破碎時(shí)間正比于破碎參數(shù)PS，柴油機(jī)燃用乙醇柴油時(shí)初次霧化破碎時(shí)間縮短。因此在相同的噴射條件下十四烷摻醇后，有助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂，促進(jìn)缸內(nèi)燃油初次霧化。（3）隨著乙醇柴油中添加醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，乙醇柴油初次霧化后燃料破碎半徑和破碎時(shí)間均降低，且添加相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙醇降低效果更加明顯。

2.2 對(duì)液滴二次霧化的影響

由式（7）可知，臨界韋伯?dāng)?shù)主要與液滴直徑、氣流與液滴的相對(duì)速度的平方成正比，與燃料的表面張力成反比。由式（8）可知，破碎時(shí)間與燃料表面張力和密度有關(guān)。由文獻(xiàn)[1]中液滴蒸發(fā)特性和燃料屬性對(duì)初始霧化的液滴半徑可知，在相同時(shí)刻和相同位置噴入缸內(nèi)的乙醇柴油和柴油，乙醇柴油液滴比柴油液滴更加容易發(fā)生破碎，而發(fā)生破碎時(shí)間需要進(jìn)一步考察。接下來(lái)研究當(dāng)介質(zhì)密度、液滴直徑和氣液相對(duì)速度相同時(shí)，由于燃料配比的改變導(dǎo)致發(fā)生破碎的臨界韋伯?dāng)?shù)及破碎時(shí)間具體比例關(guān)系。

圖4為乙醇柴油液滴（溫度為370 K和500 K）的臨界韋伯?dāng)?shù)和破碎時(shí)間的直方圖。由圖可知：

（1乙醇柴油的臨界韋伯?dāng)?shù)均高于十四烷，表明乙醇柴油液滴比十四烷更難發(fā)生破碎。溫度為370 K的液滴臨界韋伯?dāng)?shù)增加幅值較小，而溫度為500 K的液滴韋伯?dāng)?shù)增幅較大。與十四烷相比，液滴溫度370 K時(shí)，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的韋伯?dāng)?shù)增幅分別為3.28%、4.94%、6.31%和5.59%；液滴溫度為500 K時(shí)，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的韋伯?dāng)?shù)增幅分別為21.67%、38.49%、55.50%和42.24%。（2）所有乙醇柴油的破碎時(shí)間均高于十四烷，這點(diǎn)和乙醇柴油臨界韋伯?dāng)?shù)增加相對(duì)應(yīng)。與十四烷相比，液滴溫度350 K時(shí)，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的破碎時(shí)間增幅分別為1.83%、2.70%、3.42%和3.16%；液滴溫度為500 K時(shí)，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的破碎時(shí)間增幅分別為10.11%、17.45%、24.41%和18.84%。（3）乙醇柴油中乙醇或正丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，其臨界韋伯?dāng)?shù)和破碎時(shí)間均增加。（4）結(jié)合文獻(xiàn)[1]中單液滴蒸發(fā)特性，可知在液滴溫度升高至500 K時(shí)，液滴中乙醇和正丁醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常小，醇對(duì)二次霧化作用較小。也就是說(shuō)，柴油中摻混乙醇，混合燃料液滴臨界韋伯?dāng)?shù)和破碎時(shí)間增加，但是增幅較小。

圖5是乙醇柴油液滴（溫度為370 K和500 K）破碎后的Sauter平均半徑變化情況，其中初始參數(shù)和圖3一致。由圖可知：（1）十四烷中摻醇后，液滴破碎后Sauter平均半徑變化規(guī)律與溫度有關(guān)，這是由于液滴破碎后Sauter平均半徑與密度有關(guān)，而十四烷、乙醇和正丁醇三者的密度大小關(guān)系取決于液體溫度。當(dāng)液滴溫度為370 K時(shí)，三者的密度關(guān)系為：正丁醇>乙醇>十四烷；當(dāng)液滴溫度為500 K時(shí)，三者的密度大小關(guān)系為十四烷>乙醇>正丁醇。液滴溫度為370 K，不同配比的乙醇柴油液滴破碎后Sauter平均半徑均增加，但增幅較小，與十四烷相比，Sauter平均半徑增幅分別為1.12%、1.95%、2.61%和1.92%。液滴溫度為500 K時(shí)，乙醇柴油液滴破碎后Sauter平均半徑均降低，與十四烷相比，該溫度下Sauter平均半徑降幅分別為1.70%、3.24%、4.83%和3.27%。（2）隨著十四烷中摻醇比例的增加，破碎后Sauter平均半徑變化幅值減小。液滴溫度為500 K時(shí)，燃料中乙醇和正丁醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，因此在柴油中摻混低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙醇或正丁醇，液滴破碎后Sauter平均半徑變化規(guī)律更加接近液滴溫度為370 K的情況。綜上所述，隨著液滴蒸發(fā)和破碎的進(jìn)行，乙醇柴油燃料特性對(duì)破碎后Sauter平均半徑影響很小。

由圖5可知，液滴溫度為370 K時(shí)，乙醇柴油燃料特性對(duì)臨界韋伯?dāng)?shù)、破碎時(shí)間和破碎后Sauter平均半徑的影響非常小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，乙醇柴油本身理化性質(zhì)并不能促進(jìn)柴油機(jī)缸內(nèi)二次霧化，對(duì)二次霧化起阻礙作用，但影響很小。

2.3 二次霧化參數(shù)對(duì)液滴半徑敏感性分析

由文獻(xiàn)[1]中乙醇柴油和柴油液滴蒸發(fā)特性與前文所述燃料屬性對(duì)缸內(nèi)射流初次霧化的影響可知，相同噴射條件下，乙醇柴油液滴半徑小于柴油液滴，而液滴二次霧化特征參數(shù)與液滴半徑有關(guān)，因此研究液滴二次霧化對(duì)液滴半徑的敏感性分析，如圖6所示。

由圖6可知：（1）隨著液滴半徑增幅的增加，破碎后Sauter平均半徑和破碎時(shí)間的增幅均增加。當(dāng)液滴半徑增量為1 ?m時(shí)，液滴半徑為10 ?m的破碎后Sauter平均半徑和破碎時(shí)間增幅分別為9.97%和15.37%。同時(shí)由式（7）可知，破碎時(shí)間的降低幅值與液滴半徑r1.5成正比，因此液滴半徑降低，破碎時(shí)間縮短。結(jié)合燃料特性對(duì)缸內(nèi)射流初始霧化的影響，由于初始霧化后形成的液滴群是二次霧化液滴的來(lái)源，因此燃用乙醇柴油時(shí)缸內(nèi)射流初次霧化后液滴半徑的減小會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)液滴二次霧化。（2）在相同的液滴半徑增量的基礎(chǔ)上，液滴半徑越小，破碎后Sauter平均半徑和破碎時(shí)間對(duì)半徑增量敏感性越強(qiáng)。因此當(dāng)柴油機(jī)燃用乙醇柴油時(shí)，由于乙醇柴油具有較好的初次霧化以及蒸發(fā)特性，使乙醇柴油在柴油機(jī)缸內(nèi)最終霧化效果優(yōu)于傳統(tǒng)燃料柴油。

3 結(jié)論

（1）十四烷中醇后初次霧化團(tuán)塊液核半徑和破碎時(shí)間均降低，有助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂，促進(jìn)缸內(nèi)燃油初次霧化。隨著乙醇柴油中添加醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，乙醇柴油初次霧化后燃油破碎半徑和破碎時(shí)間均降低，且添加相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙醇降低效果更加明顯。

（2）在相同的條件下，乙醇柴油理化性質(zhì)并不能促進(jìn)柴油機(jī)缸內(nèi)二次霧化，對(duì)二次霧化起阻礙作用，但影響很小。與十四烷相比，液滴溫度350 K時(shí)，N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的破碎時(shí)間增幅分別為1.83%、2.70%、3.42%和3.16%。

（3）在相同的液滴半徑增量的基礎(chǔ)上，液滴半徑越小，破碎后Sauter平均半徑和破碎時(shí)間對(duì)半徑增量敏感性越強(qiáng)，越容易發(fā)生二次霧化。

（4）由于初始霧化后形成的液滴群是二次霧化液滴的來(lái)源，燃用乙醇柴油時(shí)缸內(nèi)射流初次霧化后液滴半徑的減小會(huì)促進(jìn)二次霧化；同時(shí)乙醇柴油具有良好的液滴蒸發(fā)特性，也會(huì)促進(jìn)液滴二次霧化。

參考文獻(xiàn)（References）：

張志強(qiáng)，趙福全，于冠軍，等. 乙醇/柴油燃料配制和對(duì)柴油機(jī)性能影響的模擬 [J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（8）：1254-1260，1269.

Zhang Zhiqiang，Zhao Fuquan，Yu Guanjun，et al. Blend Fuels of Ethanol and Diesel Concoction and Its Influence

on Diesel Engine Performance [J]. Journal of Tongji Univer-sity（Natural Science），2012，40（8）：1254-1260，1269.（in Chinese）

孫瑞，陳振斌，李開(kāi)綿. 乙醇柴油配比優(yōu)化及其用于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn) [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（9）：55-63.

Sun Rui，Chen Zhenbin，Li Kaimian. Proportion Optimi-zation of Ethanol-Diesel Fuel and Engine Performance Test [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29（9）：55-63. （in Chinese）

鄧鵬，黃榮華，馬寅杰，等. 強(qiáng)化混合條件下乙醇柴油和柴油的噴霧混合特性 [J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2014，32（2）：144-151.

Deng Peng，Huang Ronghua，Ma Yinjie，et al. Atomi-zation and Mixture Formation Characteristics of Ethanol-Diesel and Diesel Under Intensified Mixing Conditions [J]. Transactions of CSICE，2014，32（2）：144-151. （in Chinese）

孫平，胡鵬，汪家全，等. 添加劑對(duì)柴油機(jī)燃用乙醇柴油時(shí)排放顆粒特性的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2013， 26（12）：1268-1275.

Sun Ping，Hu Peng，Wang Jiaquan，et al. Effect of the Fuel Additives on Particle Emission Characteristics of Diesel Engine Fueled with Ethanol-Diesel Blends [J]. Research of Environmental Sciences，2013，26（12）：1268-1275. （in Chinese）

胡鵬，孫平，梅德清. 正十二烷單液滴在含乙醇氛圍中的蒸發(fā)特性 [J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013， 34（5）：508-513.

Hu Peng，Sun Ping，Mei Deqing. Evaporation Investi-gation of a Single N-dodecane Droplet in Alcohol Mixture

[J]. Journal of Jiangsu University（Natural Science Edition），2013，34（5）：508-513. （in Chinese）

胡鵬，孫平，梅德清，等. 微乳化乙醇柴油燃料單液滴的蒸發(fā)特性研究 [J]. 內(nèi)燃機(jī)工程， 2013， 34（3）： 9-14.

Hu Peng，Sun Ping，Mei Deqing，et al. Evaporation Investigation of a Single Droplet of the Micro-emulsified Ethanol-Diesel Blended Fuel [J]. Chinese Internal Com-bustion Engine Engineering，2013，34（3）：9-14. （in Chinese）

Liu Zhengbai，OBOKATA T，REITZ R D. Modeling Drop Drag Effects on Fuel Spray Impingement in Direct Injection Diesel Engine [J]. SAE Transactions，1997， 106（3）：1377-1390.

LIU A B，MATHER D，REITZ R D. Modeling the Effects of Drop Drag and Breakup on Fuel Sprays [J]. SAE Transactions，1993，102（3）：83-95.

REITZ R D，DIWAKER R. Effect of Drop Breakup on Fuel Sprays [J]. SAE Transactions，1986，95（3）：218-227.

劉新華. 某些液態(tài)物質(zhì)的密度與溫度的定量關(guān)系 [J]. 化學(xué)通報(bào)，1999，62（3）：54-56.

Liu Xinhua. Quantitative Relation Between Density and Temperature of Some Liquid Substances [J]. Chemistry， 1999，62（3）：54-56. （in Chinese）