拖拉機發(fā)動機燃油霧化特性研究進展

劉彤馨，潘江如，孔得丞

（1.830052 新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊市 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院；2.830052 新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊市 新疆工程學(xué)院 機電工程學(xué)院；3.710064 陜西省 西安市 長安大學(xué) 省部級重點實驗室）

0 引言

農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展使內(nèi)燃機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但是隨著能源環(huán)境問題的日益凸顯和燃油排放法規(guī)的越發(fā)嚴(yán)厲，傳統(tǒng)拖拉機發(fā)動機燃油消耗量大、污染物排放嚴(yán)重等問題亟待解決，更加清潔高效的燃燒技術(shù)成為內(nèi)燃機領(lǐng)域研究和發(fā)展的重點。其中，噴油嘴的霧化質(zhì)量直接影響混合氣的形成，對發(fā)動機燃燒效率及污染物排放有重大影響，射流霧化過程中液膜的破碎、流動、蒸發(fā)、摻混等過程呈現(xiàn)出復(fù)雜相界面結(jié)構(gòu)，因此霧化問題逐漸成為制約發(fā)動機燃燒過程的重要問題之一。

近年來，許多研究人員從不同的角度和出發(fā)點對車用柴油機燃燒室內(nèi)燃油霧化的實驗方法、理論基礎(chǔ)以及數(shù)值模擬開展了相關(guān)研究。本文就這幾個方面的研究情況分別進行探討與分析，并對未來相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢進行展望，進而推動拖拉機發(fā)動機節(jié)能環(huán)保的發(fā)展。

1 實驗研究

實驗方法具有直觀、真實、可靠等特點，是研究燃油霧化的有力工具。近年來國內(nèi)外常用的可視化設(shè)備有定容燃燒彈、預(yù)燃式定容彈、光學(xué)發(fā)動機、快速循環(huán)機和快速壓縮機等。常用光學(xué)測試技術(shù)有高速直拍法、激光散射技術(shù)、紋影法、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)、相位多普勒粒子分析等。研究人員圍繞燃油物性以及噴注參數(shù)展開了大量實驗研究，通過光學(xué)測量獲得不同工況下的霧化圖像特征，將圖像特征比對理論分析結(jié)果，探究霧化參數(shù)對物化特性的影響，從而歸納出適用一定條件的霧化模型。

1.1 燃油物性

燃油物性主要指液體密度、粘度、十六烷值等特征。一類研究是在柴油機上采取適當(dāng)摻混方式使燃油物性向有利于燃油霧化和油氣混合的方向發(fā)展。Ma[1]、鄧濤[2]和Dhanasekaran[3]通過實驗分別以不同比例向柴油摻混醇類、醚類等含氧燃料，發(fā)現(xiàn)混合燃料在一定程度上改善了霧化和噴霧特性。

另一類研究集中在尋求新型清潔燃料，以生物柴油為代表的新型替代燃料在柴油機上具有廣泛的應(yīng)用前景。許多學(xué)者分析比較了生物柴油混合燃料的噴霧貫穿距、液滴粒徑、粒徑分布等參數(shù)[4-6]，發(fā)現(xiàn)生物柴油混合燃料與柴油的噴霧發(fā)展進程相似，但生物柴油具有較高的密度、粘度和表面張力，因此在柴油中摻混生物柴油往往會惡化燃油霧化效果，通常在柴油/生物柴油混合燃料中摻混其他理化性質(zhì)的含氧燃料能夠有效改善噴霧特性。

1.2 噴注參數(shù)

典型的噴注參數(shù)包括噴射壓力、環(huán)境背壓、溫度和噴孔參數(shù)等。噴射壓力對整體平均速度的影響是線性的，提高噴射壓力能夠促進油滴破碎、減小液體滲透；而環(huán)境背壓對整體平均速度的影響是非線性的，背壓提高促進油滴聚合[7-9]。溫度也是一個重要的控制參數(shù)[10]，溫度較低時，霧化效果較差；隨著燃油溫度的升高，霧化質(zhì)量得到顯著改善。

噴孔的幾何形狀、直徑[11-13]以及數(shù)量[14]等條件對霧化效果也會產(chǎn)生一定的影響。試驗結(jié)果表明，與圓形噴孔相比，采用非圓噴孔能夠加速噴霧油束破碎、增大噴霧錐角，同時換軸現(xiàn)象能夠增強燃油噴霧的空氣卷吸效應(yīng)，促進燃油/空氣的混合過程。

對于燃油霧化的實驗研究來說，光學(xué)測試技術(shù)在霧化特性的實驗操作中發(fā)揮著重要作用。但是，由于實際研究中大多使用基于單點測量技術(shù)的相位多普勒粒子分析儀和基于線測量的激光散射技術(shù)測量液滴粒徑與速度，難以獲取噴嘴內(nèi)部以及噴嘴出口燃油流動情況，導(dǎo)致初始邊界條件不夠準(zhǔn)確，因此要結(jié)合新型光學(xué)測量技術(shù)與數(shù)值模擬的方法獲取霧化特性中更為細(xì)節(jié)的參數(shù)。

2 理論研究

目前，用于研究燃油射流霧化的理論主要是由射流線性穩(wěn)定性理論和射流非線性穩(wěn)定性理論組成的射流穩(wěn)定性理論。分析線性穩(wěn)定性理論可以得到射流表面擾動波的最大擾動增長率、最不穩(wěn)定波數(shù)等參數(shù)，因此在氣液交界面擾動發(fā)生的初始階段可以利用線性穩(wěn)定性理論對擾動波的發(fā)展過程進行預(yù)測，形成擾動波增長率的數(shù)學(xué)表達式，并且研究不同參數(shù)對擾動波發(fā)展的影響。但是由于線性穩(wěn)定性理論僅考慮射流表面的一階擾動，因此對射流發(fā)展的預(yù)測并不準(zhǔn)確。隨著擾動振幅的進一步發(fā)展，達到液膜無法維持原狀將要破碎的臨界點時，線性穩(wěn)定性理論失效，進而通過非線性穩(wěn)定理論與實驗驗證相結(jié)合的方法對射流破碎過程進行進一步描述，由于考慮了高階擾動對射流穩(wěn)定性的作用，因此非線性穩(wěn)定性理論對射流發(fā)展的預(yù)測更為準(zhǔn)確。

孔式噴嘴和軸針式噴嘴是柴油機上常見的兩種噴嘴形式，其中孔式噴嘴噴出圓形的柱狀射流，軸針式噴嘴噴出圓環(huán)狀的錐形液膜射流。

2.1 圓柱射流

早在1878 年，Rayleigh[15]就提出無粘流體低速圓射流表面波模型。后來，Weber[16]將理論擴展到了粘性流體，Haenlein[17]將模型劃分成正對稱波形和反對稱波形。隨后，Ohnesorge[18]將表面波模式劃分成了瑞利（Rayleigh）、斷續(xù)（Intermittent）和霧化模式（Atomization）。上述研究都是基于擾動波是隨時間增長的這一基礎(chǔ)，但在實驗中可以清楚地觀察到，擾動波在空間上也是增長的。基于這一發(fā)現(xiàn)，Kelller[19]等提出了擾動波隨空間發(fā)展的理論，能夠準(zhǔn)確描述擾動波的最大擾動增長率與波數(shù)之間的關(guān)系。

對于液體射流的非線性穩(wěn)定性理論，Wang[20]首先將Rayleigh 提出的線性模型擴展到二階非粘性模型；Nayfeh[21]利用多時間尺度的方法得到了二階展開式；Ibrahim[22-23]等認(rèn)為線性穩(wěn)定性理論能夠用于分析射流破碎的開始，而非線性穩(wěn)定性理論對射流破碎后的結(jié)果分析更為理想。并且提出了渦流作用下液體射流的非線性反對稱波形模型；呂明[24]等進一步延伸了射流空間發(fā)展的概念。

2.2 圓環(huán)液膜射流

圓環(huán)液膜破碎過程非常復(fù)雜，F(xiàn)raser[25]、Crapper[26]等較早對圓環(huán)液膜進行了研究，但是他們并未考慮液體粘性。Shen[27]等推導(dǎo)了描述牛頓流體圓環(huán)液膜射流穩(wěn)定性的色散方程；嚴(yán)春吉[28]用空間線性穩(wěn)定性理論對在射流霧化過程中起控制作用的主要參數(shù)如氣液速度、密度、表面張力、液體粘性等進行分析；Hosseinalipour[29]等研究了液膜旋流速度和氣流軸向速度對液膜不穩(wěn)定性和破裂長度的影響，同時還對環(huán)境壓力的影響進行了研究。

而對圓環(huán)液膜射流的非線性穩(wěn)定性理論研究目前還不成熟，主要的研究方法有非線性對稱降維方法[30]和擾動展開技術(shù)[31]。與線性穩(wěn)定性理論相比，非線性穩(wěn)定性理論有一定的優(yōu)越性，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測射流破碎的破碎長度。

3 數(shù)值模擬

噴霧過程的數(shù)值模擬是研究內(nèi)燃機的另一個有力工具，不僅可以加快研究進程，降低研究成本，還可以獲得由于實驗條件和設(shè)備限制而無法得到的數(shù)據(jù)信息。但是柴油機的霧化是一個極其短暫且細(xì)微的過程，目前國內(nèi)外對復(fù)雜條件下燃油霧化的全過程數(shù)值模擬相關(guān)研究較少，對其模擬計算的相關(guān)模型尚不完善，為了平衡霧化過程和計算效率，對許多霧化的細(xì)節(jié)過程都進行了理想化處理。這些因素制約著數(shù)值模擬在柴油機開發(fā)中的進一步應(yīng)用。

3.1 一次霧化

燃油經(jīng)噴油嘴噴出后，受到氣流擾動和湍流運動的影響，最初作為連續(xù)射流的燃油分解成細(xì)絲和液滴，該過程稱為一次霧化。對于初次霧化的研究，國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注當(dāng)燃油從連續(xù)狀態(tài)變?yōu)殡x散狀態(tài)時氣液相界面的發(fā)展過程，因此在數(shù)值模擬中主要采用界面追蹤法（Front Tracking Method，F(xiàn)TM）捕捉液體射流的表面波動以及破碎過程的細(xì)節(jié)。根據(jù)氣液相界面描述的方式不同，界面追蹤方法主要有PIC(Particle In Cell)、MAC（Marker And Cell）、VOF（Volume of Fluid）和LS（Level Set）方法等。

目前應(yīng)用較多的界面追蹤方法是VOF 法[32-33]與LS 法[34]。除此之外，也有其他的模擬方式，如Salvador[35]等設(shè)計了一種新的自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化的不可壓縮多相流方法；Andreini[36]等提出了一種創(chuàng)新的二階封閉RANS 環(huán)境下的物化模擬。綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，界面追蹤法對于柴油與背景環(huán)境的分界面能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)捕捉并獲得較好的一次霧化效果，但是這種模擬方法的求解對網(wǎng)格精度的要求較高，隨著液滴尺度的變小，網(wǎng)格的尺度也需要進行調(diào)整，因此該種算法計算量巨大，在工程上應(yīng)用難度較大。

3.2 二次霧化

一次霧化后形成的大粒徑液滴進入到油氣混合區(qū)域，大粒徑液滴所受的表面張力大于連續(xù)液體的表面張力，導(dǎo)致在高速氣流環(huán)境中的大液滴在表面非均勻分布的擾動下發(fā)生變形，并進一步碎裂成更小的液滴，這一過程稱為二次霧化。二次霧化過程中液滴在流場以離散形式存在，因此通常采用Eulerain-Lagrangian 方法跟蹤液滴獲取不同直徑液滴的運動軌跡，進而模擬實際燃燒室中燃油射流霧化混合到蒸發(fā)燃燒的全過程。在這一方法中，研究者們根據(jù)液滴的破碎霧化過程提出了不同的數(shù)學(xué)模型，主要有TAB（Taylor Analogy Breakup）[37]和KH-RT 模型[38-39]。此外，毛傳林[40]等采用k-ε湍流模型結(jié)合DPM 離散相模型對氣泡霧化噴嘴下游的二次霧化過程進行數(shù)值模擬，且考慮了氣液兩相間的耦合作用及液滴破碎和碰撞模型。Hwang[41]、侯玉晶[42]等均采用DDM 模型模擬多相流動過程，并與試驗結(jié)果對比證明了DDM 模型的有效性。

3.3 一次霧化與二次霧化的耦合方法

在霧化過程數(shù)值模擬研究中發(fā)現(xiàn)，采用VOF等界面追蹤法可以捕捉到初次霧化的氣液相界面，但難以獲取小粒徑液滴的流暢特性，而如果直接采用離散相模型，則會忽略初次霧化中液體微團對整個霧化過程的影響，因此有研究者們開始提出將初次霧化與二次霧化過程進行耦合的方法[43-45]，從而實現(xiàn)對液體射流霧化全過程的數(shù)值模擬。

數(shù)值模擬已成為繼實驗方法和理論方法之后研究燃油霧化的第3 種重要研究手段，基于傳統(tǒng)的Eulerain-Eulerain 和Eulerain-Lagrangian 方法已經(jīng)可以獲得燃油霧化的典型過程，但射流空化現(xiàn)象和湍流擾動同樣對霧化效果有重要影響，因此考慮空化、湍流等多因素霧化數(shù)值模擬還需進一步完善，用于數(shù)值模擬過程中的物理化學(xué)模型仍需深入探索。

4 結(jié)語

本文針對拖拉機柴油機燃油霧化問題，分別從實驗方法、理論方法和數(shù)值模擬三個方面進行了總結(jié)。近年來國內(nèi)外研究者致力于燃油霧化特性的相關(guān)研究并取得了較大進展，但是由于霧化機理的復(fù)雜性、試驗研究的局限性以及數(shù)值模擬的誤差性，霧化特性還未完全揭示。因此，對燃油霧化的特性研究必須要與光學(xué)測量技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)理論和計算機技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系起來，不斷汲取相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果推動柴油機霧化技術(shù)的發(fā)展。