不同碰撞角度、环境和燃料量，对双燃料碰撞喷雾和燃烧特性的影响

文丨猿十叁

编辑丨猿十叁

柴油发动机因其高热效率和耐久性而广泛应用于交通、农业和军事等领域。然而，由于燃料迅速枯竭和污染物排放的严格法规，它们的发展受到了燃料短缺和严格排放法规的限制。

这些问题促使学者探索新的替代燃料，尤其是含氧生物燃料。生物柴油由于其可再生性、生物降解性和无毒性而成为有吸引力的替代燃料。它具有较低的硫含量和芳香烃，较高的氧含量和十六烷值，可以改善燃烧并降低排放。

然而，由于高粘度、低冷流动性和更多的NOX排放形成，其应用受到限制。同时，正丁醇在醇类中显示出更多优势，如较高的十六烷值、较高的能量密度、较低的蒸气压和较高的混溶性。

由于低汽化热和自燃温度，它具有较高的点火质量。此外，由于正丁醇的低挥发性和亲水性，它对于运输和储存是有益的。

因此，作为一种具有较长碳链的醇类，正丁醇比甲醇或乙醇更适合与生物柴油混合，可以弥补生物柴油和醇类燃料的不足之处。

为了实现清洁高效的燃烧，许多新的燃烧模式也被提出，特别是低温燃烧（LTC），如均质压缩点火（HCCI）、预混合压缩点火（PCCI）和反应性控制压缩点火（RCCI）。

HCCI是一种有前途的燃烧模式，因其低NOX和煤烟排放以及高热效率而受到青睐。可HCCI燃烧主要由化学动力学控制，很难在高负荷下直接控制燃烧速率和燃烧相位，尤其是在高发动机负荷下。

此外，由于燃烧温度低，HC和CO排放较高。PCCI燃烧被提出来在循环内控制燃烧过程，通过控制早期喷射来解决早期点火问题。

然而，传统的PCCI通过高排气气体再循环（EGR）率增加点火延迟。这可能导致在中高负荷下燃烧效率降低，并可能由于壁湿润而增加排放。

RCCI燃烧模式的发展，改变了化学动力学并实现分层点火性能。它可以提高燃烧效率，减少NOX和煤烟排放。负荷范围得到扩展，涵盖了HCCI和PCCI无法达到的负荷范围。

不过，RCCI燃烧导致未燃烧的HC和CO排放更高。高压上升速率和煤烟排放在高负荷下受到限制，由于高比例的预混合燃烧。

由于采用了进气门喷射加直接喷射策略，RCCI很难在缸内灵活地实现浓度分层。准确控制不同反应性燃料的比例对于点火相位至关重要，特别是对于轻型发动机。

在探索新的燃烧模式时，我们曾提出双燃料双直喷策略，以控制反应性分层并扩展操作范围。与RCCI相比，两个独立的喷射系统分别控制注入不同的燃料进入燃烧室。

它可以智能地控制喷射压力、喷射时机和喷射持续时间，实现浓度分层，有利于控制点火时机和燃烧相位。此外，由于更灵活可靠的预混合燃气，THC和CO排放可能会减少。

由于双直喷策略可以在缸内灵活控制反应性和当量比的分布，它具有实现清洁高效燃烧的巨大潜力。

实验设施和方法

如图1所示，实验在内径为300毫米的恒定容积燃烧室中进行。在恒定容积室周围正交分布了四个直径为140毫米的窗口。两个独立的喷射系统分别控制注入正丁醇和生物柴油。喷嘴具有直径为100微米的单孔喷嘴，喷嘴孔设计在与喷嘴轴成45°、60°和75°的角度。

恒定维持303K的燃料温度，喷嘴周围不断流动的水来实现。分别使用纯氮气和空气为喷雾和燃烧实验提供不活性和活性气氛。在恒定容积室底部放置有一根功率为10千瓦的加热丝，用于加热环境气体。功率控制装置可控制功率输出。

在加热过程中，环境气体压力低于目标值。随着环境温度的升高，更多的气体逐渐充入恒定容积室。为确保环境温度均匀，加热过程非常缓慢，需要更长的加热时间来达到更高的环境压力。实验将在环境压力和温度同时达到目标值时进行。

使用高速相机以不同的光学诊断技术捕获喷雾和火焰图像。使用背光照明和自然发光成像技术分别获取液相喷雾和燃烧图像。

阴影术用于获取气相喷雾和点火图像，主要捕获环境密度的变化。实验装置和图像处理的详细描述已在我们以前的工作中解释过。

如图2所示，可以通过从原始碰撞喷雾图像中减去背景图像来去除背景。基于二进制图像获取喷雾边界，选择适当的阈值来区分喷雾和背景。如图2(g)所示，减去的图像的灰度值水平可以反映喷雾浓度。

此外，液相碰撞长度（LLC）定义为碰撞点到喷雾轮廓的最大垂直距离。液相碰撞宽度（WLC）定义为碰撞后的最大水平扩散距离。液相区域（AL）定义为总的喷雾像素乘以实际长度与像素长度的比例的平方。

对于气相喷雾，可以通过减去相邻图像来获得喷雾变化。然后根据相加的减去的图像得到喷雾轮廓。同时，我们采用了几种方法来清楚地显示喷雾，包括二值化、边缘闭合和去除噪声颗粒。气相的碰撞长度（LVC）、宽度（WVC）和喷雾面积（AV）类似于液相。

如图3所示，通过分析两个相邻图像之间喷雾轮廓内的总强度，可以获得点火时刻和区域。点火延迟（ID）定义为从喷射开始到点火时刻的时间。点火位置定义为点火区域的中心。

图4(a)展示了通过自然发光成像技术捕获的火焰图像。火焰轮廓可以通过从原始火焰图像中减去背景来获得。

如图4(b)所示，根据火焰的灰度值获得伪加热图像。此外，火焰抬升高度（FLoL）定义为从喷嘴尖端到火焰轮廓的垂直方向的最小距离。

火焰面积定义为总的火焰像素乘以像素面积与实际面积的比例。空间集成的自然发光强度（SINL）定义为火焰图像的总灰度值乘以像素面积与实际面积的比例。

时间集成的自然发光强度（TINL）通过在整个燃烧过程中对SINL进行求和获得。

实验中使用的燃料是生物柴油和正丁醇，其性质列在表1中。由于实验设备的不确定性，我们在每种情况下进行了三次重复注射的喷雾实验，进行了十次重复注射的燃烧实验。

如表2所示，实验在不同的碰撞角（90°、120°和150°）、环境压力（3 MPa和5 MPa）、温度（600 K和800 K）以及四个喷射压力（40 MPa、60 MPa、80 MPa和100 MPa）下进行。

结果

图5展示了碰撞喷雾的液相行为。双燃料喷雾的碰撞有助于促进水平扩散并加速燃料-气混合。较大的碰撞角使碰撞时刻缩短，降低垂直速度分量，增加水平方向上的相对速度，导致碰撞行为更加强烈。

更多的喷雾分布在碰撞位置上方的区域，碰撞区域下方的喷雾区域更接近喷嘴。在碰撞角为90°时，液相正丁醇和气相生物柴油在较高环境温度下碰撞。

这主要归因于双燃料喷雾碰撞时，碰撞后的液滴会导致聚合、反弹、拉伸分离或反射分离等现象，这可以促进水平扩散。

较大的碰撞角加速了液滴碰撞，由于水平方向上更高的相对速度，导致碰撞诱导的湍流更为剧烈，但由于液滴相互作用引起的动量损失较大，碰撞后的扩散速率降低。

同时，由于扩散速率下降，喷雾分布在更接近喷嘴的区域内。碰撞角为90°时，碰撞距离更远，减缓了碰撞过程，并增加了由于气动减速而产生的聚合可能性。在较高的环境温度下，生物柴油的扩散速率和蒸发速率之间出现动态平衡。

与生物柴油相比，正丁醇在喷嘴中的流阻较小，由于运动黏度较小，从而增加了初始喷射速度。同时，正丁醇具有较高的蒸发潜热。在蒸发过程中吸收了大量热量，降低了局部温度。

因此，正丁醇具有较快的扩散速率和较小的蒸发速率，导致了液相正丁醇和气相生物柴油喷雾碰撞的现象。

图6展示了碰撞喷雾的气相行为。较大的碰撞角加速了喷雾的碰撞，并降低了气相的空间扩散速率。在碰撞角为150°时，碰撞后更多的喷雾从碰撞区域上游扩散。

增加环境温度对垂直扩散速率影响不大，但会降低喷雾浓度，增加纯气相喷雾的比例。增加环境压力会阻碍喷雾的扩散，并增加喷雾浓度。

这主要是因为气相扩散速率主要与喷雾动量相关。随着碰撞角的增加，碰撞后存在更多的液滴在碰撞区域上方。这还会导致较高的动量损失和液滴速度降低，使气相扩散更为明显地减慢。

随着环境温度的升高，高蒸发速率可以降低由于燃料粘度下降引起的恒定容积室流阻，由于表面张力下降而增加韦伯数，增加反射分离和拉伸分离的可能性，促进气相扩散。同时，在蒸发过程中消耗了大量能量。

因此，环境温度对垂直扩散速率的影响微小。然而，它可以加速蒸发过程。更多的液相喷雾在更高密度下被转化为更低密度的气相喷雾，增加喷雾亮度和纯气相喷雾的比例。

液相碰撞长度和宽度可以反映垂直和水平方向的扩散和蒸发特性。如图7所示。

在碰撞后，水平方向的喷雾与垂直方向的喷雾相比，具有更快的初始扩散速率。液相宽度显示出更短的进入稳定发展阶段的时间，这表明水平方向上的喷雾具有更高的蒸发速率。

同时，增加环境压力更显著地阻碍了垂直扩散。在碰撞角为90°、环境温度为600 K的条件下，随着环境压力从3 MPa增加到5 MPa，碰撞开始后2 ms时的液相长度和宽度分别减小了8.65%和5.91%，从29.47 mm和27.53 mm减小到26.92 mm和25.93 mm。

此外，增加喷射压力对促进扩散速率的影响要大于蒸发速率，导致液相长度和宽度增加。

这主要是因为当双燃料喷雾碰撞时，液滴会反弹、聚合和分离。水平方向上的较高相对速度可以促进水平扩散，增强燃料-气混合，加速蒸发过程。碰撞后，沿着垂直方向的液滴更容易聚合，因为它们具有相同的速度方向，增加了喷雾浓度。

同时，喷雾之间的碰撞会导致较小的扩散速率，减少了与环境气体的界面面积，从而减缓了液相蒸发，延长了达到稳定发展阶段的时间。增加环境压力会增加气体阻力，促进液滴的反弹并抑制液滴的破碎，因为碰撞液滴之间存在气膜。

随后，反弹引起的能量耗散会使液滴速度下降。由于单个喷雾的喷雾锥角随着环境压力的增加而增加，碰撞区域中的液滴会更多地碰撞。而液滴表面之间存在较高的气膜阻力，也会导致更多的液滴倾向于反弹，然后在碰撞后被迫沿着水平方向扩散。

水平喷雾也会受到垂直方向上的气体阻力驱动，减小了环境压力在阻碍水平扩散方面的影响。此外，更高的喷射压力会产生更大的碰撞动量，增强液滴在碰撞后的分离和飞溅。

更高的喷射速率有助于更大的喷射质量，蒸发过程中吸收了更多的热量，特别是对于正丁醇，降低了局部温度和蒸发速率，增加了扩散速率。

为了分析碰撞喷雾在水平和垂直方向上的扩散和蒸发速率，计算了碰撞长度与宽度的比率。如图8所示，增加碰撞角度可以更积极地促进水平扩散，但喷射压力对促进水平和垂直扩散具有类似的影响。

这主要是因为水平方向上的相对速度随着碰撞角度的增加而增加，碰撞液滴更容易分离和飞溅，从而促进了碰撞后的水平扩散。与生物柴油相比，正丁醇具有更高的喷射速度和更高的蒸发潜热，减缓了蒸发过程。

在碰撞后，扩散速率在喷雾发展中起主导作用。增加喷射压力可以同时促进水平和垂直方向上的喷雾扩散，对液相长度与宽度的比率影响不大。

此外，与垂直方向上的喷雾相比，水平方向上的喷雾受气体阻力的影响较小，增加环境温度对促进水平蒸发的影响更积极，这导致比率在增加环境压力时下降，在增加环境温度时上升。

蒸汽相碰撞长度和宽度可以反映垂直和水平方向上的扩散速率。如图9所示，水平方向上的喷雾具有更快的扩散速率，并且在更大的碰撞角度下，扩散速率下降更快。同时，与垂直扩散速率相比，水平扩散速率受碰撞角度的影响较小。

当碰撞角度从90°增加到150°时，蒸汽相长度和宽度在碰撞开始后2 ms时分别减小了27.69%和6.90%，从37.67 mm和41.43 mm减小到27.24 mm和38.57 mm（Pinj = 100 MPa）。同时，增加环境温度有利于促进蒸汽相扩散。

结论

本研究通过光学诊断技术，对生物柴油和正丁醇的双燃料碰撞喷雾和燃烧特性，在不同碰撞角度、环境温度、环境压力和喷射压力下进行了研究。

对一些宏观参数进行了分析和讨论，包括碰撞喷雾行为、碰撞长度、碰撞宽度、喷雾面积、点火延迟、点火位置、火焰面积和自然亮度强度。以下是几个结论：

双燃料喷雾碰撞促进了水平扩散并加速了燃料气体的混合。碰撞后，水平方向上的喷雾具有比垂直方向上的喷雾更快的蒸发速率和扩散速率。

对于蒸汽相喷雾，水平方向上的扩散速率约为垂直方向上的扩散速率的1.2倍。增加环境温度对于促进蒸汽相喷雾的水平扩散具有更积极的影响，水平扩散受环境气体阻力的阻碍较小，碰撞角度增加。

更高的环境压力会导致更高的能量损失，这与随着环境温度增加的变化规律相反。随着碰撞角度从90°增加到150°，较大的相对速度导致了更强烈的碰撞过程和更高的碰撞损失百分比，碰撞后的空间扩散速率减小了40%以上。

此外，碰撞喷雾的速度分量在碰撞后与碰撞角度成反比，导致较大碰撞角度下的空间扩散速率较小，且更大的碰撞角度下等当比更高。

根据实验数据，得出了不同碰撞角度下CR参数的经验公式，喷雾后点火出现在各种碰撞角度下。

碰撞角度从90°增加到150°时，更大的当量比导致更长的点火延迟，较低的垂直速度分量导致注射嘴尖端到点火位置的垂直距离较短。

在较大的碰撞角度下，点火延迟对喷射压力变化更为敏感。同时，较大的碰撞角度有利于更强烈的燃烧，减小火焰升离高度，增加燃烧持续时间，导致更高的黑烟排放。

增加喷射压力可以缩短点火延迟，在燃烧过程中减少总的黑烟排放。然而，在较大的碰撞角度下，减少黑烟排放的改进有限。

这些研究结果对于优化燃料混合和燃烧过程具有重要的指导意义，特别是对于提高燃烧效率和减少排放有着实际的应用价值。

在未来的研究中，可以进一步深入探究不同碰撞角度、环境条件和燃料比例等因素对双燃料碰撞喷雾和燃烧特性的影响，以及更多的优化方法，从而为燃烧系统的设计和优化提供更加科学的依据。

通过对生物柴油和正丁醇双燃料的碰撞喷雾和燃烧特性进行系统的研究，本研究为双燃料燃烧技术的发展和应用提供了重要的实验数据和理论支持，有望为绿色和高效的燃烧技术的探索和创新做出积极贡献。