【一、文章導(dǎo)讀】

重質(zhì)燃料油(HFO)因其較高熱值和低廉的價格，成為船用柴油機的主要燃料，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，這些差別將對燃料噴霧、燃燒過程及污染物形成產(chǎn)生重要影響。

船用二沖程柴油機廣泛使用 HFO 作為燃料。四沖程柴油機常被用于中小型船舶的推進裝置或大型船舶的發(fā)電原動機。為了節(jié)約燃料成本，這類四沖程柴油機也常以 HFO 作為燃料。與大型二沖程柴油機不同，四沖程柴油機的噴油器噴孔直徑較小、噴射壓力較高，且四沖程柴油機通常是基于燃用柴油而設(shè)計。近年來，學(xué)者們認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，而當前大多數(shù)研究側(cè)重于分析 HFO 對發(fā)動機性能和排放的影響，對 HFO 的噴霧和燃燒特性則鮮見報道；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 為對象，在高噴射壓力、微孔噴射條件下對 HFO 的噴霧與著火特性開展研究。首先，基于光學(xué)試驗數(shù)據(jù)建立并驗證了多工況的 CVCC 模型；其次，以 3 種黏度極具代表性的 HFO 為研究對象分析了燃料物性對噴霧與著火特性的影響；同時，在不同環(huán)境條件下研究了氧化作用對噴霧發(fā)展的影響，以期為 HFO 在四沖程船舶柴油機上的高效清潔應(yīng)用提供參考。

【二、試驗裝置模型驗證與研究條件】

試驗裝置

試驗在 ECN 最新一代的 CVCC 上開展。該裝置的環(huán)境條件覆蓋了絕大多數(shù)的柴油機工況，環(huán)境溫度為 450～1 300 K、環(huán)境密度為 3～60 kg/m3 且環(huán)境氧體積分數(shù)為 0%～21%。CVCC 的有效容積為 1.15 L，通過燃燒可燃混合氣營造高溫、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。試驗中針對不同工況采用了多種光學(xué)觀測手段，獲得液相噴霧貫穿距離(LPL)、氣相噴霧貫穿距離(VPL)、火焰浮起長度(FLOL)、著火時刻(IT)和火焰形態(tài)等參數(shù)。

表1 環(huán)境工況和噴射條件

模型的建立與驗證

模型的建立：

筆者建立 CVCC 模型，并使用 Converge 在 4 種工況下進行模型驗證。基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為 8 mm，表 2 為網(wǎng)格設(shè)定與加密策略，進行網(wǎng)格加密后最小網(wǎng)格尺寸為 0.062 5 mm。對噴孔附近進行 7 級固定加密，且根據(jù)速度和溫度梯度施行 7 級自適應(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 個反應(yīng)的詳細化學(xué)反應(yīng)機理結(jié)合 SAGE 化學(xué)動力學(xué)求解器描述燃料氧化、著火和燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)。采用 KH-RT 描述燃料的破碎過程，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)都可以對噴霧過程中的湍流運動進行較為精確地描述，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 求解噴霧和燃燒過程中涉及的湍流運動。分別采用液體燃料質(zhì)量分數(shù)為 90% 和氣態(tài)燃料質(zhì)量分數(shù)為 0.1% 作為計算 LPL 和 VPL 的閾值。研究中 LPL 使用 ECN 的推薦值，而 VPL 則根據(jù)密度梯度進行測算。對密度求導(dǎo)后得到密度梯度的切片，經(jīng)圖像處理與識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 VPL 的優(yōu)勢在于其與紋影技術(shù)原理更為接近。同時，可以避免因燃燒導(dǎo)致仿真計算中以質(zhì)量分數(shù)閾值統(tǒng)計 VPL 產(chǎn)生的波動與錯誤。將燃燒化學(xué)發(fā)光強度最大值的一半所對應(yīng)的時刻定義為 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)格細化

模型驗證：

VPL 和 LPL 分別是對應(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。試驗中使用高速紋影法、擴散背景成像法和 Mie 散射法獲得噴霧的 VPL 和 LPL，仿真中使用質(zhì)量分數(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)的驗證。圖 3 中工況 4 的 LPL 驗證結(jié)果較好。缸內(nèi)壓力、累積放熱量和 FLOL 的吻合程度極佳。整個燃燒過程中定容燃燒彈彈體內(nèi)的壓力波動極小(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)量分數(shù)閾值為 0.03%)的變化趨勢和誤差都在可接受范圍內(nèi)。

圖3 工況4的模型驗證

圖4 工況4的火焰形態(tài)驗證

圖 4 為 1 600 K 以上區(qū)域表征燃燒火焰形態(tài)與自發(fā)光火焰圖像的對比。可知，火焰的長度、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有較好的相似度。然而圖 3(a)中 VPL 的驗證結(jié)果表明，使用質(zhì)量分數(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 隨時間增加，而使用質(zhì)量分數(shù)法獲得的 VPL 在燃燒發(fā)生后保持動態(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)量分數(shù)低于閾值而未被統(tǒng)計。此外，氧化和裂解等作用使統(tǒng)計目標演化為其他組分而導(dǎo)致。

圖5為質(zhì)量分數(shù)法和密度梯度法得到的氣相噴霧形態(tài)與試驗紋影圖像和自發(fā)光火焰圖像對比。實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。使用密度梯度法計算 VPL 比質(zhì)量分數(shù)法更符合實際。綜上所述，模型的有效性得到了良好的驗證，可使用模型開展進一步的研究工作。

圖5 不同仿真方法處理的氣相噴霧與試驗對比

研究條件

按照是否發(fā)生燃燒將噴霧分成無氧條件下非反應(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表 3。研究中使用 3 種硫質(zhì)量分數(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)量分數(shù)波動，其中密度最大差異為 12.1%，黏度相差 144 倍。按照黏度(硫質(zhì)量分數(shù))升序?qū)?HFO 從燃料A～C編號。

表3 燃料的性質(zhì)、初始和噴射條件

根據(jù)試驗獲得的黏度-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)對噴霧發(fā)展過程的影響，在不同環(huán)境條件進行噴霧的試驗和仿真研究。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)境氧體積分數(shù)。以燃料和氧體積分數(shù)對算例進行命名，A0 代表燃料 A 和環(huán)境氧體積分數(shù)為 0% 的組合。

【三、分析與討論】

噴霧特性

燃料在離開噴嘴后經(jīng)歷的一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)過程共同決定著噴霧的發(fā)展。圖 6 為不同環(huán)境條件(氧體積分數(shù)為 0% 和 15%)下噴霧的發(fā)展。LPL 和 VPL 在離開噴嘴后迅速分離。LPL 短時間內(nèi)達到穩(wěn)定并停止貫穿直到噴射結(jié)束，VPL 在整個噴射過程中持續(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準穩(wěn)態(tài)階段。這兩個準穩(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，表明氧化作用對噴霧發(fā)展影響越小。氧化作用對 LPL 和 VPL 都存在影響但程度有所區(qū)別。在點火前 LPL 不受氧化作用影響，在噴射結(jié)束前燃燒會弱化液滴的軸向貫穿能力。相比于 LPL，氧化對 VPL 的影響異常明顯，特別是在著火發(fā)生之后。隨著燃燒的不斷進行，VPL 受氧化反應(yīng)的影響愈加強烈，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，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。說明高黏度 HFO 的蒸發(fā)、擴散和混合較差。

圖6 不同氧體積分數(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 是評價霧化質(zhì)量的重要指標，能體現(xiàn)燃料的破碎與蒸發(fā)特性。SMD 越小說明霧化程度越好。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 85%。噴霧初期，SMD 與是否發(fā)生氧化反應(yīng)無關(guān)，著火前 SMD 有輕微的上升趨勢，噴射結(jié)束后 SMD 顯著上升。為了極大程度地降低計算時間、節(jié)約計算資源，Converge 在求解噴霧的過程中引入了粒子包(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)量與噴霧場中液滴直徑的種類相同，如噴霧場中有 x 個粒子包，就會有 x 種液滴直徑。圖 7(b)為燃料黏度對粒子包數(shù)量的影響。根據(jù)粒子包與粒子直徑的對應(yīng)關(guān)系，可知，液滴直徑種類與 HFO 的黏度無關(guān)，但直徑種類都因燃燒而降低。同時，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，因而粒徑種類降低說明氧化與燃燒促進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說明在著火前低黏度對液滴破碎有利。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，而二者的粒徑種類相差超過 70% ，因而可以推斷燃料 C 噴霧的大直徑液滴占比更多。同時，更大的液滴表面積強化了液滴與環(huán)境的相互作用，蒸發(fā)與卷吸效果增強。燃料黏度、霧化和蒸發(fā)等過程都會影響液滴直徑的分布規(guī)律。圖 8 為 0.1 ms 和 0.9 ms 時刻噴霧場內(nèi)的液滴分布和液相形態(tài)。液相噴霧在徑向的擴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)容見參考文獻[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 VPL 的影響顯著且影響效果與黏度呈反比，而對 LPL 的影響微乎其微，并幾乎與黏度無關(guān)；高黏度 HFO 的噴霧形態(tài)“窄而長”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，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)象嚴重；火焰頭部的寬度與 HFO 黏度呈反比，而與噴霧對環(huán)境空氣的卷吸能力呈正比；HFO 黏度不會對穩(wěn)態(tài)燃燒的火焰擴散能力和燃料消耗速率產(chǎn)生影響。

點石儀器自主研制的定容燃燒彈系統(tǒng)可實現(xiàn)高壓-微孔噴射條件下的精細化燃燒分析，通過精確調(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)展全過程。該系統(tǒng)尤其適用于高黏度燃料的霧化機理研究，通過改變?nèi)剂项A(yù)熱溫度實現(xiàn)黏度參數(shù)解耦，為優(yōu)化船用柴油機燃燒室設(shè)計提供關(guān)鍵實驗依據(jù)。