柴油混合燃料液滴微爆現象及規律研究

齊正達，韓 愷, ，倪兆靜

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2.北京理工大學 重慶創新中心，重慶 401120)

隨著排放法規的日趨嚴格，柴油車的污染問題也越來越突出，開發柴油機的清潔代用燃料具有重要意義.目前，國際上公認最有前途的內燃機清潔代用燃料是醇類燃料，主要指甲醇、乙醇等，它們都具有使用、儲存和運輸方便的特點，且來源豐富，在生產價格等方面具有很大的競爭優勢[1].在柴油中添加甲醇制成的乳化油在燃燒室內會發生微爆現象.乳化油液滴的微爆現象類似于液柱的“閃沸”，其發生過程伴隨氣泡的產生與破滅，具有提升燃油經濟性、改善發動機排放的應用潛力.液滴各組分之間的沸點差異性是微爆的直接原因，乳化油和互溶燃油在高溫環境下都存在微爆現象，但兩種液滴的微觀結構差異會導致不同的微觀過程[2].深入研究乳化油和互溶燃油的微爆特性有助于揭示發生微爆的微觀機理，實現柴油機缸內液滴微爆過程的可控.

近年來，研究者們用多種方法研究了不同條件下的乳化油微爆特征.Ismael 等[3]試驗發現，在較高的噴射壓力下，噴霧中發生噴氣和微爆的液滴數量變少.Tanaka 等[4]通過熱平板的方法研究了不同參數下乳化油的微爆，并擬合出了微爆速率隨乳化油溫度和水含量的公式.Antonov 等[5]試驗證明，黏度和表面張力會影響液滴破碎的時間，這是因為可燃組分的黏度和表面張力越大，液滴發生破碎所需要的氣泡能量就越多.Mura 等[6]研究發現，隨著分散相水滴索特平均直徑的減小，破碎發生時的液滴溫度也就越高.Califano 等[7]采用掛滴法在單液滴燃燒室內研究了乳化油的微爆，通過改變表面活性劑的種類、水的體積分數和分散相水滴的直徑大小等影響乳化油穩定性的參數，證明了乳化油的穩定性與微爆發生頻率有關.Suzuki 等[2]利用亞甲藍染色劑給乳化油中的水組分染色，發現隨著乳化油中分散水相的直徑增大，分散水相的聚合速率和微爆的發生頻率都在增大.目前對微爆的試驗方法絕大多數為掛滴法和熱板法.但掛滴法和熱平板法試驗裝置會影響液滴的形狀，促進非均相成核，改變液滴內氣泡生成和成長過程；掛絲對液滴內傳熱的影響也不可忽略[8].因此，這兩種方法均會導致液滴微爆試驗結果發生偏差.

有關互溶燃油的微爆研究多集中于對其微爆宏觀規律的分析.Botero 等[9]利用飛滴式的試驗裝置研究發現，當柴油分別和生物柴油、乙醇等比例混合時，液滴破碎發生最早且程度最劇烈.Hoxie 等[10]利用掛滴法研究發現，在兩者等比例混合時，液滴破碎的時刻最早且微爆程度最劇烈.Avulapati 等[11]利用掛滴法試驗發現，當乙醇體積分數為10%～40%時發生微爆現象，并觀察到次級液滴再次發生破碎.互溶燃油和乳化油微觀結構的不同會導致不同的微爆現象，但鮮見文獻報道.

為了排除試驗裝置對液滴微爆過程的影響，更準確研究乳化油的微爆過程及規律，筆者建立了飛滴式單液滴試驗裝置，選用了沸點差異性較大的甲醇和柴油以一定的比例配制成乳化油，并選用與甲醇沸點接近的正己烷與柴油配制成互溶燃油，以探究燃料的互溶性對微爆過程的影響.在此基礎上，研究了高溫環境條件下甲醇-柴油乳化油液滴的微爆規律.

1 試驗裝置與燃料特性

1.1 試驗裝置

圖1 為飛滴式單液滴試驗裝置示意.該裝置包括液滴生成系統(信號驅動電源、液滴噴射器)、高溫熱源(高溫彈體、溫控儀和高壓氮氣等)及圖像采集系統(高速相機、光源等).試驗操作是：調節信號驅動電源輸出矩形波電壓信號的電壓幅值和頻率，使液滴噴射器達到持續穩定噴射液滴的狀態.將高速相機固定在某一拍攝點，計算機控制高速相機以與液滴噴射器噴射液滴相同的頻率進行拍攝.液滴從噴口自由下落到高速相機拍攝點需要一定時間，因而拍攝時刻應晚于液滴噴射器噴射液滴的時刻.調整這一延遲時間，直至高速相機拍攝到該點的液滴.不同拍攝點處的延遲時間之差即為液滴經過兩點所需的時間.改變拍攝點的豎直位置，記錄完整的液滴微爆歷程.高溫彈體采用耐高溫的陶瓷纖維材料制成，多根加熱爐絲沿著豎直方向均勻嵌入在高溫彈體內壁，溫度通過溫控儀進行調節，調節精度為±5 K，所能提供的最高溫度為1 273 K.惰性環境由高壓氮氣提供.

圖1 高溫飛滴法試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device for high temperature free falling drop method

為驗證高溫彈體內在豎直方向溫度分布的均勻性，利用熱電偶測量高溫彈體內豎直方向溫度變化.以環境溫度為1 123 K 為例，將噴射器出口設為起點，沿豎直方向的300 mm 范圍內進行溫度測量，測量點間距為20 mm，熱電偶傳感器的測溫誤差為±1 K.圖2 為高溫彈體內豎直方向的溫度分布.由于高溫彈體頂部需滴入液滴留有開口散熱量較大，導致頂部溫度僅為1 085 K，略低于目標溫度，但最大誤差僅為4.5%.除此位置以外，溫度場在豎直方向具有良好的均勻性.

圖2 高溫彈體內豎直方向的溫度分布Fig.2 Temperature distribution in the vertical direction of the high temperature bomb

選用Photron Fastcam SA4 型高速攝像機配合Pentax7528 型鏡頭，以8 000 幅/s 拍攝燃油液滴的微爆過程，其最大分辨率為1 024×1 024.試驗所采用的液滴的初始直徑分別為192、284 和373 μm .液滴噴射器產生液滴的穩定性良好.經測試，產生液滴直徑的最大誤差不超過1%.液滴噴射器處于某一頻率的噴射狀態時，通過同步觸發方式，利用高速相機對不同豎直位置上的液滴圖像進行采集，在每個拍攝點采集50 個液滴的圖像，記錄該點處的液滴在豎直方向上的位置并計算平均誤差.圖3 為液滴在豎直位置上的平均誤差.在試驗所使用的觀察范圍(79～330 mm)內，液滴豎直位置的平均誤差不超過0.6 mm，遠小于相機的視野范圍(6 mm×6 mm)，既滿足了圖像采集的需求，又可配合較低的觸發頻率，排除相鄰液滴間的相互干擾.因此，試驗采用的飛滴法裝置有良好穩定性.

圖3 液滴豎直位置平均誤差Fig.3 Drop vertical position average error

氣泡生成前的蒸發階段時間較長，下落的距離遠，需要上、下移動高速相機拍攝不同豎直位置的液滴圖像，即該階段記錄的是不同液滴的圖像；氣泡成長至液滴破碎的時間極短，高速相機在某一固定位置便可完整拍攝某一液滴的氣泡成長過程.

1.2 參數定義

以甲醇-柴油液滴在1 120 K、常壓下的微爆過程為例對特征參數進行表征，其歸一化直徑平方隨歸一化時間的變化曲線如圖4 所示.膨脹階段呈線性階段和減速階段兩段分布，線性膨脹階段的斜率為膨脹速率K.取液滴膨脹階段結束和開始時刻對應的直徑平方 y2、y1，其 y2/y1比值為膨脹比β.膨脹階段結束時刻即為破碎時刻 Tb.

圖4 膨脹速率K、膨脹比β 和破碎時刻Tb 的參數定義Fig.4 Parameter definition of expansion rate K，expansion rate β and breakup time Tb

1.3 燃料特性

選用柴油和甲醇配制乳化油，油酸作乳化劑，磁力攪拌器高速攪拌1 h 后靜止72 h 未出現分層現象，即認為形成了穩定的乳化油.選用正己烷與柴油配成互溶燃油，3 種油品在常壓下的物理性質見表1.

表1 試驗所用3種油品在常壓下的物理性質Tab.1 Physical properties of oils used in the experiment

參考乳化劑含量對微爆結果影響的相關研究，選取油酸的體積分數為2%，油酸對試驗結果的影響可以忽略[12].甲醇、柴油和油酸分別以體積比為10∶88∶2、20∶78∶2、30∶68∶2 和40∶58∶2 混合，配制成甲醇體積分數為10%、20%、30%和40%的乳化油，簡稱為M10、M20、M30 和M40.將正己烷、柴油和油酸以體積比30∶68∶2 混合，配制成正己烷體積分數為30%的互溶燃油，簡稱為H30.

2 液滴溫度數值計算模型驗證

采用單液滴蒸發模型計算蒸發階段的液滴溫度變化，獲取氣泡生成時刻的液滴溫度，以對比不同條件下氣泡生成時低沸點組分的過熱度.模型引用文獻[13]中的計算式，構建了多組分液滴蒸發的有效擴散模型.該模型基于假定：(1)由于氣相的熱擴散率遠大于液相，假定液滴周圍的氣相處于準穩態；(2)環境氣體混合物不溶于液相，因而僅存在一個方向上的擴散，即Stefan 流動；(3)液滴表面的氣相和液相均處于熱力學平衡狀態；(4)液滴為球對稱，將液滴蒸發過程簡化為一維瞬態問題；(5)忽略液滴熱輻射的熱量.

液滴的蒸發速率為

式中：i 為組分；n 為組分數；rs為液滴半徑；Sh 為舍伍德數；BM,i為組分Spalding 傳質數；下標g 表示燃料蒸氣和空氣組成的混合氣.

對流液相加熱量可由式(2)計算.

式中：BT,i為組分Spalding 傳熱數；Li為各組分汽化潛熱；cpi,v為各組分的氣相定壓比熱；T∞為環境溫度；sT 為液滴表面溫度.燃料蒸氣和空氣組成的混合氣的物性參數(氣相密度ρg、質量擴散系數Dg)采用1/3 混合定律來計算.液相的溫度和濃度采用有效導熱擴散模型為

式中：Tl為液相溫度；Yl為液相質量分數；下標l 表示液相；keff為有效導熱率；Deff為有效擴散率.

為了考慮液滴內部環流的影響，在原有的導熱率 kl、擴散系數Dl的基礎上乘以修正系數χk、χD，修正系數大小分別取決于液相普朗特數Pr、雷諾數Re 與施密特數Sc 的乘積.

初始條件和邊界條件包括：(1)初始的液滴溫度和各組分質量分數均一；(2)液滴中心的溫度梯度和質量分數梯度為0；(3)液滴表面的溫度梯度和質量分數梯度均一.該模型的計算流程是：采用有效導熱擴散模型計算液滴液相溫度和組分濃度，通過活度系數修正的Raoult 定律計算液相周圍氣相中各燃料組分的濃度，進而計算液滴的蒸發量和換熱量，得到蒸發過程中液滴粒徑隨時間的變化過程及溫度變化.

選用的飛滴式試驗方法無法直接對液滴的溫度進行測量，難以直接驗證液滴的溫度變化過程.考慮到溫度變化的計算是蒸發量計算的前提，通過驗證液滴粒徑的變化，可間接驗證該蒸發模型計算的液滴溫度變化也適用于研究.選用甲苯、正癸烷、正十二烷、正十四烷、正十六烷和正十八烷6 種組分作為柴油的替代燃料，分別計算1 123 K、常壓下，初始直徑為284μm 的M30、H30 液滴蒸發階段的歸一化直徑平方，并與蒸發階段的試驗值對比，結果見圖5.液滴蒸發階段歸一化直徑平方的仿真值與試驗值相符合，說明該蒸發模型適用于研究，因而該蒸發模型中對液滴溫度的計算也是有效的.

圖5 M30和H30液滴蒸發過程仿真值與試驗值對比Fig.5 Comparison of simulated and experimental values of M30 and H30 droplets evaporation process

3 結果與討論

3.1 高溫環境下燃油液滴的微爆過程

圖6 示出溫度為1 120 K、壓力為0.1 MPa 時初始直徑為284μm 的柴油、M30 和H30 液滴微爆歷程(以進入高溫環境為0 時刻).柴油液滴迅速蒸發耗盡，沒有發生微爆，生存時間為115 ms.M30 和H30液滴均發生微爆，生存時間分別為 27.2 ms 和61.0 ms.微爆的發生大大加快了液滴的消耗，M30 和H30 液滴的微爆歷程可分為單純蒸發階段、膨脹階段(此階段伴隨著氣泡膨脹和融合過程)和破碎蒸發階段.由液滴破碎對應的時刻結合液滴溫度的數值計算式(1)～(4)可得到M30 和H30 液滴的溫度分別為450 K 和501 K，即破碎時甲醇和正己烷的過熱度分別為112.5 K 和160.0 K.

圖6 柴油、M30和H30液滴微爆歷程Fig.6 Diesel，M30 and H30 droplet evaporation and breakup

圖7 為M30 和H30 液滴的氣泡演化過程(以氣泡生成為0 時刻).兩種液滴在破碎前均有氣泡的生成和成長現象.圖7b 中A、B 和C 氣泡相繼生成并成長，C 氣泡還與周圍氣泡融合成D 氣泡.隨著氣泡不斷成長，油膜厚度變薄，致使液滴大部分呈現半透明狀，且透明度逐漸增強.氣泡之間相互擠壓變形，導致油膜褶皺變形.圖7a 中未觀察到氣泡的融合過程，且透明度較低.

圖7 M30和H30液滴的氣泡演化過程Fig.7 Bubble evolution process of M30 and H30 droplets

M30 和H30 液滴微爆特性對比見表2.圖8 對比了M30 和H30 液滴微爆過程歸一化直徑平方隨歸一化時間的變化.H30 液滴的膨脹速率小于M30 液滴，但膨脹比大于M30 液滴，破碎時刻也比M30 液滴晚得多.油膜的黏度和表面張力越大，氣泡成長過程中所受到的阻力越大，膨脹速率就越低.由表1 可知在試驗所涉及的溫度范圍內，甲醇的動力黏度和表面張力系數均大于正己烷，但M30 液滴的膨脹速率反而大于H30 液滴的膨脹速率.這主要是由于乳化油和互溶燃油微觀結構不同，乳化油內存在分散相小液滴，并在較低溫度時發生聚合，當溫度達到一定的過熱度后，聚合后的甲醇分散相和柴油間的界面效應促進了成核及氣泡成長[14]；在互溶燃油液滴中沒有分散相和聚合過程，成核及氣泡成長過程較慢.圖6的H30 液滴直到59.9 ms 時才生成氣泡，比M30 液滴晚得多，因而H30 液滴的破碎時刻也晚得多.氣泡成長越快，油膜越不穩定，越容易破碎[15].因此，M30 液滴的氣泡成長過程結束更快，膨脹比小于H30.

表2 M30和H30液滴微爆特征對比Tab.2 Micro-explosion characteristics of M30 and H30

圖8 兩種液滴微爆過程歸一化直徑平方隨時間的變化Fig.8 Variation of normalized diameter squared over time

3.2 乳化油的微爆規律

3.2.1 甲醇體積分數對乳化油液滴微爆特性的影響

圖9 為1 120 K、常壓下甲醇體積分數對乳化油液滴微爆特性的影響規律.隨著甲醇體積分數的增加，乳化油液滴的破碎時刻先提前后推遲，在甲醇體積分數為30%時達到最小值；最大膨脹比先增大后減小，在甲醇體積分數為30%時達到最大值.在Zeng等[15]的仿真結果中也有相似結論.這是由于隨著甲醇體積分數的增加，一方面當液滴達到甲醇成核所需的過熱度時，參與核汽化的甲醇體積分數增加，進而加快積聚成核的速率，從而有利于破碎時刻的提前；另一方面甲醇沸點低、汽化潛熱大，降低液滴的升溫速率，會推遲破碎時刻.當甲醇體積分數低于30%時，甲醇加快成核速率的作用占主導地位，因而破碎時刻隨著甲醇體積分數的增大而提前；當甲醇體積分數高于30%時，甲醇降低液滴升溫速率的作用占主導地位，因而破碎時刻隨著甲醇體積分數的增大而推遲.

圖9 不同甲醇體積分數下的破碎時刻及膨脹比Fig.9 Breakup time and expansion ratio under different methanol contents

圖10 為不同甲醇體積分數和液滴初始直徑下的膨脹速率.試驗條件為1 120 K、常壓及不同初始直徑為192、284 和373 μm，甲醇體積分數越高，液滴的膨脹速率越快.這是由于甲醇體積分數越高，在氣泡生成后的蒸發速率越快，產生更多的氣體推動氣泡成長.對比3 條曲線可以發現，液滴初始直徑越大，液滴的膨脹速率越慢.這一規律主要是因為隨著液滴初始直徑的增大，液滴膨脹階段中氣泡所受阻力會顯著增大，膨脹速率因而降低.

圖10 不同甲醇體積分數和初始直徑下的膨脹速率Fig.10 Expansion rate under different methanol contents and initial diameters

3.2.2 初始直徑對乳化油微爆特性的影響

選取3 組甲醇-柴油乳化油液滴的初始直徑分別為192、284 和373μm，甲醇的體積分數都是30%.圖11 為不同液滴初始直徑下微爆特征參數的變化規律.隨著液滴直徑的增大，破碎時刻逐漸推遲，膨脹比逐漸減小.液滴初始直徑越大，在單純蒸發階段的升溫速率也越慢，達到甲醇成核所需要的過熱度的時間越長，因而液滴破碎時刻越晚；液滴初始直徑越大，維持氣泡的膨脹所需的蒸氣能量總量就越多，但氣泡生成時的溫度越來越低，分別為468、450 和440 K，氣泡內無法積累足夠的蒸氣能量.因此，膨脹比越來越小；而破碎時刻的推遲和膨脹比的減小直接導致了膨脹速率變慢.

圖11 不同初始直徑下的破碎時刻和膨脹比Fig.11 Breakup time and expansion ratio under different initial diameters

3.3 整體微爆和局部微爆

圖12 為1 120 K、常壓下M30 與H30 液滴的兩種微爆過程，根據程度不同分為整體微爆和局部微爆.在相同的條件下，液滴內部各個徑向位置的成核速率基本相同[16]，因而汽化的低沸點組分可能在液滴的各個位置積聚成核，即氣泡的生成位置具有隨機性.當氣泡的生成位置在液滴中心或者接近液滴中心時，氣泡膨脹后會形成均勻的油膜，破碎后形成許多細碎的小液滴，即發生“整體微爆”；當氣泡的生成位置偏離液滴中心時，氣泡周圍的油膜厚度不均勻，破碎后的霧化效果較差，即發生“局部微爆”.Shinjo等[17]通過仿真手段模擬不同氣泡生成位置誘發的微爆，得到了相似的結果.

圖12 M30和H30液滴整體微爆和局部微爆過程Fig.12 M30 and H30 entire micro-explosion and partial micro-explosion

圖13 對比了M30 液滴兩類微爆過程中液滴歸一化直徑平方隨歸一化時間的變化.兩類微爆過程在單純蒸發階段的曲線基本重合，且膨脹階段開始時的液滴直徑近似相等.表3 對比了M30 液滴整體微爆和局部微爆的特征，整體微爆的膨脹速率和膨脹比均大于局部微爆，兩者的破碎時刻近似相同.

表3 M30液滴整體微爆和局部微爆特征對比Tab.3 Characteristics of the entire and partial microexplosion of M30 droplet

圖13 M30液滴兩類微爆歸一化直徑平方隨時間的變化Fig.13 Variation of normalized diameter squared of M30 droplet over time

4 結論

(1) 在試驗中甲醇-柴油液滴和正己烷-柴油液滴均會發生微爆，其發生大大縮短了液滴的生存時間，促進了液滴的消耗；液滴的微爆歷程可分為單純蒸發階段、膨脹階段和破碎蒸發階段.

(2) 甲醇-柴油液滴和正己烷-柴油液滴微觀結構的差異是兩種液滴不同微爆過程的主要原因；兩種液滴的微爆過程都伴隨氣泡的成長，但正己烷-柴油液滴中可觀察到氣泡的融合過程；甲醇-柴油液滴中聚合的分散相能夠促進成核及氣泡成長，因而其膨脹速率更快，破碎時刻更早，正己烷-柴油液滴的膨脹比更大；隨著甲醇體積分數的增加，甲醇-柴油液滴的膨脹速率加快，破碎時刻先提前后推遲，膨脹比先增大后減小；甲醇體積分數為30%時，破碎最早，膨脹比最大；隨著液滴初始直徑的增大，甲醇-柴油液滴的膨脹速率加快，但破碎時刻推遲，膨脹比減小.

(3) 甲醇-柴油液滴中不同的氣泡生成位置誘發了整體微爆和局部微爆，這兩類微爆過程的破碎時刻近似相同，但整體微爆的膨脹速率和膨脹比都大于局部微爆，因而其霧化效果更好.