拖拉机发动机燃油雾化特性研究进展

刘彤馨，潘江如，孔得丞

（1.830052 新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐市 新疆农业大学 交通与物流工程学院；
2.830052 新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐市 新疆工程学院 机电工程学院；
3.710064 陕西省 西安市 长安大学 省部级重点实验室）

农业机械化的发展使内燃机在农业生产作业中得到广泛应用，但是随着能源环境问题的日益凸显和燃油排放法规的越发严厉，传统拖拉机发动机燃油消耗量大、污染物排放严重等问题亟待解决，更加清洁高效的燃烧技术成为内燃机领域研究和发展的重点。其中，喷油嘴的雾化质量直接影响混合气的形成，对发动机燃烧效率及污染物排放有重大影响，射流雾化过程中液膜的破碎、流动、蒸发、掺混等过程呈现出复杂相界面结构，因此雾化问题逐渐成为制约发动机燃烧过程的重要问题之一。

近年来，许多研究人员从不同的角度和出发点对车用柴油机燃烧室内燃油雾化的实验方法、理论基础以及数值模拟开展了相关研究。本文就这几个方面的研究情况分别进行探讨与分析，并对未来相关领域的应用趋势进行展望，进而推动拖拉机发动机节能环保的发展。

实验方法具有直观、真实、可靠等特点，是研究燃油雾化的有力工具。近年来国内外常用的可视化设备有定容燃烧弹、预燃式定容弹、光学发动机、快速循环机和快速压缩机等。常用光学测试技术有高速直拍法、激光散射技术、纹影法、激光诱导荧光技术、相位多普勒粒子分析等。研究人员围绕燃油物性以及喷注参数展开了大量实验研究，通过光学测量获得不同工况下的雾化图像特征，将图像特征比对理论分析结果，探究雾化参数对物化特性的影响，从而归纳出适用一定条件的雾化模型。

1.1 燃油物性

燃油物性主要指液体密度、粘度、十六烷值等特征。一类研究是在柴油机上采取适当掺混方式使燃油物性向有利于燃油雾化和油气混合的方向发展。Ma[1]、邓涛[2]和Dhanasekaran[3]通过实验分别以不同比例向柴油掺混醇类、醚类等含氧燃料，发现混合燃料在一定程度上改善了雾化和喷雾特性。

另一类研究集中在寻求新型清洁燃料，以生物柴油为代表的新型替代燃料在柴油机上具有广泛的应用前景。许多学者分析比较了生物柴油混合燃料的喷雾贯穿距、液滴粒径、粒径分布等参数[4-6]，发现生物柴油混合燃料与柴油的喷雾发展进程相似，但生物柴油具有较高的密度、粘度和表面张力，因此在柴油中掺混生物柴油往往会恶化燃油雾化效果，通常在柴油/生物柴油混合燃料中掺混其他理化性质的含氧燃料能够有效改善喷雾特性。

1.2 喷注参数

典型的喷注参数包括喷射压力、环境背压、温度和喷孔参数等。喷射压力对整体平均速度的影响是线性的，提高喷射压力能够促进油滴破碎、减小液体渗透；
而环境背压对整体平均速度的影响是非线性的，背压提高促进油滴聚合[7-9]。温度也是一个重要的控制参数[10]，温度较低时，雾化效果较差；
随着燃油温度的升高，雾化质量得到显著改善。

喷孔的几何形状、直径[11-13]以及数量[14]等条件对雾化效果也会产生一定的影响。试验结果表明，与圆形喷孔相比，采用非圆喷孔能够加速喷雾油束破碎、增大喷雾锥角，同时换轴现象能够增强燃油喷雾的空气卷吸效应，促进燃油/空气的混合过程。

对于燃油雾化的实验研究来说，光学测试技术在雾化特性的实验操作中发挥着重要作用。但是，由于实际研究中大多使用基于单点测量技术的相位多普勒粒子分析仪和基于线测量的激光散射技术测量液滴粒径与速度，难以获取喷嘴内部以及喷嘴出口燃油流动情况，导致初始边界条件不够准确，因此要结合新型光学测量技术与数值模拟的方法获取雾化特性中更为细节的参数。

目前，用于研究燃油射流雾化的理论主要是由射流线性稳定性理论和射流非线性稳定性理论组成的射流稳定性理论。分析线性稳定性理论可以得到射流表面扰动波的最大扰动增长率、最不稳定波数等参数，因此在气液交界面扰动发生的初始阶段可以利用线性稳定性理论对扰动波的发展过程进行预测，形成扰动波增长率的数学表达式，并且研究不同参数对扰动波发展的影响。但是由于线性稳定性理论仅考虑射流表面的一阶扰动，因此对射流发展的预测并不准确。随着扰动振幅的进一步发展，达到液膜无法维持原状将要破碎的临界点时，线性稳定性理论失效，进而通过非线性稳定理论与实验验证相结合的方法对射流破碎过程进行进一步描述，由于考虑了高阶扰动对射流稳定性的作用，因此非线性稳定性理论对射流发展的预测更为准确。

孔式喷嘴和轴针式喷嘴是柴油机上常见的两种喷嘴形式，其中孔式喷嘴喷出圆形的柱状射流，轴针式喷嘴喷出圆环状的锥形液膜射流。

2.1 圆柱射流

早在1878 年，Rayleigh[15]就提出无粘流体低速圆射流表面波模型。后来，Weber[16]将理论扩展到了粘性流体，Haenlein[17]将模型划分成正对称波形和反对称波形。随后，Ohnesorge[18]将表面波模式划分成了瑞利（Rayleigh）、断续（Intermittent）和雾化模式（Atomization）。上述研究都是基于扰动波是随时间增长的这一基础，但在实验中可以清楚地观察到，扰动波在空间上也是增长的。基于这一发现，Kelller[19]等提出了扰动波随空间发展的理论，能够准确描述扰动波的最大扰动增长率与波数之间的关系。

对于液体射流的非线性稳定性理论，Wang[20]首先将Rayleigh 提出的线性模型扩展到二阶非粘性模型；
Nayfeh[21]利用多时间尺度的方法得到了二阶展开式；
Ibrahim[22-23]等认为线性稳定性理论能够用于分析射流破碎的开始，而非线性稳定性理论对射流破碎后的结果分析更为理想。并且提出了涡流作用下液体射流的非线性反对称波形模型；
吕明[24]等进一步延伸了射流空间发展的概念。

2.2 圆环液膜射流

圆环液膜破碎过程非常复杂，Fraser[25]、Crapper[26]等较早对圆环液膜进行了研究，但是他们并未考虑液体粘性。Shen[27]等推导了描述牛顿流体圆环液膜射流稳定性的色散方程；
严春吉[28]用空间线性稳定性理论对在射流雾化过程中起控制作用的主要参数如气液速度、密度、表面张力、液体粘性等进行分析；
Hosseinalipour[29]等研究了液膜旋流速度和气流轴向速度对液膜不稳定性和破裂长度的影响，同时还对环境压力的影响进行了研究。

而对圆环液膜射流的非线性稳定性理论研究目前还不成熟，主要的研究方法有非线性对称降维方法[30]和扰动展开技术[31]。与线性稳定性理论相比，非线性稳定性理论有一定的优越性，能够更准确地预测射流破碎的破碎长度。

喷雾过程的数值模拟是研究内燃机的另一个有力工具，不仅可以加快研究进程，降低研究成本，还可以获得由于实验条件和设备限制而无法得到的数据信息。但是柴油机的雾化是一个极其短暂且细微的过程，目前国内外对复杂条件下燃油雾化的全过程数值模拟相关研究较少，对其模拟计算的相关模型尚不完善，为了平衡雾化过程和计算效率，对许多雾化的细节过程都进行了理想化处理。这些因素制约着数值模拟在柴油机开发中的进一步应用。

3.1 一次雾化

燃油经喷油嘴喷出后，受到气流扰动和湍流运动的影响，最初作为连续射流的燃油分解成细丝和液滴，该过程称为一次雾化。对于初次雾化的研究，国内外学者主要关注当燃油从连续状态变为离散状态时气液相界面的发展过程，因此在数值模拟中主要采用界面追踪法（Front Tracking Method，FTM）捕捉液体射流的表面波动以及破碎过程的细节。根据气液相界面描述的方式不同，界面追踪方法主要有PIC(Particle In Cell)、MAC（Marker And Cell）、VOF（Volume of Fluid）和LS（Level Set）方法等。

目前应用较多的界面追踪方法是VOF 法[32-33]与LS 法[34]。除此之外，也有其他的模拟方式，如Salvador[35]等设计了一种新的自适应网格细化的不可压缩多相流方法；
Andreini[36]等提出了一种创新的二阶封闭RANS 环境下的物化模拟。综合以上研究发现，界面追踪法对于柴油与背景环境的分界面能够实现精准捕捉并获得较好的一次雾化效果，但是这种模拟方法的求解对网格精度的要求较高，随着液滴尺度的变小，网格的尺度也需要进行调整，因此该种算法计算量巨大，在工程上应用难度较大。

3.2 二次雾化

一次雾化后形成的大粒径液滴进入到油气混合区域，大粒径液滴所受的表面张力大于连续液体的表面张力，导致在高速气流环境中的大液滴在表面非均匀分布的扰动下发生变形，并进一步碎裂成更小的液滴，这一过程称为二次雾化。二次雾化过程中液滴在流场以离散形式存在，因此通常采用Eulerain-Lagrangian 方法跟踪液滴获取不同直径液滴的运动轨迹，进而模拟实际燃烧室中燃油射流雾化混合到蒸发燃烧的全过程。在这一方法中，研究者们根据液滴的破碎雾化过程提出了不同的数学模型，主要有TAB（Taylor Analogy Breakup）[37]和KH-RT 模型[38-39]。此外，毛传林[40]等采用k-ε湍流模型结合DPM 离散相模型对气泡雾化喷嘴下游的二次雾化过程进行数值模拟，且考虑了气液两相间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 模型模拟多相流动过程，并与试验结果对比证明了DDM 模型的有效性。

3.3 一次雾化与二次雾化的耦合方法

在雾化过程数值模拟研究中发现，采用VOF等界面追踪法可以捕捉到初次雾化的气液相界面，但难以获取小粒径液滴的流畅特性，而如果直接采用离散相模型，则会忽略初次雾化中液体微团对整个雾化过程的影响，因此有研究者们开始提出将初次雾化与二次雾化过程进行耦合的方法[43-45]，从而实现对液体射流雾化全过程的数值模拟。

数值模拟已成为继实验方法和理论方法之后研究燃油雾化的第3 种重要研究手段，基于传统的Eulerain-Eulerain 和Eulerain-Lagrangian 方法已经可以获得燃油雾化的典型过程，但射流空化现象和湍流扰动同样对雾化效果有重要影响，因此考虑空化、湍流等多因素雾化数值模拟还需进一步完善，用于数值模拟过程中的物理化学模型仍需深入探索。

本文针对拖拉机柴油机燃油雾化问题，分别从实验方法、理论方法和数值模拟三个方面进行了总结。近年来国内外研究者致力于燃油雾化特性的相关研究并取得了较大进展，但是由于雾化机理的复杂性、试验研究的局限性以及数值模拟的误差性，雾化特性还未完全揭示。因此，对燃油雾化的特性研究必须要与光学测量技术、应用数学理论和计算机技术的发展紧密联系起来，不断汲取相关领域的最新研究成果推动柴油机雾化技术的发展。