【一、文章导读】

重质燃料油(HFO)因其较高热值和低廉的价格，成为船用柴油机的主要燃料，其成分极为复杂，主要由烷烃、芳香烃、沥青质及少量的金属和硫化物组成。为减少硫氧化物排放，HFO 中的含硫量被严格限制。低硫 HFO 在生产中受原料产地、生产技术影响，其理化性质存在较大差别，这些差别将对燃料喷雾、燃烧过程及污染物形成产生重要影响。

船用二冲程柴油机广泛使用 HFO 作为燃料。四冲程柴油机常被用于中小型船舶的推进装置或大型船舶的发电原动机。为了节约燃料成本，这类四冲程柴油机也常以 HFO 作为燃料。与大型二冲程柴油机不同，四冲程柴油机的喷油器喷孔直径较小、喷射压力较高，且四冲程柴油机通常是基于燃用柴油而设计。近年来，学者们认为改变喷射条件能提高热效率、降低排放，喷射条件持续向高压-微孔发展。高压-微孔条件下 HFO 的喷雾与着火特性需引起关注，而当前大多数研究侧重于分析 HFO 对发动机性能和排放的影响，对 HFO 的喷雾和燃烧特性则鲜见报道；现有研究主要集中在 HFO 的喷雾而忽略了着火和燃烧过程，并且 HFO 可能具有不同的物性。

基于此，笔者以多种黏度和含硫量的 HFO 为对象，在高喷射压力、微孔喷射条件下对 HFO 的喷雾与着火特性开展研究。首先，基于光学试验数据建立并验证了多工况的 CVCC 模型；其次，以 3 种黏度极具代表性的 HFO 为研究对象分析了燃料物性对喷雾与着火特性的影响；同时，在不同环境条件下研究了氧化作用对喷雾发展的影响，以期为 HFO 在四冲程船舶柴油机上的高效清洁应用提供参考。

【二、试验装置模型验证与研究条件】

试验装置

试验在 ECN 最新一代的 CVCC 上开展。该装置的环境条件覆盖了绝大多数的柴油机工况，环境温度为 450～1 300 K、环境密度为 3～60 kg/m³ 且环境氧体积分数为 0%～21%。CVCC 的有效容积为 1.15 L，通过燃烧可燃混合气营造高温、高压的环境条件。喷射系统适用于多种燃料，最大喷射压力为 150 MPa，最大喷孔直径为 0.5 mm。试验的 4 种工况条件如表 1 所示，使用喷孔直径为 0.09 mm 的单孔喷油器。喷射压力为 150 MPa，喷射持续期为 1.54 ms，单次喷射 3.46 mg 的正十二烷。试验中针对不同工况采用了多种光学观测手段，获得液相喷雾贯穿距离(LPL)、气相喷雾贯穿距离(VPL)、火焰浮起长度(FLOL)、着火时刻(IT)和火焰形态等参数。

表1 环境工况和喷射条件

模型的建立与验证

模型的建立：

笔者建立 CVCC 模型，并使用 Converge 在 4 种工况下进行模型验证。基础网格尺寸为 8 mm，表 2 为网格设定与加密策略，进行网格加密后最小网格尺寸为 0.062 5 mm。对喷孔附近进行 7 级固定加密，且根据速度和温度梯度施行 7 级自适应加密。图 1 为 CVCC 的几何模型尺寸及加密效果。使用 163 种组分和 887 个反应的详细化学反应机理结合 SAGE 化学动力学求解器描述燃料氧化、着火和燃烧过程中的化学反应。采用 KH-RT 描述燃料的破碎过程，其中模型常数 B0 和 B1 分别取值为 0.61 和 50。大涡模拟(LES)和雷诺平均(RANS)都可以对喷雾过程中的湍流运动进行较为精确地描述，但在高喷射压力条件下，LES 具有更好的瞬态精确度，因而笔者使用 LES 求解喷雾和燃烧过程中涉及的湍流运动。分别采用液体燃料质量分数为 90% 和气态燃料质量分数为 0.1% 作为计算 LPL 和 VPL 的阈值。研究中 LPL 使用 ECN 的推荐值，而 VPL 则根据密度梯度进行测算。对密度求导后得到密度梯度的切片，经图像处理与识别得到密度梯度图像边缘与喷嘴的最大垂直距离。使用密度梯度统计 VPL 的优势在于其与纹影技术原理更为接近。同时，可以避免因燃烧导致仿真计算中以质量分数阈值统计 VPL 产生的波动与错误。将燃烧化学发光强度最大值的一半所对应的时刻定义为 IT。以 OH* 的化学荧光表示火焰的位置，火焰与喷嘴间的最短距离定义为 FLOL。

表2 网格设定与加密

图1 几何模型与网格细化

模型验证：

VPL 和 LPL 分别是对应阈值与喷孔的最大垂向距离，表征了燃料射流的穿透能力。试验中使用高速纹影法、扩散背景成像法和 Mie 散射法获得喷雾的 VPL 和 LPL，仿真中使用质量分数法和密度梯度法获得 VPL 和 LPL。图 2 为工况 1、2 和 3 下 CVCC 模型的验证。该模型能较好地描述非反应条件下燃料的喷射和雾化过程。

图 3 和图 4 为反应条件下(含氧)喷雾贯穿距离、燃烧参数和火焰形态的验证。图 3 中工况 4 的 LPL 验证结果较好。缸内压力、累积放热量和 FLOL 的吻合程度极佳。整个燃烧过程中定容燃烧弹弹体内的压力波动极小(0.02 MPa)，放热量约为 75J。缸内压力、累积放热量和稳态 FLOL(OH^*质量分数阈值为 0.03%)的变化趋势和误差都在可接受范围内。

图3 工况4的模型验证

图4 工况4的火焰形态验证

图 4 为 1 600 K 以上区域表征燃烧火焰形态与自发光火焰图像的对比。可知，火焰的长度、宽度和面积以及火焰上游(靠近喷嘴)与喷嘴的距离都与试验有较好的相似度。然而图 3(a)中 VPL 的验证结果表明，使用质量分数法和密度梯度法得到的 VPL 存在较大差异。高速纹影法和密度梯度法获得的 VPL 随时间增加，而使用质量分数法获得的 VPL 在燃烧发生后保持动态稳定，主要原因是火焰区域的气相燃料由于燃烧消耗导致质量分数低于阈值而未被统计。此外，氧化和裂解等作用使统计目标演化为其他组分而导致。

图5为质量分数法和密度梯度法得到的气相喷雾形态与试验纹影图像和自发光火焰图像对比。实际上在着火后喷雾仍继续向前贯穿，且贯穿速度与非燃烧喷雾接近。使用密度梯度法计算 VPL 比质量分数法更符合实际。综上所述，模型的有效性得到了良好的验证，可使用模型开展进一步的研究工作。

图5 不同仿真方法处理的气相喷雾与试验对比

研究条件

按照是否发生燃烧将喷雾分成无氧条件下非反应喷雾及含氧条件下的反应喷雾。笔者使用的燃料性质、CVCC 内的初始条件及喷射条件见表 3。研究中使用 3 种硫质量分数、密度和黏度极具代表性的 HFO。燃料的黏度和密度随硫质量分数波动，其中密度最大差异为 12.1%，黏度相差 144 倍。按照黏度(硫质量分数)升序对 HFO 从燃料A～C编号。

表3 燃料的性质、初始和喷射条件

根据试验获得的黏度-温度特性曲线，设置 HFO 温度以保证 HFO 与 nC₁₂H₂₆ 的黏度一致。喷孔直径、喷射压力和喷射持续期维持不变(分别为 0.09 mm、150 MPa 和 1.54 ms)，调整喷射质量以消除因密度差异引起的喷射特性改变。为探究化学反应对喷雾发展过程的影响，在不同环境条件进行喷雾的试验和仿真研究。调整组分占比获得相同初始条件(温度、压力和密度)下 0% 和 15% 的环境氧体积分数。以燃料和氧体积分数对算例进行命名，A0 代表燃料 A 和环境氧体积分数为 0% 的组合。

【三、分析与讨论】

喷雾特性

燃料在离开喷嘴后经历的一系列复杂的物理和化学过程共同决定着喷雾的发展。图 6 为不同环境条件(氧体积分数为 0% 和 15%)下喷雾的发展。LPL 和 VPL 在离开喷嘴后迅速分离。LPL 短时间内达到稳定并停止贯穿直到喷射结束，VPL 在整个喷射过程中持续向前贯穿。低黏度燃料的 VPL 偏低，高黏度燃料的 LPL 偏高，VPL 的差异因燃烧而增大。在氧化作用存在的条件下，低黏度 HFO 的贯穿能力明显减弱。喷射速率等于蒸发速率、燃烧速率等于混合速率是液体燃料射流和燃烧的两个准稳态阶段。这两个准稳态阶段受燃料性质和环境条件的共同影响导致了 LPL 和 VPL 的差异。反应与非反应条件的喷雾贯穿距离之比如图 6(c)和图 6(d)所示，燃烧对喷雾发展的影响显著。反应条件与非反应条件的 LPL 之比越接近 1，表明氧化作用对喷雾发展影响越小。氧化作用对 LPL 和 VPL 都存在影响但程度有所区别。在点火前 LPL 不受氧化作用影响，在喷射结束前燃烧会弱化液滴的轴向贯穿能力。相比于 LPL，氧化对 VPL 的影响异常明显，特别是在着火发生之后。随着燃烧的不断进行，VPL 受氧化反应的影响愈加强烈，且 HFO 的黏度越低所受的影响越大。高黏度 HFO 的气相贯穿能力更强，在着火后轻微下降并迅速恢复。低黏度 HFO 在着火后贯穿能力显著下降。说明高黏度 HFO 的蒸发、扩散和混合较差。

图6 不同氧体积分数下的喷雾贯穿参数

      高黏度燃料的液滴稳定性增加、破碎难度增加，破碎后的液滴直径增加、雾化质量变差。SMD 是评价雾化质量的重要指标，能体现燃料的破碎与蒸发特性。SMD 越小说明雾化程度越好。图 7 为不同燃料的液相喷雾参数。图 7(a)中，SMD 的变化与黏度呈正比，且最大差异超过 85%。喷雾初期，SMD 与是否发生氧化反应无关，着火前 SMD 有轻微的上升趋势，喷射结束后 SMD 显著上升。为了极大程度地降低计算时间、节约计算资源，Converge 在求解喷雾的过程中引入了粒子包(parcel)的概念。粒子包是由一系列半径、速度和温度等相同的燃料液滴组成，因而粒子包的数量与喷雾场中液滴直径的种类相同，如喷雾场中有 x 个粒子包，就会有 x 种液滴直径。图 7(b)为燃料黏度对粒子包数量的影响。根据粒子包与粒子直径的对应关系，可知，液滴直径种类与 HFO 的黏度无关，但直径种类都因燃烧而降低。同时，液滴表面积的下降速度大于液相体积的下降速度，使 SMD 上升，因而粒径种类降低说明氧化与燃烧促进大直径液滴的破碎与小直径液滴的蒸发。液相体积与表面积变化趋势说明在着火前低黏度对液滴破碎有利。燃料 B 和燃料 C 的液滴表面积和 SMD 接近，但液相体积相差较大，而二者的粒径种类相差超过 70% ，因而可以推断燃料 C 喷雾的大直径液滴占比更多。同时，更大的液滴表面积强化了液滴与环境的相互作用，蒸发与卷吸效果增强。燃料黏度、雾化和蒸发等过程都会影响液滴直径的分布规律。图 8 为 0.1 ms 和 0.9 ms 时刻喷雾场内的液滴分布和液相形态。液相喷雾在径向的扩散能力与黏度呈正比。黏度增加，液滴的分布形态变得中部宽而头尾窄，液相喷雾的最大宽度增加。液滴分布也反映出黏度越低，大直径液滴占比越低，液相喷雾前端的分散度越好。着火与燃烧加速了小直径液滴蒸发，SMD 减小，喷雾体积降低，证明了燃料 C 的液相喷雾中大直径液滴占比更多的推断。

图7 不同燃料的液相喷雾参数

图8 液相喷雾形态

“燃烧特性”部分内容见参考文献[1]。

【四、结论】

(1) 反应与非反应喷雾的喷雾贯穿距离(LPL 和 VPL)不同；着火与燃烧对 VPL 的影响显著且影响效果与黏度呈反比，而对 LPL 的影响微乎其微，并几乎与黏度无关；高黏度 HFO 的喷雾形态“窄而长”且喷孔附近的喷雾边缘呈“锯齿”状。

(2) SMD 和液滴直径分布受着火与燃烧作用的影响截然相反；液滴表面积的下降速率大于液相体积的下降速率，导致含氧条件 SMD 略有增加。

(3) HFO 的黏度增加使 IT 推迟、燃烧相位提前，但着火后放热率变缓、峰值下降、火焰与喷嘴间的距离缩短；IDS 内等体积的液滴束表面积差异较大，低黏度 HFO 液滴表面积波动，液滴稳定性差。

(4) HFO 黏度增加则气相喷雾与喷嘴的距离增加，火焰的拖尾现象严重；火焰头部的宽度与 HFO 黏度呈反比，而与喷雾对环境空气的卷吸能力呈正比；HFO 黏度不会对稳态燃烧的火焰扩散能力和燃料消耗速率产生影响。

点石仪器自主研制的定容燃烧弹系统可实现高压-微孔喷射条件下的精细化燃烧分析，通过精确调控环境参数（温度、氧浓度等）和喷射条件，结合高速纹影、化学发光等多模态光学诊断手段，可定量表征重质燃料油的喷雾贯穿、液滴破碎、着火延迟及火焰发展全过程。该系统尤其适用于高黏度燃料的雾化机理研究，通过改变燃料预热温度实现黏度参数解耦，为优化船用柴油机燃烧室设计提供关键实验依据。