柴油喷雾火焰与几何物体相互作用增强空气卷吸以缓解迟燃现象的研究

为解决柴油发动机中迟燃(late combustion)导致的热效率下降和碳烟排放问题，日本北见工业大学的研究团队通过3D CFD模拟和定容燃烧实验，系统研究了不同几何形状物体(三角柱/圆锥)与柴油喷雾的相互作用机制。研究发现特定形状物体可增强空气卷吸(air entrainment)，使迟燃周期缩短30-45%，同时降低碳烟(soot)形成，为优化柴油燃烧技术提供了新思路。

　　

在全球气候变暖的严峻形势下，柴油发动机作为重型运输领域不可替代的动力装置，其热效率提升和排放控制面临重大挑战。传统柴油和可再生碳氢燃料在燃烧过程中普遍存在迟燃现象(late combustion)——即燃油喷射结束后，喷雾火焰尖端富油混合气持续缓慢燃烧，这不仅导致热效率下降，还显著增加碳烟排放。尽管现有技术如废气再循环(EGR)和高压喷射能在一定程度上缓解问题，但迟燃现象始终未能有效解决，成为制约柴油机性能提升的"阿喀琉斯之踵"。

日本北见工业大学(Kitami Institute of Technology)发动机系统实验室的研究团队独辟蹊径，提出通过几何物体与柴油喷雾的主动相互作用来破解这一难题。研究人员采用三维计算流体力学(3D CFD)模拟与定容燃烧实验相结合的方法，系统探究了圆柱体、三角柱和圆锥等不同几何形状物体对喷雾燃烧特性的影响。研究发现当柴油喷雾撞击特定形状物体时，会产生"物理-化学协同效应"：一方面物体分裂喷雾增加与环境气体的接触面积，另一方面形成的下游涡流结构(vortex structure)显著增强空气卷吸(air entrainment)。这种双重作用有效抑制了喷雾尖端富油混合气的积聚，使迟燃周期缩短30-45%，同时降低碳烟(soot)排放。相关成果发表在能源领域权威期刊《Fuel》上。

关键技术方法包括：1) 采用CONVERGE v3.0软件进行3D CFD模拟，设置0.5mm最小网格并应用自适应网格细化(AMR)技术；2) 在70mm直径定容燃烧室中开展燃烧实验，通过压电传感器记录压力变化计算表观放热率(ROHR)；3) 采用高速彩色摄像机和双色法(two-color method)定量分析火焰温度与碳烟浓度(KL因子)；4) 对比研究三种几何物体(直径2-10mm圆柱、顶角40-120°三角柱/圆锥)在不同安装位置(z_dis=10-30mm)下的燃烧特性。

研究结果揭示：

1. 物体几何形状的影响：三角柱和圆锥通过将喷雾分裂为左右两侧或伞状扩散，显著增加与环境气体的接触面积。CFD模拟显示80°顶角圆锥使当量比>1.4的富油区域减少40%，实验证实其迟燃周期缩短45%。而圆柱体因喷雾重新合并导致空气卷吸效果最差。

2. 涡流增强机制：速度矢量场显示三角柱/圆锥下游形成特征性涡流结构，将环境空气持续导入喷雾内部。这种"空气泵"效应在传统自由喷雾中不存在，是改善混合气形成的关键。

3. 安装位置优化：物体距喷嘴20-30mm时效果最佳，过近(10mm)会因动量损失导致燃烧恶化。实验发现z_dis=20mm的80°圆锥使扩散燃烧期放热率峰值提高35%。

4. 排放特性变化：增强的空气卷吸虽加速燃烧并降低碳烟(KL因子下降50%)，但燃烧温度升高也使NO_x排放增加，呈现典型的"trade-off"关系。

5. 壁面干扰效应：通过缩短喷射时长(0.32ms)排除燃烧室壁面影响，证实物体作用主要源于喷雾分裂而非简单的壁面接触避免。

这项研究首次系统阐明了几何物体与柴油喷雾相互作用的物理机制，建立了"形状-位置-性能"的定量关系。特别值得关注的是，该方法对常规柴油和可再生碳氢燃料(如HVO)均有效，无需依赖含氧燃料的化学改性。研究团队提出的"被动物体主动控制"策略，为突破柴油机热效率瓶颈提供了新思路，其物理干预理念也可拓展应用于其他燃烧系统。未来研究需进一步优化物体几何参数以适应多喷嘴系统，并开发耐高温材料解决方案以实现工程应用。这项源自基础燃烧学的创新发现，有望成为柴油机迈向碳中和的关键技术之一。