导管燃油喷射诱导的湍流对甲醇-柴油双燃料船用发动机中柴油-空气混合及火焰发展的影响

《International Journal of Multiphase Flow》：Effects of ducted fuel injection-induced turbulence on diesel–air mixing and flame development for methanol–diesel dual-fuel marine engine applications

　　

•研究导引燃料喷射（DFI）技术在甲醇-柴油双燃料发动机中对燃料-空气混合及燃烧效率的增强作用。•光学可视化实验揭示了不同导引管构型（ST2和CD4.5）对喷雾形态和热空气卷入的影响。•CD4.5导引管构型通过增强径向喷雾扩散和本地涡流形成，促进燃料-空气混合气更均匀的分布。•ST2导引管喷雾改善了轴向扩散，与自由喷雾相比，可实现更快的点火和更稳定的火焰离焰。•研究结果表明，CD4.5 DFI特别适用于早期混合和短脉冲喷射应用，例如微量柴油辅助点火。引言随着"双碳"战略的持续推进，低碳清洁燃料的开发与利用已成为内燃机技术转型升级的必要途径，尤其在船舶推进系统领域。在众多替代燃料策略中，甲醇-柴油双燃料压燃（CI）发动机因其在保留柴油燃烧高热效率的同时兼具甲醇低碳特性的潜力而受到越来越多的关注。甲醇凭借其高含氧量、来源丰富和良好的燃烧特性，被认为是未来低碳交通系统中极具应用前景的替代燃料之一（Wang等，2024）。然而，由于甲醇固有的物理化学特性，其在CI发动机中的应用仍面临挑战。首先，甲醇的汽化潜热约为1109 kJ/kg，约为柴油燃料的3.7倍。燃料蒸发过程中产生的强烈冷却效应可显著降低缸内局部温度，从而抑制点火和燃烧发展。其次，甲醇的自燃温度约为465°C，远高于柴油燃料（约250°C），仅靠压缩点火难以实现可靠点火（Lee和Lopez-Pintor，2024，Li等，2013）。此前的一项模拟研究表明，甲醇的稳定压燃需要约450 K的进气温度，表明甲醇燃料CI发动机需要额外的点火增强策略或热管理方法（Li等，2013）。这些固有的物理化学特性使得甲醇在常规压缩点火条件下难以实现稳定燃烧，尤其在低温运行环境中更是如此（Verhelst等，2019，Zhang和Wu，2016）。为应对这一挑战，甲醇-柴油双燃料燃烧策略作为提高甲醇点火和燃烧性能的有效途径得到了广泛研究（Li等，2021，Shi等，2024）。该策略的基本概念是在压缩行程末期附近喷入少量高反应活性的柴油燃料。柴油随后的自燃产生足够的放热，在缸内建立有利的高温环境，从而促进随后喷入的甲醇的蒸发、混合和燃烧。Wu等（Shi等，2024）证明，通过柴油预点火，在358 K的进气温度下即可实现甲醇的稳定压燃。同样，Pei等（Pei等，2025）采用双孔喷嘴配合柴油预喷射，在308 K的进气温度下实现了高达90%的甲醇替代率，生成了有利的热环境并增强了甲醇燃烧稳定性。图1展示了甲醇-柴油双燃料直喷发动机的原理示意图（Pei等，2025）。需要注意的是，与多孔喷嘴相比，传统单孔或双孔喷嘴通常具有较窄的喷雾锥角和有限的空间分布，这可能导致柴油分散不足和空气-燃料相互作用不充分。因此，均匀热环境的形成和有利的甲醇-空气混合过程可能受到阻碍，从而限制燃烧效率和稳定性。为克服这些局限，导引燃料喷射（DFI）技术作为先进的喷雾管理策略被提出。在DFI系统中，喷射燃料通过特制的导引管引导后进入燃烧室。导引管的约束和导流效应改变了喷雾演化过程，促进了空气卷入，改善了燃料分散，从而有利于形成更均匀的燃料-空气混合气（Mueller等，2017）。DFI技术源于稀薄提升火焰燃烧（LLFC）的概念。LLFC的基本原理是降低富燃料区域的局部当量比，确保火焰离焰区域内的当量比保持在2以下，从而有效抑制颗粒物和不完全燃烧产物的生成（Gehmlich等，2016，Polonowski等，2012，Ong等，2022）。基于这一概念，Mueller等（Gehmlich等，2018，Mueller等，2021）提出了DFI策略，在喷油嘴下游布置一个小导引管。导引管引导燃料喷雾沿轴向方向进入燃烧室，改变喷雾发展过程并增强燃料-空气混合。图2展示了常规自由喷雾与DFI构型之间的原理对比（Dec，1997）。Boni等（Yraguen等，2024）证明，与常规柴油燃烧（CDC）相比，DFI策略可在光学发动机实验中显著减少颗粒物排放，同时保持相当的热效率，且对其他气态排放影响有限。在后续使用柴油燃料对直管（ST）导引管喷雾燃烧的研究中，采用高速光学诊断技术表征了基本燃烧参数，包括火焰离焰长度、点火延迟时间和颗粒物生成行为（Liu等，2020，Nilsen等，2021，Wilmer等，2022）。结果表明，与自由喷雾（FR）相比，ST导引管构型延长了点火延迟，增加了火焰离焰长度，并显著降低了颗粒物发光强度。这些发现表明，DFI促进了燃料-空气混合，减少了局部富燃料区域，从而有效抑制了柴油燃烧过程中的颗粒物生成。DFI技术的主要优势在于通过调控喷雾演化过程来增强燃料-空气相互作用、改变喷雾特性并改善混合气形成（Chen等，2025）。Li等（Li等，2020，Li等，2020，Li等，2020）进行了光学可视化实验，系统比较了自由喷雾（FR）和直管（ST）导引管喷雾的喷雾特性，包括喷雾面积（SA）、喷雾锥角（SCA）和喷雾头部穿透距离（STP）。其结果表明，在足够高的环境压力条件下，ST导引管出口在喷射早期阶段形成了蘑菇状喷雾结构，促进了喷雾的扩散。与FR相比，ST导引管喷雾表现出更大的SCA和增加的STP。为进一步阐明DFI系统中燃料-空气混合增强的内在机制，Zhang等（Zhang等，2021）、Chen等（Chen等，2023，Chen等，2023）和Millo等（Millo等，2021）采用实验与数值相结合的方法，研究了高压条件下ST和收敛-扩张（CD）导引管喷雾的混合特性。他们的研究表明，导引管入口产生的泵送效应和导引管出口附近生成的涡流结构在促进燃料-空气混合方面发挥了重要作用。特别是，ST导引管构型在延伸STP方面表现出显著能力，即使在环境压力升高时仍能保持增强的穿透（An等，2024，Wang等，2022）。然而，此前关于DFI喷雾特性的研究大多在环境温度条件下进行，而在与发动机相关的高温高压环境下燃料-空气混合过程仍了解不足。在实际柴油发动机运行中，燃料喷射在高压高温运行条件下进行，热力学环境显著影响热空气卷入、燃料蒸发、混合气形成及后续火焰发展（Bhikuning等，2020，Du等，2019）。已有研究表明，环境压力和温度的变化可显著改变DFI系统的喷雾演化特性（Li等，2020，Yang等，2022）。Li等（Li等，2020）研究了在308 K环境温度下不同环境压力条件中DFI的喷雾特性。结果表明，增加环境压力促进了ST导引管喷雾的发展，其喷雾锥角和喷雾面积均大于自由喷雾（FR）。在较高环境压力条件下，ST导引管喷雾保持了明显的速度优势，在相同的环境和喷射压力下，其平均喷雾锥角比FR大0.43°–4.07°。Qing等（Yang等，2022）进一步在定容腔中使用ST导引管喷射研究了工况对柴油和汽油燃料喷雾特性的影响。实验在298和343 K的环境温度下进行。结果表明，增加环境温度增强了汽油喷雾的分散，而ST导引管构型在较高温条件下有效增加了STP和SA。尽管已有研究证明了DFI在改善燃料-空气混合方面的潜力，但在与发动机相关的高温高压条件下，DFI诱导的热空气卷入对混合气形成和火焰演化的影响仍不清楚。在此类条件下，燃料喷射涉及雾化、蒸发和湍流混合的强耦合过程，这些过程共同决定了燃料-空气分布及后续燃烧行为（Pei等，2023，Deng等，2022）。因此，本研究的主要目的是阐明DFI诱导的热空气卷入在实际发动机运行条件下对燃料蒸发、混合气形成和火焰发展的调控作用。通过高速光学可视化实验定量比较了常规自由喷雾（FR）和DFI构型的喷雾燃烧特性。需要注意的是，本研究聚焦于单次柴油喷射事件，以隔离和理解高温高压环境中DFI系统热空气卷入、燃料蒸发、混合气形成和火焰演化的基本机制。尽管实际甲醇-柴油双燃料发动机通常采用柴油预喷，但与预喷雾化、空气卷入和蒸发相关的基本物理过程与单次喷射事件是一致的。因此，本研究结果提供了DFI辅助燃烧的机制性见解，并为未来涉及多次喷射策略和甲醇-柴油双燃料发动机应用的研究奠定了理论基础。小节摘要实验装置图3展示了实验装置的原理示意图。本研究使用光学可视化系统进行DFI实验，该系统包括七个主要组成部分：定容腔（CVC）、纹影光学成像设备、高速相机、燃料供给系统、高压气体供给单元、温控单元和电子控制单元。定容腔（CVC）配有四个观察窗，每个有效直径为100。结果与讨论DFI技术作为一种先进的喷雾燃烧优化策略，促进了空气卷入并增强了燃料-空气湍流相互作用，从而改善喷雾发展和燃烧性能。已有研究表明，在DFI系统中采用ST2导引管可显著增加柴油喷雾头部穿透距离，同时适度增大喷雾锥角。相比之下，CD4.5导引管显著拓宽了喷雾锥角，但略微降低了喷雾。结论本研究调查了导引燃料喷射（DFI）技术在高温高压条件下对燃料-空气混合气形成的影响，特别关注热环境气体卷入对喷雾演化、燃料蒸发和火焰发展的作用。主要结论总结如下：（1）热环境气体卷入显著影响喷雾发展早期、中期和后期阶段的喷雾形态。在……。CRediT作者贡献声明Tao Chen：撰写初稿，资金获取，概念构思。Yanzhao An：项目管理，方法学。Minshuo Shi：撰写-审阅与编辑，软件。Yiqiang Pei：监督，数据整理。Min Kuang：实验研究。Tao Chen | Yanzhao An | Minshuo Shi | Yiqiang Pei | Min Kuang