气缸润滑油(简称气缸油)燃烧是低速二冲程船用主机颗粒(particulate matter，PM)排放的重要来源之一^[1]。另外，气缸油液滴自燃还是低速二冲程双燃料机发生爆燃和早燃等不正常燃烧的重要原因。“气缸油自燃导致的不正常燃烧”是阻碍双燃料机提高动力性和改善经济性的主要障碍，是严重威胁双燃料机可靠性及安全的世界性难题^[2]，大功率发动机工业界和学术界对此日益重视，气缸油自燃现象及其影响规律研究也逐渐涌现^[3-8]。气缸油液滴蒸发过程是气缸油液滴自燃的前期准备阶段，蒸发特性对自燃过程具有重要影响，对蒸发特性的研究是理解气缸油自燃引发不正常燃烧机理的基础性工作。气缸油具有成分复杂、粘度大、不易挥发、自由粒子直径较大等特点。采用传统的蒸发模型不能准确地模拟气缸油液滴的蒸发过程，因此需要在蒸发特性实验的基础上构建符合气缸油特点的蒸发模型，为气缸油液滴在实际缸内环境中的蒸发过程数值模拟提供标定依据。作者应用挂滴式液滴蒸发装置研究了低速二冲程船用主机气缸油和气缸油基础油的蒸发特性。

1 实验装置及实验设计 1.1 气缸油蒸发实验装置

所搭建的气缸油蒸发实验装置如图 1所示。

实验装置主体为长方形不锈钢固定容器，容器主体材料采用304不锈钢，容器外部尺寸为260 mm×260 mm×160 mm，壁厚10 mm。容器的前端和后端各开有直径80 mm的光学窗口，分别为光源入射窗口和观察窗口，窗口材料为石英玻璃。容器后端留有氮气充气孔，做高温蒸发实验充入氮气，防止气缸油滴氧化。容器上盖预留有热电偶的安装孔。同时，弹体的上盖开有直径10 mm的通孔，作为液滴进入高温容器的通道和氮气的出口。系统的温度由温控仪控制，容器内温度由直径1 mm的热电偶测量，当温度接近设定温度时，温控仪指令加热器减小加热功率，在设定温度以较小加热功率工作维持容器内的恒定温度。

实验选用日本Photron公司的FASTCAM Mini UX100高速摄像机拍摄油滴蒸发过程，通过控制软件Photron FASTCAM Viewer实现拍照频率、曝光时间、分辨率和触发方式等基本参数的设置，摄像的最高分辨率为1 280×1 024。实验选用Questar QM1长距离显微镜头放大油滴图像。

为了控制油滴的尺寸，选用量程为1 μL的微量进样器生成油滴，油滴直径控制在0.5~1 mm，将生成的油滴挂在直径75 μm的石英丝上，通过线性模组机构，将油滴快速送到指定拍照位置。

1.2 数据处理方法

将拍摄到的图像通过FASTCAM Viewer软件导入电脑，并在其中提取照相频率、分辨率、单位像素点长度等关键数据，用于计算油滴尺寸信息。为了节省运算时间和数据存储量，事先对图像处理区域进行裁剪。在图像处理时，在不影响图片处理分析的前提下，框选出一个图像区域，成为图像分析的关注区域(region of interest, ROI)。使用ROI时，可以在确保精度的同时，减少图片的处理时间。

在确定了处理区域后，需要将拍摄的蒸发图像照片进行灰度化。灰度值为0~255，白色为255，黑色为0。在处理软件中进一步将灰度图像黑白二值化，即将灰度图像中的像素点转换为只有0和1两个数值的二值图，0代表黑色，1代表白色。经过前期的处理后，得到的是只有液滴和背景的准确黑白二值图，进而计算得到目标液滴的直径。图 2为原始图、选定ROI区域图和二值化图的对比。

由图 2可见，原始图像中油滴的形状呈椭球形，为了计算油滴的当量直径，将油滴在z方向切割成若干个高度为一个像素单位的圆柱体，将这些圆柱体积分求和得到油滴体积V，再将其等效为球体，从而推算出油滴的当量直径。油滴体积和油滴当量直径d的计算式分别如下:

$ \Delta {V_i} = \Delta Z{d_i} $

(1)

$ d = \sqrt[3]{{\frac{6}{{\rm{ \mathsf{ π} }}}V}} = \sqrt[3]{{\frac{6}{{\rm{ \mathsf{ π} }}}\sum {\Delta {V_i}} }} $

(2)

液滴直径的计算方法如图 3所示。

2 实验结果及讨论 2.1 气缸油蒸发特性

实验首先研究了二冲程低速柴油机所使用的典型气缸油-5070气缸油的蒸发特性。该气缸油的基础油由150 BS光亮油(bright stock, BS)和400 SN中性精制油(solvent neutral, SN)按4: 6比例配制。该气缸油为高碱值气缸油，添加剂所占质量比例为25%。该型号气缸油的添加剂包括高碱性硫化烷基酚钙(12%)、环烷酸钙(10%)、聚异丁烯丁二酰亚胺(2%)、二烷基二硫代磷酸锌(0.7)及其他成分(0.3%)。

实验分别测试了4个环境温度条件下气缸油液滴的蒸发现象。图 4(a)为623 K环境温度条件下的气缸油液滴蒸发曲线。为了消除初始油滴直径差异的影响，蒸发曲线进行了标准化处理。

图 4(a)显示，在环境温度为623 K时的蒸发特性曲线分为三个阶段：初始加热段Δt₁，轻组份蒸发段Δt₂，和重组份蒸发段Δt₃。在初始加热段，受环境气体的加热作用，油滴受热膨胀，直径变大；随着油滴表面温度增加，部分组份到达了沸点，蒸发开始，油滴的热膨胀和蒸发速率共同决定了油滴直径的大小。当油滴的蒸发速率和热膨胀速率相等时，油滴直径达到最大值。其后，当蒸发占主导作用的时候，油滴直径开始变小，进入蒸发段，蒸发速率决定了油滴直径变化速率；由于轻组份比重组份沸点低，先进入轻组份率蒸发段，平均蒸发速率为0.02 mm²/s。轻组份蒸发完毕后，进入重组份蒸发段，平均蒸发速率为0.000 8 mm²/s。与普通燃油油滴蒸发特性^[9-14]截然不同的是：在623 K环境温度条件下，气缸油液滴的蒸发速率很低，尤其在在蒸发后期蒸发速率更加缓慢，到末期蒸发过程陷入停滞，油滴内的添加剂和重质组份残留在石英丝上，油滴直径保持(d/d₀)²=0.304不再变化。

图 5为气缸油液滴蒸发历程照片直观地显示油滴的变化过程：在2.333 s/mm²标准化时刻，油滴直径达到最大；2.333~27.999 s/mm²，油滴直径减小速率较大；其后油滴直径减小速率明显减缓，在蒸发末期残余物质保持在石英丝上。

气缸油液滴在较高环境温度条件下的蒸发过程中油滴内部的轻组分率先达到沸点，油滴内部出现气泡生成、膨胀及油滴爆破现象，油滴直径变化曲线也出现剧烈波动。图 4(b)为823 K环境温度条件下气缸油液滴蒸发特性曲线。该图显示：油滴先经过短暂加热膨胀(A点之前)后，粒径因初始蒸发而减小；但从B点开始剧烈膨胀，直至C点。结合图 5(b)气缸油液滴在高温条件下蒸发历程照片可以发现在B~C时间段油滴内部出现多个气泡，气泡膨胀并于4.663 s/mm²时刻冲破油滴表面，爆破后油滴粒径迅速衰减；其后又经历多次气泡生成、气泡膨胀和油滴爆破，在蒸发曲线上C~F段出现多个剧烈波动点；波动一直持续到F点，蒸发过程才趋于稳定。气泡生成和破裂造成油滴在拍摄方向尺寸剧烈变化，在图 4(b)中E点为当量直径最小值。必须指出，该最小值并不意味着此时油滴体积最小，只说明在7.301 s/mm²时刻该方向拍摄到的尺寸最小。由于气泡生成位置和方向的随机性，只在一个方向上拍摄气泡变化已经不能完整客观地量化油滴实际变化。

图 6、7为环境温度及油滴直径变化对气缸油和基础油滴蒸发特性的影响。篇幅所限，这里不再列出另外两个温度的油滴蒸发历程照片，而将四个环境温度条件下气缸油滴蒸发特性曲线进行对比，如图 6(a)所示。

在723 K、823 K、923 K环境温度条件下气缸油液滴均出现不同程度的油滴爆破现象，随环境温度升高，爆破现象出现更早，且更加剧烈，油滴蒸发速率也明显提高；另外，蒸发末期的(d/d₀)²数值减小，即蒸发末期石英丝上的残余物质量减少。这也说明石英丝上的残余物质是以气缸油添加剂为主，另外还有一些气缸油基础油在蒸发过程中形成的重质烃，这些重质烃的残留量随环境温度的升高而减少。

实验还对不同液滴直径气缸油液滴的蒸发特性进行了测试。图 6(b)为在823 K环境温度条件下三个粒径气缸油液滴的蒸发特性曲线对比。为了直观显示油滴的生命周期，时间坐标未做标准化，而是采用绝对时间。如图 6(b)所示，随着粒径增大，油滴的生命周期明显增长。另外，随粒径增大，油滴内部温度上升较慢，导致轻组分沸腾时刻较晚，油滴内出现气泡以及液滴爆破的时间也发生较晚。

为了明确气缸油蒸发现象与基础油蒸发特性的关系，分别对气缸油的基础油150 BS光亮油、400 SN精制油和二者按4: 6比例调制的基础油的蒸发特性进行测试和分析。

2.2 150 BS光亮油蒸发特性

实验分别测试了环境温度为723 K、823 K和923 K条件下150 BS光亮油液滴蒸发特性，图 7(a)结果对比。

当环境温度升高时，加热段明显缩短；在823 K和923 K环境温度条件下蒸发特性曲线都出现了波动，随着环境温度的升高，首次出现波动的时刻提前，且首次波动剧烈，后期波动温和。在蒸发结束时，油滴标准化直径接近0，这说明石英丝上没有残留物质，油滴全部蒸发；而当环境温度为723 K的时候，过程中没有出现波动，在蒸发结束时，石英丝上仍有未能蒸发的重质组份组成的残余物质，残余物质的标准化直径平方高于0.2。图 8以照片直接显示823 K环境温度条件下150 BS光亮油滴的蒸发历程。

图 8显示：从4.277 s/mm²标准化时刻开始油滴出现了气泡生成，随着气泡的膨胀，油滴发生变形、爆破等剧烈变动。蒸发末期石英丝上无残留。

2.3 400SN精制油蒸发特性

实验分别测试了环境温度为723 K、823 K和923 K时400 SN精制油滴蒸发特性，图 7(b)为油滴蒸发特性曲线。

由于400 SN精制油的重组份成分较少，在三个环境温度下均未产生内部气泡及油滴爆破现象，油滴的蒸发特性与普通燃油蒸发特性曲线^[12-14]相近，曲线平滑，没有发生图 6、7中出现的剧烈波动。在经历了初始加热段之后，蒸发阶段基本遵循定律，油滴直径平方呈线性递减。在初始加热段的过程中，在三个环境温度条件下的油滴当量直径变化率在加热段没有明显区别，但随着环境温度升高，到达加热段油滴直径最大的时刻提前；在蒸发阶段，随着环境温度的升高，油滴蒸发速率明显加快，最后导致油滴生存时间明显减小。

经观察图 9所示400 SN精制油液滴蒸发历程高速摄影照片，蒸发全程未发现油滴内部出现气泡和油滴异常变形。蒸发结束后石英丝上无残留。

2.4 配比基础油蒸发特性

按照润滑油中基础油的比例将150 BS光亮油和400 SN精制油按质量比4: 6比例混合搅拌均匀配制成配比基础油，测试其在三个环境温度条件下的蒸发特性，其蒸发特性曲线为图 7(c)所示。该图显示的蒸发特性与图 7(b)中的150 BS光亮油蒸发特性相似，也在823 K和923 K环境温度条件下出现波动，但波动时间发生较晚。

图 7(d)对比了三种基础油的蒸发特性曲线。对比显示：配比油的蒸发特性介于150 BS光亮油和400 SN精制油之间。400 SN精制油的加热段最短，150 BS光亮油的加热段最长；配比油蒸发过程中会出现波动，也发生了热解反应。150 BS光亮油的液滴生存时间最长，400 SN精制油的液滴生存时间最短，配比油的液滴生存时间介于二者之间。

3 结论

1) 气缸油液滴的生命周期与环境温度和油滴初始尺寸紧密相关，高温条件下油滴的生命周期随着温度提高会大幅度缩短，在同一温度条件下油滴生命周期随初始尺寸减小会大幅缩短。

2) 气缸油的蒸发特性与基础油成分及比例相关。气缸油液滴在高温条件下出现了油滴爆破的现象。经对基础油的蒸发特性研究发现，该现象主要由150 BS光亮油的蒸发特性所主导。减少150 BS光亮油的比例会减轻气缸油液滴爆破现象。

3) 气缸油液滴的生存时间还取决于基础油中两种基础油的比例，增加精炼基础油的比例也有助于缩短油滴生存时间。

4) 气缸油液滴在所有环境温度条件下都有蒸发残余物质；基础油在高温条件下无蒸发残留。可见，高温条件下气缸油液滴蒸发残余与基础油无关，残留物的主要成分为气缸油添加剂。添加剂量过多容易造成非溶性燃烧产物较多，会造成较多的PM排放，另外对双燃料发动机非溶性燃烧产物可能形成炽热点，形成不正常燃烧的潜在诱因。