基于消光法的加氢催化生物柴油的碳烟测试

在定容燃烧弹内,基于二维消光法对纯柴油和加氢催化生物柴油与柴油的混合燃料在不同环境氧浓度和喷油压力下,对碳烟的二维分布、碳烟的初始生成时刻和碳烟浮起长度进行研究.结果表明:加氢催化生物柴油由于具有高的十六烷值可以改善着火性,缩短滞燃期,混合燃料的碳烟浮起长度较纯柴油短;喷射压力越高,碳烟初始出现时刻越早,碳烟浮起长度增大;随着氧浓度增大,碳烟初始生成时刻提前,碳烟浮起长度缩短.     

基于激光诱导炽光法的柴油喷雾燃烧碳烟生成特性

采用激光诱导炽光法(LII),对高温高压定容燃烧弹内柴油喷雾燃烧火焰及碳烟生成的二维分布图像进行了测量分析,研究了在不同定容室环境温度、环境压力和喷射压力下燃烧火焰和油气混合特性对碳烟生成与分布的影响规律.结果表明:柴油燃料滞燃期会随环境温度和环境压力的升高而缩短;扩散燃烧火焰的浮起长度内空气卷吸量是影响碳烟形成过程的一个重要因素,高的环境温度和环境压力,以及低的喷油压力会产生较短的柴油火焰浮起长度;高的柴油喷射压力、低的环境压力和温度所产生的LII信号强度较弱,即此时激光片光内的碳烟体积分数较小.在喷雾混合中自然形成的混合气浓度分层和温度分层,既影响到混合气的着火和燃烧过程,又诱发碳烟颗粒的产生,研究结果对优化燃烧系统设计,验证燃烧模型提供了有价值的依据.     

多点同步采样测量柴油喷雾火焰中的碳烟形貌分布

在定容燃烧弹内模拟内燃机喷雾燃烧工作条件,设计了定容燃烧弹内多点同步碳烟采样台架,对高压和低压两种环境下的喷雾火焰中生成的碳烟颗粒进行全场多点采样,利用高分辨透射电镜(HRTEM)对碳烟样本进行观测和图像处理、统计及分析.结合对喷雾火焰发展过程的分析,研究碳烟颗粒在整个喷雾火焰中的分布规律和主要影响因素.研究结果表明,火焰中碳烟颗粒主要以基本颗粒和小积聚颗粒的形式存在,平均粒径小于80,nm.积聚反应主要受到碳烟体积分数和环境温度的影响,碳烟的积聚化程度随着燃烧反应的进行不断增大.固体碳烟体积分数在喷雾火焰中心位置体积分数最高,在火焰外围体积分数相对较低.高压环境下碳烟体积分数远大于低压环境,且在喷雾火焰下游碳烟形貌的演变规律也不同于低压环境.碳烟的数量、质量、粒径与结构与喷雾火焰燃烧发展过程紧密相关.     

正庚烷喷雾扩散火焰中碳烟体积分数的定量测量

激光诱导炽光法(LII)是研究火焰中碳烟体积分数和粒径的重要光学测试方法,但要实现碳烟体积分数的定量测量尚有很大难度.建立了用激光消光法(LEM)进行定量标定的LII测试系统,在定容燃烧弹中实现了喷雾扩散火焰中碳烟体积分数的定量测量.结果表明,将LII和LEM的测试结果相关联,可以用来判定每一次LII测试是否受到了信号俘获现象的影响,通过合理去除无效点,可以有效地降低信号俘获现象对标定结果的影响.应用该测试系统研究了正庚烷喷雾扩散火焰的碳烟生成特性,当初始环境温度从800,K升高至823,K时,正庚烷喷雾扩散火焰中的峰值碳烟体积分数升高,并且碳烟初始生成位置更靠近喷嘴.     

加氢催化生物柴油喷雾燃烧及碳烟的试验

针对一种新型的大分子烷烃、不含氧的加氢催化生物柴油,基于先进的光学测试平台,在定容燃烧弹上、3种不同温度下开展了燃烧条件下该生物柴油的喷雾特性、燃烧特性以及碳烟生成特性的可视化研究.试验结果表明:随着加氢催化生物柴油掺混比例的增加,喷雾液相长度、着火延迟期和火焰浮起长度均呈现减小的趋势.对比50%,柴油和50%,加氢催化生物柴油的混合燃油(HB50)与柴油的碳烟生成特性发现,HB50碳烟的初始位置和初始时刻相对提前,并且在可视化区域内,碳烟的生成区域减小,碳烟的生成质量却增大.     

高掺比ABE/柴油混合燃料的喷雾与燃烧特性

针对丙酮-丁醇-乙醇(ABE)/柴油混合燃料的喷雾蒸发和燃烧过程展开了试验研究.试验在预燃加热式定容燃烧弹中进行,燃料为体积分数80%的ABE和20%,的柴油混合物,且ABE溶液中丙酮、丁醇、乙醇的体积分数分别为30%,、60%,和10%,.试验过程中燃烧弹内喷雾环境温度分别控制在1,100,K和900,K以代表普通燃烧模式和低温燃烧模式,环境氧体积分数分别控制在21%,、16%,和11%,以对应发动机不同的EGR工况.由高速摄相机配合激光束的使用,拍摄喷雾及其燃烧过程中瞬时喷雾米氏散射和自然火焰发光图像,同时由压力传感器测取喷雾燃烧压力.结果表明:燃料中ABE体积分数较高时,喷雾贯穿距离较小,同时火焰强度显著下降,表明碳烟生成量有减少的巨大潜力;结合低温燃烧,高掺比ABE/柴油混合燃料几乎可实现无碳烟燃烧.因此,高掺比ABE/柴油混合燃料被认为是可直接应用于柴油机并降低碳烟排放的一种潜在替代燃料.     

柴油掺混PODE_n的燃烧和碳烟生成可视化

聚甲氧基二甲醚(PODE_n)是一种柴油添加剂,近年来煤化工制备PODE_n的工艺获得突破,使得PODE_n具备了大规模应用的条件.由于高氧质量分数和高十六烷值的特点,PODE_n可显著降低柴油机碳烟排放.在高温、高压定容燃烧弹上利用OH化学发光摄影、激光消光法(LEM)标定的激光诱导炽光法(LII)等可视化方法测量了柴油和PODE_n/柴油混合燃料(PODE_n体积分数为10%、20%和30%,,记作P10、P20和P30)的火焰浮起长度和碳烟体积分数(SVF)二维分布.结果表明:随PODE_n比例提高,火焰中碳烟体积分数明显下降,P10、P20和P30的碳烟体积分数最大值相对柴油分别下降32.0%,、53.7%,和71.3%,,平均值分别下降28.9%,、48.8%,和67.6%,,说明添加较低比例PODE_n可使柴油燃烧的碳烟生成趋势明显降低.不同燃料的火焰浮起长度差别不大,说明较低比例的PODE_n不会对油束的着火性造成显著影响.随PODE_n比例提高,碳烟初始生成位置到喷嘴距离增加,碳烟的初始生成点和体积分数峰值区均由火焰两侧向中心转移.     

环境温度对掺水乳化柴油喷雾燃烧特性的影响

柴油机中燃用掺水乳化柴油有提高燃烧热效率的潜力,并同时降低碳烟和NOx排放.利用定容燃烧弹台架,对比试验了纯柴油和掺水乳化柴油的燃烧特性,并重点研究了环境温度对掺水乳化柴油喷雾和燃烧特性的影响.结果表明:相比于纯柴油,掺水乳化柴油能明显降低燃烧过程中碳烟的生成量;掺水乳化柴油中水的蒸发和微爆作用随环境温度的升高逐渐增强,能有效促进喷雾雾化和油、气混合过程;随着环境温度的升高,掺水乳化柴油的滞燃期及火焰升举长度均减小,燃烧火焰亮度增大.高环境温度工况下,碳烟前期生成速率和后期氧化速率均增大,使得不同环境温度工况下掺水乳化柴油最终碳烟的排放量相差较小.     

柴油含水乙醇乳化燃料物性及喷雾燃烧特性研究

试验使用不同配比的柴油含水乙醇乳化燃料,对其理化、喷雾和燃烧特性进行了研究。随着柴油含水乙醇乳化燃料中含水乙醇含量的增加,乳化燃料的密度和运动黏度上升,表面张力略微下降,初始蒸馏温度下降,含氧量升高,十六烷值和低热值降低。试验使用定容燃烧弹,在常温高压和高温高压环境下,对乳化燃料非蒸发喷雾、蒸发喷雾及喷雾燃烧的特性进行了测试。研究结果表明:随着乳化燃料中含水乙醇比例升高,非蒸发喷雾贯穿距和喷雾锥角变化不大;蒸发喷雾贯穿距和喷雾锥角略微减小,但无明显规律,而蒸发喷雾中液相贯穿距离明显增加;燃烧火焰自发光亮度逐渐降低,表征碳烟生成量逐渐减少;在900K环境温度、21%氧体积分数条件下着火滞燃期变化不大。     

柴油喷雾火焰中碳烟颗粒形貌及纳观结构特性

在定容燃烧弹内模拟柴油机上止点工作环境,进行喷雾燃烧试验.在环境氧体积分数为15%和21%时,用热泳探针在喷雾火焰不同轴向位置进行碳烟采样,用高分辨透射电镜(HRTEM)对样本进行观测和分析,研究不同环境氧体积分数对柴油碳烟颗粒形貌与纳观结构的影响.结果表明:环境氧体积分数从21%降低到15%,碳烟基元颗粒的氧化过程受到抑制,基元颗粒平均直径和团聚物回转半径增大,微晶碳层片段长度减小,扭曲度增加,基元颗粒石墨化程度降低;在同一氧体积分数下,随着采样位置远离喷孔,基元颗粒直径和团聚物回转半径减小,微晶碳层片段长度增加,扭曲度降低,基元颗粒石墨化程度增加.     

丁醇柴油喷雾火焰碳烟颗粒采样与形貌分析

在定容燃烧弹内,实现纯柴油与体积比为30%,的丁醇柴油燃料的喷雾燃烧,研究了燃烧火焰的基本特征,设计了定容弹内喷雾燃烧火焰中碳烟颗粒物直接采样台架,利用高分辨透射电镜(HRTEM)对这两种燃料燃烧生成的碳烟颗粒样本进行观测、统计和分析,研究掺混丁醇对喷雾火焰和碳烟生成的影响.研究结果表明:掺混丁醇延长了喷雾火焰的滞燃期,缩短了燃烧持续期,丁醇柴油混合燃料(B30)的碳烟数密度和质量明显小于纯柴油(B00),在柴油中掺混丁醇,能够抑制碳烟生成,降低碳烟排放,同时降低了碳烟的基本颗粒粒径和平均直径,使排放碳烟颗粒物更加细微化;B00与B30的碳烟基本颗粒内部结构以无序的不定形碳为主,表面晶化不明显.     

柴油温度对燃烧火焰温度和碳烟生成的影响

通过定容燃烧弹,采用双色法研究不同柴油温度对冷起动过程中燃烧火焰温度和碳烟生成特性的影响,获取缸内燃烧火焰温度分布和表征碳烟分布的KL因子.结果表明:在喷油后3.5 ～ 6.0 ms的燃烧稳定时期,柴油温度为40℃的火焰中大于2 200 K的区域约占60％,柴油温度为20℃的火焰中大于2 200 K的区域约占55％,柴...     

稀释气体组分和浓度对柴油喷雾燃烧特征影响

通过一台高温、高压可视化定容燃烧弹,采用高速摄像技术研究了不同稀释气体(Ar、N2和C02)在10％～40％的氧体积分数范围内对柴油喷雾着火和火焰发展过程的影响;采用羟基自发光成像和双色法研究了低氧体积分数下稀释气体组分(Ar和N2)对火焰发展特征和碳烟分布的影响.结果表明:随氧体积分数增加,柴油机喷雾火焰自发光亮度增...     

喷孔形状对柴油喷雾燃烧及碳烟特性的影响

基于定压燃烧弹系统,通过纹影法和碳烟辐射光法的同步光学诊断技术,针对圆柱形和渐缩形两种形状的单孔喷油器,对比分析了两种喷孔在不同环境温度、喷射压力的工况下喷雾燃烧及碳烟生成特性.结果表明:两种喷孔形状在不同环境温度和喷射压力下,喷孔形状对喷雾贯穿距和喷雾锥角的影响较为微弱,由于圆柱形喷孔内部的空化作用,在喷嘴出口处湍流动能增加,致使圆柱形喷孔喷雾锥角较大,喷雾贯穿距较小;由于相对较低的喷油速率,圆柱形喷孔的火焰浮起长度略短;通过碳烟辐射强度分析可以看出,喷孔形状对碳烟的生成产生显著影响,圆柱形喷孔的碳烟初始位置距离喷嘴更远,其由于易产生空化效应,能改善燃油与空气混合,降低火焰中碳烟的生成.     

利用PLIEF技术对重型柴油机类似环境条件下着火时刻柴油喷雾结构和浓度场的定量研究

利用复合激光诱导荧光技术在定容燃烧弹内定量研究了环境温度、环境密度、氧体积分数等对重型柴油机相似环境条件下着火时刻柴油喷雾结构和浓度场的影响.实验中,环境密度为20～ 60 kg/m3,氧体积分数为l 5％～21％.研究发现,重型柴油机相似环境条件下着火时刻柴油喷雾液核区同时存在当量比相对较高的气相喷雾;喷雾充分发展后...     

二甲基醚（DME）燃烧特性研究

作者在定容燃烧弹上用火焰直接成像法研究二甲基醚 (DME)燃烧过程 ,研究了 DME的滞燃期和火焰传播特性以及不同环境温度和压力对燃烧过程的影响。研究结果表明 ,DME的滞燃期比柴油短 ,燃烧室内的温度和压力升高时 ,滞燃期缩短 ;DME的着火位置靠近喷嘴一侧 ,柴油与 DME的体积相同时 ,DME的燃烧持续期比柴油短 ;DME的燃烧火焰亮度比柴油小 ,表明 DME的燃烧温度比柴油低。燃烧后期 ,燃用 DME时 ,喷嘴有明显的泄漏现象。此外 ,作者在单缸直喷式柴油机上进行了燃用 DME的燃烧特性试验研究 ,研究结果表明 ,DME的预混合燃烧放热率比柴油低 ,缸内最大爆发压力和最大压力升高率比柴油低。由于喷油持续期延长 ,DME的燃烧持续期比柴油长 ,在上止点后 80° CA出现一个较大的放热峰值。     

戊醇/正十二烷二元燃料碳烟生成特性试验研究

针对戊醇/正十二烷二元燃料,在定容燃烧弹系统中,采用高频背景光消光法和OH*化学荧光发光法开展了二元燃料碳烟生成特性和燃烧特性可视化研究,探究了戊醇掺混于高活性燃料后对碳烟生成的影响.研究表明,戊醇的加入可以有效降低燃油碳烟的整体浓度,且添加戊醇会小幅延长碳烟的初始生成时刻和生成位置,戊醇的含氧特性相对于低活性对碳烟生...     

掺混乙醇和水对柴油喷雾燃烧特性的影响

采用预燃式定容燃烧弹系统,可视化研究了掺混乙醇和水对柴油冷态喷雾、蒸发喷雾及燃烧等特征的影响规律.结果表明:掺混乙醇和水会使混合燃油黏度增大,从而使乙醇柴油和掺水乳化柴油冷态喷雾的扩展能力明显低于纯柴油;乙醇和水在高温下的微爆或汽化,不仅能增强混合柴油喷雾的扩展能力,同时也可以促进液滴的分裂,强化油、气的混合;在喷雾燃烧中,3种燃油的滞燃期为纯柴油乙醇柴油掺水乳化柴油,这表明乙醇和水的掺入均会抑制柴油的着火,延长滞燃期;乙醇的加入能提高柴油的燃烧效率和燃烧温度并使碳烟的氧化速率增大;水分的加入则可降低燃烧温度和碳烟的生成,加上水煤气反应能促进碳烟的消亡,从而使乙醇柴油和掺水乳化柴油的碳烟排放均比纯柴油小;在上游低温区,掺水乳化柴油的燃烧速度最小,纯柴油最大,在下游高温区则相反,掺水乳化柴油的燃烧速度最大,纯柴油最小,这表明随着环境温度的增高,水分微爆和蒸发对喷雾和燃烧的促进作用越来越显著.     

柴油双喷射撞击喷雾和燃烧可视化研究

利用高速相机基于纹影法获取上置喷油器和侧置喷油器在单独喷射和垂直喷射状态下的喷雾和燃烧火焰发展图像。柴油喷射压力设置为80、120、140 MPa,环境背压设置为4 MPa,环境温度在喷雾和燃烧研究中分别设置为500 K和800 K。结果表明：随着喷射压力的增加,不管是单独喷射还是垂直喷射,喷雾贯穿距和面积均增大;垂直喷射状态下,两油束碰撞后损失部分能量,导致其喷雾面积小于两单独喷射状态下的喷雾面积之和。采用双色法研究不同工况下燃料燃烧特性,结果表明：在喷射后1.50～3.50 ms的燃烧稳定时期内,随着喷油压力的提高,各喷射状态下的火焰面积均增大,燃烧温度提高,碳烟生成量降低;垂直喷射状态下的火焰面积小于两单独喷射状态下的火焰面积之和,燃烧温度和碳烟生成量均高于两单独喷射状态。     

空气和甲烷/空气氛围中喷油压力对柴油燃烧特性的影响

利用高速摄像的方法,在定容燃烧弹内对比了柴油在空气(AA)和在甲烷/空气(MAA)氛围中的燃烧过程和碳烟生成特性.结果表明:两种氛围中喷油压力对柴油着火和燃烧影响规律一致;当喷油压力从40,MPa升高到160,MPa时,柴油在空气和甲烷/空气氛围中滞燃期分别由2.6,ms和2.8,ms缩短至2.0,ms和2.1,ms,燃烧持续期分别由5.2,ms和4.9,ms缩短至3.3,ms和3.2,ms;火焰浮起长度增加,燃烧压力更快达到峰值,放热率曲线上升始点提前,放热率峰值增大;空间综合自然发光度(SINL)和时间积分自然发光度(TINL)均大幅度降低.但在甲烷/空气氛围中与在空气中相比,柴油滞燃期平均延长0.18,ms,燃烧持续期平均缩短0.15,ms;火焰浮起长度增加,燃烧压力和放热率升高始点均推迟,放热率峰值升高;SINL和TINL均有所降低.