可控热氛围下柴油/丙烷混合燃料低压喷雾及自燃特性试验

利用高速摄影仪研究了可控热氛围下柴油/丙烷混合燃料低压喷雾及自燃特性,首先对混合燃料喷雾发展过程进行了研究,归纳出了喷雾贯穿距及锥角随时间的变化规律,在此基础上应用可控热氛围燃烧器,对混合燃料喷雾自燃特性进行了研究.结果表明:混合燃料喷雾形态相比柴油更加宽而短,随着混合燃料中丙烷含量的增加,喷雾贯穿距逐渐缩短,喷雾锥角增大.混合燃料喷雾着火延迟期表现出多阶段的变化规律,在较低的协流温度下,随着丙烷比例的增加,喷雾着火延迟期显著增大;而随着协流温度和丙烷比例的增加,使得喷雾着火延迟期先减小后增加;协流温度继续增大后,随着丙烷比例的增加,喷雾着火延迟期单调减小.混合燃料喷雾火焰起升高度变化规律与着火延迟期随协流温度变化规律相类似,即较长的着火延迟期对应较高的起升高度,而较短的着火延迟期对应较低的起升高度.     

活化热氛围中CO2体积分数对喷射起升火焰自燃及碳烟排放特性的影响

研究了可控活化热氛围协流中CO2体积分数对中央喷射液体燃料起升火焰的自燃及碳烟排放特性的影响.结果表明,协流中加入少量的CO2时,协流温度基本保持不变,但起升火焰的自燃受到抑制;随着CO2含量的增加,滞燃期延长而喷射火焰起升高度增加;存在一个温度值拐点,在拐点两侧,滞燃期对协流温度的敏感性截然不同;随着协流中CO2含量的增加,拐点温度值升高.碳烟排放结果表明,随着协流温度下降和协流中CO2体积分数的增加,碳烟排放呈下降趋势.碳烟排放的增加与喷射火焰的起升高度有密切的关系,随着起升高度降低,碳烟排放的增长趋势加强.     

可控活化热氛围中不同混合比生物柴油的燃烧特性

介绍了在可控活化热氛围中采用高速摄影对生物柴油和柴油混合燃料燃烧特性的研究.结果表明,随着生物柴油体积分数的增加,滞燃期呈现先减小后增大的趋势,但所有混合燃料的滞燃期都低于普通柴油.随着协流温度的增加,纯生物柴油的滞燃期逐步下降.而生物柴油燃料体积分数的增加,则会逐步降低燃烧持续期,略微增加燃料氧质量分数就可以明显降低燃烧持续期.同时,燃料喷射自燃的位置分布更加广泛.     

甲烷空气混合气在热氛围燃烧器中自燃特性的数值模拟

以可控活化热氛围燃烧器为计算原型,利用燃烧器形成的热氛围,对喷射的甲烷空气混合气体在热氛围中受热而发生自燃的现象及自燃火焰的稳定性影响因素进行了数值模拟研究。结果表明:相比于射流速度,热氛围温度是影响混合气体自燃稳定性的一个更加重要的因素;在低温范围内,温度的小幅变化会显著改变火焰的起升高度,低温热氛围下火焰起升高度受射流速度的影响程度较大;随热氛围温度的升高,火焰起升高度趋于一个固定值,同时受射流速度的影响程度变小,火焰达到稳定状态。     

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。     

二甲醚在发动机气缸内喷雾燃烧过程的实验研究

在可视化光学发动机上进行了二甲醚(DME)喷雾燃烧过程的试验，应用高速数字摄像机拍摄了柴油和二甲醚缸内喷雾燃烧过程，并应用计算机高速采集系统同步测量了缸内压力．高速摄影照片表明，二甲醚一离开喷嘴就迅速蒸发，可以明显看到缸内气流运动对油速“核心”的吹散作用，并造成二甲醚的碰壁油量较柴油的少．和柴油相比，二甲醚着火滞燃期短，着火位置更靠近燃烧室壁面，着火面大，燃烧初期火焰发展迅速．二甲醚压升滞燃期比发火滞燃期明显减小，而柴油两者几乎相等．在相同热值燃料条件下，发动机燃用柴油和二甲醚时，缸内最大爆发压力、燃烧放热率和平均指示压力几乎一样．高速摄影很难拍摄到二甲醚燃烧初期和后期的火焰照片．研究结果还表明，较小的涡流比有利于提高二甲醚发动机的性能。     

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.     

柴油机燃用F-T柴油与0号柴油混合燃料的燃烧特性

根据实测的喷油器针阀升程和示功图,开展了直喷式柴油机燃用F-T柴油与0号柴油混合燃料时燃烧特性的研究．试验用燃料为0号柴油、含25%和50%F-T柴油的混合燃料以及100%F-T柴油．结果表明,在相同工况下,随着混合燃料中F-T柴油比例的增加,喷油延迟角增大,而喷油持续期变化不大．滞燃期随着F-T柴油比例的增加而缩短,其中当F-T柴油的比例由0增至25%时,滞燃期缩短最为明显,此后进一步增加F-T柴油的比例,滞燃期缩短幅度减小．随着混合燃料中F-T柴油比例的增加,预混燃烧放热峰值降低,扩散燃烧放热峰值增大,燃烧持续期略有延长,缸内最高燃烧压力和气体最高平均温度降低,最大压力升高率显著下降,发动机的燃烧噪音和机械损失减小,有效燃油消耗率和有效热效率得到改善．     

生物柴油喷雾、着火和燃烧特性试验研究

在高温高压定容燃烧弹上,采用高速摄影法对不同掺混比例的生物柴油混合燃料进行研究,获取了喷雾、着火和燃烧火焰图像,分析了生物柴油这种含氧生物燃料对喷雾和燃烧过程的影响。研究结果表明:随着生物柴油掺混比例的增加,喷雾锥角减小;生物柴油的贯穿距离在喷雾初期比普通柴油长,但在喷雾中、后期基本一致;生物柴油与柴油相比,其滞燃期缩短,着火点数量增多;随着生物柴油在燃料中比例的增加,燃烧火焰的亮度和分布面积都随之下降。     

改装直喷式柴油机中生物柴油喷雾燃烧过程试验研究

利用可视化装置,分析比较了直喷式柴油机燃用生物柴油与常规柴油的喷雾燃烧过程.研究结果表明:生物柴油的喷油时刻较早,着火时刻提前,着火滞燃期缩短,在早期预混燃烧阶段的燃烧速度大于柴油,而在扩散燃烧阶段的燃烧速度比柴油低.通过分析燃料性质、转速和喷油压力这3种因素对生物柴油燃料喷雾燃烧过程的影响,从而得出影响规律为:混合燃料喷油始点、着火时刻均有所提前,滞燃期变短,B5混合燃料的最高燃烧压力最高且出现稍早;生物柴油在高转速工况时的燃烧速度大,且最高燃烧压力也略高;随着喷油压力的提高,滞燃期缩短,燃烧持续期相应缩短,最高燃烧压力升高.     

Optimization of the flame characteristics of H2–O2 coaxial injection applied to hydrogen-fueled argon cycle engines

The argon power cycle is one of the most promising technologies for high efficiency and low emission hydrogen-fueled internal combustion engines. The application of coaxial injection technology in the hydrogen-fueled argon engine can improve the mixing process and the combustion performance of the H₂/O₂ mixture. In this study, an innovative H₂–O₂ coaxial injection combustion system was designed to investigate the jet flame characteristics of oxygen coaxially wrapped by hydrogen in a controllable argon thermal atmosphere. The findings of this study could provide a new perspective for designing hydrogen-fueled argon engines in the future. The influences of co-flow temperature, jet injection pressure, and excess oxygen coefficient were all determined. Observations of the flame showed a bright blue flame with a reddish glow in the far-burner region. Experimental results show that the flame length, cross-sectional area, and area/perimeter ratio first decrease with increasing jet injection pressure and subsequently increase, reaching maximum values at 0.4–0.6 MPa. When increasing the co-flow temperature from 1023 K to 1223 K, the cross-sectional area of the flame increases significantly by 61.1% at an excess oxygen coefficient of 0.4. Furthermore, the liftoff flame height shrinks when the co-flow temperature and the excess oxygen coefficient increase, while it rises along with an increasing jet injection pressure.     

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...     

不同喷油压力RP-3航空煤油、柴油碰壁喷雾着火和燃烧特性的对比研究

利用直径0.22mm的单孔喷嘴高压共轨喷油器,以喷油器油量标定数据及控制参数为基础,采用高速相机成像技术在定容燃烧室内在等喷油量变喷油压力的前提下测量了着火点、着火滞燃期、燃烧持续期、火焰面积(AF)和火焰自然发光强度(SINL)的变化规律,对比研究了RP-3航空煤油、柴油碰壁喷雾的着火和燃烧特性。结果表明:在低喷油压力下着火点分布在离壁面较远的区域,在较高喷油压力下着火点位于壁面上,距喷油器中心线的距离随喷油压力的增加而增加,且RP-3航空煤油着火点距喷油器的距离比柴油更远。随着喷油压力的增加,RP-3航空煤油碰壁喷雾火焰的着火滞燃期先降低后增加,柴油碰壁喷雾火焰的着火滞燃期不断降低,且RP-3航空煤油具有更短的着火滞燃期。燃烧持续期随喷油压力的增加而降低,RP-3航空煤油的燃烧持续期比柴油短。喷油压力越高,火焰面积(AF)和自然发光强度(SINL)的变化速率越高,而AF和SINL的最大值及达到最大值所需的时间越小。与柴油相比,RP-3航空煤油的AF、SINL具有更高的变化速率,且AF、SINL的峰值更高,达到峰值的时间更短。     

Autoignited laminar lifted flames of propane in coflow jets with tribrachial edge and mild combustion

Characteristics of laminar lifted flames have been investigated experimentally by varying the initial temperature of coflow air over 800 K in the non-premixed jets of propane diluted with nitrogen. The result showed that the lifted flame with the initial temperature below 860 K maintained the typical tribrachial structure at the leading edge, which was stabilized by the balance mechanism between the propagation speed of tribrachial flame and the local flow velocity. For the temperature above 860 K, the flame was autoignited without having any external ignition source. The autoignited lifted flames were categorized in two regimes. In the case with tribrachial edge structure, the liftoff height increased nonlinearly with jet velocity. Especially, for the critical condition near blowout, the lifted flame showed a repetitive behavior of extinction and reignition. In such a case, the autoignition was controlled by the non-adiabatic ignition delay time considering heat loss such that the autoignition height was correlated with the square of the adiabatic ignition delay time. In the case with mild combustion regime at excessively diluted conditions, the liftoff height increased linearly with jet velocity and was correlated well with the square of the adiabatic ignition delay time.     

重型柴油机低温环境喷雾及蒸发特性研究

利用定容燃烧弹结合米散射法、阴影法针对喷孔直径(0.12～0.32mm)和环境温度(550～850K)对重型柴油机低温环境下喷雾特性的影响进行可视化测量。结果表明:不同于轻型柴油机,在各个喷射压力和环境压力下提高环境温度到750K时,表征重型柴油机的0.32mm喷孔下的液相燃油依然持续贯穿,无法达到准稳态或达到准稳态时贯穿距离过长而湿壁。随着环境温度增加,0.32mm喷孔下的液相燃油湿壁量减小。只有环境温度增长到850K时,燃油的蒸发作用足够强烈,液相撞壁喷雾的横向扩展长度和浮起高度才能均达到准稳态。     

Liftoff behavior and combustion characteristic of jet flame in a coflow burner

Stabilization and autoignition mechanisms of lifted flames have been widely investigated to improve combustion efficiency and safety of combustion equipment. This paper focuses on liftoff behavior and combustion characteristic of methane and propane flames under various coflow conditions in a coflow burner. Unlike the case of free jet flame in ambient air, the different tendencies of liftoff height changes with jet velocity for both methane and propane flames in vitiated coflow illustrate a transition from conventional combustion to Moderate & Intense Low Oxygen Dilution (MILD) combustion. Flame temperature difference with radial position measured by primary spectrum pyrometry proves the transition regime.     

Autoignited laminar lifted flames of methane/hydrogen mixtures in heated coflow air

Autoignited lifted flame behavior in laminar jets of methane/hydrogen mixture fuels has been investigated experimentally in heated coflow air. Three regimes of autoignited lifted flames were identified depending on initial temperature and hydrogen to methane ratio. At relatively high initial temperature, addition of a small amount of hydrogen to methane improved ignition appreciably such that the liftoff height decreased significantly. In this hydrogen-assisted autoignition regime, the liftoff height increased with jet velocity, and the characteristic flow time – defined as the ratio of liftoff height to jet velocity – correlated well with the square of the adiabatic ignition delay time. At lower temperature, the autoignited lifted flame demonstrated a unique feature in that the liftoff height decreased with increasing jet velocity. Such behavior has never been observed in lifted laminar and turbulent jet flames. A transition regime existed between these two regimes at intermediate temperature.     

柴油机高压喷雾雾场的温度测量

喷雾场的温度对燃油的蒸发，混合气的形成，着火以及火焰传播有着决定性影响。在进行数学模拟时，雾场温度是很重要但很难测量的参数，迄今尚少有直接测量结果的报道。本文用薄膜式热电偶测量了柴油机高压喷雾雾场内的温度随时间的变化。热电偶经氩离子脉冲激光器标定，其时间常数约为６０‘μｓ。燃油喷射压力为１０２ＭＰａ～１３４ＭＰａ。测量结果表明，在本实验条件下，雾场内的温度与环境气体温度相差只有８Ｋ～３０Ｋ左右，比预计值要小很多。而且，环境温度较高时，雾场内外温度差减小。这可能是由于热管效应的作用。喷油压力对雾场内外温差没有明显影响，雾场外围处比雾场中心处与环境的温差要小。近喷嘴处的温度测量值随时间单调下降，且与环境温度相差较大，表明此处燃油沉积作用比较明显。     

湍流射流火焰抬举高度的实验研究

湍流射流燃烧作为工业燃烧室中普遍存在的燃烧方式,研究湍流射流火焰不仅能促进实际燃烧室的设计改造,更能增强对湍流燃烧理论的理解。在轴对称伴流射流燃烧器实验平台上,研究了湍流自由射流火焰抬举高度随射流速度的变化及氮气稀释和伴流速度对火焰抬举高度的影响。实验结果表明湍流自由射流燃烧火焰抬举高度随射流速度呈线性增长;随氮气稀释摩尔分数的增加其抬举高度的线性斜率增大,射流火焰吹出喷嘴的雷诺数降低,火焰更易发生抬举;同时,氮气稀释摩尔分数的增加也导致射流火焰发生吹熄时雷诺数减小,射流火焰在射流速度完全进入湍流之前发生吹熄;伴流速度小于0.3 m/s时对火焰抬举高度的影响不大,当伴流速度大于0.3 m/s时抬举高度随伴流速度的增加呈线性增长,当射流速度大于20 m/s时,伴流速度的影响降低;对比伴流与稀释对抬举高度的影响可知射流速度大于30 m/s时对伴流的敏感性大于稀释,而在射流速度小于30 m/s时对稀释更敏感。