温度对预混合乙烯火焰碳烟生成的影响

基于碳烟测试标准方法(预混合稳定滞止火焰法),研究火焰温度对预混合乙烯火焰中碳烟生成的影响,为发展和验证碳烟模型提供标准试验依据.试验表明:碳烟生成对火焰温度非常敏感.火焰温度约在1,650~1,750,K范围内对碳烟生成更有利,碳烟体积分数更高;在此范围之外,火焰温度对碳烟生成都有一定的限制作用;当火焰温度约为1,580,K时,反应动力学速率较低,碳烟成核与长大缓慢,碳烟体积分数较低;当火焰温度约为1,872,K时,尽管此时碳烟成核反应动力学速率较高,但受碳烟成核过程热力学可逆性的影响,碳烟成核与长大显著受限,碳烟体积分数显著降低.     

基于CFD耦合现象学碳烟模型研究温度对碳烟生成的影响

基于9步法现象学碳烟模型,根据4种情况考虑了碳烟表面氧化对碳烟数密度的影响,并将改进后的模型耦合到KIVA-3V Release 2程序中.应用该模型,对柴油在定容弹中不同初始温度(800、900和1,000,K)下的燃烧和碳烟生成进行了多维数值模拟,并通过对应的试验结果进行校准.结果表明:各工况下预测的碳烟生成过程与试验值能定性地吻合.随着初始温度降低,点火时刻推迟,燃烧持续期缩短,燃烧模式由扩散燃烧向预混燃烧转变,碳烟生成降低.低初始温度下,碳烟的生成和氧化机理均受到抑制,然而局部燃烧温度峰值的降低和高温区域的缩减并不明显,碳烟的降低主要由于高燃油当量比区域的缩减.     

生物柴油碳烟特性的可视化研究

在1台光学可视化发动机上,采用高速摄影法,对不同掺混比例的柴油/生物柴油混合燃料进行研究,获取缸内燃烧火焰图像,通过双色法得到表征缸内碳烟总体分布的KL因子,分析了生物柴油对缸内燃烧过程和碳烟生成特性的影响.研究结果表明,随着生物柴油掺入比例的增加,最高燃烧压力逐渐降低,滞燃期相对延长,燃烧持续期缩短,火焰的亮度和分布面积都随之下降.KL因子的最高浓度降低,碳烟较浓的分布区域减小,碳烟的氧化进程加快.     

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.     

基于激光诊断的生物柴油碳烟生成特性研究

制作了1个以液体为燃料可以产生层流扩散火焰的燃烧器,应用双色激光诱导炽光法(LII)技术来测量火焰中的绝对碳烟体积分数.基于在2个波长上获取的火焰中某1点的LII信号,获得被激光加热的碳烟粒子温度,同时得到此点的碳烟浓度,通过映射得到火焰的二维碳烟浓度分布.采用激光诱导荧光法可获得碳烟前驱物多环芳香烃在火焰中的二维分布,将激光诱导荧光和激光诱导炽光相结合,在柴油和生物柴油混合燃料的层流扩散火焰上进行测试.研究结果表明,随着生物柴油掺混比例的增加,碳烟和多环芳香烃的最大浓度都随之降低,浓区分布面积也进一步缩小.     

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.     

引燃策略对天然气直喷发动机射流燃烧及排放的影响

基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件CONVERGE研究了天然气直喷发动机的高压天然气射流混合、引燃燃烧及排放物生成等基础过程,详细分析了引燃方式和引燃距离对这些基础过程的影响。结果表明：高压直喷天然气射流能够明显促进引燃柴油喷雾发展与混合,但引燃柴油喷射对天然气射流发展影响不明显。高压直喷天然气射流火焰中心存在温度较低而天然气浓度较高的火焰内陷区,该内陷区是碳烟的主要生成区域,碳烟高浓度区位于火焰内陷区中后部。与引燃方式相比,引燃距离对火焰浮起长度、火焰内陷长度及NO_x和碳烟排放有更明显影响。随引燃距离增加,火焰浮起长度和NO_x排放增加,火焰内陷长度和碳烟排放减小。柴油喷入天然气中引燃在3种引燃方式中具有最高的放热率峰值和最短的燃烧持续期,其NO_x和碳烟排放最低,但甲烷逃逸量最高。     

基于深度学习的乙烯层流扩散火焰温度和碳烟体积分数分布重建

利用高光谱仪对乙烯层流扩散火焰进行测量,选用多层感知器神经网络预测温度和碳烟体积分数分布,评估了模型的预测和抗噪能力,讨论了不同高度和燃料流量的火焰中温度和碳烟体积分数的分布情况．结果表明,神经网络能较为准确地重建实验火焰的温度和碳烟体积分数,并具有较强的抗噪能力;随着火焰高度的增加,碳烟体积分数峰值从两翼移向中心区域,温度趋于平缓,整体平均大小先增加后减小;随着燃料流量的降低,相同归一化高度的温度升高而碳烟体积分数降低．     

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.     

掺混甲烷对预混合丙烯火焰碳烟生成的影响

基于当量比为1.79且最高火焰温度为1 829 K的预混合丙烯火焰,研究了燃料掺混对碳烟生成的影响以及协同效应.分别将5％、20％、40％摩尔分数的甲烷混合到丙烯中,形成具有相同当量比和最高火焰温度的预混火焰.使用微孔探针采样技术和扫描电迁移率粒径谱仪,在燃烧器稳定滞止火焰中测量了碳烟粒径分布.研究发现,掺混甲烷后的火...     

用双色法研究进气道喷射乙醇柴油引燃时的燃烧过程

利用高速彩色CCD摄像机的3个单色通道信息进行了双色法计算温度和KL因子的可行性研究，并用乙炔火焰对计算结果进行了验证，讨论了不同双色组合对测试精度的影响。在一台可视化发动机上对进气道喷射乙醇柴油引燃时的燃烧过程进行了分析，结果表明：随着乙醇喷入量的增加，燃烧火焰面积减小，温度及代表碳烟浓度的KL因子也相应下降，说明乙醇对柴油燃烧过程中碳烟的生成有抑制作用。     

用光导纤维多色法对柴油机燃烧室内火焰温度与碳粒生成的研究

本文介绍了作者研制的分叉光导纤维４色法测量装置和采用它对直喷式４１３５型柴油机燃烧室内火焰温度和碳烟浓度测量的结果。以双色法为基础的４色法，通过数学方法可优化试验结果，减小测量误差。测量结果表明：在燃烧过程中，碳粒生成时间落后于温度上升时间，持续高温产生碳粒高浓度，后燃烧使碳粒浓度增加。随着负荷的增加，燃烧火焰温度及碳粒浓度增加，它们持续的时间也延长。燃烧终了破粒浓度和排气烟度增大。在喷注区会产生很高的碳粒质量浓度值，稀混合气区火焰温度上升较早。过后燃烧或供油提前角减小，使燃烧终了碳粒浓度增大。     

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...     

Effects of variable O2 concentrations and injection pressures on the combustion and emissions characteristics of the petro-diesel and hydrotreated vegetable oil-based fuels under the simulated diesel engine condition

This experimental research investigates the effects of variable O₂ concentrations and injection pressures on the combustion and emissions characteristics of the diesel (B7) and the hydrotreated vegetable oil (HVO)-based fuels. The O₂ concentrations included 21%, 15% and 10% O₂, while the injection pressures were 80 and 120 MPa. The experimental fuels were the diesel fuel (B7), the neat HVO, the 20%, 50% and 80% HVO (by mass fraction) blended with the diesel. The experiments were carried out in a rapid compression-expansion machine (RCEM) under the direct injection (DI) diesel combustion condition. The analysis was undertaken using the two-color method. The experimental results indicated that the ignition delay, the heat release rate, the flame temperature, the soot density-KL factor, the NO_x and soot-out emissions were inversely correlated to the HVO fraction in the blend. In addition, the findings revealed the similar flame profiles in which the higher flame temperature region and the darker KL density were concentrated around the spray flame upstream, regardless of the HVO mixing ratio. Besides, the decrease in the O₂ concentration resulted in the lower heat release rate, integral heat release, flame temperature, KL factor and NO_x emissions but the longer ignition delay and higher soot concentration, with the highest soot concentration observed under the 15% O₂ environment. Nevertheless, the higher pressure differential (i.e. between the injection pressure and the ambient pressure) contributed to the shorter ignition delay, higher heat release rate, early peak of the flame temperature, wider combustion area, faster soot oxidation rate and higher NO_x production.     

Study of the characteristic of diesel spray combustion and soot formation using laser-induced incandescence (LII)

In this paper, the planar images of diesel spray combustion flame and soot formation were measured and analyzed by using LII, in a constant volume combustion vessel. The effects of combustion flame and fuel–air mixing characteristics on soot formation and distribution of soot concentration were studied at different conditions. The result indicates that, with increase in ambient temperature and pressure, the ignition delay of diesel fuel is shorter. The increase of ambient temperature and pressure and the reduction of injection pressure shorten the diesel flame lift-off length. The lower the ambient temperature and pressure, the weaker LII signal intensity. At the same ambient temperature and pressure condition, the higher the diesel injection pressure, the smaller the soot production in diesel jet spray, and soot particles are primarily produced in the relative fuel-rich region, which is encompassed by the flame surface front at the downstream of the diesel jet.     

不同海拔条件下柴油机撞壁喷雾燃烧特性的可视化研究

使用定容燃烧弹模拟一款重型柴油机在海拔0m、3 000m和4 500m条件下运行时缸内的热力学状态,利用多种成像技术实现了撞壁燃烧过程的可视化,研究了不同海拔对撞壁喷雾燃烧的高温着火、火焰传播和碳烟生成特性的影响。结果表明,海拔从0m升高到4 500m,撞壁着火延迟从0.55ms延长到0.88ms,撞壁着火距离从20.38mm增大到26.87mm,高海拔对撞壁着火过程有明显的抑制效果;撞壁火焰呈现圆盘状火焰形态,火焰发展进入稳定阶段后,由于前锋区域的涡流强度增大,撞壁火焰铺展高度、撞壁火焰铺展宽度和撞壁火焰面积都随海拔升高而增大,但在火焰发展初期,由于撞壁平板的冷却作用,撞壁火焰尺寸在海拔升高到4 500m时减小;空间积分火焰亮度和时间积分火焰亮度均随海拔升高而增大,海拔升高到4 500m时碳烟生成速率和氧化速率均增大。     

柴油喷雾燃烧发光机理分析

为探讨柴油机燃烧光的性质,在容弹上采用光强传感器,并应用双色法在不同温度、压力、氧浓度与二氧化碳浓度的条件下,对柴油喷雾的燃烧光强波进行了测量分析。结果表明：在柴油机燃烧过程中,同时存在碳粒的氧化与还原两种反应,其中以氧化反应占优势,碳粒与其附面层温度基本一致。碳粒的附面层反应与柴油中其它气体成分的氧化反应形成火焰,所以可认为碳粒与火焰处于热平衡状态,碳粒的表面反应热以热辐射的方式向外界传递。表面反应热与辐射传热的平衡确定了碳粒的体积与密度。因此柴油喷雾的燃烧光强反映的是碳粒的辐射热强度,燃烧光强波反映的是碳粒的氧化过程。燃烧光强与火焰内的总碳量、氧的分压力、碳粒温度有关,同时还受二氧化碳等还原性气体浓度的影响     

Evolution of the nanostructure, fractal dimension and size of in-cylinder soot during diesel combustion process

The nanostructure, fractal dimension and size of in-cylinder soot during diesel combustion process have been investigated for a heavy-duty direct injection diesel engine, using a total cylinder sampling system followed by high-resolution transmission electron microscopy and Raman scattering spectrometry. Different structural organizations of in-cylinder soot are found depending upon the combustion phase. It is revealed that both the fringe tortuosity and separation distance decrease as combustion proceeds, while the mean fringe length increases distinctly from 1.00 to 2.13 nm, indicating the soot evolution toward a more graphitic structure during the combustion process. The fractal dimensions of aggregates are in a range of 1.20–1.74 at various crank angles under the applied engine operating conditions. As temperature and pressure increase, the fractal dimension decreases significantly to a minimum at the early diffusion combustion stage. The soot particles become more compact again as the fractal dimension increases during the subsequent combustion period. Primary particle sizes start small, go through a maximum in the early diffusion combustion phase and decline again as combustion proceeds.