汽油与异辛烷/正庚烷的燃烧特性分析

利用定容燃烧弹系统,研究了相同辛烷值的两种燃料-标准汽油和异辛烷/正庚烷在化学当量比条件下的预混燃烧过程.通过高速摄像系统拍摄了标准汽油和异辛烷/正庚烷的层流预混阶段火焰传播过程,着重分析、比较了两种燃料的滞燃期,层流火焰传播速度和马克斯坦长度.结果表明,虽然两者辛烷值相同,但是异辛烷/正庚烷拉伸和无拉伸层流火焰传播速度均高于标准汽油的,而且标准汽油对应负的马克斯坦长度,其火焰稳定性较差,异辛烷/正庚烷对应正的马克斯坦长度,其火焰的稳定性较好.从火焰外观上,两种燃料的前期火焰基本一致,为淡蓝色预混火焰;但后期火焰的差异很大,汽油呈碳粒型燃烧,而异辛烷/正庚烷则为充分预混型.     

不同预燃室结构对甲烷湍流射流点火燃烧的影响

基于光学定容燃烧弹试验平台,通过高速纹影摄像系统在相同甲烷燃料初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小,相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小,着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大。虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。     

电增压及EGR共同作用下对降低汽油机燃油消耗率的试验研究

基于光学定容燃烧弹试验平台,通过高速纹影摄像系统在相同甲烷燃料初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室湍流射流点火（turbulent jet ignition, TJI）的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小,相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小,着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大。虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。     

用光学纹影摄影术观察分析定容燃烧室内氢燃料的燃烧过程

论述了采用纹影摄影术和高速摄影法观察分析氢气和空气预混合燃料在定容燃烧室内的火花点火燃烧过程,定性地分析了预混合氢气燃料的火焰形态和变化过程,以及燃烧室内的初始压力和空燃比对火焰传播速度及其燃烧压力的影响,通过采用纹影摄影术方法,初步揭示了预混合氢气燃料在定容燃烧室内燃烧时火焰初期紊流产生的机理,以及由开始的层流状火焰发展到湍流状火焰的过程,研究结果表明,预混合氢气燃料燃烧的火焰传播速度及燃烧压力明显地受燃烧室内的初始压力和空燃比的影响。     

地沟油生物柴油与正丁醇/乙醇混合燃料燃烧火焰特性

为研究不同配比下生物柴油混合燃料燃烧特性,设计了一套生物质液体燃料雾化蒸发燃烧系统,该系统可产生生物柴油及其混合燃料层流预混火焰,结合OH-PLIF平面激光诱导荧光技术测定并分析燃烧火焰的高度和锋面面积以及层流预混火焰的传播速度和OH-PLIF总信号强度等燃烧特性.结果表明随着正丁醇或乙醇添加比例的增大,两种混合燃料燃烧火焰高度、火焰锋面面积呈下降趋势;火焰传播速度呈上升趋势.在混合燃料中,正丁醇的体积分数越大,燃烧火焰OH-PLIF总信号强度越大,而乙醇的体积分数越大,混合燃料燃烧火焰OH-PLIF总信号强度越小.     

基于快速压缩机的预燃室式射流点火试验

为分析预燃室式射流点火的燃烧过程,通过全燃烧场可视的快速压缩机(RCM),采用同步压力传感和高速摄影方法,对单孔内置式预燃室进行了变工况试验,并在相同条件下与传统火花点火对比,结果表明:预燃室式射流点火能够大幅促进点火,并加速燃烧.与传统火花点火相比,预燃室式射流点火的滞燃期缩短比例可达40%,以上,且随负荷增加而提高;明显燃烧期比典型火焰传播燃烧可缩短60%,至70%,.火花点火引起的火焰传播速度与负荷无明显关系,而射流火焰发展速度随负荷增加而提高,各负荷下均为火焰传播速度的15倍以上,最高速度超过50,m/s,垂直于射流喷射方向的火焰发展也快于火焰传播.射流火焰在主燃室内由近喷口处的细长火舌和远端由火舌发展而成的类柱状火焰组成.预燃室对其内部的初始火焰发展具有明显促进作用,其内部的平均火焰发展速度高于传统火花点火火焰传播速度的2倍.     

基于深度学习的甲烷高压射流湍流燃烧火焰图像处理方法研究

基于定容弹开展了高压天然气(甲烷)射流燃烧光学测试,并分别运用深度学习方法和边缘检测算法进行了图像处理。对比结果表明,由于图像中存在射流、火焰差异大的图像识别目标,边缘检测算法无法较好识别射流和火焰,该算法适合于单一目标的火焰图像处理。深度学习方法可识别射流湍流燃烧火焰轮廓,有效地获得射流湍流燃烧火焰前锋面发展位移及火焰传播速度,该方法适用于多个目标的火焰图像处理。根据深度学习图像处理结果表明:当高压甲烷射流接触预燃球形火焰时,火焰由稳定层流速度(<3 m/s)快速上升,最大火焰传播速度高达300 m/s,形成湍流火焰,火焰沿射流方向快速向前发展,火焰面积增加。随着射流和点火时间间隔的增加,最大火焰传播速度线性下降。     

层流预混滞止火焰结构及传播速度实验研究

火焰传播速度反映了火焰和燃料燃烧的基本特性,但火焰传播比较复杂,受流动,传热以及化学反应等众多因素的影响,在实际的系统中,无法得到理想化的平面燃烧波,而利用平面滞止火焰可外推得到零位伸率下的火焰传播速度,即理想层流火焰传播速度。在建立稳定的层流预混滞止火焰的基础上,用激光多普勒仪测定了滞止流动的速度分布,得到了火焰结构的一些特征,并根据同一空燃比下不同位伸率与当地火焰传播速度的关系,获得了理想层流     

2-甲基呋喃/汽油发动机燃烧和排放特性

基于一台点燃式发动机,研究了燃用2-甲基呋喃(MF)及其体积分数为10%和20%低比例汽油混合燃料的发动机燃烧和排放特性,并与纯汽油进行对比.结果表明:MF及混合燃料抗爆性优于汽油,高负荷下允许发动机使用更加提前的点火时刻.单独燃用或掺混MF使滞燃期、燃烧持续期相对汽油缩短,循环波动系数降低,同时缸内峰值压力、最高平均温度相对升高.较高的燃烧温度及含氧量使MF及混合燃料HC和CO排放相对汽油降低,使用20%混合燃料时最高降低比例分别约为10%和3%.但燃用MF及混合燃料的NOx排放相对汽油升高.     

低热值气体发动机涡团与火焰面相互作用

基于大涡模拟方法对一台燃用低热值气体燃料的发动机缸内湍流涡团与火焰相互作用过程开展了模拟,分析了缸内急燃期火焰传播过程中火焰前锋面上湍流涡核的分布特征,研究湍流涡团与火焰面的相互作用机理,并研究了涡对结构对火焰面传播的影响.结果表明:急燃期燃烧过程中,缸内背景湍流和火焰面相互作用,促使高强度涡核分布在火焰前锋面上,而涡核增大火焰面褶皱程度,火焰面面积增加,有助于更多高强度火核的产生;未燃区涡对的两个涡团相互逆向旋转导致火焰面受到局部的卷吸或者拉伸等作用,是火焰面出现明显皱褶的主要原因.     

EGR中二氧化碳对氢气层流燃烧特性的影响

为了更深入地理解废气中二氧化碳对掺氢燃料燃烧特性的影响,在定容燃烧弹中利用高速摄像系统研究了不同燃空当量比φ(0.6～1.4)和稀释比(0%～40%)下CO2稀释氢气-空气混合气的层流燃烧特性.结果表明:氢气-空气混合气的火焰传播速率随着燃空当量比的增大而增大;马克斯坦长度随着当量比的增大而增大,即火焰的稳定性增强;随稀释比的增大,无拉伸火焰传播速率S1明显减小;同时得到层流火焰燃烧速率,并分析了稀释比对火焰稳定性的影响.通过对试验结果数据拟合,获得了计算氢气-CO2-空气混合气的无拉伸层流燃烧速率的拟合多项式.     

发动机缸内自燃着火与火焰传播的调控

在一台轻型光学发动机上对比了部分预混压燃(PPC)和燃料活性控制压燃(RCCI)两种燃烧模式的着火及燃烧发展过程,并分别探究了不同喷射策略对两种燃烧方式的影响.研究发现,对于PPC燃烧模式,混合气浓度分层越小,燃烧过程中自燃占比越高;混合气浓度分层越大,燃烧过程中火焰传播占比越高.对于RCCI燃烧模式,缸内直喷高活性燃料比例较高时,燃烧是从高活性区到低活性区分阶段顺序自燃;缸内直喷高活性燃料比例较低时,燃烧是火焰传播与自燃共同主导的过程.从而阐明了PPC和RCCI相较于均质压燃(HCCI)能够实现更高负荷高效清洁燃烧的本质是,燃烧发展历程从单纯的多点自燃燃烧转变为火焰传播与自燃共存.     

初始温度对氢-空气预混诱导湍流燃烧特性的影响

通过在火焰传播路径上布置孔板实现诱导湍流燃烧,利用纹影技术和压力采集系统研究了初始温度对孔板诱导氢-空气预混湍流燃烧特性的影响。试验结果表明:穿越孔板前火焰传播速度略有下降,穿越孔板后火焰被诱导为湍流燃烧,火焰发展进程加快;随着初始温度的升高,最高燃烧压力和最大压升率减少,两者出现的时刻提前,添加孔板后的燃烧持续期变化率降低,但穿越孔板后的火焰传播速度的差异不显著。     

船用低速双燃料发动机预燃室引燃火焰的模拟研究北大核心CSCD

以RT-flex50DF船用低速二冲程双燃料发动机为研究对象,通过对模型的仿真计算分析了引燃火焰的流速及火焰面积在燃烧过程中的影响,总结了该低压喷射双燃料发动机引燃火焰的特点及燃烧过程。通过对比预燃室通道直径的方案发现,增大通道直径可以增加缸内的着火面积,加速燃料燃烧;减小通道直径可以达到增强缸内涡流的效果,提高火焰传播速度,但通道直径过大或过小都会对缸内燃烧产生不利影响。预燃室出口结构的方案通过保持出口截面积不变而增大火焰射流的表面积来加快缸内燃烧,避免孔径对缸内的湍流等参数产生影响,结果表明在该方案中合适的小孔尺寸可以提高缸内放热率的峰值,并缩短燃烧持续时间。     

高电压下浓/稀天然气燃烧特性的对比研究

利用定容燃烧装置研究了高电压作用下浓/稀天然气火焰的燃烧特性,并探讨了以自由电子为主的阴离子对火焰燃烧的作用机理。试验中加载电压为0kV、5kV和10kV,浓/稀混合气的过量空气系数λ分别为0.8和1.4。在加载电场作用下,球形膨胀火焰在与电场相反方向上的火焰传播明显加快,火焰传播速度和火焰拉伸率随加载电压的增强而增大,稀燃混合气的火焰传播的增强程度最为明显。加载10kV电压时,λ为0.8和1.4火焰的平均速度比没有电场作用时分别增加了36.4%和49.5%。火焰传播速度的增强,促进了燃烧过程的进行,使得混合气燃烧的滞燃期缩短,压力升高率增加,且压力峰值时间提前。稀燃混合气的燃烧压力峰值有较大提高,而浓燃混合气的压力峰值变化不大。试验中加载电场对球形膨胀火焰燃烧的作用机理可用火焰中的阴离子,尤其是O_2~-主导的离子风效应来说明。同时,电场在一定程度上也促进了火焰燃烧化学反应的进行。     

湍流预混燃烧火焰结构的分形维数特征研究

发动机湍流预混燃烧的火焰结构具有自相似性,将分形技术这一新的非线性方法技术引入对湍流预混火焰结构的研究中,基于自行设计的以光学发动机和高速摄像机为核心的试验系统,得到了湍流预混燃烧的火焰结构图像.利用修正数盒法的分形图像处理方法,得到了描述湍流预混燃烧火焰的分形维数特征.在此基础上,对于发动机转速、空燃比、点火提前角和燃料性质等参数对火焰分形维数的影响规律进行了探索性的研究.研究结果表明,湍流预混燃烧火焰的分形维数在燃烧期内先随曲轴转角增加而增加,在达到最大值后,随曲轴转角增加而减小,证明在燃烧中期,火焰锋面具有最大的扭曲度;发动机转速的增加、点火角的提前、混合气的加浓均会使燃烧火焰的分形维数均有不同程度的增加.因此表明上述因素会使燃烧进行得更为剧烈,火焰结构的扭曲程度加强,火焰传播速度加剧.     

汽油机燃用含氧混合燃料时燃烧特性和碳氢排放的研究

开展了汽油机燃用含氧混合燃料时燃烧特性和碳氢排放的研究 ,分析了质量燃烧率和发动机碳氢排放。基于实测示功图的计算结果表明 ,与汽油相比 ,燃用汽油 乙醚混合燃料可明显缩短火焰发展角和快速燃烧角。当汽油中加入的醇类燃料比例较小时 ,与燃用汽油相比 ,可缩短火焰发展角和明显缩短快速燃烧角 ;而当汽油中加入的醇类燃料比例较大时 ,反而会增加火焰发展角和快速燃烧角。试验结果表明 ,与燃用汽油相比 ,燃用含氧混合燃料可降低发动机碳氢排放量 ,燃用汽油 乙醚混合燃料比燃用汽油 醇类混合燃料具有更低的碳氢排放。     

燃料理化特性对柴油机低温燃烧过程及排放特性的影响

在一台单缸柴油机上,通过柴油掺混20%的正庚烷、正庚烷与异辛烷混合物以及异辛烷与40%正庚烷(体积分数),研究燃料组分、沸点和十六烷值等理化特性对柴油机传统燃烧和低温燃烧影响机理.结果表明,不同十六烷值燃料在高比例EGR下对滞燃期影响更显著;随掺混燃料十六烷值降低,碳烟排放降低;在20%掺混比下混合燃料沸点、黏度等物理特性和燃料组分等化学特性改变对燃烧和碳烟排放影响较小.与20%正庚烷掺混相比,低沸点、低黏度燃料在更高掺混比(40%)下对碳烟排放的降低作用变得明显.大比例EGR低温燃烧下,THC排放明显升高,其中甲烷占总碳氢比例达60%;NO2对整体NOx排放影响很小.在20%掺混比下,燃料理化特性的改变对THC、不同成分HC、CO和NOx排放影响很小;在40%正庚烷掺混比例下,芳香烃排放降低,NOx及NO2排放较柴油升高.     

添加含氧燃料对正庚烷火焰特性的影响研究

利用定容燃烧弹系统,在定容、预混、理论空燃比的情况下研究正庚烷、MTBE/正庚烷和乙醇/正庚烷的预混燃烧过程.通过高速摄像系统拍摄了正庚烷、MTBE/正庚烷和乙醇/正庚烷的层流预混阶段火焰传播过程,通过对比燃烧火焰照片和对应的压力曲线,计算分析了3种燃料的滞燃期,层流火焰传播速度和马克斯坦长度等,并且分析比较它们之间的差异.结果表明,庚烷中加入MTBE和乙醇后,拉伸和无拉伸层流火焰传播速度加快,马克斯坦长度增加,火焰的稳定性增强.     

应用高速纹影法对汽油机燃烧过程的研究

根据光学纹影法的基本原理和高速摄影技术,在可视化发动机台架上搭建了一套反射式纹影光路系统,使其能够较清晰准确地记录燃料初期蓝焰的扩散过程。通过对比,纹影图像比直接摄影图像能更早地观察到火焰的产生,火焰轮廓更大,能够反应火焰的变化形态。试验将此系统应用在汽油机燃烧过程的研究中,并分析了空燃比和负荷时汽油机火焰传播速度及火焰形态的影响。结果表明:在理论空燃比附近,随着混合气变浓,着火始点靠前,火焰传播速度加快,火焰的表面皱折变大;负荷的提高使得燃烧更加充分,着火提前,火焰传播速度提高,火焰皱折增大。