加氢催化生物柴油/柴油燃烧火焰碳烟生成过程可视化研究

摘要

均质压燃低温燃烧技术是当前实现高效低排放发动机的主要技术手段，其中，燃料设计与喷射策略的结合是关键。生物柴油以其适用性好、原材料来源广泛等优势，在柴油机各类替代燃料中脱颖而出，而新一代加氢催化生物柴油以其不含氧、与石化柴油的混合稳定性好、十六烷值高等优势，则在发动机缸内高效清洁燃烧方面展现出巨大的潜力。对此，本文在定容燃烧弹试验平台上探索多种光学测试技术，对加氢催化生物柴油燃烧火焰中的碳烟生成特性以及不同的两段喷油策略对燃烧火焰中碳烟生成的影响开展研究。主要研究内容及创新性成果如下： （1）基于发散背景光消光 DBIEI 技术实现了燃烧状态下的喷雾液相长度和碳烟浓度的同步测量，提出了发散背景光消光法DBIEI的碳烟浓度和OH化学发光法的火焰浮起长度的同步测试方法。基于此，研究了加氢催化生物柴油/国V柴油混合燃料（B50）的喷雾燃烧以及碳烟生成时空特性。结果表明：B50燃油的火焰浮起长度短于喷雾液相长度，且燃烧时火焰释放的热量并没有缩短喷雾液相长度；在各种环境工况下，B50燃油的火焰浮起长度和喷雾液相长度均短于国 V柴油。由于加氢催化生物柴油的燃油密度低、馏程短以及十六烷值高，B50燃油火焰浮起长度与喷雾液相长度的差值在所用运行工况下均大于纯国 V柴油。B50 燃油的碳烟生成的初始时刻早于国 V 柴油，碳烟初始生成位置也更加靠近喷嘴。在视窗下游区域，B50燃油的碳烟浓度在喷雾径向上的分布相比于国V柴油更加均匀，碳烟宽度也较短。国V柴油和B50燃油的碳烟浓度均随着环境温度的增大、氧浓度的增大和喷油压力的降低而增大。且随着氧浓度的增大，B50燃油的碳烟净生成率逐渐降低。 （2）基于 LED-Mie 散射法和纹影法分别测量了非燃烧状态下柴油两段喷射中前后两次喷油的喷雾液相贯穿距和喷雾气相贯穿距。研究发现，在达到最大喷雾液相长度之前，第二次喷油的喷雾液相贯穿距快于第一次喷油。在喷雾液相长度达到稳定之后，前后两次喷油的喷雾液相长度基本不变。在不同的环境参数下，第一次喷油的蒸发速率和油气混合均匀程度不尽相同。前后两次喷油的喷雾气相之间存在着动量通量交换，第一次喷油会在一定程度上增大第二次喷油的喷雾气相贯穿速率。 （3）采用辐射光直接测量法和发散背景光消光法测量两段喷射的碳烟生成特性。结果发现：第一次喷油的高温燃烧产物改变了喷嘴附近的环境温度和混合气浓度，缩短了第二次喷油的碳烟初始生成时刻。同时，第二次喷油的碳烟初始生成位置也会更加靠近喷嘴。此外，第二次喷油的火焰前端的碳烟宽度会降低，火焰中碳烟高浓度区会向喷雾上游移动。相比第一次喷油，第二次喷油的碳烟生成量较大。尤其在低环境温度和低环境压力工况下，第二次喷油的碳烟生成相比第一次喷油增长的幅度更大。随着喷油间隔的增大，前后两次喷油的相互影响迅速降低。 本文研究了加氢催化生物柴油的碳烟生成过程，揭示了其降低颗粒物排放的主要原因，为其在柴油机上的应用提供了理论基础。应用多种光学测试技术，研究两段喷射过程中的喷雾燃烧以及碳烟生成特性，明晰了两段喷射中前后两次喷油在喷雾、燃烧及碳烟生成方面的相互影响和作用机理，也为进一步优化喷油策略，提高发动机热效率，提供有效的基础试验数据。

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