基于可视化技术的柴油/甲醇二元燃料着火与燃烧特性研究

摘要

柴油/甲醇二元燃料燃烧作为一种清洁、高效的新型燃烧模式，在实践中已得到较为广泛的应用，并被国家工信部纳入内燃机替代燃料的主要应用方式之一。随着该燃烧模式的应用对象、区域以及运行环境逐步扩展，提高甲醇替代率、降低柴油替换比（替换柴油的甲醇量）和降低污染物排放的需求越来越明显。为此，需要进一步深化对柴油/甲醇二元燃料燃烧这种新型燃烧模式的认识，进一步完善、发展二元燃料燃烧理论。定容燃烧弹平台及其可视化技术是了解着火和燃烧的重要工具，为了详细了解柴油/甲醇二元燃料的着火和燃烧特性，本研究首先研制了定容燃烧弹光学平台、燃烧产物取样平台、PDPA喷雾试验台，并利用这些平台对柴油/甲醇二元燃料燃油雾化、着火和燃烧过程以及颗粒物理化特性进行了全面的研究。论文具体研究工作和主要结论如下：
　　（一）研制了可实现传统CI和PCCI燃烧模式的定容燃烧弹光学平台，实现了燃烧过程的光学测试和缸内压力变化等参数的同步采集。在此平台的基础上，结合智能时间延迟系统、瞬间淬熄装置和尾气采样装置，进一步开发了定容燃烧弹燃耗产物取样系统，实现了喷油压力、喷油定时、喷油量、采样时刻和淬熄时刻的灵活可靠控制。
　　（二）基于定容燃烧弹光学平台，系统研究了甲醇预混量、环境温度、喷油压力等对柴油/甲醇二元燃料燃烧火焰结构、火焰浮起长度、燃烧特性、滞燃期以及自然发光亮度等的影响。研究结果表明：（1）空气、甲醇两种热氛围下，火焰的浮起长度均呈先降低、保持稳定、再升高的趋势。与空气热氛围相比，甲醇热氛围下的滞燃期、火焰浮起长度变长，火焰结构下游呈现较多的褶皱，预混燃烧比例增加，对应的自然发光亮度降低，碳烟排放减少，且随着甲醇当量比浓度的增加而更加显著。（2）在初始温度为840–920K的范围内，与空气热氛围相比，甲醇氛围下的滞燃期和火焰浮起长度均较长，且对温度变化更加敏感。随着初始温度的进一步提高，两种热氛围下滞燃期、火焰浮起长度和火焰发光亮度SINL、TINL的差别逐渐变小，当温度达到960K时，可忽略不计。（3）初始温度是柴油/甲醇二元燃料燃烧的关键因素，其主要影响了低温反应阶段柴油和甲醇之间的化学反应动力学作用，在低温条件下甲醇将活跃的OH转换成不活跃的H2O2，抑制了着火，随着温度的提高，这种抑制作用逐渐减弱并消失。（4）提高燃油喷射压力，可大幅降低喷雾平均索特直径。沿着喷雾发展的方向，SMD逐渐变小；在径向方向呈现轴线中心大，轴线附近小，喷雾边缘位置略有增大的趋势。（5）在空气热氛围和低喷射压力下，液束被包围在鞘状的扩散火焰中，在火焰中出现“冷核”，空气卷吸作用被限制，对碳烟生成极其有利。（6）随着喷射压力的提高，燃油雾化变好，两种热氛围下滞燃期逐渐变短，且变化量逐渐降低。在高的燃油喷射压力下，燃油雾化决定的物理滞燃期减弱，化学反应动力学决定的化学滞燃期占据了很大的作用。以上结果与前期通过数学模型获得结果十分一致。
　　（三）运用粒度仪、场透射电镜和拉曼分析技术，研究了微粒粒数、粒径、颗粒物的微观结构和石墨化程度等方面的特征，研究结果表明：（1）与柴油模式相比，柴油/甲醇二元燃料燃烧模式下颗粒物粒数有明显的减少趋势，并且粒径分布有变小的趋势，颗粒物分形维数由1.519提高到了1.617，提高了碳粒子分布的紧密程度。（2）二元燃料燃烧模式下，颗粒物微晶尺寸变小（从0.905nm减少到0.835nm），层间距和曲率呈增大的趋势（层间距由0.365nm增大到0.376nm，曲率由1.263增大到1.335），其对应的石墨化程度降低，氧化活性强，更容易被氧化。（3）采用5谱带拟合方法对柴油、柴油/甲醇两种模式下产生颗粒的拉曼光谱分峰拟合，ID1/IG的值分别为3.27、3.54，ID1/IG值变大，碳团簇含量表征R3的值分别为0.65、0.74，颗粒碳结构无序化程度增大。说明甲醇参与燃烧，燃烧颗粒中碳团簇成分含量升高，石墨化程度降低，有利于增强颗粒的氧化活性，增加了颗粒在形成过程中被氧化的概率，这也是预混甲醇后降低颗粒物排放的一个重要原因。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪论

1.1 甲醇在内燃机上的应用背景及发展概况

1.2 可视化光学平台和燃烧产物取样系统

1.3 微粒的微观结构特性研究

1.4 本课题的研究内容和意义

第二章 试验平台搭建、理论基础及数据分析方法

2.1 定容燃烧弹光学平台

2.2 颗粒物取样平台

2.3定容燃烧弹试验理论基础

2.4数据处理方法

2.5本章小结

第三章 柴油/甲醇二元燃料着火、燃烧特性

3.1甲醇预混量对二元燃料燃烧的影响

3.2 温度对二元燃料燃烧的影响

3.3 喷油压力对二元燃料燃烧的影响

3.4 滞燃期及其影响因素讨论

3.5 本章小结

第四章 柴油/甲醇二元燃料燃烧颗粒物理特性研究

4.1试验方案和设备

4.2 颗粒结构特征的表征

4.3 柴油、柴油/甲醇二元燃料燃烧颗粒的物理特性

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢