生物质含氧燃料对碳烟生成影响的光学诊断研究

摘要

含氧生物质燃料与柴油燃料混合是生物质燃料应用于柴油机的一种重要方式；也是优化燃料特性、降低有害排放（尤其是碳烟排放）和实现柴油机高效清洁燃烧的重要途径。从而近年来得到了国内外的高度重视。本文应用激光诱导炽光（LII）和激光诱导荧光（PLIF）在自行设计开发的部分预混火焰燃烧器上研究了醇类结构、含氧官能团、掺混比和丁醇四种同分异构体对碳烟前驱物多环芳香烃（PAH）和碳烟生成的影响；并应用高速摄像双色法在光学发动机上研究了含氧官能团不同的燃料对缸内碳烟生成的影响；最后对柴油机缸内碳烟激光诊断进行初步研究。这一研究为揭示不同含氧燃料PAH及碳烟生成演化机理有重要理论意义，对混合燃料特性优化具有一定工程应用价值。
　　作者首先为分析LII实验数据，建立了双像器LII成像计算模型，应用实验数据通过模型计算可以得到碳烟体积分数和碳烟粒径。为研究PAH的生成增长过程，对芳香烃激光诱导荧光光谱进行研究，发现芳香烃的苯环数是荧光发射光谱的主要决定因素；通过分波段采集可以一定程度区分测量1~4环不同环数芳香烃物质。为了深入研究含氧燃料降低碳烟的机理，设计一个边界条件可控的，稳定的液体燃料层流部分预混燃烧器。在燃烧器上燃用T20(80％正庚烷+20%甲苯，柴油的替代燃料)，其火焰直接成像、双色测温结果和LII诊断测量结果均与类似的部分预混火焰测量结果相近，表明了所设计燃烧器火焰的可靠性和碳烟计算模型的准确性。在T20火焰上应用激光诱导荧光法和激光诱导炽光法的研究结果清晰表明了火焰不同高度下，PAH生成增长直至生成碳烟过程，从而表明分波段采集方法适用于研究火焰中PAH机理，结合炽光双色法和燃烧器可作为研究液体燃料浓预混条件下的碳烟生成氧化机理的手段。
　　然后，应用所开发的部分预混燃烧器，在T20基础燃料中掺混相同含氧量（4%）的甲醇、乙醇、正丁醇、丁酸甲酯和2,5二甲基呋喃（DMF），研究不同含氧燃料对部分预混火焰中PAH和碳烟影响。结果表明，通过PAH荧光光谱可测量不同燃料火焰中PAH的生成和增长历程。添加含氧燃料后，T20燃料中甲苯含量降低是导致PAH和碳烟生成减少的主要原因，T20掺入正丁醇后，测量区域内的碳烟体积分数总值降低接近500ppm，碳烟粒径降低25nm。含氧量相当结合稀释甲苯的实验对比发现，从含氧燃料结构来讲，相比甲醇、乙醇、丁酸甲酯和DMF，正丁醇掺混入T20燃料中降低PAH和碳烟作用最显著。研究结果还发现，通过分析四环芳香烃（A4）变化可以预测碳烟变化。
　　进而，以丁醇的四种同分异构体为对象，研究四种燃料结构差异对PAH和碳烟生成影响的机理。研究表明，丁醇结构对混合燃料的PAH和碳烟生成有显著影响，即相比直链结构（正丁醇和仲丁醇），支链结构（异丁醇和叔丁醇）更有利于PAH和碳烟生成；其中在20%掺混时，支链丁醇测量区域内的碳烟浓度总值比直链丁醇高出近100ppm。随着掺混比例增大，丁醇对PAH和碳烟生成影响的作用减小。对比PAH和碳烟结果表明丁醇结构降低碳烟的作用比降低前驱物PAH的作用更加显著，这表明掺入丁醇不仅可以抑制PAH生成而减少碳烟的生成，并且可以促进碳烟的氧化。
　　最后，为揭示缸内碳烟生成机理，应用高速摄像双色法在光学发动机上进行研究。在柴油中掺混20%体积比正丁醇，DMF和丁酸甲酯，分别用B20，DMF20，MB20表示，纯柴油用D100表示。结果表明，含氧混合燃料的粘度和挥发性对喷油影响明显。添加含氧燃料后，混合燃料的滞燃期延长，缸内燃烧初期出现持续时间更长、范围更广的“蓝焰”化学发光。三种含氧掺混燃料对缸内碳烟的降低能力依次为：DMF20>MB20>B20；其中DMF20是滞燃期延长起主导作用，后两者含氧量起主导作用。为得到更准确的碳烟结果，对柴油机缸内碳烟激光诊断进行初步研究，发现受温度、压力和自发光的影响，缸内碳烟激光诊断需要稍提前、大门宽和宽带宽采集。

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字母注释表

第一章绪论

1.1生物质含氧燃料国内外研究进展

1.2一代含氧燃料国内外研究进展

1.3碳烟生成机理及诊断技术国内外研究进展

1.4本文的主要研究工作及意义

第二章 碳烟计算模型和PAH激光诊断方法的研究

2.1碳烟计算模型

2.2多环芳香烃激光诱导荧光法

2.3燃烧火焰高速成像双色法

2.4本章小结

第三章 燃烧器设计开发

3.1实验室用燃烧器简介

3.2燃烧器设计开发

3.3燃烧器火焰验证及火焰多环芳香烃和碳烟激光诊断测量

3.4本章小结

第四章 含氧燃料结构对部分预混火焰碳烟生成影响的研究

4.1不同醇类对碳烟影响的研究

4.2不同含氧官能团对碳烟降低影响的研究

4.3本章小结

第五章 正丁醇掺混比例和丁醇同分异构体对部分预混火焰碳烟生成影响的研究

5.1正丁醇掺混比例影响的研究

5.2丁醇同分异构体在不同掺混比例下对碳烟影响的研究

5.3本章小结

第六章 发动机缸内燃烧过程中碳烟诊断研究

6.1光学发动机台架

6.2不同含氧燃料官能团对缸内燃烧影响的研究

6.3缸内碳烟激光诊断初步研究

6.4本章小结

第七章 全文总结及工作展望

7.1全文总结

7.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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