柴油掺混正丁醇对火焰发展及光谱的影响

正丁醇是一种很有前景的柴油替代燃料,针对缸内火焰发展和燃烧中间产物的自发光光谱开展研究,有助于深入理解柴油掺混正丁醇混合燃料对柴油机燃烧过程的影响规律。因此,在一台光学发动机上,利用火焰高速成像技术和自发光光谱分析法,研究纯柴油与柴油掺混不同比例正丁醇后对发动机缸内火焰发展和自发光光谱的影响。试验过程中,光学发动机转速为1 200 r·min~(-1),喷油压力为600 bar,进气加热到398 K,使上止点附近达到约900 K温度。纯柴油、柴油掺混20%正丁醇燃料和柴油掺混40%正丁醇燃料分别用D100, DB20和DB40表示,三种燃料在每个着火循环喷入的油量分别为17.5, 18.7和19.2 mg,从而保证发动机输出功相同。试验结果表明:冷却水温不变时,喷油时刻推迟,滞燃期缩短,初始火核形成时刻推迟,蓝色预混火焰比例减小;喷油时刻不变时,提高冷却水温度,滞燃期缩短,初始火核形成时刻提前,蓝色预混火焰比例减小。随着正丁醇掺混比例增加,呈现局部混合气率先着火的特征且着火时刻推迟,蓝色预混火焰比例增加,火焰亮度降低,火焰亮度从大到小依次为:D100DB20DB40。D100燃料随喷油推迟,整体光谱的峰值向长波方向移动,碳烟辐射增强, OH谱带的光强峰值先增大后减小, OH和CH_2O谱带出现的时刻推迟,表明高温和低温反应时刻推迟;喷油时刻不变时,提高冷却水温,整体光谱的光强增加, OH和CH_2O谱带的出现时刻提前,表明高温和低温反应时刻提前。掺混正丁醇后的DB40燃料随喷油推迟,光谱的整体光强增加, OH和CH_2O谱带的光强峰值提高,表明推迟喷油对DB40燃料也是有助于促进高温和低温反应。DB40燃料光谱的整体光强低于D100燃料,其OH和CH_2O的谱带出现的时刻迟于D100燃料,表明掺混正丁醇后燃料的高温和低温反应时刻都相对D100燃料推迟。SOI-15、冷却水温95℃工况下, D100燃料的谱线经过2℃A就呈现出了类似碳烟黑体辐射谱的特征,而DB40燃料先呈现出CO氧化连续谱的特征,经过15℃A才呈现碳烟黑体辐射谱的特征。     

乙醇柴油混合燃料碳烟特性可视化研究

在一台电控共轨光学发动机上,采用高速摄影法,对不同掺混比例的乙醇柴油混合燃料进行研究,获取了缸内燃烧火焰图像,通过双色法得到表征碳烟总体分布的KL因子,分析了乙醇这种含氧生物质燃料对缸内燃烧过程和碳烟生成特性的影响。研究结果表明,随着乙醇掺入比例的增加,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,碳烟浓区的分布区域减小,碳烟的氧化进程加快。     

可控热氛围下丙烷柴油混合燃料喷雾特性试验研究

利用可控热氛围燃烧系统提供的稳定均匀温度场,使用高速摄像机研究丙烷/柴油混合燃料的稳态喷雾特性。研究了不同混合比例、背景温度和喷射压力下混合燃料的喷雾发展过程和相关喷雾特性参数的变化规律。结果表明,相对于纯柴油燃料,丙烷/柴油混合燃料喷雾在形态上有明显差别,丙烷含量增加,喷雾的最大贯穿距离减小,喷雾锥角变大,少量的丙烷添加,变化就极为明显。背景温度对纯柴油和混合燃料的喷雾参数的影响趋势相同,最大贯穿距离和喷雾锥角随背景温度的升高而减小,其中丙烷/柴油混合燃料对背景温度的变化更为敏感。     

PODE3-5/柴油混合燃料高海拔喷雾特性研究

利用定容弹喷雾试验台,开展了柴油、PODE_3-5/柴油混合燃料(20%PODE_3-5+80%柴油)、PODE_3-5三种燃料喷雾特性试验,研究了不同海拔热力学边界条件下混合燃料喷雾浓度场分布,喷雾贯穿距和喷雾锥角以及喷雾体积、卷吸质量、轴向和径向当量比、索特平均直径的变化规律。结果表明：随着海拔的升高,混合燃料喷雾过程中韦伯数和奥内佐格数降低,抑制了燃料二次雾化破碎,环境压力对喷雾纵向发展影响较为明显,环境温度对喷雾横向发展更为明显。PODE_3-5燃料较低的蒸馏点和运动黏度促进了雾化发展,导致喷雾贯穿距和喷雾锥角同时降低,且降低幅度随PODE_3-5含量增加和海拔升高而增大。海拔5500m环境条件下,PODE_3-5/柴油混合燃料喷雾贯穿距和喷雾锥角比柴油分别减小9.2%和22.1%。     

基于解耦法构建柴油表征燃料的骨架机理

本文构建了一个包含正癸烷、异辛烷、甲苯和甲基环己烷的柴油表征燃料模型。基于解耦法构建了一个包含70种组分和193个反应的柴油表征燃料的骨架机理。在解耦法中,骨架机理被分为两部分:一部分是极其简化的C_2-C_n机理,用于预测燃料的滞燃期和消耗;另一部分为详细的H_2/CO/C_1机理,用于预测火焰速度和熄火极限,以及碳氢和一氧化碳的排放。通过与激波管中的滞燃期、搅拌反应器(JSR)中的组分浓度、层流火焰速度以及预混压燃(PCCI)发动机中的燃烧和排放的实验数据对比,发现机理较好地预测了柴油的着火、燃烧和排放特性。     

基于欧拉喷雾与火焰面/反应进度变量湍流燃烧模型的PRF燃料喷雾燃烧模拟研究

在开源计算流体软件OpenFOAM环境下,将基于欧拉方法的Σ-Y喷雾模型与非稳态火焰面/反应进度变量湍流燃烧模型相耦合,发展用于高温高压环境中液体燃料喷雾湍流燃烧高精度计算模型,分别对非燃烧和燃烧工况下的五种典型参比燃料(Primary Reference Fuel,PRF)的燃油喷射雾化与湍流燃烧过程开展数值研究。结果表明：该新型耦合模型能够准确的预测PRF燃料的喷雾和着火燃烧特性;所开发的重构数值喷雾纹影图像和燃烧OH^*图像处理方法能够很好地捕捉到试验的滞燃期、火焰浮起长度及喷雾火焰结构;研究揭示了不同比例的PRF燃料对喷雾及着火燃烧过程的影响特性,为替代燃料在发动机上的高效应用提供了理论指导。     

欧Ⅲ柴油机燃用乙醇-甲酯-柴油时微粒排放的研究

在一台满足欧Ⅲ排放的柴油机上燃用乙醇甲酯柴油混合燃料,研究其对微粒(PM)总排放、微粒中可溶性有机物(SOF)、干碳烟(DS)和硫酸盐的影响.为了深入考察含氧燃料对碳烟生成过程的影响,用高速CCD摄像机对燃烧过程进行了可视化研究.结果表明:含氧燃料能够大幅度降低欧Ⅲ柴油机微粒的排放,其中DS的排放大幅度降低,而SOF排放在小负荷时大量增加,硫酸盐排放略有增加.在柴油中加入乙醇后,着火滞燃期变长,燃烧持续期变短;混合燃料的火焰亮度降低,说明含氧燃料抑制碳烟的生成.     

生物柴油发动机非常规排放的FTIR检测

采用傅里叶变换红外光谱FTIR,研究了汽车发动机燃用生物柴油的非常规排放物。所用燃料分别为纯柴油、纯生物柴油、生物柴油掺混比为20%的B20混合燃料。结果表明,该机燃用纯柴油和B20燃油的甲醛排放差别不大,纯生物柴油的甲醛排放则明显高于柴油。燃用B20燃油的乙醛排放略低于纯柴油;纯生物柴油的乙醛排放在中低负荷低于纯柴油,在高负荷时高于柴油及B20燃油。燃用B20燃油和纯生物柴油的丙酮排放要高于柴油,但排放量均较低。随着生物柴油掺混比例的增加,发动机甲苯和二氧化硫均呈逐渐下降趋势,纯生物柴油的二氧化硫排放大幅降低。燃用生物柴油后,发动机的二氧化碳排放有所降低,表明了生物柴油有利于温室气体的控制。     

单液滴高温静止空气环境着火模型

航空煤油等液体燃料在高温环境中会发生单液滴着火(带着独立火焰蒸发)现象,本文首先实验测量了煤油、RP3航空煤油和柴油单液滴在855 K到1085 K的温度范围内静止空气环境下,液滴最低着火温度和初始直径的数据。结果显示:在实验温度范围内,煤油、RP3航空煤油和柴油单液滴着火的最小初始直径随环境温度的升高而减小,随环境温度的降低而增大。原因在于同样温度环境下大液滴能够提供足够浓度的混气发生着火现象。在相同环境温度下,煤油单液滴能够着火的最小初始直径最大,其次是柴油液滴,而航空煤油液滴能够着火的最小初始直径最小。本文在Frank-Kamenetskii分析基础上,进一步推导了高温静止空气环境下单液滴着火预测模型,所得模型预测结果与实验数据相符。     

煤基复合燃料柴油机不同海拔燃烧与排放特性

基于柴油机高海拔燃烧与排放特性模拟试验台,开展了煤基复合燃料(33%煤基含氧燃料,67%-35#柴油)柴油机不同海拔燃烧与排放特性研究。结果表明,随着海拔升高,煤基复合燃料柴油机最高燃烧压力降低,放热率峰值下降,滞燃期延长,PM2.5排放增加,海拔2500 m标定工况PM2.5排放比平原增加28.9%。与燃用柴油相比,相同海拔下,煤基复合燃料柴油机滞燃期延长,燃烧持续期缩短,PM2.5排放减少,且海拔越高PM2.5排放降低幅度越大。煤基复合燃料柴油机高海拔燃烧过程数值模拟结果表明,海拔5500 m煤基复合燃料soot排放明显降低。     

柴油两段喷射碳烟生成的光学测试研究

本文基于高温高压定容燃烧弹系统,以孔径为0.12 mm的单孔喷油器为研究对象,采用扩散背景光消光法测量国V 0号柴油两段喷射火焰中的碳烟生成特性。试验过程中,研究了不同背压、环境温度和喷油时间间隔对碳烟生成的初始时刻和KL值时空特性分布的影响。研究发现:第一次油束对第二次的碳烟生成初始时刻的影响随着环境背压的增加和环境温度的提高而减弱,而随着喷油间隔的增加展现了先减小后增大的趋势。第二次喷油火焰中碳烟的初始生成时刻在喷油间隔383 μs时最短。两次喷油火焰中的碳烟在喷雾轴线上的KL值随着背压和环境温度的升高而升高。喷油间隔并未对第二次喷油稳定火焰的KL峰值产生明显影响。     

换热器预冷的空气涡轮火箭性能分析研究

为了准确地分析以不同燃料为冷质的换热器预冷空气涡轮火箭发动机的性能,本文建立了可考虑工质组分化学平衡与工质热物性随温度和压力变化的热力循环模型。利用该模型分析了以LH2、LCH4和煤油为燃料的发动机循环性能,研究了预热温度、燃气发生器和主燃室出口温度对循环性能的影响。结果表明,换热器预冷能够降低压气机进口温度,减小相同增压比下的压缩功,提高燃料温度,减小推进剂流量,从而减小燃空比,增加比冲;燃料预热温度的提高可减小燃气发生器氧燃比,进而减小燃空比、增大比冲;较低的燃气发生器和主燃烧室出口温度可降低燃空比,提高比冲,但会造成单位推力的下降。同时,研究结果还表明,与LCH4和煤油相比,LH2的比热容与热值的比值最大,采用LH2预冷的发动机的飞行速度和比冲的增幅也最大,说明比热容与热值的比值越大,相应的预冷效果越好,即可依据燃料比热容与热值的比值定性衡量发动机的预冷效果。     

基于激光诱导炽光法的生物柴油碳烟测量

生物柴油的原料多元化,制备出的生物柴油理化特性也大不相同,因此其污染物排放特性需进一步研究。本文利用基于消光法标定的激光诱导炽光技术来测量一系列生物柴油的碳烟体积分数,以探究含氧生物燃料与传统柴油掺混后的基础碳烟排放特性。结果表明,纯含氧生物燃料的碳烟体积分数峰值较低,仅为传统柴油的7.1%～30.5%。碳烟的形成随着生物柴油掺混比例增加而呈下降趋势,与含氧燃料掺混传统柴油的碳烟排放特性一致,而不饱和度较高的生物燃料更倾向于更多的碳烟排放。生物柴油产生的粒径颗粒相对较小,比传统柴油小了大约9.5%～41.3%。碳烟颗粒物形貌方面,生物柴油与传统柴油均呈现出团簇结构,而高饱和度的生物柴油产生的碳烟颗粒粒径相对较大,但数量密度较低。     

层流火焰下氨/甲醇裂解气燃烧与NOx生成分析

为提高氨燃料火焰传播速度,本文研究了氨中掺混甲醇裂解气混合燃料的燃烧与排放特性。结果表明：加入甲醇裂解气后层流燃烧速度明显提高,裂解气添加的化学效应对火焰传播的贡献最大,热效应较弱。NO生成量随着裂解率的提高上升,随着甲醇比例的增加先上升后下降。同位素标记法表明热力型NO占比较少,甲醇比例与裂解率越高,热力型NO越多。综合分析表明贫燃工况下氨与高比例甲醇部分裂解混合燃料提高燃烧速度的同时也可以降低NO的排放。     

甲醇柴油比对二元燃料燃烧与排放特性的影响

在六缸电控单体泵增压中冷重型柴油机进气管上面布置电控甲醇喷嘴,采用柴油引燃甲醇均质混合气的二元燃料燃烧模式,开展了高甲醇柴油比的二元燃料燃烧特性与排放特性试验研究。研究结果表明;随着醇柴比的增加,二元燃料的滞燃期增加,放热率峰值、最大缸内压力和压力升高率峰值都变大;未燃HC和CO排放上升,NO_x排放则先下降后上升;烟度与颗粒物浓度排放都下降,低负荷下醇柴比为4.0时效果尤其显著;大负荷时二元燃料燃烧时热效率明显提高。     

汽油/乙醚喷雾宏观蒸发特性实验研究

本文基于纹影光路在定容燃烧弹中开展了汽油/乙醚混合燃料的宏观喷雾蒸发特性实验研究。通过高速摄像机捕获到亚临界工况(0.5 MPa,349～516 K),超临界工况(3.8 MPa,516 K)的蒸发态喷雾发展过程并提取蒸汽相贯穿距,喷雾锥角以及燃油蒸发率等表征参数。亚临界工况下,研究结果显示低环境温度条件下掺混乙醚可以加快燃料的蒸发速率,而高环境温度条件下掺混乙醚对于改善燃料蒸发速率的影响不明显。当燃油喷雾由亚临界工况转入超临界工况时,纯乙醚的蒸汽相燃料生成速率由于燃料蒸发机制发生改变反而得到抑制。     

三头部中心分级燃烧室出口温度分布研究

对一个三头部中心分级燃烧室的出口温度分布进行了试验研究,并结合Fluent软件的数值模拟对结果进行分析。研究结果表明:数值模拟结果与试验值吻合较好。预燃级单独工作时,油气比的增加提高了预燃级扩散火焰的温度造成了中心局部高温区的形成,增大了出口OTDF;双火焰模式下,出口OTDF指数显著降低;主燃级旋流数增加能够增加掺混时间,减小OTDF;主燃级燃油横向喷射(JA=-50°)时,主燃级火焰径向外扩且出口OTDF指数最低。     

2,5-二甲基呋喃-空气混合气层流燃烧速率的测定

在定容燃烧弹中利用高速纹影摄像法和球形扩展火焰研究了常压下不同燃空当量比和初始温度时2,5-二甲基呋喃-空气混合气的层流火焰特性,获得了拉伸和无拉伸火焰传播速率,无拉伸层流燃烧速率和马克斯坦长度。研究结果表明:2,5-二甲基呋喃-空气混合气的无拉伸火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率在燃空当量比1.2附近达到最大值,它们都随着初始温度的增加而增加。随着初始温度的增加,无拉伸火焰传播速率的峰值位置向浓混合气(燃空当量比增大)的方向移动。随着燃空当量比的减小和初始温度的增加,马克斯坦长度增加,表明火焰前峰面的稳定性增强。基于实验结果数据,拟合得到了2,5-二甲基呋喃-空气混合气的无拉伸层流燃烧速率的关系式。     

发动机燃用生物柴油的核态颗粒排放

以一台电控高压共轨柴油机为样机,使用排气颗粒数量及粒径分析仪EEPS,研究了发动机燃用生物柴油的核态颗粒排放特性。所用燃油为纯柴油、生物柴油掺混配比分别为5%、10%和20%的B5、B10和B20燃料。结果表明:发动机排气颗粒数量随粒径变化呈现明显的单峰或双峰对数分布形态,核态颗粒的峰值粒径在6 nm至10 nm之间。生物柴油配比上升,增加了该机核态颗粒的峰值数量浓度,颗粒总数量浓度大都呈持续上升趋势,其中核态颗粒数量增加占有主导因素;在低负荷燃用低配比生物柴油燃料时,B10燃油的颗粒总数量浓度最低。     

乙醇煤油混合燃料热解特性实验研究

本文实验研究了乙醇、煤油及其混合物的热解特性.利用气相色谱测量了其中氢气、甲烷、乙烯和一氧化碳的浓度.实验结果表明,燃料的热解率随温度的增加而增加.热解形成的气体中,乙醇热解得到的氢气浓度高于煤油,而甲烷和乙烯的浓度低于煤油.掺混乙醇后的煤油混合燃料热解时形成的氢气浓度随乙醇含量的增加而增加,对于在超燃冲压发动机中采用在煤油中添加一定量的含氧燃料(如乙醇、甲醇等)来解决着火和稳定燃烧问题具有很好的潜在优势.