基于可視化技術的柴油-甲醇二元燃料著火與燃燒特性研究.pdf

1、柴油/甲醇二元燃料燃燒作為一種清潔、高效的新型燃燒模式，在實踐中已得到較為廣泛的應用，并被國家工信部納入內燃機替代燃料的主要應用方式之一。隨著該燃燒模式的應用對象、區(qū)域以及運行環(huán)境逐步擴展，提高甲醇替代率、降低柴油替換比（替換柴油的甲醇量）和降低污染物排放的需求越來越明顯。為此，需要進一步深化對柴油/甲醇二元燃料燃燒這種新型燃燒模式的認識，進一步完善、發(fā)展二元燃料燃燒理論。定容燃燒彈平臺及其可視化技術是了解著火和燃燒的重要工具，為了詳細

2、了解柴油/甲醇二元燃料的著火和燃燒特性，本研究首先研制了定容燃燒彈光學平臺、燃燒產(chǎn)物取樣平臺、PDPA噴霧試驗臺，并利用這些平臺對柴油/甲醇二元燃料燃油霧化、著火和燃燒過程以及顆粒物理化特性進行了全面的研究。論文具體研究工作和主要結論如下：
　?。ㄒ唬┭兄屏丝蓪崿F(xiàn)傳統(tǒng)CI和PCCI燃燒模式的定容燃燒彈光學平臺，實現(xiàn)了燃燒過程的光學測試和缸內壓力變化等參數(shù)的同步采集。在此平臺的基礎上，結合智能時間延遲系統(tǒng)、瞬間淬熄裝置和尾氣采樣裝置

3、，進一步開發(fā)了定容燃燒彈燃耗產(chǎn)物取樣系統(tǒng)，實現(xiàn)了噴油壓力、噴油定時、噴油量、采樣時刻和淬熄時刻的靈活可靠控制。
　?。ǘ┗诙ㄈ萑紵龔椆鈱W平臺，系統(tǒng)研究了甲醇預混量、環(huán)境溫度、噴油壓力等對柴油/甲醇二元燃料燃燒火焰結構、火焰浮起長度、燃燒特性、滯燃期以及自然發(fā)光亮度等的影響。研究結果表明：（1）空氣、甲醇兩種熱氛圍下，火焰的浮起長度均呈先降低、保持穩(wěn)定、再升高的趨勢。與空氣熱氛圍相比，甲醇熱氛圍下的滯燃期、火焰浮起長度變長，火焰

4、結構下游呈現(xiàn)較多的褶皺，預混燃燒比例增加，對應的自然發(fā)光亮度降低，碳煙排放減少，且隨著甲醇當量比濃度的增加而更加顯著。（2）在初始溫度為840–920K的范圍內，與空氣熱氛圍相比，甲醇氛圍下的滯燃期和火焰浮起長度均較長，且對溫度變化更加敏感。隨著初始溫度的進一步提高，兩種熱氛圍下滯燃期、火焰浮起長度和火焰發(fā)光亮度SINL、TINL的差別逐漸變小，當溫度達到960K時，可忽略不計。（3）初始溫度是柴油/甲醇二元燃料燃燒的關鍵因素，其主要影

5、響了低溫反應階段柴油和甲醇之間的化學反應動力學作用，在低溫條件下甲醇將活躍的OH轉換成不活躍的H2O2，抑制了著火，隨著溫度的提高，這種抑制作用逐漸減弱并消失。（4）提高燃油噴射壓力，可大幅降低噴霧平均索特直徑。沿著噴霧發(fā)展的方向，SMD逐漸變??；在徑向方向呈現(xiàn)軸線中心大，軸線附近小，噴霧邊緣位置略有增大的趨勢。（5）在空氣熱氛圍和低噴射壓力下，液束被包圍在鞘狀的擴散火焰中，在火焰中出現(xiàn)“冷核”，空氣卷吸作用被限制，對碳煙生成極其有利。

6、（6）隨著噴射壓力的提高，燃油霧化變好，兩種熱氛圍下滯燃期逐漸變短，且變化量逐漸降低。在高的燃油噴射壓力下，燃油霧化決定的物理滯燃期減弱，化學反應動力學決定的化學滯燃期占據(jù)了很大的作用。以上結果與前期通過數(shù)學模型獲得結果十分一致。
　?。ㄈ┻\用粒度儀、場透射電鏡和拉曼分析技術，研究了微粒粒數(shù)、粒徑、顆粒物的微觀結構和石墨化程度等方面的特征，研究結果表明：（1）與柴油模式相比，柴油/甲醇二元燃料燃燒模式下顆粒物粒數(shù)有明顯的減少趨勢

7、，并且粒徑分布有變小的趨勢，顆粒物分形維數(shù)由1.519提高到了1.617，提高了碳粒子分布的緊密程度。（2）二元燃料燃燒模式下，顆粒物微晶尺寸變?。◤?.905nm減少到0.835nm），層間距和曲率呈增大的趨勢（層間距由0.365nm增大到0.376nm，曲率由1.263增大到1.335），其對應的石墨化程度降低，氧化活性強，更容易被氧化。（3）采用5譜帶擬合方法對柴油、柴油/甲醇兩種模式下產(chǎn)生顆粒的拉曼光譜分峰擬合，ID1/IG的值