生物質(zhì)含氧燃料對(duì)碳煙生成影響的光學(xué)診斷研究.pdf

1、含氧生物質(zhì)燃料與柴油燃料混合是生物質(zhì)燃料應(yīng)用于柴油機(jī)的一種重要方式；也是優(yōu)化燃料特性、降低有害排放（尤其是碳煙排放）和實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高效清潔燃燒的重要途徑。從而近年來得到了國(guó)內(nèi)外的高度重視。本文應(yīng)用激光誘導(dǎo)熾光（LII）和激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）在自行設(shè)計(jì)開發(fā)的部分預(yù)混火焰燃燒器上研究了醇類結(jié)構(gòu)、含氧官能團(tuán)、摻混比和丁醇四種同分異構(gòu)體對(duì)碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳香烴（PAH）和碳煙生成的影響；并應(yīng)用高速攝像雙色法在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了含氧官能團(tuán)不同的燃

2、料對(duì)缸內(nèi)碳煙生成的影響；最后對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙激光診斷進(jìn)行初步研究。這一研究為揭示不同含氧燃料PAH及碳煙生成演化機(jī)理有重要理論意義，對(duì)混合燃料特性優(yōu)化具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。
　　作者首先為分析LII實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了雙像器LII成像計(jì)算模型，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過模型計(jì)算可以得到碳煙體積分?jǐn)?shù)和碳煙粒徑。為研究PAH的生成增長(zhǎng)過程，對(duì)芳香烴激光誘導(dǎo)熒光光譜進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)芳香烴的苯環(huán)數(shù)是熒光發(fā)射光譜的主要決定因素；通過分波段采集可以一定程度區(qū)

3、分測(cè)量1~4環(huán)不同環(huán)數(shù)芳香烴物質(zhì)。為了深入研究含氧燃料降低碳煙的機(jī)理，設(shè)計(jì)一個(gè)邊界條件可控的，穩(wěn)定的液體燃料層流部分預(yù)混燃燒器。在燃燒器上燃用T20(80％正庚烷+20%甲苯，柴油的替代燃料)，其火焰直接成像、雙色測(cè)溫結(jié)果和LII診斷測(cè)量結(jié)果均與類似的部分預(yù)混火焰測(cè)量結(jié)果相近，表明了所設(shè)計(jì)燃燒器火焰的可靠性和碳煙計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。在T20火焰上應(yīng)用激光誘導(dǎo)熒光法和激光誘導(dǎo)熾光法的研究結(jié)果清晰表明了火焰不同高度下，PAH生成增長(zhǎng)直至生成碳

4、煙過程，從而表明分波段采集方法適用于研究火焰中PAH機(jī)理，結(jié)合熾光雙色法和燃燒器可作為研究液體燃料濃預(yù)混條件下的碳煙生成氧化機(jī)理的手段。
　　然后，應(yīng)用所開發(fā)的部分預(yù)混燃燒器，在T20基礎(chǔ)燃料中摻混相同含氧量（4%）的甲醇、乙醇、正丁醇、丁酸甲酯和2,5二甲基呋喃（DMF），研究不同含氧燃料對(duì)部分預(yù)混火焰中PAH和碳煙影響。結(jié)果表明，通過PAH熒光光譜可測(cè)量不同燃料火焰中PAH的生成和增長(zhǎng)歷程。添加含氧燃料后，T20燃料中甲苯含量

5、降低是導(dǎo)致PAH和碳煙生成減少的主要原因，T20摻入正丁醇后，測(cè)量區(qū)域內(nèi)的碳煙體積分?jǐn)?shù)總值降低接近500ppm，碳煙粒徑降低25nm。含氧量相當(dāng)結(jié)合稀釋甲苯的實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從含氧燃料結(jié)構(gòu)來講，相比甲醇、乙醇、丁酸甲酯和DMF，正丁醇摻混入T20燃料中降低PAH和碳煙作用最顯著。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，通過分析四環(huán)芳香烴（A4）變化可以預(yù)測(cè)碳煙變化。
　　進(jìn)而，以丁醇的四種同分異構(gòu)體為對(duì)象，研究四種燃料結(jié)構(gòu)差異對(duì)PAH和碳煙生成影響的機(jī)理。

6、研究表明，丁醇結(jié)構(gòu)對(duì)混合燃料的PAH和碳煙生成有顯著影響，即相比直鏈結(jié)構(gòu)（正丁醇和仲丁醇），支鏈結(jié)構(gòu)（異丁醇和叔丁醇）更有利于PAH和碳煙生成；其中在20%摻混時(shí)，支鏈丁醇測(cè)量區(qū)域內(nèi)的碳煙濃度總值比直鏈丁醇高出近100ppm。隨著摻混比例增大，丁醇對(duì)PAH和碳煙生成影響的作用減小。對(duì)比PAH和碳煙結(jié)果表明丁醇結(jié)構(gòu)降低碳煙的作用比降低前驅(qū)物PAH的作用更加顯著，這表明摻入丁醇不僅可以抑制PAH生成而減少碳煙的生成，并且可以促進(jìn)碳煙的氧化。

7、
　　最后，為揭示缸內(nèi)碳煙生成機(jī)理，應(yīng)用高速攝像雙色法在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行研究。在柴油中摻混20%體積比正丁醇，DMF和丁酸甲酯，分別用B20，DMF20，MB20表示，純柴油用D100表示。結(jié)果表明，含氧混合燃料的粘度和揮發(fā)性對(duì)噴油影響明顯。添加含氧燃料后，混合燃料的滯燃期延長(zhǎng)，缸內(nèi)燃燒初期出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、范圍更廣的“藍(lán)焰”化學(xué)發(fā)光。三種含氧摻混燃料對(duì)缸內(nèi)碳煙的降低能力依次為：DMF20>MB20>B20；其中DMF20是滯燃期