二聚环戊二烯掺混对正庚烷扩散火焰碳烟特性的影响

为研究二聚环戊二烯(DCPD)燃料添加剂对碳烟颗粒生成演化的影响，采集掺混不同比例DCPD的正庚烷反扩散(IDF)及正扩散(NDF)火焰中的碳烟颗粒，使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(RS)和热重分析仪(TGA)分析碳烟颗粒的微观结构、石墨化程度和氧化活性．结果表明：在反扩散火焰中，随着DCPD掺混比例从0%增加到20%，颗粒中类液状物质显著减少，碳烟颗粒平均微晶尺寸增长，且平均微晶曲率降低，石墨化程度提高，氧化活性降低，表明在反扩散火焰中DCPD对初生碳烟具有促进其生长的作用．而在正扩散火焰中，随着DCPD掺混比例从0%增加到20%，碳烟颗粒粒径显著增加，微晶尺寸降低，微晶曲率升高，石墨化程度降低，氧化活性升高，表明正扩散火焰中DCPD可以通过改变碳烟颗粒的微观结构来增加其氧化活性．     

汽/柴油混合燃料火焰中的碳烟生成特性

在一个能够产生稳定层流火焰的液体燃烧器上,采用二维消光法对不同掺混比例的汽油/柴油混合燃料G0、G20(汽油、柴油体积比为1∶4)、G50、G80和G100层流扩散火焰中的碳烟生成特性进行测量研究,获得了火焰的透射率图像,通过反演算法测得了火焰中的二维定量碳烟浓度分布,旨在分析混合燃料火焰的碳烟特性变化,并采用热泳探针采样和电镜分析的方法对火焰中的碳烟颗粒形貌及粒径进行了观测.试验结果表明:随着汽油掺混比例的增加,汽/柴油混合燃料火焰中的碳烟浓度分布整体呈现降低趋势,体现了柴油较强的碳烟生成能力.火焰中HAB=20,mm高度上的初始碳烟颗粒粒径也呈现减小趋势,粒径范围基本在14~39,nm.     

乙醇对汽油火焰碳烟生成特性影响的试验研究

设计并制作了一套新型的能够产生稳定层流火焰的液体燃烧器。将体积分数为0%、20%、50%和85%的无水乙醇混入92#汽油配制出了不同掺混比的乙醇汽油混合燃料,应用光学诊断技术在常压下对各燃料稳定火焰中的碳烟浓度分布进行测量,研究了添加乙醇对汽油火焰中碳烟生成特性的影响。研究结果表明:在保证碳元素流量为6.05g/h的情况下,随着燃料内乙醇的增加,各燃料均能生成稳定火焰,火焰高度保持在(50±1)mm;火焰中各个高度上的碳烟浓度都出现不同程度的降低;碳烟生成总量呈现直线下降规律,E20、E50、E85火焰中的碳烟总量相对于E0火焰分别降低了16.20%、37.77%和61.66%。     

丁醇柴油喷雾火焰碳烟颗粒采样与形貌分析

在定容燃烧弹内,实现纯柴油与体积比为30%,的丁醇柴油燃料的喷雾燃烧,研究了燃烧火焰的基本特征,设计了定容弹内喷雾燃烧火焰中碳烟颗粒物直接采样台架,利用高分辨透射电镜(HRTEM)对这两种燃料燃烧生成的碳烟颗粒样本进行观测、统计和分析,研究掺混丁醇对喷雾火焰和碳烟生成的影响.研究结果表明:掺混丁醇延长了喷雾火焰的滞燃期,缩短了燃烧持续期,丁醇柴油混合燃料(B30)的碳烟数密度和质量明显小于纯柴油(B00),在柴油中掺混丁醇,能够抑制碳烟生成,降低碳烟排放,同时降低了碳烟的基本颗粒粒径和平均直径,使排放碳烟颗粒物更加细微化;B00与B30的碳烟基本颗粒内部结构以无序的不定形碳为主,表面晶化不明显.     

基于激光诊断的生物柴油碳烟生成特性研究

制作了1个以液体为燃料可以产生层流扩散火焰的燃烧器,应用双色激光诱导炽光法(LII)技术来测量火焰中的绝对碳烟体积分数.基于在2个波长上获取的火焰中某1点的LII信号,获得被激光加热的碳烟粒子温度,同时得到此点的碳烟浓度,通过映射得到火焰的二维碳烟浓度分布.采用激光诱导荧光法可获得碳烟前驱物多环芳香烃在火焰中的二维分布,将激光诱导荧光和激光诱导炽光相结合,在柴油和生物柴油混合燃料的层流扩散火焰上进行测试.研究结果表明,随着生物柴油掺混比例的增加,碳烟和多环芳香烃的最大浓度都随之降低,浓区分布面积也进一步缩小.     

乙烯预混火焰中乙醇添加对碳烟生长的影响

基于颗粒群平衡理论,构建了详细的碳烟模型,采用Monte-Carlo算法进行数值求解,结合详细的化学反应机理,对乙烯/乙醇/空气层流预混火焰中碳烟的生成进行了研究.通过计算对比了不同比例乙醇(0、10%、20%和30%)添加对碳烟颗粒生成过程的影响,获得了不同火焰高度下碳烟体积分数和尺寸分布等信息.结果表明:乙醇的添加增强了火焰中碳烟前驱物和碳烟颗粒的氧化反应,有效抑制了碳烟的生成;随着乙醇添加量的增加,颗粒尺寸分布的双峰结构越不明显,第2峰值往前推移.     

正庚烷/正丁醇扩散火焰中碳烟微观结构的演变

基于层流扩散火焰研究了碳烟颗粒的形貌和纳米结构的演变过程.研究的燃料包括正庚烷、正丁醇以及二者的等体积混合物(H50B50).采用热泳探针法采样并使用透射电子显微镜TEM进行样本观测.总体来说,正丁醇火焰中产生的碳烟颗粒尺寸最小,数量也最少,其次是H50B50和正庚烷火焰;在碳烟发展过程中积聚颗粒的分形维数呈现单调递增的趋势.在碳烟生长阶段,微晶长度和曲率会减小,层间距会增大;随后,碳烟石墨化程度增大,微晶长度增大,微晶曲率和层间距减小;在碳烟发展后期,外层大量微晶被氧化,微晶曲率会增大.另外,正丁醇火焰尖端中成熟的碳烟具有最大的微晶长度和曲率以及最小的层间距.     

燃料结构和醇类含氧燃料对碳烟生成过程影响的多维数值模拟

采用多维数值模拟研究方法系统研究了燃料结构和不同醇类燃料对定容燃烧弹中正庚烷喷雾燃烧过程中碳烟生成过程的影响.研究结果表明:在高温高压条件下,燃料物性对喷雾破碎和蒸发过程影响较小,滞燃期和含氧量是影响混合过程和碳烟排放的主要因素;正十二烷的碳烟生成量远高于正庚烷,PRF20(80%,正庚烷+20%,异辛烷,质量比)的碳烟生成量与正庚烷接近;甲醇、乙醇和正丁醇燃料的含氧与促进混合共同作用可显著降低正庚烷/醇类掺混燃料的碳烟体积分数;与正庚烷和PRF20燃料相比,含氧作用是B20(80%,正庚烷+20%,正丁醇)燃料降低碳烟排放的主要因素;M20(80%,正庚烷+20%,甲醇)和E20(80%,正庚烷+20%,乙醇)的滞燃期和火焰浮起长度长,含氧量也相对较高,与此对应其碳烟生成量也较低,M20燃料的碳烟最少;在E20的滞燃期和火焰浮起长度均比M20略长的情况下,得益于甲醇较高的含氧量和C—O分子结构,相同质量掺混比例条件下正庚烷/甲醇掺混燃料降低碳烟的效果更明显.     

异丁醇/辛酸甲酯混合燃料预混层流火焰速度的研究

针对生物柴油与醇类混合燃料燃烧机理研究的需求,采用高速纹影光学诊断方法和定容燃烧弹系统试验研究了异丁醇/辛酸甲酯混合燃料的预混层流燃烧特性。测量了不同当量比和初始压力条件下的不同配比混合燃料—空气预混合气的层流燃烧火焰速度,火焰拉伸率以及马克斯坦长度。分析了燃烧初始条件及异丁醇掺混比例对混合燃料的无拉伸层流燃烧速度及火焰不稳定性的影响规律。结果表明:异丁醇/辛酸甲酯混合燃料的拉伸层流火焰传播速度和层流火焰燃烧速度随着当量比的增加先增加后减少,随着初始压力的增加而减小;马克斯坦长度随着当量比和初始压力的增加而减小;异丁醇掺混比例的增加加快了层流火焰燃烧速度,但使得火焰的不稳定性倾向增加。     

柴油机燃用不同含氧掺混燃料燃烧火焰自发光研究

通过一台改造的光学单缸柴油机,研究了柴油与3种不同含氧燃料掺混后对柴油机缸内燃烧火焰发光的影响.3种含氧燃料分别为丁酸甲酯(MB)、正丁醇(B)和2,5-二甲基呋喃(DMF),掺混体积分数为20%,分别用MB,20、B,20和DMF,20表示.光学发动机转速为1,200,r/min、循环喷油量为20,mg,喷油压力为60,MPa.结果表明:柴油的发光滞燃期与放热滞燃期的差距最大,3种含氧掺混燃料在燃烧过程初期出现明显的、持续时间更长的"蓝焰"化学发光;3种含氧掺混燃料对燃烧碳烟的降低能力依次为DMF 20MB 20B 20,DMF 20降低碳烟的能力受滞燃期主导,后两者主要由含氧量决定;含氧燃料的加入减小了燃烧过程中的火焰温度和火焰面积,降低了燃烧过程中的碳烟.     

掺混甲烷对预混合丙烯火焰碳烟生成的影响

基于当量比为1.79且最高火焰温度为1829 K的预混合丙烯火焰,研究了燃料掺混对碳烟生成的影响以及协同效应.分别将5%、20%、40%摩尔分数的甲烷混合到丙烯中,形成具有相同当量比和最高火焰温度的预混火焰.使用微孔探针采样技术和扫描电迁移率粒径谱仪,在燃烧器稳定滞止火焰中测量了碳烟粒径分布.研究发现,掺混甲烷后的火焰生成碳烟颗粒粒径仍旧呈现双峰性分布;但随甲烷掺混率增加,双峰性减弱,颗粒生长速率减弱,碳烟体积分数也迅速减小.在所研究的试验工况下,丙烯与甲烷在碳烟生成方面不仅没有协同效应,而且甲烷的添加降低了碳烟颗粒的生长速度和碳烟生成总量.     

掺混甲醇对汽油层流扩散火焰碳烟生成的影响

在一台协流扩散燃烧器上,应用双色激光诱导炽光法(TC-LII)得到了火焰内二维碳烟体积分数分布.在燃料流量和碳流量一定时,研究了甲醇掺混比对汽油火焰碳烟生成的影响.结果表明:燃料流量一定时,与纯汽油相比,M20(甲醇体积分数为20%),、M40、M60和M80的峰值碳烟分别降低了50.7%,、74.8%,、91.0%,和97.8%,,平均碳烟分别降低了53.4%,、85.6%,、97.3%,和99.8%,.碳流量一定时,峰值和平均碳烟的降幅相比燃料流量一定时略有降低.这表明燃料流量一定时,甲醇掺混引发的碳元素质量流量的降低对碳烟降低的贡献很小,甲醇对碳烟的降低主要通过对燃料中芳烃的稀释作用及化学反应动力学的影响.火焰整体碳烟生成的起始高度随甲醇掺混比的增加而升高.火焰中心碳烟的起始高度在燃料流量一定时,随甲醇掺混比的增加而降低,碳流量一定时,随甲醇掺混比的增加略有升高.火焰中心碳烟体积分数随高度的增加,呈3段变化趋势.不同高度上,火焰径向碳烟峰值随火焰高度的上升由火焰外侧向中心移动,且峰值先增加后降低.     

基于深度学习的乙烯层流扩散火焰温度和碳烟体积分数分布重建

利用高光谱仪对乙烯层流扩散火焰进行测量,选用多层感知器神经网络预测温度和碳烟体积分数分布,评估了模型的预测和抗噪能力,讨论了不同高度和燃料流量的火焰中温度和碳烟体积分数的分布情况.结果表明,神经网络能较为准确地重建实验火焰的温度和碳烟体积分数,并具有较强的抗噪能力;随着火焰高度的增加,碳烟体积分数峰值从两翼移向中心区域...     

大豆生物柴油混合燃料性能试验研究

通过在R4105T柴油机上进行对比试验,分析了0#柴油/生物柴油、乙醇/生物柴油混合燃料以不同比例掺混时对柴油机动力性、经济性及碳烟排放特性的影响.研究结果表明:柴油机使用0#柴油/生物柴油混合燃料时动力性、碳烟排放量均有所下降,油耗率稍有上升;使用乙醇/生物柴油混合燃料时,碳烟排放量低于生物柴油,动力性、经济性随乙醇含量的不同而呈现不同的变化趋势.     

CO_2添加对碳烟生成及其尺寸分布的影响

基于颗粒群演化的模拟理论方法,构建了一维稳态层流预混火焰中碳烟颗粒动力学演化过程的数学模型.通过耦合含有生成芘分子(A4)的详细化学反应机理,并采用蒙特卡洛(Monte Carlo)随机算法求解颗粒群平衡方程获得碳烟颗粒动力学演变尺寸分布信息.在此基础上,详细分析了层流预混火焰中二氧化碳添加对碳烟颗粒物尺寸分布的影响.结果表明:添加二氧化碳降低了碳烟颗粒成核速率,使得小粒径碳烟颗粒数密度减小;同时,添加二氧化碳减弱了碳烟颗粒表面生长速率,以及提高了OH和O2浓度而加速了碳烟的氧化反应,使得大粒径碳烟颗粒数密度降低.CO2添加对碳烟颗粒生成起到了一定抑制作用.     

甲烷/空气扩散火焰中碳烟颗粒的三维形貌演变

采用热泳取样技术获取了甲烷/空气扩散火焰中不同高度的碳烟颗粒,并通过原子力显微镜研究了碳烟颗粒的三维形貌随火焰高度变化的演变规律.研究所选高度下碳烟微粒的三维形貌反映出了碳烟微粒在扩散火焰中形成的各个过程,即成核、表面生长、团聚和氧化.当火焰高度HAB从30,mm增加到45,mm时,单碳烟粒子平均粒径从8.72,nm增加到11.36,nm;当HAB45,nm时,单碳烟粒子平均粒径逐渐降低;单碳烟粒子的球度比主要分布在0.01~0.30之间,表明这些碳烟粒子的碳化程度较低,呈类液态;球度比随着颗粒体积当量直径的增加而增加,且随着HAB的增加球度比随体积当量直径的增加速率变快,说明单碳烟粒子碳化程度与颗粒大小和火焰高度相关.     

水蒸气对火焰特性和碳烟生成影响的数值模拟

在协流空气中添加不同的虚拟组分,基于完全解耦法数值模拟研究常压条件下乙醇/空气同轴层流扩散火焰中水蒸气对火焰特性和碳烟生成的影响。研究结果显示:加入水蒸气后,火焰的最高温度和最大碳烟体积分数均降低;水蒸气通过稀释效应、化学效应、热力学效应和辐射效应影响火焰特性和碳烟生成,其中化学效应和稀释效应占主导地位;水蒸气的化学效应会改变O、H、H_2和OH等组分的摩尔分数,OH浓度的增加促进了碳烟的氧化。水蒸气的化学效应也会影响苯(A_1)、苾(A_4)、炔丙基(C_3H_3)和乙炔(C_2H_2)等碳烟生成中间产物的摩尔分数,降低碳烟核心的成核速率和表面增长速率。     

柴油机燃用混合替代燃料的燃烧与排放特性

将生物柴油和F-T柴油(F-T diesel)进行掺混,并将其混合燃料应用于4100QBZL柴油机上.在未对原机做任何改动的情况下,研究了该机燃用不同体积配比混合燃料时的燃烧特性及NOx和碳烟排放性能.研究表明,与0#柴油相比,该机的预混燃烧放热峰值降低、扩散燃烧放热峰值升高、燃烧更柔和;NOx排放随着生物柴油掺混比例的增大而升高;碳烟排放显著下降,较0#柴油的降低幅度高达37%;低比例的混合燃料对NOx排放和碳烟排放的trade-off关系有明显改善.生物柴油与F-T柴油混合燃料宜在较低的生物柴油掺混比例范围内使用.     

燃料理化特性对柴油机燃烧和排放影响

将燃料理化特性参数依次分离,研究不同燃料特性在宽广废气再循环(EGR)范围内对柴油机燃烧和排放的影响规律.结果表明:试验选用的国Ⅳ柴油燃料,成份的改变如芳烃和硫含量降低对燃烧和NO_x、THC、CO及碳烟排放影响作用很小.燃料沸点和黏度降低,预混放热峰值增大,碳烟排放降低;负荷增大后对碳烟降低作用减小.燃料沸点和黏度在中、低比例EGR率下对气体排放影响很小,在高比例EGR率下低沸点、低黏度燃料THC和CO排放较高.十六烷值是决定燃烧放热时刻的最重要参数,不同十六烷值燃料在高比例EGR率下对滞燃期影响更显著.十六烷值和含氧是降低碳烟两个决定性因素,孰重孰轻视燃料特性而定,不同十六烷值燃料的气体排放差异很小,只在低EGR率下随十六烷值降低,NO_x排放略有升高.正丁醇分子结构较甲醇、乙醇、丁酸甲酯和2,5-二甲基呋喃(DMF)能更有效降低碳烟.     

后喷射策略下生物柴油对发动机燃烧和排放影响的数值模拟

以正庚烷-癸酸甲酯(MD)-癸烯酸甲酯(MD9D)简化机理为基础,构建了生物柴油(大豆生物柴油SME)-柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理。在单次喷射和主-后喷射两种喷油方式下,将大豆生物柴油、纯柴油以30∶70和70∶30体积比掺混,将该化学反应机理与CFD计算软件耦合,研究后喷策略下生物柴油-柴油混合燃料的低温燃烧特性和排放特性。数值计算结果表明:随着SME掺混比例增加,缸内燃烧温度峰值逐渐降低,缸内燃烧放热主要受OH自由基与燃料的脱氢反应速率影响,反应速率随温度升高而增大;NO_x排放随掺混比例增加而逐渐降低,NO_x排放主要受温度影响;单次喷射下,掺混比例越高,碳烟排放量越低;后喷射下,碳烟生成量受C_2H_2影响,随掺混比例增加而逐渐降低,OH在碳烟氧化过程中起主要作用,碳烟最终排放量受掺混比例影响不大。