張 鵬 劉海峰 陳貝凌 唐青龍 堯命發(fā)(天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室,天津300072)

摻混含氧燃料的柴油替代物部分預混火焰中多環(huán)芳香烴的熒光光譜和碳煙濃度

張 鵬 劉海峰*陳貝凌 唐青龍 堯命發(fā)
(天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室,天津300072)

為研究不同含氧燃料與柴油摻混后碳煙降低機理,本文在自行設(shè)計的燃燒器上構(gòu)建部分預混層流火焰,采用甲苯和正庚烷混合物(T20,20%(體積分數(shù))甲苯、80%正庚烷)作為柴油替代物,并分別添加甲醇、乙醇、正丁醇、丁酸甲酯和2,5-二甲基呋喃(DMF),且保證混合燃料的含氧量均為4%.進而應用激光誘導熒光法和激光誘導熾光法分別測量不同混合燃料的火焰中多環(huán)芳香烴(PAHs)的熒光光譜和碳煙濃度.結(jié)果表明:通過PAHs的熒光光譜可測量不同燃料火焰中PAHs的生成和增長歷程.四環(huán)芳香烴(A4)的生成氧化規(guī)律和碳煙基本一致,說明通過分析A4變化可以預測碳煙變化.添加含氧燃料后,T20燃料中甲苯含量降低是導致PAHs的熒光光譜強度降低和碳煙生成量減少的主要原因;同時不同含氧燃料本身對多環(huán)芳香烴的生成貢獻能力也是影響PAHs的熒光強度和碳煙生成的重要原因.含氧量相當時,摻混正丁醇后PAHs的熒光光譜強度和碳煙濃度比添加甲醇、乙醇、丁酸甲酯和DMF這四種含氧燃料的更低.因此從含氧燃料結(jié)構(gòu)來講,正丁醇摻混入T20燃料中降低PAHs和碳煙作用最顯著.

含氧燃料;多環(huán)芳香烴;碳煙濃度;激光誘導熒光光譜;激光誘導熾光

1 引言

柴油機排放法規(guī)不斷嚴格和柴油燃料不可再生特性,使含氧生物燃料在柴油機上的應用得到廣泛關(guān)注.目前國內(nèi)外在柴油機上研究和應用較多的含氧生物燃料主要有生物柴油、甲醇和乙醇.研究表明,在柴油燃料中摻混一定比例的含氧生物燃料,發(fā)動機動力性不受影響,同時柴油機碳煙排放顯著降低.1-4

隨著燃料制備技術(shù)發(fā)展,正丁醇和2,5-二甲基呋喃(DMF)這兩種新型含氧燃料得到廣泛關(guān)注.與甲醇和乙醇相比,丁醇和DMF制備過程更加節(jié)能環(huán)保、燃料熱值更高,而且與柴油混合后不易分層.5,6研究表明,柴油機燃用柴油/乙醇和柴油/正丁醇混合燃料后碳煙排放顯著降低,摻混正丁醇油耗和熱效率均略優(yōu)于摻混乙醇.7,8燃用柴油/DMF混合燃料結(jié)果表明,當DMF體積分數(shù)為40%時,碳煙排放量接近于零.6,9

但是,發(fā)動機試驗結(jié)果受很多因素影響.摻混含氧生物燃料后,燃料沸點、粘度、氣化潛熱等物理特性改變,同時混合燃料十六烷、燃料成分、含氧量等化學特性改變,上述因素均會影響碳煙排放.此外,柴油機燃燒過程是復雜的湍流預混與擴散燃燒過程,其燃燒碳煙排放受發(fā)動機噴射策略和缸內(nèi)流動特性等邊界條件影響,這給碳煙生成氧化機理研究帶來困難.

在層流火焰中進行光學診斷測量是研究碳煙生成氧化歷程重要手段之一.10-16很多碳煙模型中小分子多環(huán)芳香烴(PAHs)被認為是碳煙主要前驅(qū)物,而且PAHs的濃度降低可以直接減少碳煙生成量.10,11Joannon等12在乙烯預混火焰上的激光誘導熒光光譜結(jié)果表明,熒光光譜能很好區(qū)分燃料熱解和氧化區(qū)域.Kobayashi等13在擴散火焰上的激光誘導熒光光譜結(jié)果表明,隨火焰高度升高,熒光光譜峰值紅移即PAH環(huán)數(shù)增大,可見熒光光譜分析有助于觀察PAH形成和演變過程.Lee等14在對沖火焰上的激光誘導PAH熒光和激光誘導碳煙熾光結(jié)果驗證了C3在燃燒過程中對PAHs的增長和炔丙基復合成環(huán)過程至關(guān)重要.國內(nèi)何旭、15陳亮16以及岳宗宇17等也應用激光誘導熾光定量研究了不同層流火焰中碳煙濃度分布.

燃料特性不同對燃燒火焰會產(chǎn)生很大影響.汽柴油燃料成分復雜,在進行燃燒機理研究時,多采用簡單替代物表征汽柴油燃料.18-22例如,使用正庚烷、異辛烷和甲苯混合物代表汽油;使用正庚烷與甲苯混合物代表柴油.先前研究22表明,當使用正庚烷與甲苯按照體積比例4:1摻混后的燃料(T20)可以很好表征柴油燃料的燃燒和排放特性.因此本研究選取T20作為柴油燃料替代物,并分別添加甲醇、乙醇、丁醇、丁酸甲酯和DMF這五種含氧燃料,保證混合燃料含氧量一致,通過激光誘導熒光光譜和激光誘導碳煙熾光來研究柴油替代物摻混不同含氧燃料對PAH熒光光譜和碳煙濃度的影響.

2 實驗部分

圖1是實驗裝置原理圖.Nd:YAG激光器(Pro 250Spectra Physics,USA)提供頻率10 Hz、脈沖能量0.085 J·cm-2、波長266 nm激光,通過透鏡組形成高50 mm、厚0.8 mm的激光片光源,經(jīng)過燃燒火焰中心激發(fā)芳香烴產(chǎn)生熒光,波長選擇266 nm主要是因為先前研究表明266 nm激發(fā)PAHs的熒光效果較其他波長更準確.23用一臺配有增強電荷耦合探測器(ICCD),DH720i Andor,Northern Ireland)的成像光譜儀(250isBruker,USA)采集芳香烴的熒光光譜,增強器的增益設(shè)置為200.通過焦距100 mm平凸透鏡收集熒光信號,同時采用由5根UV/Vis光纖組成的光纖束、并累加500次采集熒光光譜信號以提高信噪比.芳香烴熒光光譜采集通過信號延遲觸發(fā)器(DG535 Stanford Research,USA)控制,采集門寬20 ns(熒光壽命60 ns).光柵選擇150 lines·mm-1,對應光譜分辨率3 nm,可以測量紫外和可見光范圍內(nèi)250 nm的較寬波段.采集中心波長根據(jù)峰值波長調(diào)整.采集光纖頭布置在火焰中心軸的不同高度來采集受激的PAH熒光光譜.

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment system

激光誘導熾光(LII)研究同樣使用Nd:YAG激光器,波長選為532 nm.激光束經(jīng)過透鏡組形成與PAH熒光光譜研究等高等厚片激光,并通過火焰中心.熾光圖像信號通過一臺裝有雙像器(vz10-0274Lavision,Germany)的ICCD相機在垂直于激光片的方向上采集,雙像器裝有兩個中心波長分別為450 nm(半高寬(FWHM)=10 nm)和650 nm(FWHM= 10 nm)的帶通濾波片,從而將雙色法測溫與LII測量相互結(jié)合.激光能量調(diào)節(jié)為0.22 J·cm-2,以保證熾光信號不受激光能量影響,而且碳煙經(jīng)過該能量的激光加熱后溫度小于4000 K,不足以使碳煙升華,影響碳煙濃度(體積分數(shù))測量結(jié)果.相機門寬設(shè)置為20 ns,拍攝延時設(shè)置為激光到達后50 ns,這個延時時間是碳煙被激光加熱后溫度最高的時間,同時保證了PAH熒光和散射光不會干擾測量.采集結(jié)果通過公式(1)和(2)計算得到碳煙濃度定量信息,雙色法LII的優(yōu)勢主要是保持了碳煙濃度和形態(tài),減少了高能激光對測量的干擾,詳細的雙色法激光誘導碳煙熾光方法介紹見文獻.24

其中Tp為碳煙受激發(fā)后溫度(K);h為普朗克常數(shù)(kg· m-3);c是光速(m·s-1);k為波爾茲曼常量(Pa·s);λ1和λ2為選擇的檢測波長(nm);ηi為ICCD在λi波長下對于光強的敏感系數(shù);VEXP(λi)為ICCD的采集輸出信號值(counts);Δfi為濾光片的半高寬(nm);τpi為濾光片的最大通過率;E(mλi)為碳煙的折射率函數(shù),根據(jù)文獻24本文取值0.26;fv為碳煙體積分數(shù);ui為物距(m); Mi為相機放大倍數(shù);Ap為ICCD每個像素點的面積(m2);wb為激光片厚度(m);AL為相機鏡頭面積(m2).

部分預混火焰在實際燃燒裝置中應用廣泛,如柴油機、燃氣輪機、家用灶臺等;因此開展部分預混火焰的研究一方面可以為上述燃燒裝置提供一定指導,同時也可以為燃燒火焰相關(guān)計算模型提供更充分驗證.圖2為部分預混層流火焰燃燒器示意圖.燃料流量由注射泵(LSP01-2A)調(diào)節(jié)控制,預混空氣由流量計(ALICT-MC-2slpm)測量控制.燃料和預混空氣通過預混加熱形成燃空化學計量比為5的濃混合氣,供給的協(xié)流空氣在保證火焰穩(wěn)定性的同時參與燃燒過程.實驗用燃料命名及組成見表1.將正庚烷(純度99.0%)與甲苯(純度99.5%)按照體積比例4: 1比例混合,作為柴油替代物,用T20表示;然后在保證含氧質(zhì)量為4%條件下,向T20中摻混甲醇(純度99.5%)、乙醇(純度99.7%)和正丁醇(純度97%),分別用M7.4、E10.6和B16.8表示,研究不同醇類結(jié)構(gòu)對PAHs和碳煙影響;同時向T20中摻混正丁醇(純度97%)、丁酸甲酯(純度99%)和DMF(純度99.3%),分別用B16.8、MB10.4和DMF20表示,研究不同含氧官能團對PAHs和碳煙影響.

3 結(jié)果與討論

圖3為B16.8火焰在266 nm激發(fā)時的熒光光譜.圖中表明,熒光波長在280-650 nm時;C2的Swan譜帶(473.7,516.5和563.6 nm)對450-600 nm波長內(nèi)PAH熒光有很強干擾,這主要是由于C2H2、C2H4、PAHs和碳煙顆粒等產(chǎn)物的光解造成的.先前Kobayashi13和Sun25等研究已表明,不同芳香烴環(huán)數(shù)的熒光光譜特性不同,例如:單環(huán)芳香烴(A1)的主要熒光發(fā)射波長范圍在280-350 nm,2、3環(huán)芳香烴(A2、A3)發(fā)射波長在350-400 nm,4環(huán)芳香烴(A4)發(fā)射波長在400-500 nm.圖3表明,靠近燃燒器出口較低位置處,280-350 nm波段內(nèi)能觀測到很強熒光,這主要來自于單環(huán)芳香烴貢獻,例如燃料中甲苯和反應生成的單環(huán)芳香烴.隨著高度增加,燃料被消耗,芳香烴環(huán)數(shù)增長,280-350 nm波段熒光消失,在350-650 nm范圍內(nèi)熒光增強,這部分熒光主要來自于2-4環(huán)芳香烴.由此可見,隨著火焰高度升高,芳香烴不斷成環(huán)聚集生成更大環(huán)數(shù)芳香烴,熒光光譜峰值從300 nm逐漸紅移至450 nm,這與文獻13結(jié)果一致.

圖2 燃燒器示意圖Fig.2 Schematic diagram of burner system

圖4為T20火焰不同高度下的熒光光譜.由于C2對熒光光譜有干擾,所以采集火焰熒光光譜范圍在280-450 nm之間.圖中表明,在0-11 mm火焰中,光譜主要集中在280-350 nm,表明該高度范圍內(nèi)主要的PAH熒光來自于單環(huán)芳香烴.隨著高度增加,燃料中的甲苯燃燒被消耗,熒光光譜強度逐漸降低.在17-37 mm火焰中,280-350 nm的熒光消失,光譜主要集中在350-450 nm,表明該高度范圍內(nèi)主要的PAH熒光來自于更大環(huán)數(shù)芳香烴.在17-22 mm范圍內(nèi),隨著高度增加,芳香烴不斷增長,熒光光譜強度逐漸升高;在22-37 mm范圍內(nèi),芳香烴被氧化以及聚合生成碳煙,熒光光譜強度逐漸降低,并在37 mm處趨于平緩,芳香烴消失.

3.1 添加不同醇類影響

3.1.1 摻混不同醇對火焰PAH光譜影響

圖5為T20、M7.4、E10.6和B16.8四種燃料的火焰在不同高度下的熒光光譜.圖中表明,在相同含氧量下四種燃料中甲苯含量關(guān)系為:T20＞M7.4＞E10.6＞B16.8,所以在1 mm處T20熒光光譜最強,相應的摻混正丁醇熒光光譜最弱.在6 mm位置,四種燃料中甲苯燃燒被消耗,熒光減弱,在11 mm位置熒光進一步被消耗并趨于一致.值得注意的是,在6 mm位置E10.6燃料中甲苯盡管多于B16.8燃料,但是E10.6熒光光譜較B16.8弱,詳細原因?qū)⒃诤罄m(xù)分析.

在17-37 mm高度范圍內(nèi),四種火焰芳香烴熒光光譜強度關(guān)系為:T20＞M7.4＞E10.6＞B16.8,與燃料中甲苯含量一致,可見燃燒火焰中生成的PAH量基本取決于甲苯含量.在不含芳香烴燃料的燃燒過程中,PAH生成和生長過程主要受控于脫氫加乙炔(HACA)機理.11但是在含有甲苯的燃燒過程中, PAHs的生成和生長過程發(fā)生以下反應:26

其中,(R1)中的A2代表中間產(chǎn)物萘,(R3)中的A3代表中間產(chǎn)物菲.由于反應R1-R3的存在,促進了多環(huán)芳香烴的生成,而摻入含氧燃料后,甲苯含量減少,生成PAHs傾向降低,熒光強度減小.

圖6為圖5中提取波長在280-350 nm波段,在不同火焰高度下熒光光譜的積分值.圖中表明,當火焰高度低于11 mm時,不同燃料在280-350 nm光譜范圍的熒光強度積分值存在明顯不同.隨著甲苯含量降低,熒光強度積分值減少,根據(jù)文獻,26甲苯主要消耗生成苯和芐基,而由于芐基和苯的熒光和甲苯相同,所以從熒光分析甲苯消耗主要考慮苯和芐基的進一步反應,主要步驟和反應如下:

其中,(S1)中的c-C5H5代表環(huán)戊二烯基.值得注意的是,在6 mm處,E10.6的甲苯含量較B16.8的高,但是其熒光強度的積分值最低,這主要受控于不同含氧燃料的化學反應動力學影響.Westbrook等27研究表明,甲醇的消耗主要為脫氫反應,主要步驟如下所示:

McNesby等28研究表明,乙醇主要消耗為脫水和裂解反應,反應如下所示(其中R5消耗58%(x,摩爾分數(shù),下同)的乙醇,R6消耗30%的乙醇,R7消耗8%的乙醇,方程式中的M代表燃燒體系中的任意物質(zhì)):

表1 測試燃料的組成(φ,體積分數(shù))和目的Table 1 Constitute(φ,volume fraction)and purpose of testing fuels

圖3 B16.8火焰熒光光譜隨高度變化Fig.3 Fluorescence spectra of the B16.8 flame at different heights

Veloo29和Harper,30等研究表明,正丁醇主要消耗為脫氫反應和裂解反應,反應如下所示,其中R8和R9為脫氫反應,R10-R12為裂解反應.

脫氫和裂解產(chǎn)物進一步裂解生成C2H4、C3H6和C4H8(分別消耗19.8%、32.4%和25.5%的正丁醇),這些產(chǎn)物有利于PAHs生成和生長.

圖4 T20火焰熒光光譜隨高度變化Fig.4 Fluorescence spectra of the T20 flame at different heights

在火焰高度6 mm處由于反應R7的進行,促進了反應R4進行,消耗更多甲苯,所以E10.6熒光強度積分值較B16.8的低.在高于11 mm位置,正丁醇脫氫過程生成大量H和氧氣反應生成大量OH,促進了反應R4進行,消耗更多甲苯,因此其熒光強度積分值最低.隨著高度升高,燃燒反應R1-R3的進行,更大環(huán)數(shù)芳香烴生成,光譜向更大波長紅移,四個火焰在280-350 nm波段內(nèi)發(fā)出熒光基本一致.但值得注意的是在22 mm位置,T20在280-350 nm較其他三種添加含氧燃料的熒光強度高,這可能是由于T20甲苯含量較高,發(fā)生R13和R14反應,重新生成苯基.26添加含氧燃料后,C3H3和C2H2通過其他路徑反應消耗,沒有再生成苯基.

圖5 不同醇類摻混火焰熒光光譜隨高度變化Fig.5 Fluorescence spectra of the flames adding different alcohols at different heights

圖6 不同醇類摻混火焰的燃料甲苯和A1熒光強度與高度位置關(guān)系Fig.6 Relation between height and fluorescence intensity of toluene in fuels andA1 of the flames adding different alcohols

圖7為圖5中提取波長在400-450 nm波段,火焰不同高度下熒光光譜積分值,這部分熒光主要為A4貢獻.圖中表明,當火焰高度高于11 mm時,不同燃料在400-450 nm光譜范圍的熒光強度積分值存在明顯不同.隨著高度升高,芳香烴先生成生長,后被氧化和聚合生成碳煙,所以熒光光強積分值先升高后降低.由于步驟S2的進行,甲醇生成H和CO,促進S1和R4進行,生成了大量C3H3和C2H2,根據(jù)R13和R14成環(huán),之后加C2H2增長以HACA機理生成A4.而由于在R5-R12過程中,燃料中的一部分O通過脫水和裂解生成OH消耗,使得H生成量降低,所以相同含氧下甲醇生成的H更早更多,M7.4生成的A4早于E10.6和B16.8;雖然T20甲苯含量高于M7.4,但甲醇脫氫更早更多,所以M7.4生成A4也早于T20.由于T20本身甲苯含量較高,促進反應R1-R3的進行,且沒有含氧燃料氧化影響,所以生成的A4明顯高于添加醇類之后的火焰.E10.6通過反應R6生成CH3,促進反應R4進行,生成C2H2,并通過反應R5生成C2H4,進一步生成C2H2,所以乙醇A4生成較晚一些.同時相比甲醇,乙醇通過反應R5和R6促進PAHs生成和生長,使得添加乙醇火焰中的A4生成增多,其最大值和添加甲醇火焰的基本相當.對正丁醇而言,雖然反應R8-R12生成C2H4、C3H6和C4H8等中間產(chǎn)物有利于PAHs生成和生長,但生成量比乙醇小,同時由于相同當量比條件下, B16.8的甲苯含量最低,且正丁醇脫氫過程生成大量H和氧氣反應生成OH,有利于PAHs氧化.所以A4沒有明顯升高.

圖7 不同醇類摻混火焰的A4熒光強度和高度位置關(guān)系Fig.7 Relation between height and fluorescence intensity of A4 of the flames adding different alcohols

3.1.2 摻混不同醇對碳煙濃度影響

圖8為基于時間延遲的雙色法LII(TR-TC-LII)測量的T20、M7.4、E16.8和B16.8四種燃料火焰中心軸位置上soot濃度沿高度變化結(jié)果.圖中表明,當火焰高度高于22 mm時,不同燃料碳煙濃度存在明顯不同,添加含氧燃料后soot濃度均降低,隨著火焰高度升高,碳煙呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,即在一定火焰高度下氧化速率大于生成速率,碳煙越過峰值,逐漸被氧化.在保證含氧量相當時,添加正丁醇火焰的碳煙降低最明顯,添加乙醇次之,而添加甲醇對碳煙降低作用最小.結(jié)合圖7發(fā)現(xiàn)A4在27-37 mm火焰高度范圍內(nèi)逐漸降低并消失,在這個高度范圍內(nèi)soot明顯生成.A4的生成氧化規(guī)律和soot生成氧化規(guī)律基本一致,這就驗證了文獻31推論,即A4是預測soot較準確的前驅(qū)物.

圖8 不同醇類摻混火焰中心碳煙濃度(fv)隨高度變化對比Fig.8 Relation between height and soot volume fraction (fv)of the flames adding different alcohols

從soot濃度峰值上看,相對于T20,添加甲醇降低15.4%.根據(jù)Westbrook等27研究結(jié)果,甲醇本身不生成碳煙或是有利于生成碳煙的小分子烯烴或炔烴.在大化學計量比條件下,甲醇上的OH會被H原子置換,32從而參與氧化,所以添加甲醇后,碳煙有所降低.相對于T20,添加乙醇降低了35.8%.根據(jù)Westbrook等27研究結(jié)果,乙醇雖然會產(chǎn)生大量乙醛這種含氧中間體,但也會產(chǎn)生乙烯這種容易生成PAHs的小分子物種,如反應R5所示.因此單純乙醇燃料soot生成應該較純甲醇多,但是由于保證含氧量一致時,添加乙醇的燃料中甲苯含量相比添加甲醇后的混合燃料要少,文獻27,28,32研究表明,乙醇較甲醇提供更多OH,使生成碳煙和前驅(qū)物PAHs的過程中的氧化量增加,因此保證含氧量一致時,乙醇的添加較甲醇更有效的減少碳煙排放.對照反應R5-R7和R8-R12,正丁醇生成C2H4小于乙醇,并且B16.8中甲苯含量低于E10.6,所以B16.8降低soot更多.從峰值位置關(guān)系可以看出,幾種摻混含氧燃料火焰的碳煙峰值出現(xiàn)高度位置相近,且均早于T20,這是由于含氧燃料的氧化作用,使得氧化反應較沒有含氧燃料的T20發(fā)生的更早.

3.2 不同含氧官能團影響

3.2.1 摻混不同含氧官能團燃料對火焰PAH光譜影響

圖9為T20、B16.8、MB10.4和DMF20四種燃料的火焰在不同高度下熒光光譜.與添加不同醇類的熒光光譜分析相似,在1-11 mm高度范圍內(nèi),熒光集中在280-350 nm.在相同含氧量下,四種燃料中的甲苯含量關(guān)系為:T20＞MB10.4＞B16.8＞DMF20, T20熒光光譜最強,摻混DMF熒光光譜最弱.值得注意的是,在6 mm位置MB10.4燃料中的甲苯盡管多于B16.8燃料,但是MB10.4熒光光譜強度比B16.8弱,這是因為丁酸甲酯裂解產(chǎn)物除含氧小分子外,均為CH3和C2H4,33而CH3促進反應R4進行,消耗更多甲苯.

圖9 不同含氧官能團燃料摻混火焰熒光光譜隨高度變化Fig.9 Fluorescence spectra of the flames adding different oxygenated group additives at different heights

在17 mm處,由于反應R1-R3進行,熒光波段為350-450 nm,且熒光強度關(guān)系和燃料的甲苯含量一致.隨著高度升高至22 mm,芳香烴生成增多,熒光強度增強.而在22-37 mm,隨著高度升高,芳香烴被氧化,同時部分聚合生成碳煙,芳香烴減少,熒光強度降低直至消失.在這個高度范圍內(nèi)雖然DMF20的甲苯含量低于B16.8,但是DMF分解生成環(huán)戊二烯基,34有助于生成多環(huán)芳香烴,所以DMF20熒光強度比B16.8強.MB10.4甲苯含量高于B16.8,同時正丁醇中的C―O生成CO,而MB中的C―O生成CO和CO2,見反應R15和R16,27,33所以MB10.4中由于CO2的生成需要更多的氧原子才能帶走相同量的碳原子,因此導致碳煙前驅(qū)物PAH生成量增大,其熒光強度大于B16.8燃料.

圖10為圖9中提取波長280-350 nm波段火焰在不同高度下熒光光譜積分值.與添加不同醇類的熒光光譜分析相似,當火焰高度低于11 mm時,不同燃料熒光強度積分值隨甲苯含量降低而減少.在6 mm處,MB10.4甲苯含量較B16.8高,但其熒光強度積分值低于B16.8,原因同圖9分析.隨火焰高度升高,更大環(huán)數(shù)芳香烴生成,光譜向更大波長紅移,四個火焰在280-350 nm波段內(nèi)發(fā)出熒光基本一致.在22 mm位置,T20在280-350 nm較其他三種添加含氧燃料的熒光強度高,原因同圖6分析.

圖10 不同含氧官能團燃料摻混火焰的燃料甲苯和A1熒光強度和高度位置關(guān)系Fig.10 Relation between height and fluorescence intensity of toluene in fuels andA1 of the flames adding different oxygenated group additives

圖11為圖9中提取波長在400-450 nm波段,火焰不同高度下熒光光譜積分值.圖中表明,當火焰高度高于11 mm時,不同燃料在400-450 nm光譜范圍熒光強度積分值整體變化趨勢與圖7相似.由于丁酸甲酯生成C2H4,且相同含量O帶走的C更少,同時MB10.4的甲苯含量較多,所以丁酸甲酯先生成A4;雖然DMF生成的環(huán)戊二烯基有利于生成多環(huán)芳香烴,但DMF生成C2時間較晚,所以DMF20的A4峰值靠后,且最大值接近MB10.4.丁醇的A4生成量始終較低,其原因同圖7分析.

圖11 不同含氧官能團燃料摻混火焰的A4熒光強度和高度位置關(guān)系Fig.11 Relation between height and fluorescence intensity ofA4 of the flames adding different oxygenated group additives

3.2.2 摻混不同含氧官能團燃料對碳煙濃度影響

圖12為TRF20、MB10.4、B16.8和DMF20四種燃料火焰中心軸位置上碳煙濃度(fv)沿高度變化的對比.圖中表明,B16.8生成碳煙最少,相比于T20降低43.5%.DMF20生成碳煙濃度大于B16.8,相比于T20降低27.1%.與B16.8和DMF20相比,MB10.4生成碳煙更多,相比T20降低19.7%.一方面摻混含氧燃料后甲苯含量降低,造成碳煙生成減少;另一方面,相比與一般的碳氫燃料,由于反應R15和反應R16的發(fā)生,丁酸甲酯中的O以CO2和CO的形式帶走碳原子,而正丁醇和DMF均以CO的形式帶走了C,相同含氧下,B16.8和DMF20生成碳煙的碳含量小于MB10.4,所以B16.8和DMF20的碳煙濃度低于MB10.4,但是由于DMF分解生成環(huán)戊二烯基,有利于碳煙生成,所以DMF20碳煙濃度大于B16.8.從峰值的位置關(guān)系可以看出,幾種摻混含氧燃料火焰的碳煙峰值出現(xiàn)高度位置相近,且均早于T20,原因和圖8相同.

圖12 不同含氧官能團燃料摻混火焰中心碳煙濃度隨高度變化對比Fig.12 Relation between height and soot volume fraction of the flames adding different oxygenated group additives

4 結(jié)論

基于激光誘導熒光和激光誘導熾光的測試系統(tǒng)對不同火焰的多環(huán)芳香烴熒光光譜特性和碳煙濃度進行研究,并結(jié)合動力學分析得到以下結(jié)論.

通過PAH熒光光譜可測量不同燃料火焰中PAHs的生成和增長歷程.四環(huán)芳香烴(A4)的生成氧化規(guī)律碳煙基本一致,說明通過分析A4變化可以預測碳煙變化.

T20燃料中甲苯含量降低是導致PAH熒光光譜強度和碳煙濃度降低的主要原因,不同含氧燃料對多環(huán)芳香烴的生成貢獻能力也是影響碳煙生成的重要原因.

含氧量相當時,摻混正丁醇后PAH熒光光強和碳煙濃度比添加甲醇、乙醇、丁酸甲酯和DMF這四種含氧燃料更低,因此從含氧燃料結(jié)構(gòu)來講,正丁醇摻混入T20燃料中降低PAHs和碳煙作用最顯著.

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Fluorescence Spectra of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Soot Concentration in Partially Premixed Flames of Diesel Surrogate Containing Oxygenated Additives

ZHANG Peng LIU Hai-Feng*CHEN Bei-Ling TANG Qing-Long YAO Ming-Fa
(State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,P.R.China)

Partially premixed laminar flames were formed using our purpose-built burner.The soot reduction mechanism of blends of diesel and oxygenated fuel was explored.The mixture of toluene and n-heptane (volume ratio,20:80)(T20)was used as a diesel surrogate.Methanol,ethanol,n-butanol,methyl butyrate,and 2,5-dimethylfuran(DMF)were blended with T20,whilst retaining a 4%oxygen content.Laser-induced fluorescence(LIF)was used to obtain spatial fluorescence spectra of polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) in partially premixed co-flow flames.Laser-induced incandescence(LII)was used to measure soot concentration (volume fraction).The formation and growth of PAHs in flames varied with the fuel blend.Four-ring aromatics (A4)exhibited similar formation and oxidation to soot,so A4 was suitable for estimating soot formation and oxidation.With oxygenated additives,the content of toluene is reduced in T20 fuel,which is the major reason for the reduction of PAH fluorescence spectral intensity and soot concentration.The contribution of different oxygenated additives to PAH formation also affected soot reduction.The PAH-LIF spectral intensity and soot concentration of n-butanol/T20 blends were lower than those of fuels containing methanol,ethanol,methyl butyrate,and DMF.Therefore,n-butanol more effectively reduced PAHs and soot emission during thecombustion of the diesel surrogate(T20).?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

Oxygenated fuel;Polycyclic aromatic hydrocarbon;Soot concentration Laser induced fluorescence spectrum;Laser induced incandescence

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(51206120).

國家自然科學基金(51206120)資助項目

O643

10.3866/PKU.WHXB201411051www.whxb.pku.edu.cn

Received:July 31,2014;Revised:November 5,2014;Published on Web:November 5,2014.?