劉海峰， 文銘升， 崔雁清， 張傳奇， 鄭尊清， 堯命發(fā)

天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072

引 言

提高熱效率是國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)研究的關(guān)鍵目標(biāo)， 由于柴油機(jī)排放控制與熱效率之間存在矛盾關(guān)系， 隨著排放法規(guī)愈加嚴(yán)格， 排放成為制約柴油機(jī)熱效率提高的主要因素之一。 采用清潔的替代燃料有利于在降低排放的同時(shí)保持高的熱效率， 國(guó)內(nèi)外研究表明[1-3]， 在柴油中添加一定比例的含氧燃料可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放， 且發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性不受影響。 因此， 近年來(lái)， 有關(guān)柴油機(jī)含氧替代燃料的研究越來(lái)越受?chē)?guó)內(nèi)外的研究學(xué)者關(guān)注。

正丁醇作為一種生物質(zhì)替代燃料， 近年來(lái)被國(guó)內(nèi)外廣泛研究[4-7]。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)將正丁醇與柴油摻混研究其對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放特性的影響， 結(jié)果表明， 柴油摻混正丁醇后能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性、 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率[8-11]。 張鵬等[12]進(jìn)行了柴油機(jī)摻混不同含氧燃料燃燒火焰自發(fā)光研究， 結(jié)果表明含氧燃料的添加降低了燃燒火焰溫度和火焰面積， 減少了燃燒過(guò)程中的碳煙排放。 王站成等[13]研究了柴油摻混不同比例正丁醇在不同EGR率下的燃燒和排放特性， 結(jié)果表明柴油中摻混正丁醇可以加快燃燒速率， 改善EGR對(duì)燃燒過(guò)程帶來(lái)的負(fù)面影響， 降低碳煙排放。 針對(duì)缸內(nèi)火焰發(fā)展和燃燒過(guò)程中間產(chǎn)物的自發(fā)光光譜進(jìn)行研究， 有助于深入理解柴油摻混正丁醇混合燃料對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響， 但目前相關(guān)研究還比較缺乏。

因此， 利用火焰高速成像技術(shù)和自發(fā)光光譜分析法， 采集柴油與柴油摻混正丁醇混合燃料的火焰自發(fā)光圖像和自發(fā)光光譜， 在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上研究柴油摻混正丁醇對(duì)火焰發(fā)展特征及自發(fā)光光譜的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

試驗(yàn)在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行， 該光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)是由一臺(tái)水冷、 四缸、 直噴柴油機(jī)改造而成， 僅保留了原機(jī)的第三缸作為工作缸， 其基本參數(shù)如表1所示， 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

表1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

圖1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)過(guò)程中， 燃燒室中火焰成像的圖像信號(hào)通過(guò)加長(zhǎng)活塞頂部的石英玻璃視窗， 然后經(jīng)過(guò)反光鏡反射， 由高速相機(jī)采集， 其采集的光信號(hào)波段范圍為400～700 nm。 光譜儀的光纖探頭布置在環(huán)形石英窗口一側(cè)接收燃燒過(guò)程中自發(fā)光信息， 光譜儀測(cè)量范圍是275～525 nm， 分辨率是3 nm， 可以對(duì)近紫外波段的羥基(OH)， 可見(jiàn)光波段的甲醛(CH2O)等燃燒物質(zhì)的發(fā)光光譜進(jìn)行測(cè)量。 光譜信號(hào)采集使用ICCD探測(cè)器， 其帶有像增強(qiáng)器， 是專(zhuān)門(mén)用于光信號(hào)捕捉的裝置， 可以通過(guò)提高像增強(qiáng)器的增益值在納秒級(jí)的門(mén)寬下捕捉弱光信號(hào)， ICCD探測(cè)器可采集的光譜范圍是115～920 nm， 可以滿足光譜信號(hào)采集的需求。 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效可視范圍， 進(jìn)/排氣門(mén)、 噴油器和缸內(nèi)壓力傳感器的相對(duì)位置如圖2所示。

光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)由測(cè)功機(jī)驅(qū)動(dòng)， 轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1， 無(wú)廢氣再循環(huán)， 共軌燃油系統(tǒng)可提供600 bar的噴射壓力。 為了減少石英窗和石英環(huán)的熱負(fù)荷， 避免污染可視化窗口， 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)以跳火模式運(yùn)行， 即每隔20個(gè)非著火循環(huán)著火1次。 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)由于可視化窗口的引入， 導(dǎo)致壓縮比較低， 因此將進(jìn)氣加熱到398 K， 使上止點(diǎn)附近達(dá)到約900 K的溫度， 保證能夠穩(wěn)定著火和燃燒。

圖2 可視化范圍

本文利用了兩種研究方法， 分別為火焰高速成像技術(shù)和自發(fā)光光譜分析法。 火焰高速成像技術(shù)是一種傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)試方法， 操作比較簡(jiǎn)便， 使用的儀器為高速相機(jī)。 由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在一定幅度的振動(dòng)， 相機(jī)應(yīng)獨(dú)立布置， 不與發(fā)動(dòng)機(jī)接觸。 在運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)之前， 需對(duì)相機(jī)位置及拍攝焦距進(jìn)行校對(duì)工作， 使獲取的圖像達(dá)到最佳清晰度， 這樣就保證了在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中可以獲得缸內(nèi)燃燒過(guò)程的清晰圖像。 自發(fā)光光譜分析法是依據(jù)燃燒過(guò)程中某些物質(zhì)的化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象， 通過(guò)光譜儀進(jìn)行采集， 進(jìn)而進(jìn)行光譜分析的方法。 燃燒發(fā)光的機(jī)理可以概括為： 某些物質(zhì)(如反應(yīng)物、 中間產(chǎn)物、 熒光物質(zhì)等)成分吸收反應(yīng)釋放的能量而從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷， 由于高能級(jí)不穩(wěn)定進(jìn)而自發(fā)回到穩(wěn)定態(tài)的過(guò)程中以光輻射的形式釋放能量。 燃燒化學(xué)發(fā)光的來(lái)源主要為OH， CH2O， C2和CH等自由基和CO氧化的連續(xù)光譜， 該方法可以記錄燃燒過(guò)程中自發(fā)光光譜隨時(shí)間的變化。

表2 燃料特性參數(shù)[14]

試驗(yàn)使用的燃料為純柴油(D100)、 柴油摻混20%正丁醇(DB20)和柴油摻混40%正丁醇(DB40)， 均按照體積比摻混。 為保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功相同， D100， DB20和DB40在每個(gè)著火循環(huán)噴入的油量分別為17.5， 18.7和19.2 mg。 柴油和正丁醇的燃料特性如表2所示。 由于規(guī)律的相似性， 因此在研究自發(fā)光光譜時(shí)只對(duì)比D100和DB40燃料。 此外， 本文研究不同冷卻水溫度與噴油時(shí)刻(start of fuel Injection， SOI)對(duì)不同燃料燃燒特性的影響規(guī)律， 其中冷卻水溫度分別為35， 65和95 ℃， SOI分別為-25 ℃A ATDC， -15 ℃A ATDC和-5 ℃A ATDC， 圖中分別用SOI-25， SOI-15和SOI-5表示。

圖3 D100燃料不同冷卻水溫下的火焰自發(fā)光圖像

2 結(jié)果與討論

2.1 冷卻水溫和噴油時(shí)刻對(duì)柴油摻混正丁醇混合燃料火焰發(fā)展的影響

圖3(a)， (b)和(c)為不同冷卻水溫度下D100燃料的火焰自發(fā)光圖像， 圖中最先著火的位置在燃燒室邊緣附近， 之后火焰向燃燒室中心區(qū)域發(fā)展， 有些圖的中間存在一個(gè)明亮的著火點(diǎn)， 逐漸向外擴(kuò)散， 其火焰零星分布且自發(fā)光呈現(xiàn)亮黃色。 這是由于柴油機(jī)噴油器在噴油結(jié)束后針閥關(guān)閉時(shí)存在因噴油壓力過(guò)低造成部分燃油滴漏的現(xiàn)象， 滴漏的燃油霧化不良， 油粒過(guò)大， 導(dǎo)致了噴油嘴附近碳煙的生成。 圖中表明， 冷卻水溫度不變， 噴油時(shí)刻推遲， 滯燃期縮短， 藍(lán)色預(yù)混火焰比例減少， 初始火核形成時(shí)刻推遲。 主要原因是推遲噴油， 燃料進(jìn)入缸內(nèi)時(shí)的壓力和溫度較高， 導(dǎo)致滯燃期縮短， 預(yù)混燃燒比例降低。 圖中還表明， 噴油時(shí)刻不變， 提高冷卻水溫度， 滯燃期縮短， 藍(lán)色預(yù)混火焰比例減小， 初始火核形成時(shí)刻提前， 主要是因?yàn)槔鋮s水溫度升高， 缸壁度增大， 傳熱損失減少， 滯燃期縮短， 預(yù)混燃燒比例降低， 初始火核形成時(shí)刻提前。

由于DB20和DB40規(guī)律類(lèi)似， 因此， 本文選用DB20燃料分析其火焰發(fā)展規(guī)律。 圖4(a)， (b)和(c)分別為不同冷卻水溫度與噴油時(shí)刻下， DB20的火焰自發(fā)光圖像， 圖中最先著火的位置與D100燃料類(lèi)似， 有些圖的中間也存在一個(gè)明顯的著火點(diǎn)， 其存在原因與D100燃料類(lèi)似。 圖中表明， 冷卻水溫不變， 推遲噴油， 滯燃期縮短， 初始火核形成時(shí)刻推遲， 藍(lán)色預(yù)混火焰比例減少， 其原因與D100燃料類(lèi)似。 圖4還表明， 噴油時(shí)刻不變， 提高冷卻水溫度， 滯燃期縮短， 初始火核形成時(shí)刻提前， 藍(lán)色預(yù)混火焰比例減少， 原因與D100燃料類(lèi)似。

為了直接比對(duì)不同燃料的影響， 進(jìn)一步選擇SOI-15、 冷卻水溫65 ℃工況， 分析柴油摻混不同比例正丁醇后對(duì)火焰發(fā)展的影響。 圖5為三種燃料火焰自發(fā)光圖像。 圖中表明， 隨著正丁醇摻混比例增加， 著火時(shí)刻推遲， 藍(lán)色預(yù)混火焰比例增加， 火焰亮度從大到小依次為： D100>DB20>DB40。 其原因是， 正丁醇的蒸發(fā)潛熱高于柴油， 隨柴油摻混正丁醇比例的加大， 混合燃料的蒸發(fā)潛熱增大； 同時(shí)， 正丁醇十六烷值低， 使混合燃料的活性隨正丁醇比例增大而降低， 因此DB20和DB40燃料的滯燃期和預(yù)混燃燒比例高于D100燃料。 純柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒時(shí)滯燃期短， 與空氣混合不均勻， 碳煙生成較多， 而正丁醇是低十六烷值含氧燃料， 混合的改善有利于減少碳煙生成， 而含氧量高有利于碳煙降低。 因此火焰亮度從大到小依次為： D100>DB20>DB40。 此外， D100燃料的燃燒還能分辨六個(gè)噴孔的油束火焰， 但隨著正丁醇摻混比例的增大， 滯燃期延長(zhǎng)， 早期油束火焰變得不清晰， 而呈現(xiàn)局部混合氣率先著火的特征。 類(lèi)似現(xiàn)象在低冷卻水溫度或較早噴射時(shí)刻下均可以觀測(cè)到。 這表明， 當(dāng)滯燃期延長(zhǎng)后， 缸內(nèi)混合氣形成， 后續(xù)自燃以及燃燒火焰結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)柴油機(jī)噴霧油束火焰發(fā)展相比存在一定改變。

圖5 冷卻水溫65 ℃， 不同燃料火焰自發(fā)光圖像

2.2 冷卻水溫和噴油時(shí)刻對(duì)柴油摻混正丁醇混合燃料自發(fā)光光譜影響

對(duì)于D100燃料， 冷卻水溫度65和95 ℃規(guī)律類(lèi)似， 且95和35 ℃差距較明顯， 因此選擇35和95 ℃冷卻水溫的自發(fā)光光譜進(jìn)行對(duì)比分析。 圖6(a)和(b)分別為不同冷卻水溫下D100燃料自發(fā)光光譜圖， 火焰自發(fā)光光譜一些典型的帶狀光譜已用箭頭表示出。 OH譜帶的出現(xiàn)說(shuō)明高溫放熱反應(yīng)已經(jīng)開(kāi)始， CH2O則是低溫放熱反應(yīng)的生成物， 圖中表明， 冷卻水溫35 ℃、 SOI-25工況下， -8 ℃A ATDC時(shí)沒(méi)有光譜信號(hào)， 在-6 ℃A ATDC時(shí)出現(xiàn)了CH2O(422～424和434.5 nm)和較弱OH帶狀光譜， 這些帶狀光譜被疊加到CO氧化連續(xù)譜(約350～500 nm之間)上， 此時(shí)總體光譜區(qū)域的峰值約為420 nm(不考慮CH2O和OH譜峰)。 此外， 在光譜圖上也觀察不到CHO和C2等物質(zhì)的譜帶， 其原因主要有兩個(gè)： 第一， 光譜分辨率較低(3 nm)不足以區(qū)分像CHO和C2等物質(zhì)的連續(xù)光譜的峰[15]； 第二， 這些物質(zhì)的帶狀光譜化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度較低， 以至于它們被CO氧化的連續(xù)光譜所覆蓋[16]。 隨曲軸轉(zhuǎn)角推遲， 在光譜上觀察不到明顯的CH2O譜帶， 結(jié)合圖3(a)可知， 采集不到明顯的發(fā)光信號(hào)， 可能是因?yàn)镃H2O是低溫反應(yīng)主要產(chǎn)物， 燃燒反應(yīng)進(jìn)展到高溫階段， 部分CH2O被消耗， 因此CH2O發(fā)光信號(hào)較弱。 隨著燃燒進(jìn)一步發(fā)展， OH譜帶光強(qiáng)增加， 在-4 ℃A ATDC時(shí)OH譜帶最明顯， 且光強(qiáng)達(dá)到峰值， 總體光譜區(qū)域的峰值移動(dòng)到約430 nm。 在-2 ℃A ATDC時(shí)， 總體光譜呈現(xiàn)類(lèi)似黑體輻射的特征， 波長(zhǎng)大于430 nm后光強(qiáng)一直處于高峰， 總體光譜區(qū)域的峰值移動(dòng)到約450 nm， 說(shuō)明此時(shí)總體光譜曲線是由CO氧化連續(xù)譜和碳煙輻射連續(xù)譜疊加而成， 從圖3(a)也可看出此時(shí)能觀察到明顯黃色碳煙火焰。 隨著燃燒發(fā)展， 曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)一步推遲， 2 ℃A ATDC與12 ℃A ATDC時(shí)刻下的整體光譜的形狀與-2 ℃A ATDC的類(lèi)似， 只是相應(yīng)的光強(qiáng)減弱。 在12 ℃A ATDC之后燃燒自發(fā)光譜線峰值約為500 nm， 此時(shí)缸內(nèi)除了碳煙熾光外， OH化學(xué)發(fā)光仍然存在， 這是由于OH是高溫放熱階段的標(biāo)志也是碳煙氧化的重要組分。 圖中還表明， 冷卻水溫不變， 推遲噴油， 整體光譜的峰值開(kāi)始向長(zhǎng)波方向移動(dòng)， 表明碳煙輻射增強(qiáng)， OH譜帶的光強(qiáng)峰值先增大后減小， OH和CH2O譜帶出現(xiàn)的時(shí)刻推遲， 表明高溫和低溫反應(yīng)時(shí)刻推遲； 噴油時(shí)刻不變， 提高冷卻水溫， 整體光譜的光強(qiáng)增加， OH和CH2O譜帶的出現(xiàn)時(shí)刻提前， 其原因主要是增大冷卻水溫度， 傳熱損失減少， 缸內(nèi)溫度提高， 有利于促進(jìn)高溫和低溫反應(yīng)。

圖6 不同冷卻水溫度下D100燃料自發(fā)光光譜

DB40和DB20的光譜規(guī)律類(lèi)似， 選用DB40燃料進(jìn)行分析。 由于35和65 ℃冷卻水溫下火焰自發(fā)光光譜太弱， 因此只選用95℃冷卻水溫的火焰自發(fā)光光譜進(jìn)行分析。 圖7為冷卻水溫95 ℃、 不同SOI下的DB40自發(fā)光光譜圖， 由于SOI-5工況下自發(fā)光太弱， 因此選擇SOI-25和SOI-15工況進(jìn)行分析。 圖中表明， SOI-25工況下， 在光譜圖上觀察不到明顯的CH2O， CHO和C2等物質(zhì)的譜帶， 其主要原因與D100燃料類(lèi)似。 1 ℃A ATDC時(shí)沒(méi)有光譜信號(hào)， OH譜帶在2 ℃A ATDC時(shí)出現(xiàn)， 此時(shí)總體光譜的特征呈現(xiàn)為CO氧化連續(xù)譜， 總體光譜區(qū)域的峰值約為420 nm。 隨著燃燒發(fā)展曲軸轉(zhuǎn)角推遲， OH譜帶光強(qiáng)增加， 在5 ℃A ATDC時(shí)OH譜帶最明顯， 且光強(qiáng)達(dá)到峰值， 總體光譜區(qū)域的峰值移動(dòng)到約440 nm； 曲軸轉(zhuǎn)角繼續(xù)推遲， OH譜帶光強(qiáng)降低。 圖中還表明推遲噴油， 光譜的整體光強(qiáng)增加， OH和CH2O譜帶的光強(qiáng)峰值提高， 表明推遲噴油對(duì)DB40燃料也是有利于促進(jìn)高溫和低溫反應(yīng)。

在SOI-15、 冷卻水溫95 ℃工況下對(duì)D100和DB40進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)， D100燃料的自發(fā)光光譜在-7 ℃A ATDC時(shí)沒(méi)有光譜信號(hào)， 在-6～-5 ℃A ATDC出現(xiàn)了較明顯的CH2O譜帶， 而-5 ℃A ATDC之后表現(xiàn)出更強(qiáng)的碳煙輻射連續(xù)光譜和OH帶狀光譜， 在-2 ℃A ATDC時(shí)OH譜帶光強(qiáng)最大且最明顯， 19 ℃A ATDC時(shí)OH譜帶光強(qiáng)降低到較弱水平。 DB40燃料的自發(fā)光光譜在5 ℃A ATDC時(shí)沒(méi)有光譜信號(hào)， 在7 ℃A ATDC時(shí)， 出現(xiàn)了較明顯的CH2O譜帶， 之后CH2O譜帶消失。 在9 ℃A ATDC時(shí)， OH譜帶光強(qiáng)最大且最明顯， 25℃A ATDC時(shí)， OH譜帶光強(qiáng)降低到較弱水平。 DB40燃料光譜的整體光強(qiáng)低于D100燃料， DB40燃料的OH和CH2O的譜帶出現(xiàn)的時(shí)刻遲于D100燃料， 表明DB40燃料的高溫和低溫反應(yīng)時(shí)刻都遲于D100燃料， 其原因主要是正丁醇的十六烷值較低， 柴油摻混正丁醇混合燃料的十六烷值低于柴油， 滯燃期較長(zhǎng)， 因此DB40燃料的高溫和低溫反應(yīng)時(shí)刻遲于D100燃料， 并且混合的改善及含氧的作用減少了碳煙生成， 光強(qiáng)降低。 此外， D100燃料的譜線經(jīng)過(guò)2 ℃A就呈現(xiàn)出了類(lèi)似碳煙輻射譜的特征， 而DB40燃料先呈現(xiàn)出CO氧化連續(xù)譜的特征， 經(jīng)過(guò)15 ℃A才呈現(xiàn)碳煙輻射譜的特征。

圖7 冷卻水溫95 ℃時(shí)DB40燃料自發(fā)光光譜

3 結(jié) 論

(1)冷卻水溫不變， 噴油時(shí)刻推遲， 滯燃期縮短， 初始火核形成時(shí)刻推遲， 藍(lán)色預(yù)混火焰比例減?。?噴油時(shí)刻不變， 提高冷卻水溫度， 滯燃期縮短， 初始火核形成時(shí)刻提前， 藍(lán)色預(yù)混火焰比例減小。 隨著正丁醇摻混比例的增加， 呈現(xiàn)局部混合氣率先著火的特征且著火時(shí)刻推遲， 藍(lán)色預(yù)混火焰比例增加， 火焰亮度降低， 火焰亮度從大到小依次為： D100>DB20>DB40。

(2)純柴油(D100)燃料隨噴油推遲， 整體光譜的峰值向長(zhǎng)波方向移動(dòng)， 碳煙輻射增強(qiáng)， OH譜帶的光強(qiáng)峰值先增大后減小， OH和CH2O譜帶出現(xiàn)的時(shí)刻推遲， 表明高溫和低溫反應(yīng)時(shí)刻推遲； 噴油時(shí)刻不變， 提高冷卻水溫， 整體光譜的光強(qiáng)增加， OH和CH2O譜帶的出現(xiàn)時(shí)刻提前， 表明高溫和低溫反應(yīng)時(shí)刻提前。

(3)柴油摻混40%正丁醇的DB40燃料隨噴油推遲， 光譜的整體光強(qiáng)增加， OH和CH2O譜帶的光強(qiáng)峰值提高， 表明推遲噴油對(duì)DB40燃料也是有助于促進(jìn)高溫和低溫反應(yīng)。 DB40燃料光譜的整體光強(qiáng)低于D100燃料， 其OH和CH2O的譜帶出現(xiàn)的時(shí)刻遲于D100燃料， 表明摻混正丁醇后燃料的高溫和低溫反應(yīng)時(shí)刻都相對(duì)D100燃料推遲。 SOI-15、 冷卻水溫95 ℃工況下， D100燃料的譜線經(jīng)過(guò)2 ℃A就呈現(xiàn)出了類(lèi)似碳煙黑體輻射譜的特征， 而DB40燃料先呈現(xiàn)出CO氧化連續(xù)譜的特征， 經(jīng)過(guò)15 ℃A才呈現(xiàn)碳煙黑體輻射譜的特征。