李晶鑫，邵琪

含氧燃料燃燒的光學(xué)診斷研究

李晶鑫，邵琪

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

為研究不同含氧燃料在降低污染物上的差異，選用三種不同燃料，通過自發(fā)光的光學(xué)診斷方法對(duì)燃燒火焰進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)DMF30的含氧量和CO-O*生成量不一致，推測(cè)燃料中的氧可能有其他的轉(zhuǎn)化方式，B30燃料相對(duì)于其他兩種燃料來說的能夠有效減少碳煙、CH等污染物。

含氧燃料；碳煙；光學(xué)診斷；火焰自發(fā)光診斷

引言

傳統(tǒng)的汽油車與柴油車在燃燒的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，如顆粒物、一氧化碳、碳?xì)浜偷趸锏?，這些排放物隨著汽車保有量的上升而不斷增加。含氧燃料是可再生的生物質(zhì)燃料，同時(shí)降低了內(nèi)燃機(jī)燃燒時(shí)各種排放物的生成，在環(huán)境保護(hù)與資源節(jié)約方面均有較大優(yōu)勢(shì)。

上海交通大學(xué)呂興才等人進(jìn)行了在柴油中摻混乙醇的燃燒排放特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：隨著乙醇的不斷增加，著火時(shí)刻明顯推遲，碳煙和氮氧化物的生成量明顯下降[1]。Wu等人進(jìn)行了在丁酸甲酯燃料中摻混甲醇的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在燃燒過程中由于甲醇的加入增加了燃料中的氧原子，這些氧原子在燃燒的過程中與碳原子結(jié)合帶走了更多的碳原子，這在一定程度上減少了CO2的生成[2]。

自發(fā)光法相比于其他的光學(xué)診斷方法來說較為直接簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)單，因此通常被用于缸內(nèi)的光學(xué)檢測(cè)[3]。例如Stoj- kovic等人運(yùn)用了自發(fā)光法并結(jié)合高速攝像技術(shù)研究了燃料在氣缸中燃燒時(shí)的碳煙和OH的分布以及變化歷程[4]。

本文的主要研究工作是通過自發(fā)光診斷的方法比較不同含氧燃料與柴油燃燒時(shí)在降低碳煙及其中間產(chǎn)物生成量上的不同，從而提出含氧結(jié)構(gòu)的顆粒物燃料控制路線。

1 含氧燃料燃燒研究理論基礎(chǔ)

柴油機(jī)燃燒時(shí)的碳煙的形成要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的過程，首先柴油機(jī)中的燃料受熱分解產(chǎn)生碳煙的主要前驅(qū)物PAH，PAH不斷聚集形成碳煙的基核，碳煙的基核形成后，燃燒產(chǎn)生的各種微粒在該基核表面合并，形成碳煙生成過程中的主要粒子[5]。眾多的粒子通過凝聚過程不斷積聚最終生成碳煙26。而在碳煙生成的過程中，會(huì)產(chǎn)生各種前驅(qū)物如PAH（多環(huán)芳烴）、C2、CO-O*、CH、CH2O、OH以及SOOT等。不同的中間產(chǎn)物會(huì)發(fā)出光強(qiáng)不同的光，且前驅(qū)物的生成量越多，輻射強(qiáng)度越大[6]。

2 實(shí)驗(yàn)方法及圖像的處理

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

本實(shí)驗(yàn)的主要裝置為酒精燈、高速攝像機(jī)以及采集波段不同的濾鏡和一臺(tái)光譜儀。

本研究把正丁醇和2,5-二甲基呋喃與柴油以體積比1:4進(jìn)行混合，得到了兩種物性參數(shù)不同的混合燃料：B30 和DMF30。用高速攝像機(jī)拍攝燃燒的火焰自發(fā)光圖像，經(jīng)過標(biāo)定，光強(qiáng)計(jì)算等過程最終得到污染物的光強(qiáng)曲線。

由于兩種混合燃料的摻混量相同，這兩種混合燃料的氧含量也比較類似。因此可以忽略燃料中氧含量對(duì)污染物的影響。

2.2 采集波段和濾鏡的選取

本次試驗(yàn)所選擇的采集波段為372 nm～701 nm。本次試驗(yàn)所采用的五種不同的濾鏡的型號(hào)、采集波段、信號(hào)的主要來源物種和測(cè)量目標(biāo)物種在表1中給出。

表1 濾鏡參數(shù)

濾鏡型號(hào)采集波段/nm信號(hào)主要來源物種測(cè)量目標(biāo)物種 FF01?680/42?25659～701碳煙碳煙 FF02?520/28?25506～534碳煙、C2、CO-O*C2 FF02?472/20?25462～482碳煙、CO-O*CO-O* FF01?425/26?25412～438碳煙、CH、CO-O*CH

2.3 信號(hào)強(qiáng)度的計(jì)算

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)所能得到的信號(hào)V為：

濾光片的中心波長(zhǎng)為λ；半高寬為△fi；最大通過率為τp；鏡頭的放大倍數(shù)為M；像素點(diǎn)面向鏡頭方向的面積為S；一個(gè)像素點(diǎn)的面積為A1；激光片的厚度為W；相機(jī)鏡頭面積為A2；ni表示本試驗(yàn)所采用的高速攝像機(jī)在波長(zhǎng)為λ時(shí)對(duì)光強(qiáng)的敏感系數(shù)。本文的相機(jī)敏感系數(shù)ζ如圖1所示。

2.4 濾鏡通過率

取中心波長(zhǎng)為425 nm、472 nm、520 nm以及682 nm得到如圖2所示的濾鏡通過率圖像。

通過近似計(jì)算可知，中心波長(zhǎng)為425 nm的濾鏡片其通過率約為90%；中心波長(zhǎng)為475 nm、520 nm和682 nm的濾鏡片其通過率均為93%。

2.5 不同中間產(chǎn)物光強(qiáng)的計(jì)算

由圖1可知，相機(jī)敏感參數(shù)分別為425=0.634；472= 0.756；520=0.8615 7；680=0.953 719。對(duì)圖3的碳煙輻射曲線進(jìn)行基準(zhǔn)歸一化處理，表2表示最終歸一化處理的結(jié)果。

表2 歸一化結(jié)果

中心波長(zhǎng)/nmCO2的發(fā)光強(qiáng)度碳煙的發(fā)光強(qiáng)度 4250.418 8070.117 766 6 4720.406 3610.255 763 5 5200.348 6740.409 669 3 68011

忽略高速攝像機(jī)對(duì)光接受的差異以及同一種物質(zhì)在不同波長(zhǎng)的發(fā)光強(qiáng)度差異可以得到如下公式：

I?425=(I?425+I0*?425+I?425)×425×425（2）

I?472=(I?472+I0*?472)×472×472（3）

I?520=(I2?520+I0*?520+I?520)×520×520（4）

I?680=I?680×680×680（5）

計(jì)算所需的參數(shù)如表3所示：

表3 計(jì)算所需參數(shù)

中心波長(zhǎng)/nm濾鏡通過率τ相機(jī)敏感參數(shù)ζCO2的發(fā)光強(qiáng)度R碳煙的發(fā)光強(qiáng)度A 4250.900.6340.418 8070.117 766 6 4720.930.7560.406 3610.255 763 5 5200.930.861 570.348 6740.409 669 3 6800.930.953 71911

其中I為高速攝像機(jī)接受到的光強(qiáng)，為不同物質(zhì)的發(fā)射光強(qiáng)。計(jì)算過程如下：I=I?680。

由公式（3）可以推出：

I?472(472×472)=I?472+I0*?472=I0*?472+680?472×

I?680=I0*?472+680?472×I?680(680×680)

因此I0*的計(jì)算公式為：

I0*=I0*?472

=I?472(472×472) ?680?472×I?680(680×680)

= I?472(0.93×0.756) ?0.255 763 5×I?680(0.93×0.953 719)

= I?4720.703 8?0.255 763 5×I?6800.886 958 67 （6）

同理，由公式（2）和（4）可以推出：

I?425(425×425)=I425+I?425=I425+(425472)

×I0*?472+680?425×I?680(680×680)

I?520(520×520)=I2?520+I0*?520= I2520+(520472)

×I0*?472+680?520×I?680(680×680)

I和I2的計(jì)算公式如下：

I=I?425

= I?425(425×425) ?(472425)×I0*?472?(680?425×I?680)/

(680×680)

= I?425(425×425) ?(472425)×I0*?680?425×I?680/

(680×680)

= I?4250.570 9 ?0.970 282 254 1×I0*?(0.117 766 6×

I?680)/0.886 958 67 （7）

I2= I2?520

= I?520(520×520) ?(520472)×I0*?472?(680?520×I?680)/

(680×680)

= I?520(520×520) ?(520472)×I0*(680?520×I?680)/

(680×680)

= I?5200.801 260 1?0.858 040 018 6×I0*? (0.409 669 3

×I?680)/0.886 958 67 （8）

其中，I?425；I?475；I?520；I?680是經(jīng)過圖像采集得到的，分別代表四個(gè)濾鏡采集到的圖像的灰度值。

通過查閱文獻(xiàn)，引入在已知溫度下的SOOT輻射曲線，如圖3所示[7]：

圖3 SOOT輻射曲線

2.6 火焰自發(fā)光圖像的處理

利用Andor soils軟件對(duì)采集到的1 800張圖像素材進(jìn)行挑選，得到符合實(shí)驗(yàn)要求的300張圖像。

將300張圖像分為五組，利用Andor soils軟件中的Com- mand line功能對(duì)著60張圖形進(jìn)行累加計(jì)算。

在對(duì)上述五組圖像進(jìn)行累加計(jì)算后，通過Andor soils軟件中自帶的Command line功能對(duì)圖像進(jìn)行處理。處理的過程如圖4所示。

圖4 圖像處理

2.7 自發(fā)光圖像的標(biāo)定

標(biāo)定所使用的儀器主要有刻度尺、標(biāo)準(zhǔn)紙（每一小格對(duì)應(yīng)1 mm）以及高速攝像機(jī)組成。將刻度尺放在柴油機(jī)燃燒時(shí)的火焰旁，隨后將標(biāo)準(zhǔn)紙夾在漫射板上。標(biāo)定時(shí)對(duì)焦在漫射板上的標(biāo)準(zhǔn)紙。

3 含氧燃料結(jié)構(gòu)對(duì)碳煙生成影響的研究

圖5是通過對(duì)自發(fā)光圖像處理，光強(qiáng)計(jì)算和標(biāo)定等工作得到的光強(qiáng)圖，該圖的縱坐標(biāo)代表同一火焰高度下所有像素點(diǎn)的總光強(qiáng)。橫坐標(biāo)代表火焰的高度。圖6是三種燃料在整個(gè)燃燒過程中中間產(chǎn)物的總光強(qiáng)即不同污染物的總生成量。

圖6 四種污染物的總生成量

4 結(jié)論

（1）DMF30燃料含氧量高然而CO-O*的生成量卻較少，其燃料中大量的氧可能有其他的轉(zhuǎn)化方式。

（2）C2與碳煙的最終形成有很大的聯(lián)系，然而通過對(duì)比C2與碳煙的曲線可知C2的生成規(guī)律與碳煙的生成規(guī)律并不一致，可以猜測(cè)C2轉(zhuǎn)變?yōu)樘紵煏r(shí)有其他可能的轉(zhuǎn)變路徑。

（3）B30燃料的碳煙、CH等中間產(chǎn)物生成量都比較少，而DMF30雖然碳煙生成減少了但中間產(chǎn)物生成量增加了，因此B30燃料可以有效減少柴油機(jī)污染物的生成。

[1] 呂興才,馬駿駿,吉麗斌,等.乙醇/生物柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程與排放特性的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2008(02):140-146.

[2] Untao Wu,Ki Hoon Song,Thomas Litzinger,et al. Reduction of PAH and soot in premixed ethylene-air flames by addition of ethanol[J]. Combustion and Flame,2005,(4):144.

[3] 何旭,馬驍,王建昕.光學(xué)診斷在柴油機(jī)缸內(nèi)碳煙測(cè)試中的應(yīng)用[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2007(03):8-13.

[4] Boris D. Stojkovic, Todd D. Fansler, Michael C. Drake, Volker Sick. High-speed imaging of OH* and soot temperature and concentration in a stratified-charge directinjec- tion gasoline engine[J].Proceedings of the Combustion Institute,2004, (2):30.

[5] Musculus M P,Genzale C L,Reitz R D.Effects of Spray Targeting on Mixture Development and Emissions in Late-Injection Low-Tem- perature Heavy-Duty Diesel.

[6] Combustion.[J].Proceedings of the Combustion Institute,2008,32(2): 2767-2774.

[7] Guiberti T F,Durox D,Schuller T.Flame chemiluminescence from CO2-and N 2-diluted laminar CH 4/air premixed flames[J].Com- bustion and Flame,2017,181:110-122.

[8] Iuliis S D,Barbini M,Benecchi S,et al.Determination of the Soot Vo- lume Fraction in an Ethylene Diffusion Flame by Multiwavelength Analysis of Soot Radiation[J].Combustion and Flame,1998,115(1): 253-261.

Optical Diagnosis of Oxyfuel Combustion

LI Jingxin, SHAO Qi

( School of Automobile of Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

In order to study the difference of reducing pollutants between different oxyfuel, three different fuels were selected to study the combustion flame by self luminous optical diagnosis method. It is found that the oxygen content of dmf30 is not consistent with the CO-O* production. It is speculated that there may be other ways of oxygen conversion in the fuel. Compared with the other two fuels, B30 fuel can effectively reduce soot, CH and other pollutants.

Oxygenated fuel; Soot; Optical diagnosis;Flame self-luminescence diagnosis

TK43

A

1671-7988(2021)23-40-05

TK43

A

1671-7988(2021)23-40-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.011

李晶鑫，長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院車輛工程碩士研究生。