張曉騰， 劉 威， 劉海峰， 鄭尊清， 明鎮(zhèn)洋， 崔雁清， 文銘升， 堯命發(fā)

天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室， 天津 300072

引 言

柴油機熱效率與排放控制之間存在著矛盾關(guān)系， 伴隨排放法規(guī)日益嚴(yán)苛， 實現(xiàn)柴油機高效清潔燃燒迫在眉睫。 燃料特性優(yōu)化對于柴油機油氣混合和燃燒過程具有顯著影響， 采用清潔的替代燃料有助于在降低排放的同時保持較高的熱效率[1]。

聚甲氧基二甲醚(PODE)具有高十六烷值、 高含氧量等優(yōu)勢， 近年來被國內(nèi)外廣泛研究[2-3]。 Ma等[4]在一臺定容燃燒彈上利用OH自發(fā)光和激光誘導(dǎo)熾光法研究了PODE/柴油混合燃料的噴霧燃燒特性， 結(jié)果表明隨PODE摻混比增加， 火焰浮起長度逐漸增加， 高碳煙區(qū)域向火焰中心移動。 Liu等[5]進行了柴油摻混PODE的火焰自發(fā)光研究， 結(jié)果表明在蒸發(fā)態(tài)下， 柴油摻混PODE可以減小液相噴霧貫穿距和噴霧錐角， 增加氣態(tài)燃油占比， 從而促進油氣混合。

環(huán)境氧濃度對火焰結(jié)構(gòu)有很大影響， 也是控制燃燒反應(yīng)速率和污染物排放的重要參數(shù)。 Duan等[6]在一臺單缸柴油機上研究了EGR率對ABE(丙酮-乙醇-丁醇)/柴油混合燃料的燃燒和排放特性的影響， 結(jié)果表明隨EGR率提高， 缸內(nèi)壓力以及放熱率峰值， NOx排放均顯著降低， 但碳煙、 CO和HC排放增加。 提高進氣氧濃度至大于21%的空氣體積比后， 可實現(xiàn)富氧燃燒， 有助于降低油氣當(dāng)量比， 提高燃燒反應(yīng)速率和燃燒火焰溫度， 促進燃料的充分燃燒和有害排放的氧化。 Nidhi等[7]研究了進氣富氧對火花點火式發(fā)動機燃燒和排放特性的影響， 結(jié)果表明在所有富氧工況下發(fā)動機的熱效率均顯著提高， 伴隨進氣氧濃度增加， NOx排放逐漸增加， 但當(dāng)進氣氧濃度提升至60.4%時， NOx排放顯著降低。 因此選擇合理的富氧濃度有助于實現(xiàn)碳煙和NOx排放的同時降低。 目前針對PODE的研究大多集中在空氣或低氧濃度的EGR條件， 缺乏富氧條件下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 因此針對PODE開展富氧條件下的研究不僅可豐富PODE的基礎(chǔ)燃燒參數(shù)， 而且對指導(dǎo)含氧燃料富氧燃燒以及高原缺氧條件下的補氧燃燒均具有重要的理論和工程價值。

羥基作為高溫反應(yīng)的重要標(biāo)志， 利用羥基的自發(fā)光光譜測量可有效獲得火焰結(jié)構(gòu)， 燃燒反應(yīng)位置、 燃空當(dāng)量比以及熱釋放速率等重要信息[8-9]。 Nils等[10]在一臺光學(xué)發(fā)動機上利用PLIF和LII方法研究了碳煙后期的氧化歷程， 結(jié)果表明OH生成總量與碳煙生成總量呈負相關(guān)關(guān)系， 且兩者分布區(qū)域也呈負相關(guān)。 目前常用的羥基自發(fā)光光譜測試方法， 直接用高速相機加波段濾光片， 相較PLIF的OH測試方法更簡單， 但是高速相機采集的是沿視線路徑和時間累加的羥基自發(fā)光光譜強度積分值來分析羥基分布， 無法進一步準(zhǔn)確給出各點位真實的羥基分布。 因此， 有必要通過不同的反演算法將羥基自發(fā)光光譜強度由積分值反演為點位值。

因此， 在一臺光學(xué)定容燃燒彈上， 首先利用羥基的自發(fā)光譜測量， 研究了寬環(huán)境氧濃度變化(15%～80%)對PODE噴霧火焰浮起長度的影響， 進一步利用阿貝爾逆變換方法將羥基自發(fā)光光譜強度由積分值反演為點位值， 研究了富氧條件下(40%～80%)氧濃度變化對PODE噴霧羥基分布的影響。 這對闡明PODE寬氧濃度下的燃燒特性， 指導(dǎo)PODE在發(fā)動機內(nèi)的高效清潔燃燒具有重要的理論和工程價值。

1 實驗部分

1.1 定容燃燒彈實驗系統(tǒng)

實驗在一臺光學(xué)可視化的定容燃燒彈上進行， 如圖1所示， 光學(xué)裝置可見容積為12 L， 四周設(shè)置四個相互垂直的光學(xué)視窗， 視窗采用JGS1高紫外石英材料， 有效可視直徑為100 mm。 窗口下部腔體內(nèi)壁纏繞大量電阻絲， 用于對裝置內(nèi)氣體加熱， 最高可達900 K。 腔體頂部中心設(shè)有直徑為0.14 mm的單孔噴油器， 豎直向下噴射。 腔體底部設(shè)有進/排氣口， 通過高壓氣瓶對裝置內(nèi)部充放氣以設(shè)定環(huán)境壓力， 最高可達6 MPa。

圖1 定容燃燒彈實驗系統(tǒng)示意圖

通過布置在噴油器下方軸向距離為10， 50和90 mm的三個熱電偶測定裝置內(nèi)溫度， 試驗時若三者溫差均小于20 K， 則將中間熱電偶溫度作為環(huán)境溫度。 采用Bosch高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)， 噴射壓力最高可達160 MPa， 噴油參數(shù)由常州易控ECTEK軟件實現(xiàn)精準(zhǔn)電控， 燃油噴射信號同時觸發(fā)一臺DG535延時觸發(fā)器， 以實現(xiàn)圖像采集設(shè)備在燃油噴射時刻同步拍攝。 圖像采集采用Andor公司生產(chǎn)的DH734i-18F-03型號ICCD相機， 配備焦距為100 mm的紫外鏡頭XY-100。

1.2 實驗燃料

采用青島同傳石化工程公司生產(chǎn)的PODE燃料， 其中所含PODE3， PODE4， PODE5， PODE6的質(zhì)量比例分別為44.8%， 28.24%， 17.09%和9.87%， PODE和柴油的主要理化特性如表1所示。

表1 PODE和柴油的理化性質(zhì)

1.3 方法

羥基是高溫反應(yīng)的標(biāo)志， 其自發(fā)光在310 nm波長附近存在明顯譜峰[1]。 因此在ICCD鏡頭前加裝一個中心波長為310 nm， 最大半寬為10 nm的濾光片以拍攝沿光程和時間累加積分的羥基自發(fā)光光譜。 同時， 采用Maes等[11]提出的方法定義火焰浮起長度： 將拍攝得到的羥基自發(fā)光光譜圖像沿噴霧軸線分為兩部分， 分別計算兩部分圖像中強度大于像素點最大強度10%的首個像素點距噴嘴的軸向距離， 取兩者平均值作為該圖像的火焰浮起長度。 利用阿貝爾逆變換方法實現(xiàn)羥基自發(fā)光光譜強度從積分值到點位值的反演， 阿貝爾逆變換示意圖如圖2所示。 本研究中的噴霧火焰被視為一個以噴嘴噴油方向為對稱軸且光學(xué)厚度足夠薄的圓錐體， 因此可以忽略在視線路徑上光譜信號強度的衰減， 認為光信號在火焰不同高度橫截面中的相同徑向位置保持一致， 從而滿足阿貝爾逆變換方法的應(yīng)用前提。

圖2 阿貝爾逆變換示意圖

通過ICCD相機拍攝得到點A′處的光譜信號強度積分值， 記為I(y)， 即

(1)

式(1)中，ε(r)表示距圓心徑向長度為r處的光譜信號強度點位值， 由勾股定理可知，r2=x2+y2， 代入式(1)， 可得

(2)

式(2)中，R為火焰半徑， 對式(2)進行求解， 可得阿貝爾逆變換式

(3)

式(3)無法直接應(yīng)用， 首先徑向上的光譜信號強度并不連續(xù)， 因此無法求得其解析解， 其次噪聲干擾經(jīng)微分處理后會急劇放大， 極大影響反演精度。 因此， 采用直接求解式(2)的Onion-Peeling (OP) 方法和簡化處理式(3)的Abel Three Point (ATP) 方法反演光譜信號強度點位值。

OP方法示意圖如圖3所示。 該方法將火焰橫截面劃分為1個圓和N個圓環(huán)， 其中圓環(huán)的寬度和圓的直徑均為d， 假設(shè)光譜強度點位值ε(r)在每個圓或圓環(huán)內(nèi)為定值， 則式(2)可化為

(4)

式(4)中，i=0, 1, …,N，j=i,i+1, …,N,yi=id，rj=jd。

圖3 Onion-Peeling方法示意圖

將式(4)按不同i值即不同縱向位置展開， 可將阿貝爾逆變換問題轉(zhuǎn)換為求解線性方程組

AOPx=b

(5)

式(5)中，bT={I(y0),I(y1),I(y2), …,I(yN)}， 表示不同縱向位置的光譜強度積分值，xT={ε(r0),ε(r1),ε(r2), …,ε(rN)}， 表示不同徑向位置的光譜強度點位值，AOP是尺寸為N×N的幾何關(guān)系矩陣。

(6)

將式(6)按不同徑向位置展開， 可將阿貝爾逆變換問題轉(zhuǎn)換為求解類似的線性方程組， 即

x=DATPb

(7)

具體實驗條件如表2所示， 環(huán)境溫度800 K， 環(huán)境壓力4 MPa， 噴油壓力100 MPa， 氣瓶中的氮氧混合氣是以指定比例預(yù)先制備好的， 其中氧氣體積分數(shù)誤差小于0.5%。 火焰浮起長度測量時， ICCD曝光時間為3 ms， 拍攝延遲為3.5 ms， 以確保PODE噴霧火焰進入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)； 研究羥基分布時， ICCD曝光時間為20 μs， 按時間順序設(shè)置了對應(yīng)火焰發(fā)展和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的三個拍攝延遲， 并隨氧氣濃度變化調(diào)整具體拍攝時刻， ICCD增益均為200。 進行5次重復(fù)實驗， 以保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2 實驗條件

2 阿貝爾逆變換方法的模擬驗證

在利用OP方法或ATP方法求解線性方程組時， 若系數(shù)矩陣尺寸過大， 矩陣病態(tài)會十分嚴(yán)重， 即環(huán)境中產(chǎn)生微小噪聲干擾， 待求量x的值就會發(fā)生急劇變化。 相關(guān)研究已經(jīng)證明， Tikhonov正則化方法可有效降低矩陣的病態(tài)特性[12]。 為了定量地評價Tikhonov正則化方法， 構(gòu)造了模擬噴霧火焰橫截面沿徑向的兩種已知的典型輻射強度分布函數(shù)-單峰和雙峰分布(對應(yīng)火焰底部和尖端)， 如式(8)和式(9)所示

ε1(r)=3(1-r2)2

(8)

(9)

(10)

I2(y)=12(1-y2)3/2-8(1-y2)5/2

(11)

將阿貝爾積分函數(shù)I1(y)和I2(y)在定義域內(nèi)20等分， 并分別以函數(shù)各位置數(shù)值為基準(zhǔn)添加增幅為2%的隨機噪聲， 利用OP和ATP以及耦合Tikhonov正則化的OP-Tik和ATP-Tik方法進行點位值的反演， 并與真實值比較， 結(jié)果如圖4所示。

圖4 考慮噪聲時的阿貝爾逆變換結(jié)果

進一步計算四種方法的反演結(jié)果均方根誤差， 取100次重復(fù)計算平均值作為最終結(jié)果， 如表3所示。

表3 不同阿貝爾逆變換方法的均方根誤差平均值

由圖4和表3可知， 耦合Tikhonov正則化后， OP和ATP方法的反演精度均有所提高， 四種方法反演準(zhǔn)確性排序依次為： ATP-Tik>OP-Tik>ATP>OP。 因此， 本文采用ATP-Tik方法進行羥基自發(fā)光光譜強度點位值的反演。

3 結(jié)果與討論

3.1 氧氣濃度對于PODE噴霧火焰浮起長度的影響

圖5是不同氧氣濃度下PODE噴霧火焰達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時沿光程和時間積分的羥基自發(fā)光光譜的二維成像結(jié)果。 火焰浮起長度如圖中白色虛線所示， 噴嘴位于每幅圖左側(cè)中心處， 如圖中綠色圓點所示。

圖5 不同氧氣濃度下PODE噴霧火焰在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下沿光程和時間積分的羥基自發(fā)光光譜結(jié)果

圖6為PODE噴霧火焰在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下火焰浮起長度隨氧氣濃度變化圖， 并與天津大學(xué)易文韜在相同試驗條件下的柴油結(jié)果進行對比[13]。 由圖可知， 在氧氣濃度為15%時， PODE噴霧火焰的浮起長度為48.2 mm， 伴隨氧氣濃度逐漸提升至40%， 火焰浮起長度迅速縮短， 氧氣濃度繼續(xù)提升， 火焰浮起長度下降幅度逐漸變緩， 直至基本不變。 在氧氣濃度為21%， 40%， 60%和80%時， PODE噴霧火焰的浮起長度分別縮短至32.7， 9.3， 4.5和4.2 mm。

圖6 PODE和柴油[13]噴霧火焰浮起

由圖5和圖6可知， 當(dāng)氧氣濃度由15%逐漸提高到60%時， 一方面由于噴嘴附近卷吸進入噴霧中的氧氣量增多， PODE噴霧與氧氣混合更為充分， 使得燃燒反應(yīng)更加迅速劇烈， 溫度較高的CH3， CH3O和CH2O等預(yù)混燃燒產(chǎn)物會產(chǎn)生O， HO， HO2和H等自由基， 進而促進反應(yīng)物的自燃。 另一方面氧氣濃度的提高也使環(huán)境氣體密度增加， 提高了噴霧周圍氣體的分子動量， 火焰擴散燃燒薄層處湍流運動不斷加劇， 加速了脫氫加氧等低溫化學(xué)反應(yīng)， 促進滿足著火條件的可燃混合物的形成。 因此， 提高氧濃度可以改善PODE噴霧的蒸發(fā)混合， 促進適宜著火的熱力學(xué)條件的形成， 進而提高著火穩(wěn)定性， 縮短火焰浮起長度。 火焰浮起長度的縮短有利于縮短火焰貫穿距， 避免柴油機工作過程中由于火焰撞壁而造成的傳熱損失和淬火等現(xiàn)象， 從而提高柴油機的熱效率并改善污染物排放[14]。 當(dāng)氧氣濃度由60%繼續(xù)提升至80%時， 火焰浮起長度基本不變。 主要原因是此時燃料燃燒不再由氧氣的擴散速率所主導(dǎo)， 汽化燃料生成速率有限， 制約可燃混合物的供給； 靠近噴嘴處的燃料噴射速度相對較高， 噴霧對流流動較強； 局部溫度相對較低， 不能及時加熱反應(yīng)物等因素共同導(dǎo)致了火焰浮起長度不再縮短。

對比圖6中PODE和柴油的火焰浮起長度結(jié)果， 可看到在相同氧氣濃度下， 柴油的火焰浮起長度明顯大于PODE。 主要是因為PODE的十六烷值相對較高， 其自燃著火溫度較低， 另外， 由于PODE的密度較大導(dǎo)致其燃料液體更快地霧化和蒸發(fā)， 以及初餾點較低所導(dǎo)致的汽化燃料生成速率較高等原因也促使了PODE的火焰浮起長度縮短。

3.2 氧氣濃度對PODE噴霧火焰羥基分布的影響

圖7是不同氧氣濃度下的PODE噴霧火焰圖像， 為方便觀察， 利用matlab軟件將拍攝得到的羥基自發(fā)光光譜真彩圖轉(zhuǎn)換為偽色圖， 對多次試驗的結(jié)果進行平均并進行歸一化后得到僅包含羥基自發(fā)光光譜亮度信息的平均偽色圖。 圖7中還給出了不同氧氣濃度下相同時刻的火焰自發(fā)光圖像， 筆者先前研究已證實PODE的火焰自發(fā)光主要為CO氧化化學(xué)發(fā)光[15]。

圖7表明， 隨氧氣濃度增加， 由噴霧外圍擴散火焰薄層進入燃燒區(qū)域的氧氣量有所增加， 燃燒反應(yīng)速率增大， 高溫反應(yīng)更加劇烈， 生成大量OH， 從而導(dǎo)致火焰自發(fā)光和羥基自發(fā)光中的高光強區(qū)域占比逐漸增加， 同時火焰內(nèi)部的中間燃燒產(chǎn)物遷移至火焰外側(cè)高溫濃OH區(qū)域充分氧化的距離變短， 因此兩者的分布區(qū)域逐漸變窄。 在氧氣濃度不高于21%時， 較長的火焰浮起長度使得燃料與空氣預(yù)混更加充分， 但是由于缺氧制約了下游擴散燃燒的進行， 導(dǎo)致預(yù)混燃燒比較高， 因此火焰自發(fā)光的高光強區(qū)域主要集中在上游； 而羥基自發(fā)光的高光強區(qū)域則主要集中在中下游， 主要是因為預(yù)混反應(yīng)區(qū)是高溫反應(yīng)起點， 此處局部溫度和羥基生成量還未得到充分提高， 而噴霧下游燃燒反應(yīng)較充分， 羥基得以在此逐漸積累， 使得半球形火焰頭部羥基自發(fā)光強度較高。 當(dāng)氧氣濃度由40%繼續(xù)增加時， 羥基自發(fā)光在火焰中的分布更加均勻， 此時火焰上游也出現(xiàn)較強的羥基自發(fā)光， 主要是由于富氧條件下PODE噴霧燃燒更加充分劇烈， 高溫放熱貫穿于整個燃燒過程。 火焰中下游由CO氧化化學(xué)發(fā)光所導(dǎo)致的火焰自發(fā)光高光強區(qū)域和羥基自發(fā)光高光強區(qū)域近乎重合， 主要是由于在PODE噴霧燃燒過程中， 來自上游的CH2O在OH的作用下生成大量CO并向中下游遷移， 在火焰中下游區(qū)域， 進行著CO+OH=CO2+H為主的反應(yīng)[16]。

由于圖7中羥基自發(fā)光強度是沿視線路徑和時間累加的積分值， 即沿火焰橫截面垂直方向的羥基自發(fā)光強度的疊加， 無法進一步給出火焰橫截面上各位置準(zhǔn)確的羥基自發(fā)光強度， 因此使用ATP-Tik方法進行點位值反演。 圖8是使用ATP-Tik方法計算得到的富氧條件下的PODE噴霧火焰羥基自發(fā)光光譜的阿貝爾逆變換結(jié)果圖。 由于距噴嘴軸向距離60 mm位置后燃燒趨于結(jié)束， 羥基自發(fā)光光譜強度迅速降低， 因此圖中只顯示了0～60 mm區(qū)間內(nèi)的火焰高溫反應(yīng)區(qū)域。

圖8表明， 富氧條件下PODE噴霧火焰中的羥基主要分布在噴霧邊緣擴散火焰薄層中， 而火焰中心軸線處則幾乎沒有羥基的分布。 由于預(yù)混反應(yīng)區(qū)下游附近局部溫度變化最為顯著， 羥基自發(fā)光光譜強度在該處達到最大值， 此處主要發(fā)生CH2O+OH=HCO+H2O， HCO+O2=CO+HO2， CO+OH=CO2+H等劇烈燃燒反應(yīng)。 伴隨氧氣濃度增加， 羥基自發(fā)光光譜高強度區(qū)域逐漸向火焰中上游區(qū)域遷移， 并且其分布表現(xiàn)為軸向上更短， 徑向上更窄， 尤其是在3.0 ms時刻火焰達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時， 相較于40%氧氣濃度條件， PODE噴霧火焰在60%和80%氧氣濃度下達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時火焰中下游的羥基自發(fā)光光譜強度明顯減弱， 表明高的環(huán)境氧濃度下噴霧上游的燃油高濃度區(qū)域更快的參與到劇烈的燃燒反應(yīng)中。

圖7 不同氧氣濃度下的PODE噴霧火焰圖像

圖8 富氧條件下PODE噴霧火焰羥基自發(fā)光光譜的

4 結(jié) 論

(1)伴隨氧氣濃度由15%增加至40%， PODE火焰浮起長度迅速縮短， 而氧氣濃度進一步增加至80%， 火焰浮起長度下降趨勢逐漸變緩， 直至基本不變； 在氧氣濃度為21%， 40%， 60%和80%時， PODE噴霧火焰的浮起長度分別縮短至32.7， 9.3， 4.5和4.2 mm； 相同氧氣濃度條件下， PODE的火焰浮起長度顯著小于柴油。

(2)阿貝爾逆變換方法耦合Tikhonov正則化后可有效降低矩陣的病態(tài)特性， 實現(xiàn)輻射強度分布函數(shù)由積分值到點位值的精確反演， 其中以ATP-Tik方法的反演精度最高。

(3)反演后的羥基光譜分布特征表面， 富氧條件下PODE羥基自發(fā)光光譜高強度區(qū)域主要集中于噴霧邊緣擴散火焰薄層中； 同時， 局部溫度的顯著提升使得羥基自發(fā)光光譜強度在預(yù)混反應(yīng)區(qū)下游附近達到最大； 羥基自發(fā)光光譜高強度區(qū)域隨氧氣濃度增加逐漸向火焰中上游區(qū)域遷移， 并且其分布表現(xiàn)為軸向上更短， 徑向上更窄； 在火焰達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時， 相較40%氧氣濃度條件， 60%和80%氧氣濃度下的羥基自發(fā)光光譜強度在火焰中下游明顯減弱。