柴油摻混正丁醇對火焰發(fā)展及光譜的影響

劉海峰， 文銘升， 崔雁清， 張傳奇， 鄭尊清， 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

引 言

提高熱效率是國內(nèi)外內(nèi)燃機研究的關鍵目標， 由于柴油機排放控制與熱效率之間存在矛盾關系， 隨著排放法規(guī)愈加嚴格， 排放成為制約柴油機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保持高的熱效率， 國內(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)動機燃燒與排放， 且發(fā)動機動力性不受影響。 因此， 近年來， 有關柴油機含氧替代燃料的研究越來越受國內(nèi)外的研究學者關注。

正丁醇作為一種生物質(zhì)替代燃料， 近年來被國內(nèi)外廣泛研究[4-7]。 國內(nèi)外學者通過將正丁醇與柴油摻混研究其對柴油機燃燒和排放特性的影響， 結果表明， 柴油摻混正丁醇后能夠改善發(fā)動機的燃燒和排放特性、 提高發(fā)動機的熱效率[8-11]。 張鵬等[12]進行了柴油機摻混不同含氧燃料燃燒火焰自發(fā)光研究， 結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， 結果表明柴油中摻混正丁醇可以加快燃燒速率， 改善EGR對燃燒過程帶來的負面影響， 降低碳煙排放。 針對缸內(nèi)火焰發(fā)展和燃燒過程中間產(chǎn)物的自發(fā)光光譜進行研究， 有助于深入理解柴油摻混正丁醇混合燃料對柴油機缸內(nèi)燃燒過程的影響， 但目前相關研究還比較缺乏。

因此， 利用火焰高速成像技術和自發(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， 在光學發(fā)動機上研究柴油摻混正丁醇對火焰發(fā)展特征及自發(fā)光光譜的影響規(guī)律。

1 實驗部分

試驗在一臺光學發(fā)動機上進行， 該光學發(fā)動機是由一臺水冷、 四缸、 直噴柴油機改造而成， 僅保留了原機的第三缸作為工作缸， 其基本參數(shù)如表1所示， 光學發(fā)動機試驗裝置示意圖如圖1所示。

表1 光學發(fā)動機基本參數(shù)

圖1 光學發(fā)動機試驗示意圖

試驗過程中， 燃燒室中火焰成像的圖像信號通過加長活塞頂部的石英玻璃視窗， 然后經(jīng)過反光鏡反射， 由高速相機采集， 其采集的光信號波段范圍為400～700 nm。 光譜儀的光纖探頭布置在環(huán)形石英窗口一側接收燃燒過程中自發(fā)光信息， 光譜儀測量范圍是275～525 nm， 分辨率是3 nm， 可以對近紫外波段的羥基(OH)， 可見光波段的甲醛(CH2O)等燃燒物質(zhì)的發(fā)光光譜進行測量。 光譜信號采集使用ICCD探測器， 其帶有像增強器， 是專門用于光信號捕捉的裝置， 可以通過提高像增強器的增益值在納秒級的門寬下捕捉弱光信號， ICCD探測器可采集的光譜范圍是115～920 nm， 可以滿足光譜信號采集的需求。 光學發(fā)動機的有效可視范圍， 進/排氣門、 噴油器和缸內(nèi)壓力傳感器的相對位置如圖2所示。

光學發(fā)動機由測功機驅(qū)動， 轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1， 無廢氣再循環(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)的熱負荷， 避免污染可視化窗口， 光學發(fā)動機以跳火模式運行， 即每隔20個非著火循環(huán)著火1次。 光學發(fā)動機由于可視化窗口的引入， 導致壓縮比較低， 因此將進氣加熱到398 K， 使上止點附近達到約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和自發(fā)光光譜分析法。 火焰高速成像技術是一種傳統(tǒng)的光學測試方法， 操作比較簡便， 使用的儀器為高速相機。 由于發(fā)動機運行過程中存在一定幅度的振動， 相機應獨立布置， 不與發(fā)動機接觸。 在運行發(fā)動機之前， 需對相機位置及拍攝焦距進行校對工作， 使獲取的圖像達到最佳清晰度， 這樣就保證了在發(fā)動機運行過程中可以獲得缸內(nèi)燃燒過程的清晰圖像。 自發(fā)光光譜分析法是依據(jù)燃燒過程中某些物質(zhì)的化學發(fā)光現(xiàn)象， 通過光譜儀進行采集， 進而進行光譜分析的方法。 燃燒發(fā)光的機理可以概括為： 某些物質(zhì)(如反應物、 中間產(chǎn)物、 熒光物質(zhì)等)成分吸收反應釋放的能量而從低能級向高能級躍遷， 由于高能級不穩(wěn)定進而自發(fā)回到穩(wěn)定態(tài)的過程中以光輻射的形式釋放能量。 燃燒化學發(fā)光的來源主要為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程中自發(fā)光光譜隨時間的變化。

表2 燃料特性參數(shù)[14]

試驗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)動機輸出功相同， D100， DB20和DB40在每個著火循環(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)光光譜時只對比D100和DB40燃料。 此外， 本文研究不同冷卻水溫度與噴油時刻(start of fuel Injection， SOI)對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 結果與討論

2.1 冷卻水溫和噴油時刻對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明亮的著火點， 逐漸向外擴散， 其火焰零星分布且自發(fā)光呈現(xiàn)亮黃色。 這是由于柴油機噴油器在噴油結束后針閥關閉時存在因噴油壓力過低造成部分燃油滴漏的現(xiàn)象， 滴漏的燃油霧化不良， 油粒過大， 導致了噴油嘴附近碳煙的生成。 圖中表明， 冷卻水溫度不變， 噴油時刻推遲， 滯燃期縮短， 藍色預混火焰比例減少， 初始火核形成時刻推遲。 主要原因是推遲噴油， 燃料進入缸內(nèi)時的壓力和溫度較高， 導致滯燃期縮短， 預混燃燒比例降低。 圖中還表明， 噴油時刻不變， 提高冷卻水溫度， 滯燃期縮短， 藍色預混火焰比例減小， 初始火核形成時刻提前， 主要是因為冷卻水溫度升高， 缸壁度增大， 傳熱損失減少， 滯燃期縮短， 預混燃燒比例降低， 初始火核形成時刻提前。

由于DB20和DB40規(guī)律類似， 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燃料類似， 有些圖的中間也存在一個明顯的著火點， 其存在原因與D100燃料類似。 圖中表明， 冷卻水溫不變， 推遲噴油， 滯燃期縮短， 初始火核形成時刻推遲， 藍色預混火焰比例減少， 其原因與D100燃料類似。 圖4還表明， 噴油時刻不變， 提高冷卻水溫度， 滯燃期縮短， 初始火核形成時刻提前， 藍色預混火焰比例減少， 原因與D100燃料類似。

為了直接比對不同燃料的影響， 進一步選擇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， 著火時刻推遲， 藍色預混火焰比例增加， 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， 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燃料的滯燃期和預混燃燒比例高于D100燃料。 純柴油在發(fā)動機缸內(nèi)燃燒時滯燃期短， 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， 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。 類似現(xiàn)象在低冷卻水溫度或較早噴射時刻下均可以觀測到。 這表明， 當滯燃期延長后， 缸內(nèi)混合氣形成， 后續(xù)自燃以及燃燒火焰結構與傳統(tǒng)柴油機噴霧油束火焰發(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 冷卻水溫和噴油時刻對柴油摻混正丁醇混合燃料自發(fā)光光譜影響

對于D100燃料， 冷卻水溫度65和95 ℃規(guī)律類似， 且95和35 ℃差距較明顯， 因此選擇35和95 ℃冷卻水溫的自發(fā)光光譜進行對比分析。 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)說明高溫放熱反應已經(jīng)開始， CH2O則是低溫放熱反應的生成物， 圖中表明， 冷卻水溫35 ℃、 SOI-25工況下， -8 ℃A ATDC時沒有光譜信號， 在-6 ℃A ATDC時出現(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： 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)的帶狀光譜化學發(fā)光強度較低， 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， 結合圖3(a)可知， 采集不到明顯的發(fā)光信號， 可能是因為CH2O是低溫反應主要產(chǎn)物， 燃燒反應進展到高溫階段， 部分CH2O被消耗， 因此CH2O發(fā)光信號較弱。 隨著燃燒進一步發(fā)展， OH譜帶光強增加， 在-4 ℃A ATDC時OH譜帶最明顯， 且光強達到峰值， 總體光譜區(qū)域的峰值移動到約430 nm。 在-2 ℃A ATDC時， 總體光譜呈現(xiàn)類似黑體輻射的特征， 波長大于430 nm后光強一直處于高峰， 總體光譜區(qū)域的峰值移動到約450 nm， 說明此時總體光譜曲線是由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)角進一步推遲， 2 ℃A ATDC與12 ℃A ATDC時刻下的整體光譜的形狀與-2 ℃A ATDC的類似， 只是相應的光強減弱。 在12 ℃A ATDC之后燃燒自發(fā)光譜線峰值約為500 nm， 此時缸內(nèi)除了碳煙熾光外， OH化學發(fā)光仍然存在， 這是由于OH是高溫放熱階段的標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， 整體光譜的峰值開始向長波方向移動， 表明碳煙輻射增強， OH譜帶的光強峰值先增大后減小， OH和CH2O譜帶出現(xiàn)的時刻推遲， 表明高溫和低溫反應時刻推遲； 噴油時刻不變， 提高冷卻水溫， 整體光譜的光強增加， OH和CH2O譜帶的出現(xiàn)時刻提前， 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， 有利于促進高溫和低溫反應。

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)律類似， 選用DB40燃料進行分析。 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燃料類似。 1 ℃A ATDC時沒有光譜信號， OH譜帶在2 ℃A ATDC時出現(xiàn)， 此時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譜帶光強增加， 在5 ℃A ATDC時OH譜帶最明顯， 且光強達到峰值， 總體光譜區(qū)域的峰值移動到約440 nm； 曲軸轉(zhuǎn)角繼續(xù)推遲， OH譜帶光強降低。 圖中還表明推遲噴油， 光譜的整體光強增加， OH和CH2O譜帶的光強峰值提高， 表明推遲噴油對DB40燃料也是有利于促進高溫和低溫反應。

在SOI-15、 冷卻水溫95 ℃工況下對D100和DB40進行對比發(fā)現(xiàn)， D100燃料的自發(fā)光光譜在-7 ℃A ATDC時沒有光譜信號， 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)出更強的碳煙輻射連續(xù)光譜和OH帶狀光譜， 在-2 ℃A ATDC時OH譜帶光強最大且最明顯， 19 ℃A ATDC時OH譜帶光強降低到較弱水平。 DB40燃料的自發(fā)光光譜在5 ℃A ATDC時沒有光譜信號， 在7 ℃A ATDC時， 出現(xiàn)了較明顯的CH2O譜帶， 之后CH2O譜帶消失。 在9 ℃A ATDC時， OH譜帶光強最大且最明顯， 25℃A ATDC時， OH譜帶光強降低到較弱水平。 DB40燃料光譜的整體光強低于D100燃料， DB40燃料的OH和CH2O的譜帶出現(xiàn)的時刻遲于D100燃料， 表明DB40燃料的高溫和低溫反應時刻都遲于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， 因此DB40燃料的高溫和低溫反應時刻遲于D100燃料， 并且混合的改善及含氧的作用減少了碳煙生成， 光強降低。 此外， D100燃料的譜線經(jīng)過2 ℃A就呈現(xiàn)出了類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15 ℃A才呈現(xiàn)碳煙輻射譜的特征。

圖7 冷卻水溫95 ℃時DB40燃料自發(fā)光光譜

3 結 論

(1)冷卻水溫不變， 噴油時刻推遲， 滯燃期縮短， 初始火核形成時刻推遲， 藍色預混火焰比例減?。?噴油時刻不變， 提高冷卻水溫度， 滯燃期縮短， 初始火核形成時刻提前， 藍色預混火焰比例減小。 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刻推遲， 藍色預混火焰比例增加， 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波方向移動， 碳煙輻射增強， OH譜帶的光強峰值先增大后減小， OH和CH2O譜帶出現(xiàn)的時刻推遲， 表明高溫和低溫反應時刻推遲； 噴油時刻不變， 提高冷卻水溫， 整體光譜的光強增加， OH和CH2O譜帶的出現(xiàn)時刻提前， 表明高溫和低溫反應時刻提前。

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