不同醇類(lèi)燃料對(duì)柴油替代物部分預(yù)混火焰多環(huán)芳烴及碳煙演化的影響

劉海峰，張?朔，張?鵬，堯命發(fā)

不同醇類(lèi)燃料對(duì)柴油替代物部分預(yù)混火焰多環(huán)芳烴及碳煙演化的影響

劉海峰1，張?朔1，張?鵬2，堯命發(fā)1

(1. 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；2. 長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，西安 710064)

針對(duì)柴油替代燃料TRF20(80%正庚烷＋20%甲苯體積比混合物)，分別摻混甲/乙/丁醇燃料，在燃燒器上建立部分預(yù)混層流火焰．采用平面激光誘導(dǎo)熒光和雙色激光誘導(dǎo)熾光對(duì)火焰中生成的碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳烴以及碳煙進(jìn)行光學(xué)診斷研究，得到了多環(huán)芳烴的熒光強(qiáng)度、分布以及碳煙的體積分?jǐn)?shù)、粒徑，分析了稀釋甲苯對(duì)多環(huán)芳烴生成影響以及醇類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)碳煙生成的影響．結(jié)果表明：柴油替代燃料TRF20中分別摻混甲/乙/丁醇后，從混合燃料的成分角度講，甲苯含量的稀釋是碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳烴以及碳煙降低的最主要原因，從摻混的三種醇類(lèi)分子結(jié)構(gòu)的角度講，柴油替代燃料TRF20中摻混正丁醇減少碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳烴和碳煙體積分?jǐn)?shù)的效果最佳．摻混丁醇后碳煙粒徑最小，其次是摻混乙醇，摻混甲醇的粒徑最大且只是略低于TRF20燃料．

甲/乙/丁醇；部分預(yù)混層流火焰；平面激光誘導(dǎo)熒光；激光誘導(dǎo)熾光；多環(huán)芳烴；碳煙

柴油機(jī)是汽車(chē)、輪船、工程機(jī)械、農(nóng)機(jī)和軍事裝備的主要原動(dòng)機(jī)，我國(guó)石油年消耗量的40%來(lái)自柴油機(jī)．廣泛的應(yīng)用使其面臨著能源危機(jī)與燃燒污染的雙重困擾．柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒方式使柴油燃燒不完全，被認(rèn)為是固體顆粒物(碳煙)排放的主要來(lái)源之一．目前，很多研究集中在如何實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低碳煙甚至零碳煙排放，柴油中添加含氧燃料是降低碳煙的重要策略之一[1-4]．

針對(duì)含氧燃料選擇，以甲醇、乙醇為代表的醇類(lèi)燃料制備技術(shù)成熟，成本低，研究較為廣泛．黃佐華等[2]使用柴油摻混甲醇燃料在柴油機(jī)中研究表明，碳煙排放較純柴油明顯下降，這是由于甲醇燃料中含氧，甲醇的加入加速了混合燃料的燃燒，燃燒更完全．胡斌等[3]使用柴油摻混含水乙醇作為燃料，并使用正己醇作為助溶劑，研究發(fā)現(xiàn)在低負(fù)荷工況下實(shí)現(xiàn)了無(wú)煙燃燒，碳煙排放為零．與甲醇和乙醇燃料相比，丁醇燃料的熱值更高，與柴油摻混不易分層，被認(rèn)為是柴油機(jī)上更具應(yīng)用前景的醇類(lèi)燃料[4-6]．Zhu等[6]研究表明，摻混正丁醇提高了柴油/生物柴油混合燃料的燃燒速率，降低了KL因子，一次碳煙顆粒的平均粒徑減小，粒徑分布向較小的尺寸范圍移動(dòng)．劉海峰等[7]使用柴油摻混丁醇燃料研究發(fā)現(xiàn)，碳煙輻射光譜減弱，化學(xué)發(fā)光光譜增強(qiáng)，表明碳煙排放降低，主要原因一是丁醇含氧分子結(jié)構(gòu)抑制碳煙生成，另外是丁醇十六烷值較低，導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)，改善了燃油空氣混合過(guò)程，降低了燃空當(dāng)量比濃度[8-9].

醇類(lèi)與柴油摻混后對(duì)碳煙有明顯的降低效果，但醇類(lèi)不同分子結(jié)構(gòu)差異對(duì)碳煙降低機(jī)理還有待進(jìn)一步揭示，激光診斷技術(shù)是探究碳煙生成氧化機(jī)制有效方法之一[10-13]．Yan等[14]采用激光誘導(dǎo)熾光和激光誘導(dǎo)熒光分別測(cè)量了逆流擴(kuò)散火焰中添加甲醇的碳煙體積分?jǐn)?shù)和多環(huán)芳烴(PAHs)濃度．摻混甲醇稀釋了混合燃料中甲苯含量，降低了混合燃料的碳?xì)浔?，減少了碳煙的碳供應(yīng)，進(jìn)而降低了生成碳煙的傾向；另外，甲醇分解增加的H2濃度被認(rèn)為在化學(xué)上抑制了初期苯環(huán)的形成和隨后的多環(huán)芳烴和碳煙生長(zhǎng)過(guò)程．Liu等[9]在Gülder液體燃燒器上采用雙色激光誘導(dǎo)熾光研究了乙醇/汽油混合燃料在層流擴(kuò)散火焰中的碳煙分布特性，試驗(yàn)在固定燃料質(zhì)量流量和固定碳質(zhì)量流量?jī)煞N燃料供給方式下進(jìn)行．結(jié)果表明，火焰中的碳煙體積分?jǐn)?shù)峰值和平均碳煙體積分?jǐn)?shù)均隨乙醇含量的增加而顯著降低，但隨著乙醇含量的持續(xù)增加，這種影響逐漸減弱．通過(guò)對(duì)兩種燃料供給方式的比較，發(fā)現(xiàn)摻混乙醇引起的碳含量降低對(duì)碳煙的降低影響較小．Chen等[15]在燃燒器上采用激光誘導(dǎo)熒光和激光誘導(dǎo)熾光研究了柴油替代燃料TRF(toluene reference fuel)20(80%正庚烷＋20%甲苯，體積比混合)摻混丁醇的4種同分異構(gòu)體對(duì)多環(huán)芳烴和碳煙形成的影響．結(jié)果表明，與基礎(chǔ)燃料TRF20相比，摻混丁醇后降低的甲苯含量是降低多環(huán)芳烴和碳煙的主要原因．摻混不同丁醇的混合燃料的多環(huán)芳烴生成差異歸因于丁醇同分異構(gòu)體反應(yīng)途徑的不同．

一方面，汽/柴油中摻入醇類(lèi)燃料使混合燃料的十六烷值降低進(jìn)而導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)；另一方面，醇類(lèi)燃料作為含氧燃料可抑制碳煙生成并促進(jìn)氧化，二者是降低碳煙的主要原因．但摻混不同醇類(lèi)燃料后，在保證摻混燃料等體積比以及控制摻混后的混合燃料等含氧量的條件下，降低碳煙的機(jī)制以及對(duì)燃料的稀釋和氧化作用熟重熟輕有待揭示．

本文選取了甲醇/乙醇/正丁醇3種含氧燃料，從醇類(lèi)結(jié)構(gòu)的角度對(duì)碳煙生成影響進(jìn)行研究．試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的部分預(yù)混層流燃燒器[16]上開(kāi)展，試驗(yàn)方法采用平面激光誘導(dǎo)熒光和雙色激光誘導(dǎo)熾光，探究摻混不同醇類(lèi)燃料對(duì)PAHs和碳煙演化的影響機(jī)制．

1?試驗(yàn)裝置及方法

1.1?部分預(yù)混層流火焰試驗(yàn)裝置

圖1為部分預(yù)混層流火焰試驗(yàn)裝置，主要包括燃燒器、油箱、流量計(jì)、溫度控制表、流量控制表、燃燒器、激光器、信號(hào)延時(shí)觸發(fā)器DG535、ICCD相機(jī)等．與油箱連接的氮?dú)馄枯斎氲獨(dú)馓峁┕┯蛪毫?，?chǔ)存在油箱中的燃料通過(guò)油量控制開(kāi)關(guān)達(dá)到指定的流量進(jìn)入燃燒器混合腔室，燃料下行．與此同時(shí)，空氣通過(guò)氣體流量計(jì)從燃燒器底端流入混合室，被管壁加熱過(guò)的燃料與流入的空氣在混合室中混合加熱，使燃料蒸發(fā)成氣態(tài)促進(jìn)與空氣的混合并整體上行，上行過(guò)程中通過(guò)燃燒器內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)混合，使混合氣在達(dá)到燃燒器出口前混合均勻．

圖1?試驗(yàn)裝置

先前研究表明[17]，TRF是正庚烷與甲苯的混合物，是一個(gè)被廣泛研究的雙組分柴油替代燃料．正庚烷的十六烷值及氧化機(jī)理與柴油相近[18-19]，但在著火特性上存在一定差異[20]．甲苯的加入顯著降低了正庚烷的反應(yīng)活性，促進(jìn)了碳煙的生成．研究表明TRF可以在實(shí)際裝置中真實(shí)地反映目標(biāo)燃料的著火行為以及碳煙生成趨勢(shì)等特性．本實(shí)驗(yàn)選取TRF20為柴油替代燃料，其中甲苯含量為20%．作者先前在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)中，TRF20燃料在較寬范圍的廢氣再循環(huán)率(EGR)條件下，生成碳煙的效果與柴油接近，是研究柴油燃料碳煙生成氧化特性較理想的替代物．為保證火焰為層流火焰，且火焰中碳煙濃度易于測(cè)量，設(shè)置燃料流量為0.55mL/min，空氣流量為0.7L/min，對(duì)應(yīng)的預(yù)混燃空當(dāng)量比為5．摻混的含氧燃料選擇甲醇、乙醇、正丁醇，以上3種含氧燃料的理化性質(zhì)如表1所示．

表1?生物質(zhì)含氧燃料的特性參數(shù)

Tab.1?Characteristic parameters of biomass oxygenated fuel

1.2?多環(huán)芳烴及碳煙的激光診斷試驗(yàn)裝置

PAHs指含有兩個(gè)或者兩個(gè)以上苯環(huán)的芳香烴，是主要的碳煙前驅(qū)物，所以碳煙體積分?jǐn)?shù)與PAHs的生成量有密切關(guān)系，降低PAHs的生成量是降低碳煙體積分?jǐn)?shù)的重要途徑．本試驗(yàn)利用不同光學(xué)診斷方法，針對(duì)碳煙本身以及碳煙前驅(qū)物PAHs，探究醇類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)部分預(yù)混層流火焰碳煙生成的影響．

圖2為本實(shí)驗(yàn)利用激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量的PAHs熒光強(qiáng)度(濃度)圖像，其原理是利用266nm波長(zhǎng)的激光(Nd：YAG激光器，Pro-250，Spectra Physics，USA)激發(fā)出火焰中PAHs組分產(chǎn)生熒光．根據(jù)之前Sun等[21]和Michelsen等[22]研究，不同芳香烴環(huán)數(shù)對(duì)應(yīng)的熒光發(fā)射波長(zhǎng)范圍也不同，因此本文通過(guò)選擇不同的濾光片獲得不同波段的熒光圖像．圖2第1幅圖中，在燃燒器出口位置激發(fā)出300～330nm波長(zhǎng)范圍的熒光(315nm帶通濾鏡)，此熒光主要來(lái)源于柴油替代燃料中的甲苯以及生成的單環(huán)芳香烴等(燃料和A1)．隨著高度位置的升高，第2幅圖中的火焰中部位置激發(fā)出350～400nm波長(zhǎng)范圍的熒光(400nm低通濾鏡)，此熒光主要來(lái)源于生成的2～3環(huán)的多環(huán)芳香烴(A2和A3)．隨著位置繼續(xù)升高，第3幅圖中激發(fā)出400～480nm波長(zhǎng)范圍的熒光(492nm低通濾鏡)，此熒光主要來(lái)源于生成的4環(huán)的多環(huán)芳烴(A4)．

圖2?火焰結(jié)構(gòu)示意

通過(guò)分析被激光誘導(dǎo)的熾光信號(hào)衰減速率可獲取碳煙粒徑分布．激光能量較低的情況下，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行散熱的速度決定熾光信號(hào)的衰減幅度，而這種速度主要與粒子表面積/體積的比值有關(guān)．大粒徑顆粒面容比小，激光激發(fā)后的溫度以及熾光信號(hào)衰減速度慢，小粒徑顆粒熾光信號(hào)衰減較快．通過(guò)信號(hào)衰減速度來(lái)測(cè)量碳煙粒徑需要建立在熾光信號(hào)發(fā)展的數(shù)值模型基礎(chǔ)之上．筆者先前已經(jīng)建立并驗(yàn)證了碳煙顆粒的激光誘導(dǎo)熾光物理模型，詳細(xì)的介紹參見(jiàn)文獻(xiàn)[23]．

2?結(jié)果與分析

2.1?多環(huán)芳烴的激光診斷結(jié)果分析

影響碳煙生成的重要因素之一是氧含量，所以本部分試驗(yàn)設(shè)計(jì)在氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%)相同的條件下對(duì)不同醇類(lèi)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行探究，氧含量參數(shù)的選取參照了張鵬[24]在燃燒器上對(duì)部分預(yù)混火焰碳煙生成的研究．分別在TRF20燃料中摻混7.4%，10.6%和16.8%體積的甲醇，乙醇和正丁醇，用M7.4，E10.6和B16.8表示，燃料構(gòu)成見(jiàn)表2．

表2?相同氧含量實(shí)驗(yàn)燃料配比

Tab.2?Constitution of fuels at the same oxygen content

圖3為T(mén)RF20、M7.4、E10.6和B16.8共4種混合燃料火焰的多環(huán)芳烴熒光圖像．圖3中每個(gè)圖像的左半邊為小分子多環(huán)芳烴(A2和A3)分布，右半邊為大分子多環(huán)芳烴(A4)分布．由于1環(huán)芳香烴(A1)激光誘導(dǎo)成像的高度區(qū)間在0～10mm，受燃料中甲苯的影響顯著，所以圖中沒(méi)有比對(duì)A1．圖中相對(duì)熒光強(qiáng)度表明，在燃料TRF20中摻混含氧燃料后火焰中多環(huán)芳烴的分布區(qū)域減小，濃度降低．首先，就不同燃料生成多環(huán)芳烴的區(qū)域而言，燃料B16.8的區(qū)域最小，燃料M7.4與燃料TRF20區(qū)域大致相同，與燃料E10.6生成大分子多環(huán)芳烴的區(qū)域相同，大于燃料E10.6生成小分子多環(huán)芳烴的區(qū)域．其次，就不同燃料生成多環(huán)芳烴的濃度而言，燃料B16.8的濃度同樣也是最小，燃料M7.4生成多環(huán)芳烴的濃度明顯小于燃料TRF20，生成大分子多環(huán)芳烴的濃度略大于燃料E10.6．

圖3?摻混醇類(lèi)火焰PAHs分布

圖4為T(mén)RF20、M7.4、E10.6和B16.8共4種燃料火焰的中心線上小分子多環(huán)芳烴與大分子多環(huán)芳烴的相對(duì)熒光強(qiáng)度．相對(duì)于燃料TRF20在火焰中心線上生成多環(huán)芳烴的峰值，其他3種摻混不同醇類(lèi)的混合燃料降低小分子和大分子多環(huán)芳烴的幅度各不相同．就小分子多環(huán)芳烴而言，燃料M7.4的降幅為8.6%，燃料E10.6的降幅為10.7%，燃料B16.8的降幅為16%；就大分子多環(huán)芳烴而言，燃料M7.4的降幅為14.1%，E10.6的降幅為17.9%，燃料B16.8的降幅為25.5%．因此，對(duì)比3種混合燃料，燃料B16.8的A2～A4的多環(huán)芳香烴均最低，乙醇次之，摻混甲醇的降低幅度最?。?/p>

圖4?摻混醇類(lèi)火焰中心軸上PAHs熒光變化

2.2?稀釋及含氧量對(duì)多環(huán)芳烴影響的結(jié)果分析

由于不同醇類(lèi)燃料的含氧量不同，控制混合燃料相同含氧量時(shí)，勢(shì)必導(dǎo)致醇類(lèi)摻混比例不同，進(jìn)而影響混合燃料中甲苯和正庚烷的摻混量．甲苯作為芳香烴，其對(duì)碳煙前驅(qū)物及碳煙的生成有重要影響，因此本部分調(diào)配了與含氧燃料甲苯含量相當(dāng)?shù)膸追NTRF混合物，探究稀釋甲苯作用對(duì)多環(huán)芳烴生成影響，同時(shí)與摻混3種不同醇類(lèi)的保持相同氧含量的混合燃料做對(duì)比，詳細(xì)的燃料構(gòu)成見(jiàn)表3．

表3?稀釋甲苯實(shí)驗(yàn)燃料配比

Tab.3?Constitution of fuels for toluene dilution

圖5為稀釋甲苯含量的多環(huán)芳烴相對(duì)熒光強(qiáng)度診斷結(jié)果，分別與未被稀釋的燃料TRF20以及表2中的3種摻混燃料作對(duì)比．圖中表明，燃料M7.4由于摻混甲醇導(dǎo)致甲苯含量降低，主要因?yàn)榧状嫉奈锢硐♂屪饔脤?dǎo)致混合燃料中甲苯含量的降低．對(duì)比藍(lán)色和綠色柱狀圖可發(fā)現(xiàn)，由于甲苯含量降低導(dǎo)致小分子多環(huán)芳烴(A2和A3)的相對(duì)熒光強(qiáng)度降低9.3%，大分子多環(huán)芳烴(A4)的相對(duì)熒光強(qiáng)度降低7.3%．對(duì)比藍(lán)色和紅色柱狀圖可發(fā)現(xiàn)，燃料M7.4的小分子多環(huán)芳烴(A2和A3)相比于燃料TRF18.6下降了23.2%，大分子多環(huán)芳烴(A4)含量下降了24.5%．燃料E10.6由于摻混乙醇同樣導(dǎo)致混合燃料中甲苯含量降低，小分子多環(huán)芳烴的相對(duì)熒光強(qiáng)度降低9.8%，大分子多環(huán)芳烴的相對(duì)熒光強(qiáng)度降低10.6%．與M7.4相比，由于E10.6燃料中甲苯含量更低，因此其甲苯稀釋作用對(duì)A2～A4芳香烴的降低作用更顯著．與燃料TRF18相比，燃料E10.6的小分子多環(huán)芳烴相比于燃料TRF18下降了32.3%，大分子多環(huán)芳烴含量下降了32.2%．燃料B16.8由于摻混正丁醇體積比更高，因此導(dǎo)致混合燃料中甲苯含量降低最大，進(jìn)而導(dǎo)致更大的A2～A4的降低，其中小分子多環(huán)芳烴降低10.4%，大分子多環(huán)芳烴降低13.7%．燃料B16.8的小分子多環(huán)芳烴的含量相比于燃料TRF16.6下降了64%，大分子多環(huán)芳烴下降了36.8%．

圖5?相同氧含量摻混醇類(lèi)火焰的PAHs熒光強(qiáng)度

通過(guò)上述分析表明，一方面不同醇類(lèi)的摻混降低了混合燃料的甲苯含量，甲苯含量越低，其A2～A4的生成越少．Jia等[25]用半詳細(xì)燃燒機(jī)理模擬了TRF中摻混以上3種醇類(lèi)燃料的預(yù)混層流火焰中多環(huán)芳烴的生成，結(jié)果表明，多環(huán)芳烴是由苯和C2H2反應(yīng)生成，在TRF以及TRF摻混醇類(lèi)燃料火焰中，萘、菲和芘的摩爾分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)與苯的變化趨勢(shì)一致，多環(huán)芳烴的摩爾分?jǐn)?shù)主要由TRF中的甲苯含量決定．另一方面，3種不同醇類(lèi)燃料摻混后，均具有不同氧化能力，抑制PAHs生成和促進(jìn)PAHs氧化．Esarte等[26]在乙炔燃料中添加上述3種醇類(lèi)燃料研究表明，在無(wú)碳煙生成的當(dāng)量比下燃燒時(shí)，一氧化碳以及二氧化碳生成量的關(guān)系為甲醇＜乙醇＜正丁醇，證明甲醇燃料的氧化作用最小，正丁醇燃料的氧化作用最大，與本文結(jié)果相符合．

另外，控制醇類(lèi)燃料摻混體積比相同，此時(shí)甲苯含量相同，3種摻混醇類(lèi)的影響是主導(dǎo)因素．因此本部分調(diào)配了幾種甲苯含量一致且醇類(lèi)燃料摻混體積比相同的幾種混合燃料，詳細(xì)的燃料構(gòu)成見(jiàn)表4．

表4?相同摻混比例實(shí)驗(yàn)燃料配比

Tab.4 Constitution of fuels of the same blending volume ratio

圖6為控制混合燃料摻混體積比相同時(shí)的診斷結(jié)果，3種混合燃料M20、E20、B20中的正庚烷與甲苯的含量相同，所以此時(shí)相對(duì)于燃料TRF16降低的多環(huán)芳烴均由于3種摻混醇類(lèi)的影響．燃料M20的氧含量最大，甲醇中C—O鍵中的O與較多的C原子結(jié)合將其帶走，進(jìn)而使多環(huán)芳烴的生成量明顯降低．燃料E20比燃料B20的氧含量更多，但是文獻(xiàn)報(bào)道[26]，提供羥基的能力乙醇弱于正丁醇，結(jié)果表明摻混正丁醇生成多環(huán)芳烴的含量小于摻混乙醇．

圖6?相同體積比摻混醇類(lèi)火焰的PAHs熒光強(qiáng)度

2.3?碳煙的激光診斷分析

圖7為7種不同燃料配比的火焰(TRF20/ TRF18.6/TRF18/T16.6/M7.4/E10.6/B16.8)生成的碳煙體積分?jǐn)?shù)．結(jié)果表明控制混合物氧含量相同時(shí)，燃料TRF18.6的碳煙體積分?jǐn)?shù)總值比燃料TRF20低34.8%，而燃料M7.4的碳煙體積分?jǐn)?shù)總值比燃料TRF18.6只降低了0.4%，摻混甲醇以后，碳煙體積分?jǐn)?shù)降低主要因?yàn)榛旌先剂现屑妆胶康慕档停琖estbrook等[28]研究表明，甲醇既不生成烯烴、炔烴小分子，生成羥基的含量又很微弱，只有在大當(dāng)量比工況下，甲醇上的羥基OH才會(huì)被H原子置換，從而參與氧化，所以幾乎沒(méi)有甲醇帶來(lái)的影響．燃料TRF18的碳煙體積分?jǐn)?shù)總值比燃料TRF20低39.7%，而燃料E10.6的碳煙體積分?jǐn)?shù)總值比燃料TRF18低7.2%，摻混乙醇以后，碳煙體積分?jǐn)?shù)降低主要因?yàn)榛旌先剂现屑妆胶康慕档?，乙醇的存在既?huì)生成乙烯小分子，又會(huì)生成羥基，小分子容易生成碳煙，但是大量的羥基生成并參與氧化過(guò)程，對(duì)多環(huán)芳烴及碳煙生成影響更大，使多環(huán)芳烴及碳煙生成的含量降低，所以乙醇的結(jié)構(gòu)會(huì)抑制碳煙生成．燃料TRF16.6的碳煙體積分?jǐn)?shù)總值比燃料TRF20低62.8%，燃料B16.8的碳煙體積分?jǐn)?shù)總值比燃料TRF16.6低11.1%．摻混正丁醇以后，碳煙體積分?jǐn)?shù)降低主要因?yàn)榛旌先剂现屑妆胶康慕档停送?，文獻(xiàn)報(bào)道正丁醇生成乙烯小分子的量小于乙醇[29]，生成的羥基又參與氧化過(guò)程，所以正丁醇的結(jié)構(gòu)相較于乙醇而言對(duì)碳煙生成抑制更強(qiáng)．以上結(jié)果可以看出，首先，摻混醇類(lèi)后混合燃料中的甲苯被稀釋導(dǎo)致體積分?jǐn)?shù)降低，這是碳煙體積分?jǐn)?shù)降低的最主要原因；控制混合物氧含量相同，3種醇類(lèi)結(jié)構(gòu)抑制碳煙的生成的效果各不相同，其中，正丁醇降低碳煙生成效果最佳，乙醇效果小于正丁醇，甲醇的效果很微弱．不同醇類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)碳煙體積分?jǐn)?shù)影響及原因可參照張鵬?等[27]之前在燃燒器上建立的柴油替代燃料摻混含氧燃料的部分預(yù)混火焰中多環(huán)芳香烴的熒光光譜和碳煙體積分?jǐn)?shù)的結(jié)果．

圖7?不同醇類(lèi)結(jié)構(gòu)生成的碳煙體積分?jǐn)?shù)

圖8為4種不同燃料配比的火焰(TRF16/M20/ E20/B20)生成的碳煙體積分?jǐn)?shù)．結(jié)果表明，摻混含氧燃料體積比相同時(shí)，與燃料TRF16作比較，燃料M20生成的碳煙含量下降37.7%，燃料E20生成的碳煙含量下降43%，燃料B20生成的碳煙含量下降34.5%．因?yàn)榧状甲陨砣紵龥](méi)有碳煙生成，也沒(méi)有有助于生成碳煙的小分子烯烴和炔烴生成．正庚烷生成乙烯以及乙炔，甲醇中的O原子通過(guò)生成CO的方式將較多的C原子帶走，使碳煙的生成量下降．摻混相同體積的乙醇比摻混相同體積的甲醇降低碳煙量多5.3%，即使燃料E20的氧含量小于燃料M20，而且用于生成碳煙的碳含量大于燃料M20，不過(guò)文獻(xiàn)結(jié)果表明，乙醇分解生成的羥基參與碳煙的氧化過(guò)程使得碳煙的氧化量增加，因此最終的碳煙含量下降，另外，文獻(xiàn)[26]報(bào)道，乙醇在反應(yīng)中生成羥基而甲醇幾乎不生成羥基．觀察圖5中多環(huán)芳烴的結(jié)果，因?yàn)榧状嫉牧u基生成量微乎其微，乙醇的羥基提供較多，在多環(huán)芳烴轉(zhuǎn)化為碳煙的過(guò)程中，摻混乙醇生成的羥基促進(jìn)了碳煙的氧化，其氧化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摻混甲醇．摻混相同體積的正丁醇比摻混相同體積的乙醇降低碳煙量少8.5%，文獻(xiàn)報(bào)道[30-31]，正丁醇比乙醇的乙烯生成量要小，生成碳煙的趨勢(shì)也要小，但燃料B20中的氧含量小于燃料E20，因此用于碳煙生成的碳含量大于燃料E20．

圖9是控制含氧量相同的4種火焰(TRF20/ M7.4/E10.6/B16.8)中碳煙粒徑的二維診斷結(jié)果．保持含氧量一致時(shí)，摻混正丁醇燃料的火焰中，大尺寸碳煙粒徑的分布區(qū)域明顯減?。粨交煲掖既剂系奶紵熈匠叽缃档托Ч∮趽交煺〈既剂?；摻混甲醇燃料的火焰中，大粒徑的分布區(qū)域是3個(gè)醇類(lèi)燃料中最高的．

圖8?相同體積比摻混醇類(lèi)的碳煙體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖9?不同醇類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)碳煙粒徑激光診斷結(jié)果

圖10為4種不同燃料配比火焰(TRF20/M7.4/ E10.6/B16.8)中心線上的碳煙粒徑隨高度的變化趨勢(shì).燃料TRF20的粒徑相較于其他燃料最大，分別比燃料M7.4、E10.6、B16.8大11.3%、31%、34%．與燃料TRF20相比，燃料M7.4的甲苯含量下降，進(jìn)而使碳煙生成的中的吸附與聚合變少，從而導(dǎo)致碳煙粒徑變小．燃料E10.6、B16.8相較于燃料M7.4，混合燃料中的甲苯含量更低，文獻(xiàn)報(bào)道[30-32]，乙醇以及正丁醇在摻混燃燒的過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)生成羥基，增強(qiáng)了碳煙的氧化，使碳煙吸附與聚合量減小，加強(qiáng)了碳煙表面的氧化，進(jìn)而減小粒徑．

圖10?摻混醇類(lèi)火焰中心軸上碳煙粒徑對(duì)比

3?結(jié)?論

(1) 3種摻醇混合燃料中甲苯含量下降，導(dǎo)致多環(huán)芳烴以及碳煙含量均下降．

(2) 摻混正丁醇后多環(huán)芳烴的濃度、分布區(qū)域以及碳煙的體積分?jǐn)?shù)、粒徑均為最低，摻混甲醇混合燃料的上述參數(shù)最高．

(3) 從醇類(lèi)分子結(jié)構(gòu)來(lái)講，正丁醇燃燒生成有助于碳煙生成的小分子烯烴和炔烴較少，且能夠分解較多的羥基參與碳煙的氧化，抑制多環(huán)芳烴和碳煙生成的效果最佳．保持醇類(lèi)燃料摻混體積比例相同時(shí)：①摻混甲醇后生成小分子與大分子多環(huán)芳烴濃度均為最低，主要由于燃料M20的氧含量最大，甲醇中?C—O鍵中的O與較多的C原子結(jié)合將其帶走，使多環(huán)芳烴的生成量明顯降低；②摻混乙醇后的碳煙體積分?jǐn)?shù)最低，主要由于乙醇分解生成羥基參與碳煙的氧化過(guò)程而甲醇幾乎不生成羥基；③摻混正丁醇的混合燃料B20中的氧含量較小，用于碳煙生成的碳含量較大．

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Effects of Different Alcohol Fuels on Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Soot Evolution of Partially Premixed Flames Using Diesel Surrogate

Liu Haifeng1，Zhang Shuo1，Zhang Peng2，Yao Mingfa1

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Automobile，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

The partially premixed laminar flame was established in a burner by blending diesel surrogate fuel TRF20(80% n-heptane and 20% toluene in volumetric ratio)with different alcohol fuels of methanol/ethanol/bu-tanol. Planar laser-induced fluorescence and two-color laser-induced incandescent were used to analyze the soot precursors polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)and soot in the flame. The fluorescence intensity and distribution of PAHs，soot volume fraction and particle size were obtained. The effect of diluting toluene content on the formation of PAHs and the effect of alcohol structure on soot formation were analyzed. Results show that，after blending diesel surrogate fuel TRF20 with different alcohol fuels of methanol/ethanol/butanol，from the perspective of the composition of the mixed fuel，the dilution of toluene content is the main reason for the reduction of PAHs and soot. From the perspective of the molecular structure of the three alcohols，the blending of n-butanol in the diesel surrogate fuel TRF20 has the best effect in reducing the volume fractions of PAHs and soot. The particle size of soot with the blending of butanol is the smallest，followed by that of ethanol，and the particle size of soot with the blending methanol is the largest，which is only slightly lower than that of TRF20 fuel.

methanol/ethanol/butanol；partially premixed laminar flame；planar laser-induced fluorescence；laser-induced incandescence；polycyclic aromatic hydrocarbons；soot

TK401

A

1006-8740(2022)03-0313-09

2020-11-30.

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51806020)；國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育資助項(xiàng)目(91941102).

劉海峰（1981—??），男，博士，教授.

劉海峰，haifengliu@tju.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R202011023

(責(zé)任編輯：梁?霞)