基于LII 法醇類燃料GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙生成機(jī)制

張玉林 ，蘇 巖 ，解方喜 ，楊 鶴，王 俊，田華宇

(1. 吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022；2. 吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；3. 中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

機(jī)動(dòng)車排放的顆粒物(PM)是對(duì)環(huán)境和人類健康有不利影響的污染物[1-2]．以前這種污染物通常與柴油機(jī)有關(guān)．近年來，火花點(diǎn)火(SI)發(fā)動(dòng)機(jī)也向直噴(DI)配置發(fā)展，汽油直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)已成為主流的動(dòng)力形式[3]．與傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射(PFI)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的動(dòng)力性、更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和更低的CO2排放．而GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)是其較高的PM 排放，張周等[4]研究發(fā)現(xiàn)，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)PM 質(zhì)量和數(shù)量排放均高于安裝柴油顆粒捕集器(DPF)的柴油機(jī)，且粒徑更小．空氣質(zhì)量問題和人類健康問題導(dǎo)致GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)PM 排放的法規(guī)越來越嚴(yán)格．2020 年實(shí)施的國(guó)Ⅵ排放法規(guī)不但限制了顆粒物的總質(zhì)量，還將顆粒物的數(shù)量限制為6×1011個(gè)/km．隨著排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，后處理系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，成本越來越高．因而通過改進(jìn)燃料和缸內(nèi)燃燒過程實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低PM 排放的技術(shù)十分重要[5]．

碳煙是發(fā)動(dòng)機(jī)PM 的主要成分，主要在缸內(nèi)燃燒過程中產(chǎn)生．GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙的形成機(jī)制和柴油機(jī)類似，其碳煙排放主要由高溫和濃混合區(qū)的碳煙生成過程以及氧化物質(zhì)存在區(qū)域的碳煙氧化過程控制[6-7]．發(fā)動(dòng)機(jī)燃用燃料的理化性質(zhì)對(duì)缸內(nèi)碳煙的生成和氧化過程均有很大影響，發(fā)展汽油機(jī)的高效清潔替代燃料也是一項(xiàng)重要的減排措施[8]．醇類燃料是一類重要的生物燃料，可以補(bǔ)充日益減少的化石燃料資源，對(duì)我國(guó)資源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重大意義．在各種醇類燃料中，甲醇和乙醇是最合適的替代燃料，其具有與汽油相似的多種燃燒特性[9-10]．近年來，甲醇和乙醇作為汽油機(jī)替代燃料的研究主要集中在其燃燒與排放特性方面[11]．與汽油及其代用燃料相比，甲醇和乙醇能夠有效降低SI 發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒排放[12-14]．然而，Chen 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，乙醇摻混會(huì)使GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)微粒排放增加．甲醇和乙醇的汽化潛熱分別是異辛烷的3.8 倍和3.0 倍．一方面，高汽化潛熱有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率；另一方面，與基礎(chǔ)燃料相比，甲醇和乙醇的高汽化熱、高密度和黏度也會(huì)導(dǎo)致霧化延遲和更大的液滴尺寸[16]．在燃料的化學(xué)性質(zhì)方面，甲醇和乙醇都是典型的低碳煙燃料，其較大的氧含量可降低關(guān)鍵碳煙前驅(qū)物質(zhì)的濃度，從而有助于減少PM 排放[17]．此外，其短碳鏈長(zhǎng)度也有利于減少碳煙[18]．物理過程(霧化、蒸發(fā))和化學(xué)機(jī)制(反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、氧含量)決定了燃料混合物的碳煙傾向．

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)可視化等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以激光誘導(dǎo)熾光(LII)法為代表的光學(xué)診斷技術(shù)被廣泛應(yīng)用于燃燒火焰中碳煙測(cè)量．LII 可用于測(cè)量火焰中碳煙體積分?jǐn)?shù)的二維分布，時(shí)間和空間分辨率高，且經(jīng)過標(biāo)定過程后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳煙的定量測(cè)量．唐青龍等[19]應(yīng)用LII 結(jié)合雙色測(cè)溫標(biāo)定法對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中的碳煙分布進(jìn)行了定量測(cè)量．劉海峰等[20]采用激光誘導(dǎo)熒光(LIF)法和LII 研究了不同醇類燃料對(duì)柴油替代物部分預(yù)混火焰多環(huán)芳烴和碳煙演化的影響，結(jié)果表明：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，摻混乙醇后的碳煙體積分?jǐn)?shù)最低．Velji 等[21]采用瑞利散射和LII 等多種光學(xué)測(cè)試方法，研究了不同噴射和點(diǎn)火正時(shí)下的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)碳煙生成與氧化特性，結(jié)果表明：池火是發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中碳煙形成的最主要來源，在幾乎所有的試驗(yàn)條件下都觀察到了池火燃燒．Goldlucke 等[22]運(yùn)用結(jié)合了Mie 散射、LIF 和LII 的技術(shù)，研究了一臺(tái)單缸GDI 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣濃度分布和碳煙體積分?jǐn)?shù)分布，結(jié)果表明：與均質(zhì)模式相比，分層模式下的缸內(nèi)碳煙生成量顯著增加．De-Francqueville等[23]結(jié)合LII 和激光消光法(LEM)對(duì)一臺(tái)SI 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的碳煙體積分?jǐn)?shù)分布進(jìn)行了定量測(cè)量，研究了不同廢氣再循環(huán)(EGR)率下的碳煙生成和氧化特性，結(jié)果表明：在過量空氣系數(shù)為0.7 的濃混合氣環(huán)境下，缸內(nèi)碳煙在排氣行程結(jié)束前無法被完全氧化．劉福水等[24]采用雙色激光誘導(dǎo)熾光(TC-LII)法，通過一臺(tái)協(xié)流擴(kuò)散燃燒器研究了甲醇摻混比對(duì)汽油火焰碳煙生成的影響，結(jié)果表明：在燃料流量一定或碳流量一定時(shí)，擴(kuò)散火焰峰值和平均碳煙體積分?jǐn)?shù)都隨甲醇摻混比的增加而降低．Storch 等[25]在定容燃燒彈上采用LII 和LEM 方法研究了乙醇摻混對(duì)碳煙生成過程的影響，結(jié)果表明：低比例乙醇摻混條件下碳煙呈增加趨勢(shì)，這是由于乙醇的高蒸發(fā)焓導(dǎo)致混合氣不均勻性更高．

為深入探索醇類燃料燃燒和碳煙生成氧化的過程、分析醇類燃料降低碳煙排放的機(jī)理，還需借助激光診斷技術(shù)對(duì)火焰內(nèi)部碳煙進(jìn)行精確的時(shí)間、空間解析．基于此，筆者通過一臺(tái)單缸GDI 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用雙色測(cè)溫法標(biāo)定的激光誘導(dǎo)熾光法定量測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)不同平面、不同時(shí)刻的二維碳煙體積分?jǐn)?shù)分布，研究了摻混甲醇和乙醇對(duì)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中碳煙生成和發(fā)展過程的影響，并進(jìn)行了詳細(xì)分析．采用DMS500 快速顆粒分析儀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣微粒進(jìn)行測(cè)量，探究燃用不同燃料時(shí)缸內(nèi)與排氣管的碳煙測(cè)試結(jié)果之間的關(guān)系．

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)通過一臺(tái)單缸GDI 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行，該光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)由一臺(tái)四氣門、1.4 L 的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)改造而成，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示．光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)可視化部分主要有石英缸套、石英活塞頂和45°反光鏡．6孔噴油器安裝在進(jìn)氣門旁邊，使用火花塞式缸壓傳感器代替原火花塞．圖1 為光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的石英玻璃視窗和可視區(qū)域．

圖1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的石英玻璃視窗和可視區(qū)域示意Fig.1 Schematic of the quartz window and viewing area of the optical engine

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications

圖2為L(zhǎng)II 缸內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)示意，包括激光系統(tǒng)、光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)和圖像采集系統(tǒng)．激光系統(tǒng)由Nd：YAG激光器、片光生成器和反射鏡組構(gòu)成．Nd：YAG 激光器可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為1 064、532、355 和266 nm 的激光．由于266 nm 和355 nm 激光可能激發(fā)多環(huán)芳烴產(chǎn)生熒光干擾信號(hào)，進(jìn)行LII 測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，常選用的激光波長(zhǎng)為532 nm 和1 064 nm．由于波長(zhǎng)為1 064 nm處于紅外波段，是非可見光，在光路調(diào)整上的難度較大，試驗(yàn)時(shí)，激光波長(zhǎng)選擇為 532 nm．Michelsen等[26]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于波長(zhǎng)為532 nm 的激光，在一定的激光能量范圍內(nèi)，LII 信號(hào)可保持穩(wěn)定且只與碳煙體積分?jǐn)?shù)有關(guān)．試驗(yàn)過程中，選取的激光能量為170 mJ．激光器產(chǎn)生的點(diǎn)光源經(jīng)過片光生成器形成橫截面為1 mm×66 mm 的片狀激光，沿水平方向從環(huán)形石英玻璃窗口進(jìn)入燃燒室．圖像采集系統(tǒng)由ICCD相機(jī)、尼康紫外增強(qiáng)鏡頭、雙像器、濾波片和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)組成．采用的相機(jī)為 LaVision 公司的Imager Pro X 2M，分辨率為1 600×1 200 像素，單個(gè)像素大小為 7.4μm×7.4μm，光譜范圍為 290～1 100 nm，頻率為30 幀/s．鏡頭為Nikon 的紫外鏡頭PF10545 MF-UV，焦距為105.2 mm，光圈為4.5．片狀激光穿過燃燒室中碳煙區(qū)域時(shí)形成熾光信號(hào)，熾光信號(hào)由加長(zhǎng)活塞頂部的石英玻璃視窗經(jīng)過45°反光鏡反射后，通過ICCD 相機(jī)采集．為了保證LII 信號(hào)的瞬時(shí)性，ICCD 相機(jī)的門寬為20 ns，增益為70，延遲為60 ns．圖3 為雙像器成像原理示意．雙像器是一組光學(xué)元器件，可使同一個(gè)目標(biāo)在同一時(shí)刻呈現(xiàn)出兩幅圖像，使用時(shí)安裝在紫外鏡頭的前端．配合兩個(gè)帶通濾波片可以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)相機(jī)一次拍攝，同時(shí)獲取碳煙熾光在兩個(gè)波長(zhǎng)上的信號(hào)．兩個(gè)濾波片的參數(shù)分別為：中心波長(zhǎng)為400 nm，半高寬(FWHM)為50 nm；中心波長(zhǎng)為600 nm，半高寬為10 nm．

圖2 基于激光誘導(dǎo)熾光法的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Experiment measuring system based on laser induced incandescence method

圖3 雙像器成像原理示意Fig.3 Schematic of the image-doubling setup principle

1.2 試驗(yàn)條件

為研究不同類型醇類燃料對(duì)汽油機(jī)缸內(nèi)碳煙分布的影響，將甲醇、乙醇分別與異辛烷以體積比1∶4進(jìn)行混合，配制了M20(甲醇體積分?jǐn)?shù)為20%)和E20(乙醇體積分?jǐn)?shù)為20%)兩種摻混燃料．此外，以純異辛烷(I100)作為參考燃料．在進(jìn)行光學(xué)測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，異辛烷通常被用作汽油的替代物，以防止汽油中其他組分的熒光信號(hào)干擾．甲醇、乙醇和異辛烷的主要物理化學(xué)特性參數(shù)如表2 所示．

表2 甲醇、乙醇和異辛烷的理化性質(zhì)Tab.2 Physicochemical properties of methanol，ethanol and isooctane

試驗(yàn)中，光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)由電機(jī)拖轉(zhuǎn)，并固定轉(zhuǎn)速為600 r/min．噴油時(shí)刻、噴油壓力和點(diǎn)火提前角分別設(shè)為240°CA BTDC、12 MPa 和10°CA BTDC，進(jìn)氣流量為9 kg/h．試驗(yàn)過程中保持進(jìn)氣流量不變，換用燃料時(shí)，通過比例計(jì)算其噴油脈寬，保持缸內(nèi)過量空氣系數(shù)相同．在可視化范圍內(nèi)選取距缸蓋為5 mm 和10 mm 的兩個(gè)平面進(jìn)行碳煙體積分?jǐn)?shù)測(cè)量．每個(gè)平面上選取5 個(gè)連續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻進(jìn)行成像，間隔為10°CA．在指定的曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻拍攝碳煙信號(hào)，通過使用角標(biāo)儀結(jié)合時(shí)序控制單元(PTU)和DaVis 軟件來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、激光器和ICCD 相機(jī)之間的同步，其時(shí)序示意如圖4 所示，系統(tǒng)的參考時(shí)間T1單位為曲軸轉(zhuǎn)角．

圖4 激光器與ICCD相機(jī)的時(shí)序示意Fig.4 Schematic of the time sequence among laser and ICCD camera

1.3 激光誘導(dǎo)熾光法基本原理及量化方法

碳煙顆粒受到激光照射時(shí)，迅速被加熱至4 000 K 左右且發(fā)出與升高溫度相應(yīng)的黑體輻射的現(xiàn)象稱為激光誘導(dǎo)熾光．在一定的激光能量范圍內(nèi)，碳煙發(fā)出的熾光信號(hào)強(qiáng)度與激光照射區(qū)域內(nèi)的碳煙體積分?jǐn)?shù)呈正比[27]．利用ICCD 相機(jī)采集碳煙顆粒受到激光激發(fā)后發(fā)出的熾光信號(hào)，經(jīng)過定量標(biāo)定可以得到碳煙體積分?jǐn)?shù)的分布．標(biāo)定過程[28]以雙色測(cè)溫原理為基礎(chǔ)，根據(jù)雙波長(zhǎng)下溫度和輻射光強(qiáng)的方程求解出受激后的碳粒溫度(Tp)和碳煙體積分?jǐn)?shù)(fv)，有

式中：h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為玻爾茲曼常數(shù)；λC1和λC2為選用濾波片的中心波長(zhǎng)，λC1和λC2分別為400 nm 和600 nm；IEXP1、IEXP2分別為ICCD 相機(jī)在不同波長(zhǎng)下輸出的熾光信號(hào)值；E(mλ1)、E(mλ2)分別為不同波長(zhǎng)下的碳煙吸收函數(shù)，有E(mλ1)=E(mλ2)=0.26[19]；η1、η2為不同波長(zhǎng)下相機(jī)對(duì)發(fā)光體輻射強(qiáng)度的響應(yīng)系數(shù)；ωb為激光厚度．

采用超高溫黑體爐對(duì)ICCD 相機(jī)的發(fā)光體輻射強(qiáng)度的響應(yīng)系數(shù)η進(jìn)行標(biāo)定．ICCD 相機(jī)采集到的信號(hào)值和超高溫黑體爐的輻射亮度值具有良好的線性關(guān)系，如圖5 所示，在采集波長(zhǎng)為400 nm 和600 nm下的響應(yīng)系數(shù)η1、η2分別為2.086×10-7和7.902×10-9．響應(yīng)系數(shù)標(biāo)定過程中相機(jī)位置、鏡頭參數(shù)和圖像采集系統(tǒng)設(shè)置等與LII 試驗(yàn)時(shí)保持嚴(yán)格一致．

圖5 ICCD相機(jī)響應(yīng)系數(shù)擬合Fig.5 ICCD camera response coefficient fitting plot

對(duì)于LII 測(cè)量，不確定性的主要來源包括兩個(gè)部分：第1 個(gè)是信號(hào)捕獲，這意味著激光片光和相機(jī)之間的碳煙云團(tuán)阻擋或削弱了LII 信號(hào)而被相機(jī)捕獲；第2 個(gè)不確定性來源與激光能量衰減有關(guān)，當(dāng)火焰中的碳煙體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，激光通量在通過火焰中的碳煙粒子團(tuán)時(shí)會(huì)降低到飽和狀態(tài)以下，從而導(dǎo)致激光路徑出口側(cè)的信號(hào)強(qiáng)度降低．信號(hào)捕獲效應(yīng)和激光能量衰減可能會(huì)導(dǎo)致LII 信號(hào)的低估，這兩種現(xiàn)象無法消除，但可通過在中等或低碳煙條件下使用LII 最小化影響．此外，在激光片光穿過發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室時(shí)，由于平行片光受到石英環(huán)柱面影響，進(jìn)入缸內(nèi)后會(huì)被展為張角較小的扇形，因而激光的能量密度在各距離上不一樣．但是由于缸內(nèi)光線的路徑大部分可視為直線，因而片光被展寬造成的能量下降沿軸線方向呈線性，可使用與距離相關(guān)的修正因子代入式(2)進(jìn)行修正計(jì)算．

在數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先通過DaVis 軟件平臺(tái)對(duì)ICCD 相機(jī)采集到的熾光信號(hào)圖像做減背景、能量修正等預(yù)處理，之后通過兩種方法對(duì)單張LII 圖像進(jìn)行篩選．首先通過缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行單張LII 圖像篩選，篩除燃燒相位嚴(yán)重偏離平均值的工作循環(huán)對(duì)應(yīng)的LII圖像，避免平均后的LII 圖像受到少數(shù)幾個(gè)燃燒相位嚴(yán)重偏離工作的影響．此外，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，還可以通過構(gòu)建的碳煙體積分?jǐn)?shù)和LII 信號(hào)的數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算缸內(nèi)的碳煙體積分?jǐn)?shù)分布；也可以通過拍攝得到的碳煙熾光在兩個(gè)波長(zhǎng)上的圖像進(jìn)行計(jì)算，將兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可有效去除誤差較大的單張LII 圖像．

2 結(jié)果與分析

2.1 缸內(nèi)壓力和放熱率

圖6 為3 種測(cè)試燃料I100、M20 和E20 的缸內(nèi)壓力和放熱率．缸內(nèi)壓力和放熱率的峰值隨著醇類燃料的加入而升高，M20 和E20 的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值均高于I100，M20 的變化更加明顯．此外，M20 和E20 的燃燒過程也有所提前．一方面，甲醇和乙醇都含有大量的活性羥基(OH 基)，能夠縮短低溫反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)，甲醇和乙醇本身的含氧特性會(huì)使氣缸內(nèi)混合氣變得稀薄，稀薄混合氣的燃燒有更高的熱效率[29]；另一方面，甲醇和乙醇的層流火焰速度高于異辛烷，從而使缸內(nèi)壓力上升速度加快，因而醇類燃料的摻混使得缸內(nèi)壓力及放熱率峰值增加，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前．

圖6 缸內(nèi)壓力與放熱率Fig.6 In-cylinder pressure and heat release rate

2.2 碳煙體積分?jǐn)?shù)分布

圖7為3 種測(cè)試燃料在5 mm 測(cè)量平面的碳煙體積分?jǐn)?shù)瞬態(tài)二維定量分布．激光片光與缸蓋底面的距離為5 mm，每一張圖片經(jīng)至少15 次重復(fù)的試驗(yàn)結(jié)果后取平均值．起始拍攝時(shí)刻為30°CA ATDC，間隔為10°CA．片狀激光從上向下入射，進(jìn)氣門位于上方位置，排氣門位于下方位置．

圖7 測(cè)試燃料I100、M20和E20在5 mm平面的碳煙體積分?jǐn)?shù)二維定量分布Fig.7 Two-dimensional(2D) quantitative soot volume fraction for I100，M20 and E20 on the 5 mm plane

可以看出，在不同的拍攝時(shí)刻，I100 燃料的碳煙分布都不均勻，大部分碳煙集聚在靠近進(jìn)氣門和噴油器的上方．激光片光穿過燃燒區(qū)域時(shí)，會(huì)被燃燒過程中生成的碳煙顆粒吸收一部分能量從而造成片光能量的衰減，導(dǎo)致出射一側(cè)熾光信號(hào)的減弱，因而獲得的LII 圖像中片光出射一側(cè)的真實(shí)碳煙體積分?jǐn)?shù)應(yīng)略高于圖像中展示的碳煙體積分?jǐn)?shù)．De-Francqueville等[23]研究表明，LII 激光衰減效應(yīng)對(duì)碳煙不均勻分布的影響相對(duì)較?。送猓瑖婌F引導(dǎo)型直噴汽油機(jī)存在油束活塞碰壁現(xiàn)象，在多個(gè)著火循環(huán)之后，從活塞頂面的碳煙沉積位置可以看出，碳煙沉積比較多的區(qū)域位于激光片光入射側(cè)．與I100 相比，M20 和E20 的碳煙分布相對(duì)比較均勻．這是因?yàn)榧状己鸵掖季哂懈偷姆悬c(diǎn)和更高的蒸氣壓，因而M20 和E20 在燃料噴射的早期階段蒸發(fā)更快．

筆者對(duì)每幅LII 圖像中碳煙體積分?jǐn)?shù)大于0 的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖8 和圖9 為測(cè)試燃料在5 mm 測(cè)量平面的碳煙體積分?jǐn)?shù)分布的像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)以及各碳煙體積分?jǐn)?shù)占比．平均碳煙體積分?jǐn)?shù)定義為單張LII 圖像中非0 像素點(diǎn)的碳煙體積分?jǐn)?shù)的平均值，每種燃料的最高碳煙體積分?jǐn)?shù)定義為5 個(gè)連續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻對(duì)應(yīng)的5 張平均LII 圖像的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)的最大值．圖8 中，對(duì)于I100，平均碳煙體積分?jǐn)?shù)在作功行程期間持續(xù)減少(至少在30°CA ATDC 之后)．此外，具有高碳煙體積分?jǐn)?shù)的像素?cái)?shù)在60°CA ATDC 后顯著減少(圖9)．隨著活塞向下移動(dòng)，碳煙的氧化速率大于生成速率，碳煙體積分?jǐn)?shù)開始減少．圖8 中，M20 的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)在30°CA ATDC 和40°CA ATDC 時(shí)基本相等．表明碳煙生成和碳煙氧化的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)在這個(gè)階段大致處于平衡狀態(tài)．在50°CA ATDC 之后，碳煙氧化機(jī)理占主導(dǎo)，平均碳煙體積分?jǐn)?shù)開始減少．對(duì)于E20，平均碳煙體積分?jǐn)?shù)先增加后減少．隨著活塞向下移動(dòng)，由油束活塞碰壁引起的池火在活塞頂面附近的空間中燃燒，碳煙的生成速率大于氧化速率；之后碳煙氧化機(jī)理占主導(dǎo)，碳煙體積分?jǐn)?shù)逐漸降低．各碳煙體積分?jǐn)?shù)范圍的占比可反映出測(cè)量平面上碳煙分布的均勻性，結(jié)合圖7 和圖9 可知，I100 的碳煙分布隨著曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)展逐步變得均勻；M20 的碳煙分布比較均勻，在5 個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻都有約95%像素?cái)?shù)的碳煙體積分?jǐn)?shù)集中在0～2×10-8范圍內(nèi)；E20 在50°CA ATDC和70°CA ATDC 時(shí)刻的碳煙分布較不均勻．

圖8 I100、M20 和E20 在5 mm 測(cè)量平面的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)和最高碳煙體積分?jǐn)?shù)Fig.8 Average soot volume fraction and maximum soot volume fraction for I100，M20 and E20 on the 5 mm plane

圖9 I100、M20 和 E20在5 mm測(cè)量平面碳煙體積分?jǐn)?shù)占比Fig.9 Proportion of soot volume fraction for I100，M20 and E20 on the 5 mm plane

結(jié)合圖8a 和圖8b 可以看出，在3 種測(cè)試燃料中，E20 的最高碳煙體積分?jǐn)?shù)最大，為2.06×10-8；M20 的最高碳煙體積分?jǐn)?shù)最小，為3.68×10-9；而且在每個(gè)信號(hào)采集時(shí)刻，M20 的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)都是3 種測(cè)試燃料中最低的．E20 的最高碳煙體積分?jǐn)?shù)略大于I100，差異較小，但是E20 的最高碳煙體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)時(shí)刻晚于I100 約20°CA(圖8a)．這可能是由于乙醇的汽化潛熱較高，在燃料霧化蒸發(fā)后期階段剩余液滴數(shù)量增加，油束活塞碰壁有所增加，其形成的部分附壁油膜在30°CA ATDC 來不及蒸發(fā)燃燒，隨著活塞移動(dòng)，這部分油膜開始蒸發(fā)燃燒，缸內(nèi)碳煙體積分?jǐn)?shù)升高，在50°CA ATDC 時(shí)達(dá)到最高．E20 燃料的物理特性，如汽化潛熱和非理想混合行為成為碳煙形成的主導(dǎo)因素．與I100 和E20 相比，M20 的5 張LII 圖像的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)都相對(duì)較低，甲醇具有更大的氧碳比，可以減少關(guān)鍵碳煙前驅(qū)物的形成，甲醇-異辛烷混合燃料的化學(xué)性質(zhì)主導(dǎo)了碳煙形成．

圖10 為3 種測(cè)試燃料在10 mm 測(cè)量平面的碳煙二維定量分布．激光片光與缸蓋底面的距離為10 mm．初始信號(hào)采集時(shí)刻為40°CA ATDC，此時(shí)水平激光片光可以掠過活塞頂面．可以看出，I100 的碳煙分布不均勻趨勢(shì)仍然明顯，大部分碳煙位于LII 圖像的上部．M20 和 E20 的碳煙分布相對(duì)比較均勻．與5 mm 平面相比，10 mm 平面上的碳煙體積分?jǐn)?shù)明顯更高．這是由于石英活塞頂部的部分附壁油膜在5 mm 平面處還沒有完全蒸發(fā)，隨著活塞向下移動(dòng)，會(huì)繼續(xù)蒸發(fā)燃燒，產(chǎn)生大量碳煙．

圖10 I100、M20和E20在10 mm平面的碳煙體積分?jǐn)?shù)二維定量分布Fig.10 Two-dimensional(2D) quantitative soot volume fraction for I100，M20，and E20 on the 10 mm plane

圖11和圖12 分別為I100、M20 和E20 在10 mm 測(cè)量平面上的碳煙體積分?jǐn)?shù)分布的像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)以及各碳煙體積分?jǐn)?shù)占比．I100 和E20 的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)隨著曲軸轉(zhuǎn)角呈先增加后減小的趨勢(shì)，在50°CA ATDC 時(shí)增加至最大值，隨后開始下降；該曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻，較大碳煙體積分?jǐn)?shù)像素點(diǎn)的占比也最高，分別有約26%和33%像素?cái)?shù)的碳煙體積分?jǐn)?shù)大于6×10-8．表明在50°CA ATDC 之前，碳煙的生成速率大于氧化速率，這是由于池火和擴(kuò)散火焰燃燒產(chǎn)生的大量碳煙；之后，碳煙氧化機(jī)理占主導(dǎo)地位，碳煙體積分?jǐn)?shù)開始減?。甅20 的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)在60° CA ATDC 之前隨曲軸轉(zhuǎn)角的發(fā)展與其他兩種燃料相似，之后，平均碳煙體積分?jǐn)?shù)略有增加，可能是缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和燃燒室中不規(guī)則的碳煙聚集造成的．在3 種測(cè)試燃料中，E20 的最高碳煙體積分?jǐn)?shù)最大，M20 的最高碳煙體積分?jǐn)?shù)最小，在每個(gè)信號(hào)采集時(shí)刻，M20 的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)都最低，這與5 mm測(cè)量平面的結(jié)果相同．對(duì)比圖11 和圖8 可知，同種燃料在10 mm 平面上的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)的最小值大于其在5 mm 平面上的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)的最大值，進(jìn)一步驗(yàn)證了10 mm 平面的碳煙明顯多于5 mm平面．

圖11 I100、M20 和E20 在10 mm 測(cè)量平面的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)和最高碳煙體積分?jǐn)?shù)Fig.11 Average soot volume fraction and maximum soot volume fraction for I100，M20 and E20 on the 10 mm plane

圖12 I100、M20和E20在10 mm測(cè)量平面各碳煙體積分?jǐn)?shù)占比Fig.12 Proportion of soot volume fraction for I100，M20 and E20 on the 10 mm plane

2.3 排氣微粒測(cè)量

使用Cambustion DMS500 快速微粒分析儀測(cè)量了光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)排氣管中微粒數(shù)量濃度和微粒粒徑分布，如圖13 所示．核態(tài)微粒(0～50 nm)是在燃燒和稀釋過程中經(jīng)過成核現(xiàn)象形成的初級(jí)粒子．積聚態(tài)微粒(50～1 000 nm)通常由初級(jí)核態(tài)粒子聚并形成，并且包括一層冷凝或吸附的揮發(fā)性物質(zhì)(碳?xì)浠衔铩⒘蛩猁}等)．可以看出，I100 和E20 對(duì)應(yīng)的微粒粒徑分布呈雙峰狀態(tài)，一個(gè)峰在核態(tài)微粒區(qū)域，一個(gè)峰在積聚態(tài)微粒區(qū)域．對(duì)于I100，核態(tài)微粒和積聚態(tài)微粒的峰值濃度粒徑分別在20 nm和85 nm 左右；E20 對(duì)應(yīng)的核態(tài)微粒和積聚態(tài)微粒的峰值濃度粒徑分別為15 nm 和65 nm 左右，乙醇摻混使得微粒數(shù)量濃度峰值粒徑向小粒徑方向移動(dòng)．且與I100 相比，E20 對(duì)應(yīng)的核態(tài)微粒數(shù)量濃度、積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度和微粒總數(shù)數(shù)量濃度都呈下降趨勢(shì)．M20 對(duì)應(yīng)的微粒粒徑分布呈單峰分布形態(tài)，峰值在核態(tài)微粒區(qū)域，峰值濃度粒徑在12 nm 附近．甲醇摻混使得微粒數(shù)量濃度的峰值偏向小粒徑方向，積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度和微粒總數(shù)數(shù)量濃度減少，并且減少幅度非常明顯．

將LII 測(cè)量結(jié)果與排氣微粒測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較有助于評(píng)估循環(huán)后期碳煙氧化過程的效率．對(duì)于LII測(cè)量結(jié)果，E20 在兩個(gè)測(cè)試平面上的碳煙體積分?jǐn)?shù)均略高于I100，但其排氣微粒數(shù)量濃度卻低于I100．這是因?yàn)樵诟變?nèi)測(cè)量平面上，碳煙主要是由池火和燃料液滴產(chǎn)生的擴(kuò)散火焰燃燒生成的；而排氣管中的微粒濃度是碳煙生成和氧化的綜合結(jié)果．E20 的碳煙體積分?jǐn)?shù)在循環(huán)后期顯著降低，因?yàn)橐掖嫉暮跆匦钥梢栽鰪?qiáng)碳煙氧化．對(duì)于排氣微粒測(cè)量結(jié)果，M20 顯示出3 種測(cè)試燃料中最低的微粒數(shù)量濃度，這與LII 測(cè)量結(jié)果一致．

3 結(jié) 論

(1) M20 和E20 的缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值都高于I100，而且燃燒過程也有所提前，M20 的變化更加明顯．

(2) 對(duì)于兩個(gè)測(cè)量平面，I100 的碳煙分布都不均勻，在靠近進(jìn)氣門的一側(cè)碳煙較多，M20 和E20 的碳煙分布相對(duì)比較均勻；與I100 相比，M20 在測(cè)量平面上的碳煙體積分?jǐn)?shù)顯著減少，而且在每個(gè)信號(hào)采集時(shí)刻，M20 的平均碳煙體積分?jǐn)?shù)均為3 種測(cè)試燃料中最低的；E20 的最高碳煙體積分?jǐn)?shù)略高于I100；對(duì)于LII 測(cè)量，M20 與E20 對(duì)缸內(nèi)碳煙生成的影響顯示出相反的傾向；3 種測(cè)試燃料在10 mm 測(cè)量平面的碳煙體積分?jǐn)?shù)均顯著高于5 mm 平面．

(3) 醇類燃料摻混使得微粒數(shù)量濃度峰值粒徑向小粒徑方向移動(dòng)；與I100 相比，M20 和E20 的微?？倲?shù)數(shù)量濃度和積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度都有所減少，M20 的減少效果更為顯著．