多参数耦合作用对仲丁醇层流燃烧速度的影响

韩志强, 钱云寿, 田 维, 夏 琦

(1. 西华大学 汽车测控与安全四川省重点实验室, 四川 成都 610039; 2. 温州大学 瓯江学院, 浙江 温州 325035)

为了缓解石油资源短缺和汽车尾气排放污染,寻找高效清洁的发动机替代燃料一直是内燃机领域研究的重要分支方向[1].可再生的丁醇燃料本身是一种含氧燃料,相比汽油、柴油常规燃料,汽化潜热更大,具有改善发动机排放的潜力[2].

目前已有大量的科研机构针对正丁醇及其几种同分异构体在点燃式和压燃式发动机上燃烧进行了研究[3].文献[4]研究了正丁醇对柴油机低温燃烧和排放的影响,结果表明:在不同的进气压力下,碳烟排放均随EGR率的增加呈现出先升高后降低的变化趋势.文献[5]对正丁醇燃料特性对柴油机低温燃烧影响的机理进行了研究,结果显示： 混合燃料的沸点对碳烟排放的影响较小,低十六烷值和自身含氧才是降低碳烟排放的主要因素.文献[6]对正丁醇与柴油掺混燃烧及排放情况进行了研究,结果表明:丁醇含氧燃料加入可以降低碳烟排放,且随着掺混比例的增加,碳烟排放进一步降低.文献[7]进行了正丁醇及其同分异构体对柴油机低温燃烧影响的试验研究,研究结果发现:丁醇可以较明显改善低温燃烧碳烟排放,十六烷值和含氧是正丁醇降低碳烟排放的主要因素.文献[8]研究了不同参混比例的正丁醇、点火能量等参数对汽油机的燃烧和排放性能影响,研究结果表明:正丁醇与汽油掺烧可以有效地抑制颗粒物生成,在掺混比例较大时,颗粒物的粒径有变小的趋势.文献[9]基于定容燃烧弹研究了正丁醇及其同分异构体的层流燃烧规律,分析比较了丁醇几种同分异构体层流燃烧速度关系.

但就环境参数与当量比之间的耦合作用对仲丁醇层流燃烧过程的影响关系研究却鲜有报道,且这方面的研究有助于仲丁醇燃料在发动机上运用提供指导意义.笔者采用高速纹影摄影法和球形火焰扩散法在不同环境温度、压力以及燃空当量比下研究仲丁醇-空气层流燃烧特性参数——无拉伸火焰传播速度、无拉伸层流燃烧速度的基础上,重点分析其变化值、变化率、变化率之比的关系,以评价环境参数与当量比的耦合关系对仲丁醇层流燃烧的影响规律.

1 试验设备与方法

试验研究基于定容燃烧弹可视化纹影摄影系统,试验装置示意图参考文献[10].该试验平台主要由定容燃烧弹、液体加热反应釜、点火系统、采集系统和纹影摄影系统等构成.定容燃烧弹内点火电极延伸至容弹中心处,点火电极之间的间隙设置为3 mm;容弹内气体通过电阻加热丝加热,利用定容燃烧弹加热控制柜可将环境温度控制在室温至600 K之间,分辨率为1 K;环境压力可在0～4.4 MPa之间调节,分辨率为0.1 kPa.环境温度与压力分别为定容燃烧弹内仲丁醇与空气混合后静止5 min后稳定的温度和压力.试验时,将定容燃烧弹内抽真空,在室温条件下,利用注射器将一定量的仲丁醇注射到液体燃料加热反应釜的进燃油端,并流入蒸发腔,在液体燃料加热反应釜内加热蒸发后,仲丁醇蒸汽通过出燃油蒸汽管进入容弹内继续加热,并保持与环境温度一致.通过阀门调节至对应环境温度、压力与当量比下的仲丁醇蒸汽压力,压力通过数字压力表显示.配气完成后,将混合气静置 5 min,保证混合气混合均匀处于静止状态后再点火燃烧.整个系统由多功能控制仪同步控制,即控制高速照相机拍摄、电极点火、压力传感器采集三者同步工作.

2 层流燃烧特性评价指标

通过无拉伸火焰传播速度v、无拉伸层流燃烧速度u对层流燃烧特性进行表征.在球形火焰扩散初期,定容燃烧弹内压力变化很小(可以看成准定压绝热过程)的阶段,拉伸火焰传播速度vn和无拉伸火焰传播速度近似成线性关系:

vn=v-Lbα,

(1)

式中:Lb为马克斯坦长度;α为拉伸率.

通过推导出的无拉伸层流燃烧速度为

u=vρb/ρw,

(2)

式中:ρw为未燃混合气密度;ρb为已燃气体密度.

分析无拉伸火焰传播速度、无拉伸层流燃烧速度的变化值、变化率、变化率之比的关系来进一步评价环境压力、环境温度与当量比的耦合关系对仲丁醇层流燃烧的影响规律.v1,v2,v3为环境压力p1,p2,p3分别为0.1,0.2,0.3 MPa时的无拉伸火焰传播速度.u1,u2,u3为环境压力分别为0.1,0.2,0.3 MPa时的无拉伸层流燃烧速度.

环境压力在0.1,0.3 MPa的无拉伸火焰传播速度差值及无拉伸层流燃烧速度差值分别为

Δv13=v1-v3,

(3)

Δu13=u1-u3.

(4)

环境压力在0.2,0.3 MPa的无拉伸火焰传播速度差值及无拉伸层流燃烧速度差值分别为

Δv23=v2-v3,

(5)

Δu23=u2-u3.

(6)

环境压力在0.1,0.3 MPa的无拉伸火焰传播速度变化率及无拉伸层流燃烧速度变化率分别为

a13=Δv13/Δp13,

(7)

b13=Δu13/Δp13，

(8)

式中Δp13为p1与p3的压差.

环境压力在0.2,0.3 MPa的无拉伸火焰传播速度变化率及无拉伸层流燃烧速度变化率分别为

a23=Δv23/Δp23,

(9)

b23=Δu23/Δp23，

(10)

式中Δp23为p2与p3的压差.

环境压力在0.2,0.3 MPa的无拉伸火焰传播速度变化率与环境压力在0.1,0.3 MPa的无拉伸火焰传播速度变化率的比值为

sa=a23/a13.

(11)

环境压力在0.2,0.3 MPa的无拉伸层流燃烧速度变化率与环境压力在0.1,0.3 MPa的无拉伸层流燃烧速度变化率的比值为

sb=b23/b13.

(12)

v01,v02,v03为环境温度T1,T2,T3分别为400,430,460 K时的无拉伸火焰传播速度.u01,u02,u03为环境温度在400,430,460 K时的无拉伸层流燃烧速度. 环境温度在400, 460 K的无拉伸火焰传播速度差值及无拉伸层流燃烧速度差值分别为

Δv013=v01-v03,

(13)

Δu013=u01-u03.

(14)

环境温度在430, 460 K的无拉伸火焰传播速度差值及无拉伸层流燃烧速度差值分别为

Δv023=v02-v03,

(15)

Δu023=u02-u03.

(16)

环境温度在400, 460 K的无拉伸火焰传播速度变化率及无拉伸层流燃烧速度变化率分别为

a013=Δv013/ΔT13,

(17)

b013=Δu013/ΔT13，

(18)

式中ΔT13为T1与T3的温度差.

环境温度在430, 460 K的无拉伸火焰传播速度变化率及无拉伸层流燃烧速度变化率分别为

a023=Δv023/ΔT23,

(19)

b023=Δu023/ΔT23，

(20)

式中ΔT23为T2与T3的温度差.

环境温度在430, 460 K的无拉伸火焰传播速度变化率与环境温度在400, 460 K的无拉伸火焰传播速度变化率的比值为

s0a=a023/a013.

(21)

环境温度在430, 460 K的无拉伸层流燃烧速度变化率与环境温度在400, 460 K的无拉伸层流燃烧速度变化率的比值为

s0b=b023/b013.

(22)

3 试验分析

3.1 压力与当量比对仲丁醇层流燃烧的影响

环境温度为400 K,环境压力分别为0.1,0.2,0.3 MPa,当量比φ分别为0.80,1.10,1.40时,仲丁醇-空气层流燃烧纹影序列图如图1所示.

图1 仲丁醇层流燃烧纹影序列图

从图1可以看出:环境压力为0.1 MPa时,所有纹影图片的火焰前峰面都呈现出光滑的特征,不同当量比下火焰前峰面的稳定性较好;同时,φ=1.10时,燃烧火焰扩散相对最快,仲丁醇层流燃烧速度和火焰传播速度更快,随着压力的增加,在同一当量比下,燃烧火焰传播减缓,φ>1.10时,火焰前峰面出现裂纹,且环境压力越大,裂纹条数越多,火焰前峰面稳定性下降.故较高的环境压力和当量比下,仲丁醇层流燃烧火焰前峰面稳定性下降,且两者对其的影响不能简单划分开,属于共同影响的结果.环境温度为400 K,环境压力分别为0.1,0.2,0.3 MPa时,无拉伸火焰传播速度随当量比的变化曲线如图2所示.无拉伸火焰传播速度差值Δv23,Δv13随当量比的变化曲线如图3所示.无拉伸火焰传播速度变化率a23,a13及变化率之比sa随当量比的变化曲线如图4所示.

图2 不同环境压力下，无拉伸火焰传播速度随当量比的变化曲线

图3 Δv23,Δv13随当量比的变化曲线

图4 a23,a13,sa随当量比的变化曲线

从图2可以看出:无拉伸火焰传播速度随环境压力增加而减小,且随当量比增加呈现先增加后减小的趋势,其最大值出现在φ=1.10附近.从图3可以看出:v23与v13均随当量比增加呈现先增加后减小的变化趋势,且两者出现的高低峰值一致分别在φ=0.90和1.30处.从图4可以看出:sa<1时,随着压力差增加,虽然无拉伸火焰传播速度差值增加,但单位压力差值时,压力越大,无拉伸火焰传播速度变化越小,即对于无拉伸火焰传播速度而言,压力在0.1～0.2 MPa范围对其影响变化较0.2～0.3 MPa范围的大;sa随着当量比增加而增加,直到φ=1.10附近时,开始呈现下降趋势,由此可知,过稀和过浓可燃混合气在低压时对其影响变化更灵敏.

环境温度为400 K,环境压力分别为0.1,0.2,0.3 MPa时,无拉伸层流燃烧速度随当量比的变化曲线如图5所示.无拉伸层流燃烧速度差值Δu23,Δu13随当量比的变化曲线如图6所示.无拉伸层流燃烧速度变化率b23,b13及变化率之比sb随当量比的变化曲线如图7所示.

图5 不同环境压力下，无拉伸层流燃烧速度随当量比的变化曲线

图6 Δu23,Δu13随当量比的变化曲线

图7 b23,b13,sb随当量比的变化曲线

从图5可以看出:无拉伸层流燃烧速度随压力的增加而下降,且随当量比的增加呈现出先增加后减小的趋势;φ=1.10附近时,无拉伸层流燃烧速度达到最大值.在混合气较稀和较浓时无拉伸层流燃烧速度下降,这是因为较稀混合气中燃料浓度较低,混合气较浓时氧含量较低,导致燃烧速率下降.随着环境压力的增大,无拉伸燃烧速度下降,这是由于温度不敏感的链终止反应的反应速率得到加强,消耗了大量的自由基,而温度敏感较强的链分支反应的反应速率基本保持不变.因此,在链终止反应加强的作用下,混合气的层流燃烧速度随着初始压力的升高而降低.

从图6可以看出: Δu23与Δu13随当量比变化较为复杂,但2个压力差下的整体变化规律较为一致,均为先增加后减小又增长的变化趋势.从图7可以看出:在φ=1.05和1.55时,b23,b13相同且sb为1,表明在这2个当量比时,压力在0.1～0.3 MPa范围内,压力变化对无拉伸层流燃烧速度的影响呈现线性变化规律;φ<1.05时,sb<1,表明在较稀可燃混合气时低压环境对层流燃烧影响占的权重更大;而φ为1.05～1.55时,sb>1,说明在该当量比区间,低压环境对层流燃烧影响相较更小;当混合气过浓时,无拉伸层流燃烧速度变化加剧.

3.2 温度与当量比对仲丁醇层流燃烧的影响

环境压力为0.1 MPa，不同环境温度和当量比下的仲丁醇-空气层流燃烧纹影序列图如图8所示.

图8 不同环境温度和当量比下，燃烧纹影序列图

从图8可以看出:燃烧火焰发展相对较快，发生在φ=1.10时,随着当量比的增加,燃烧火焰扩散减慢,且火焰前峰面出现不同程度的裂纹;随着环境温度的增加,在同一当量比下,燃烧火焰传播速度增加,这是由于缸内温度较高时,加快了燃料混合物化学反应速率;混合气较浓时,火焰前峰面出现裂纹,温度越高,裂纹数越多,反映火焰前峰面稳定性开始下降.

环境压力为0.1 MPa时,不同环境温度下无拉伸火焰传播速度随当量比的变化曲线如图9所示，无拉伸火焰传播速度随温度增加而增加,这是因为根据化学反应动力学理论可知,随着温度的增加,混合物化学反应速率增加,即导致无拉伸火焰传播速度增加;不同温度条件下无拉伸火焰传播速度均在φ为1.00～1.10时达到最大值,随着当量比的增加,无拉伸火焰传播速度呈现先增加后减小的变化趋势.

图9 不同环境温度下，无拉伸火焰传播速度随当量比的变化曲线

无拉伸火焰传播速度差值Δv023,Δv013随当量比的变化曲线如图10所示.无拉伸火焰传播速度变化率a023,a013及变化率之比s0a随当量比的变化曲线如图11所示.

图10 Δv023,Δv013随当量比的变化曲线

图11 a023,a013,s0a随当量比的变化曲线

从图10,11可以看出:不同温度变化区间下的v023与v013均随着当量比增加而呈现出先增加后减小的变化趋势;随着温度差值增加,无拉伸火焰传播速度的高低峰值呈现往当量比增加的方向偏移的变化趋势.在过稀混合气(φ<0.75)时,s0a<1,表明环境温度越高,无拉伸火焰传播速度变化越大;因此,在过稀燃烧状态下,无拉伸火焰传播速度受环境温度的影响权重更大.在过浓混合气(φ>1.35)时,s0a>1,即环境温度越高,无拉伸火焰传播速度变化相对更小,表明其受温度影响相对更小.同时无拉伸火焰传播速度变化率比值s0a出现高低峰值分别在φ=0.95和1.25.且φ为0.75～1.15时,s0a>1,表明这一区域无拉伸火焰传播速度变化受较高环境温度影响较大.

环境压力为0.1 MPa时,不同环境温度下，无拉伸火焰层流燃烧速度随当量比变化曲线如图12所示，无拉伸层流燃烧速度随着温度增加而变大;在φ=1.10附近时达到最大值,同时燃烧速度随着当量比呈现出先增加后较小的变化趋势.

图12 不同环境温度下，无拉伸火焰层流燃烧速度随当量比的变化曲线

无拉伸层流燃烧速度差值Δu023与Δu013随当量比的变化曲线如图13所示.无拉伸层流燃烧速度平均变化率b023,b013及平均变化率之比s0b随当量比的变化曲线如图14所示.

图13 Δu023,Δu013随当量比的变化曲线

图14 b023,b013,s0b随当量比的变化曲线

从图13,14可以看出:Δu023与Δu013均随当量比增加呈现先增加后减小的变化规律,且Δu023高低峰值分别出现在φ=1.10和1.40,而Δu013高低峰值分别出现在φ=1.10和1.50,两者高低峰值对应当量比变化较为一致;在φ<0.85和φ>1.45时,s0b<1 和s0b>1,表明混合气在过稀和过浓情况下,当量比对无拉伸层流燃烧速度影响较大,故受温度影响的权重相对于燃空当量比更小;φ为0.85～1.20时,s0b为1.05～0.95,表明无拉伸层流燃烧速度在这一区域变化较为平稳,但环境温度对无拉伸层流燃烧速度影响权重更大.

4 结 论

1) 仲丁醇层流燃烧中火焰传播速度和无拉伸层流燃烧速度均随着环境温度增加而增加,随着环境压力增加而减小,随着当量比增加先增加后减小.

2) 在环境压力和当量比的耦合作用下,φ=1.05和1.55时,压力变化对无拉伸层流燃烧速度的影响呈线性变化;φ<1.05时,低压环境对层流燃烧影响更大;而φ为1.05～1.55时,低压环境对层流燃烧影响相较更小.

3) 在环境温度和当量比的耦合作用下,φ<0.85和>1.45时,燃空当量比对无拉伸层流燃烧速度影响权重更大;φ为0.85～1.20时,无拉伸层流燃烧速度在这一区域变化较为平稳.

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