戊醇/正十二烷二元燃料碳烟生成特性试验研究

2022-04-13钟汶君袁起飞相启龙颜飞斌何志霞

内燃机工程 2022年2期

钟汶君，袁起飞，相启龙，颜飞斌，何志霞，2，王谦

（1.江苏大学能源与动力工程学院，镇江 212013；2.江苏大学能源研究院，镇江 212013）

0 概述

柴油机广泛应用于国民生活中的各个领域，其高颗粒物（particulate matter，PM）排放会对环境和身体健康造成很大的危害［1-4］，同时日益严苛的排放法规也要求柴油机不断减少PM 排放。醇类化合物作为含氧替代燃料，可以有效减少PM 排放［5-8］，且其具有可再生、辛烷值高、抗爆性好的特点。戊醇与甲醇、乙醇及丁醇相比，其能量密度高，十六烷值高，黏度与柴油更为接近，很适合应用于压燃模式［9-10］。纯戊醇十六烷值低，难以直接应用在压燃发动机上，但戊醇的极性低，可直接与柴油、生物柴油稳定互溶［11］，因此将戊醇与高活性燃油以一定比例混合是将戊醇应用于发动机的可选方法。同时，戊醇可由木质素、糖等经发酵或生物酶高效合成获得［12-13］，具有很好的产业化前景。近年来，国内外学者针对戊醇与柴油的掺混燃油开展了许多研究：文献［14］中在一台无废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）的发动机上开展了柴油/戊醇/生物柴油的试验研究，结果表明，相比于纯柴油，添加戊醇后碳烟的排放量明显减少，且在中低负荷时氮氧化合物（NOx）排放降低，在中高负荷下一氧化碳和未燃碳氢化合物排放降低。文献［9］中在直喷柴油机上研究了不同比例戊醇掺混柴油对发动机性能的影响，研究表明燃用戊醇/柴油混合燃料在发动机功率、有效热效率和燃油经济性方面的表现与纯柴油差距很小，且在发动机起动时没有遇到困难。文献［15］中研究指出，戊醇/柴油混合燃料在中等EGR 率时可以有效缓解碳烟和NOx排放的此消彼长关系。国内外大量的试验研究表明戊醇掺混高活性燃料应用于实际发动机的可行性，但试验研究的周期长且成本高，难以对边界工况进行充分探索，因此开展内燃机的数值模拟研究以突破试验繁琐复杂的限制，对缸内燃烧情况进行充分探索是必要的。

柴油的组分十分复杂，在仿真计算中，通常使用表征燃料来替代实际燃料。正庚烷十六烷值与柴油接近，常作为单组份表征燃料用于柴油机的仿真计算［16］。但在试验研究中，单纯的十六烷值近似不足以完全表征柴油，其他诸如密度、黏度、挥发性、低热值等理化特性对喷雾燃烧过程影响巨大。有研究表明，正庚烷的高挥发性导致液相长度和柴油相比过短，在混合燃烧过程中与真实的柴油差距过大［17］。正十二烷是一种典型的大分子液态直链烷烃，与正庚烷相比，其分子尺寸与普通柴油更为接近，沸点更高，蒸发特性与柴油更为相似，可以更好地还原柴油喷雾蒸发及油气混合过程。国际发动机燃烧合作组织针对正十二烷的喷雾和燃烧特性在低温燃烧条件下进行了一系列试验测试，发现正十二烷在表征柴油上有良好的表现，并建立了一套标准化的测试条件，以改进和验证正十二烷在压燃发动机上的计算流体力学（computed fluid dynamics，CFD）模型［18］。文献［19］中将Sandia 实验室和IFP 实验室在“Spray A”工况条件下的试验结果进行了系统的对比分析，发现两个实验室的研究结果在喷雾燃烧方面具有较好的一致性。综上所述，正十二烷是柴油优秀的单组份表征燃料。

国内外学者对戊醇和柴油着火燃烧特性已进行了一定的探索研究，但关于戊醇与柴油模型燃料正十二烷的研究还尚未见报道。基于此，本文中以正十二烷作为柴油表征燃料，以戊醇作为低活性替代燃料，在定容燃烧弹系统内，利用高频背景光消光法开展了不同环境压力、环境温度、喷射压力下的可视化试验研究，探究了戊醇/正十二烷二元燃料碳烟浓度的瞬态分布特性及戊醇加入对碳烟生成发展过程和碳烟生成质量的影响，研究了环境工况和喷射压力对戊醇/正十二烷二元燃料碳烟生成的影响，为戊醇应用于直喷压燃模式提供基础数据支撑和理论指导，也为今后的仿真计算提供了数据基础。

1 试验装置及方法

1.1 定容燃烧弹系统

本文中的所有试验研究均在定容燃烧弹系统上进行，其详细结构可参见文献［20-23］。该系统主要由燃烧室、冷却系统、加热系统和控制系统组成。燃烧室内可保持最高工作温度1 000 K，最高工作压力6 MPa。四周共安装了4 个直径为100 mm、厚度为60 mm 的视窗作为光学通道。

1.2 碳烟测试方法

采用高频背景光消光法对碳烟的生成过程进行测量，试验装置如图1所示。图中，ICCD 为像增强电荷耦合器（intensified charge coupled device）。光源为446 nm 高频脉冲LED 光源，光束发出后通过菲涅尔透镜转化为平行光，随后经过扩散片变为均匀散射光，依次经过两个容弹视窗后，通过一个凸透镜聚焦到高速数码相机上，相机镜头前配置有带通滤波片。高速数码相机与脉冲LED 信号同步时序原理如图2所示。LED 光源频率设置为相机的一半，这样相机可以连续捕捉到一张只有碳烟辐射光（图2中虚线区域1）的照片和一张LED 透射光叠加碳烟辐射光的照片（图2中虚线区域2）。

图1 高频背景光消光法和OH*化学发光法联合测量原理图

图2 高速数码相机和脉冲LED 时序原理图

通过高频背景光消光法可以获得各时刻的光强图片，根据Beer-Lambert 定律可通过式（1）计算出表征碳烟浓度的光学厚度KL值。

式中，I0为LED 灯的入射光光强；Iflame为LED 光源熄灭时碳烟自身的辐射光强；Isum为入射光源穿透碳烟云团后的光强I0，trans与Iflame的总和；K为空间消光系数；L为入射光在碳烟内的光学厚度。

碳烟的体积分数与空间消光系数K正相关［24］，如式（2）所示。

式中，f为碳烟体积分数；λ为入射波长，λ=450 nm；ke为无量纲消光系数，据 Rayleigh-Debye-Gans（RDG）理论和Koylu 等人对消光系数的研究，ke取值为7.61［24-25，28-30］。

根据碳烟密度、碳烟的体积分数及碳烟区域的体积可求得可视化照片瞬时的碳烟质量，如式（3）所示。

Q——周长评价特征量，表示参评车站雷达图面积与等同于该雷达图周长的圆面积的比值，反映各评价指标的均衡性，其数值越大均衡性越好，反之则较差。

式中，msoot为碳烟质量；ρ为碳烟密度，假设ρ=1.8 g/cm3［17，26-29］；A为碳烟区域的面积。

图3为基于式（1）获得的典型时刻（1 600 μs）的KL分布云图及喷雾轴线上的KL和（KL）sat分布情况，其中（KL）sat为相应的饱和KL值，即理论上可以得到的KL最大值。（KL）sat值由式（4）计算可得。

图3 1 600 μs 时碳烟中KL 值分布

式中，Imin为当LED 熄灭时穿透碳烟的最小光强。

KL曲线在喷雾轴线上存在两个峰值，靠近喷嘴的区域为喷雾液相区域，第二个峰值区域对应碳烟生成区域，颜色的深浅表示对光吸收作用的强弱。

1.3 火焰浮起长度测试方法

火焰浮起长度是研究燃料燃烧特性的重要参数，反映了喷雾燃烧过程的空气卷吸情况，与碳烟的形成有直接联系［30-31］。因此，在进行碳烟可视化试验的同时使用OH*荧光法测量了部分工况的火焰浮起长度，并在可视化分析时引入该数据辅以分析。试验原理见图1，将带有310 nm 滤波片的ICCD 相机架设在定容弹的另一个视窗处，拍摄火焰结构以得到火焰浮起长度的大小。OH*荧光法的详细原理可见文献［21，23］。

1.4 燃料及试验方案

试验中所用的正戊醇和正十二烷由国药集团生产，纯度为99%。按照体积比20% 正戊醇及80%正十二烷混合得到P20D80；将正十二烷作为基准燃料，记为D100。混合燃油的密度、黏度、十六烷值等参数由文献［6，17，32-34］中的计算公式获得，主要理化特性如表1所示。

表1 试验燃油的主要理化特性

试验中通过改变环境温度和喷射压力，对戊醇/正十二烷混合燃料的碳烟生成特性进行研究，分析了戊醇掺混及参数变化对碳烟生成的影响。喷嘴孔径为0.12 mm，为减少循环变动，每组工况喷油10 次，喷油间隔10 s，具体试验方案如表2所示。

表2 碳烟试验方案

2 试验结果及分析

2.1 碳烟发展历程

在环境温度850 K、喷射压力50 MPa 下燃用D100 和P20D80 不同喷油后（after start of injection，ASOI）时刻的碳烟KL二维分布图如图4和图5所示。图中黑色部分表示入射光无法穿透碳烟的区域，即KL值大于5 的区域。

图4 D100 在环境温度为850 K、喷射压力为50 MPa 时的碳烟KL 二维分布随时间变化图

图5 P20D80 在环境温度为850 K、喷射压力为50 MPa 时的碳烟KL 二维分布随时间变化图

从图4和图5中可以看到，D100 和P20D80 的碳烟初始生成时刻分别为ASOI 875 μs 和ASOI 950 μs，戊醇的加入使碳烟的初生时间发生滞后。随着时间的推移，碳烟生成区域逐渐扩大并向下游移动，D100 和P20D80 的碳烟浓度开始出现明显区别。在ASOI 1 800 μs 时刻，燃用D100 和P20D80 时的碳烟生成区域基本一致，但D100 的碳烟浓度远高于P20D80，D100的火焰内部出现了因碳烟几何厚度大而无法被入射光透过的黑色区域，碳烟颗粒的聚集效应十分明显。与之相比，P20D80 的碳烟整体浓度较低。这主要是因为：一方面，戊醇的十六烷值较低，降低了燃油整体的反应活性和着火延迟期，空气卷吸时间增长，油气混合程度增加，局部当量比降低，使得碳烟生成量减少；另一方面戊醇含氧，使得碳烟生成区域的局部氧含量升高，更多的自由基被氧化而不是聚合成碳烟前驱物，碳烟的净生成量降低。

从ASOI 1 800 μs 到ASOI 3 000 μs，两种燃油的碳烟前锋面向前推进，同时发生径向扩散，形成类似“纺锤”的结构，碳烟浓度分布向“纺锤”中心富集。在此过程中 D100 的碳烟浓度明显下降，而P20D80 的碳烟浓度则依旧维持在较低水平。这是由于随着喷雾的发展，碳烟的生成区域被轴向拉长，碳烟与空气的接触面积大大增加，外围碳烟的氧化速度增快。这对于D100 可以大幅增加碳烟生成区域的供氧，使其整体碳烟浓度逐渐下降；而P20D80 本身含氧，氧气的增加不会使其碳烟浓度出现明显的下降，而是在这一段时间内保持较为稳定的浓度。在ASOI 4 000 μs 时刻，碳烟最前端已超过可视化边界，两种燃油前端的碳烟浓度都保持缓慢下降的趋势。值得注意的是，自ASOI 1 800 μs之后，燃用两种燃油时碳烟“纺锤”状结构尾部位置相对固定，这是由于火焰锋面的发展与燃油贯穿动量达到了动态平衡，维持了下游区域碳烟的稳定位置。

在ASOI 3 000 μs 时刻碳烟前锋面已经接近视窗边界，整体的碳烟生成区域不再向前发展。因此选择ASOI 3 000 μs 时刻，在775 K 和850 K 环境温度不同喷射压力下对比了D100 和P20D80 的碳烟浓度分布情况，如图6～图9所示。

图6 D100 在Ta=775 K、ASOI 3 000 μs 时刻不同喷射压力下的碳烟浓度分布情况

图7 P20D80 在Ta=775 K、ASOI 3 000 μs 时刻不同喷射压力下的碳烟浓度分布情况

图8 D100 在Ta=850 K、ASOI 3 000 μs 时刻不同喷射压力下的碳烟浓度分布情况

图9 P20D80 在Ta=850 K、ASOI 3 000 μs 时刻不同喷射压力下的碳烟浓度分布情况

由图6～图9可见，喷射压力的提升和戊醇的掺混可以显著降低碳烟生成，但环境温度的提高则会在一定程度上提高碳烟浓度。在环境温度为775 K时，燃用P20D80 的碳烟生成区域与燃用D100 时基本一致，但碳烟浓度明显低于D100；随着环境温度增加至850 K，两种燃油的碳烟生成区域明显拉长，且生成区域依旧十分接近，燃用D100 的碳烟浓度大幅增加，而燃用P20D80 的碳烟依旧保持在较低水平。这是因为在温度升高到一定程度时，氧气的消耗速率更快，扩散燃烧区域扩大，碳烟生成区域自然更大，在此情况下戊醇的含氧特性就更为关键，可以缓解燃烧反应区域的局部高温缺氧现象，减少碳烟的生成。

为了进一步研究稳定状态下碳烟与燃烧之间的相互关系，分析了火焰浮起长度与碳烟之间的联系。对于同种燃油，在环境温度相同时，随着喷射压力的提高，碳烟初始生成位置和火焰浮起长度位置之间的距离不断增大，碳烟量也大幅下降；在喷射压力相同时，随着环境温度从775 K 增加到850 K，该距离大幅缩短，碳烟量也大幅增加。总的来说，对于同种燃油，碳烟初始生成位置和火焰浮起长度位置之间的距离与碳烟的净生成量呈负相关，这与文献［35］中的研究结果一致。火焰浮起长度位置表征了燃油燃烧时火焰尾部的稳定位置，碳烟初始生成位置则表征了燃烧时局部高当量比的扩散燃烧所处的位置，两位置之间的区域则为油气充分混合的预混燃烧所在的区域。喷射压力的提高可以有效提高油气混合程度，预混燃烧占比随之提高；而温度的增加缩短了着火延迟期，油气预混时间减少，扩散燃烧更早开始，碳烟量增加。对比D100 和P20D80 两种燃油火焰浮起长度和碳烟初始生成的位置，在相同工况下其距离大小大致相当。P20D80 的碳烟生成区域大小虽然与D100 十分接近，但碳烟浓度远低于后者。综上可知，戊醇的加入对油气混合程度的影响有限，其对碳烟生成的降低作用主要取决于含氧特性。

2.2 碳烟初始生成时刻及生成位置

碳烟的初始生成时刻和生成位置是研究碳烟生成特性的重要信息，对判断碳烟前驱物的分布和表征扩散燃烧的意义重大。前文定性分析了燃用两种燃料时的碳烟量，为了更加直观分析其差异，本节主要从定量角度分析。不同环境温度和喷射压力下燃用D100 和P20D80 两种燃油时的碳烟初始生成时刻和初始位置定量对比见图10。由于掺混戊醇后燃油活性降低，在700 K 时P20D80 并未着火，因此图中没有相应数据。

图10 不同环境温度和喷射压力下燃用D100 和P20D80 时碳烟初始生成时刻和初始生成位置

从图10中可以看出，戊醇的掺混会小幅延后碳烟的初始生成时刻并延长其生成位置。这是因为戊醇的掺混延长了燃油的着火延迟期，燃油喷雾向前移动的时间更长，着火位置靠后，碳烟出现的时间自然靠后。在喷射压力相同时，温度的提高会显著降低两种燃油碳烟的初始生成时刻，两种燃油在不同喷射压力下变化率十分接近。对于燃用D100，温度从700 K 增长至850 K，3 种喷射压力由高到低下碳烟初始生成时刻分别提前68%、69%、70%。同时，温度的提高还会使对应工况下碳烟初生位置更靠近喷嘴，燃用D100 时环境温度从700 K 升高至850 K，3种喷射压力由高到低下碳烟初始生成位置距喷嘴距离均减小30 mm 左右，幅度分别为41%、51%、62%。环境温度的提升大幅缩短了着火延迟期，使碳烟的初生时刻大幅提前，着火延迟期的缩短降低了喷雾扩散程度，局部当量比增大，造成碳烟生成时刻提前。在环境温度相同时，喷射压力的提升会小幅提前碳烟的初始生成时刻，随着喷射压力从50 MPa 增加至150 MPa，环境温度700 K 时燃用D100 的碳烟初始生成时刻从2 952 μs 提前至2 619 μs，环境温度850 K 时初始生成时刻从875 μs 提前至825 μs，变化幅度分别为11% 和9%。喷射压力的提升同时会使碳烟的初始生成位置推后。喷射压力从50 MPa 增加至150 MPa 时，3 种环境温度下燃用两种燃油的碳烟初始生成位置距喷嘴距离均增加25 mm 左右，以数值较高的150 MPa 为基准，3 种环境温度由高到低下变化幅度为36%、34%、58%。喷射压力的提升会显著增加喷雾贯穿距，提升燃油的雾化效果，扩散燃烧开始时火焰整体结构更加远离喷嘴，火焰中碳烟生成区域也随之变远。可以注意到的是，环境温度的改变对碳烟的初始生成时刻的影响远大于喷射压力变化对碳烟初始生成时刻的影响，相比之下，两者对碳烟初始生成位置的影响较为接近。

2.3 碳烟质量与面积瞬态特性

碳烟的浓度分布与局部碳烟颗粒的数量与大小密切相关。通过式（3）可以建立碳烟浓度与碳烟质量分布的关系，定量分析不同工况下碳烟的瞬态变化特性。图11为不同环境温度和喷射压力下燃用D100 和P20D80 时碳烟生成质量随时间发展变化图。整体而言，在相同的工况条件下，燃用D100 的碳烟生成质量高于P20D80，同时碳烟初始生成时刻也略早于P20D80。

图11 不同环境温度和喷射压力下燃用D100 和P20D80 时碳烟生成质量随时间发展变化图

环境温度700 K 下，燃用D100 时着火延迟期长，碳烟生成质量较小。在较低喷射压力（50 MPa）时最高碳烟质量为10 μg 左右；喷射压力增大后，碳烟质量降低至约2 μg。环境温度增加到775 K，最高碳烟质量大幅增加，50 MPa 时D100 的最高碳烟质量增长到约90 μg，同时碳烟初始生成时刻的提前，这在图11中得到了体现。对比燃用P20D80 与D100 碳烟量的发展变化可知掺混戊醇可以显著降低碳烟质量，喷射压力50 MPa 时最高碳烟质量降幅可达40% 以上，在150 MPa 喷射压力下几乎无碳烟生成。环境温度进一步提高至850 K 和925 K 时，碳烟生成时刻与生成质量变化幅度明显减小，远低于700 K 至775 K 的变化幅度。在环境温度提高至775 K 以上时，扩散燃烧占主导地位，碳烟质量更取决于燃油富集区域的大小和区域内当量比的大小，而温度的进一步提高仅能使着火延迟期略减小，在此较短的时间内燃油喷雾发展有限，碳烟质量的变化幅度也较小。

对比两种燃油的碳烟生成发展过程，喷射压力的提高可以降低碳烟的生成质量，但对不同燃油的降低效果有明显差异。当环境温度从775 K 增加到850 K，喷射压力150 MPa 时燃用D100 的最高碳烟生成质量已达到较高水平（40 μg ～50 μg），而燃用P20D80 的碳烟质量依旧保持在较低水平（10 μg 左右），可见高喷射压力配合含氧燃料可显著降低燃烧区域的当量比，能更有效降低碳烟生成。值得注意的是，在碳烟质量的发展曲线中首先经历了急速增长阶段，随着碳烟向下游移动，碳烟质量会达到一个远高于稳定状态的峰值。该峰值的成因是燃油喷雾着火之前呈锥形，当量比由外向内呈增大趋势，燃油开始着火时以外围的预混燃烧为主，并迅速向内扩散，扩散燃烧比例迅速增大，由于喷雾轴线上尤其是头部燃油富集，空气难以进入，造成该“纺锤”状结构的前端局部当量比过高，碳烟在该区域不断堆积并难以被氧化，从而使碳烟的浓度和质量急剧上升形成峰值。之后燃油喷雾进一步往前推进使油气进一步混合，缓和了局部高当量比的情况，另一方面在扩散燃烧占主导地位后整体燃烧反应放缓并逐渐与燃油喷雾达到平衡，使得碳烟生成量在后半段时间内稳定。相对于D100，燃用P20D80 时碳烟峰值回落幅度明显更小，这也证实了戊醇中的氧原子可以在燃油富集区一定程度上缓解局部高当量比，提高该位置的氧化速率。

为了研究碳烟分布区域的面积的瞬态变化特性，根据碳烟分布区域的像素点个数和标定时与真实尺寸的比例关系，得到环境温度775 K 和850 K 时不同喷射压力下燃用D100 和P20D80的瞬态碳烟面积变化曲线，如图12所示。可以看到，在相同的试验条件下，燃用D100 和P20D80在碳烟面积上的总体变化趋势与碳烟质量的发展情况基本一致，但没有明显的峰值。碳烟的面积变化主要反映碳烟生成区域的大小，而并不能反映出碳烟局部高浓度的区域，因此没有峰值。总的来说掺混戊醇和提升喷油压力可以明显降低碳烟面积的大小。