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稀释气体组分和浓度对柴油喷雾燃烧特征影响
2021-02-25 00:04:27· 来源：内燃机学报 作者：diner
日趋严格的排放法规促进了内燃机清洁燃烧技术的发展，如均质压燃（HCCI），低温燃烧（LTC）等。在实现HCCI和LTC等可控燃烧过程中，最重要的燃烧控制策略之一是使用不同的稀释气体组分及浓度。稀释气体对燃料混合和燃烧过程影响主要有稀释作用、化学作用和热作
日趋严格的排放法规促进了内燃机清洁燃烧技术的发展，如均质压燃（HCCI），低温燃烧（LTC）等。在实现HCCI和LTC等可控燃烧过程中，最重要的燃烧控制策略之一是使用不同的稀释气体组分及浓度。稀释气体对燃料混合和燃烧过程影响主要有稀释作用、化学作用和热作用。目前，大多数关于稀释气体组分及浓度的研究都集中在发动机性能上，如探讨热效率极限，气体组分变化带来的发动机燃烧特性以及排放特性的差异等，缺乏不同稀释气体组分及浓度对喷雾火焰发展特征影响的相关研究，这制约了对相关机理的认知。对此，本期推文笔者在一台高温、高压定容燃烧弹上开展试验，通过控制环境温度和环境压力模拟柴油机缸内不同热力学状态，在10%～40%氧体积分数范围内，使用3 种光学诊断方法研究不同稀释气体组分和浓度对柴油喷雾火焰着火及发展特征的影响，揭示气体组分及浓度对火焰形成与发展、典型物种分布及火焰温度分布等方面的影响。
1. 试验装置介绍
试验在一台高温、高压定容燃烧弹中进行，试验装置原理示意见图1。定容燃烧弹的有效容积为12 L，4个完全贯通的可视化窗口均匀分布于容弹4个侧面。其中，一个窗口上安装有效直径为100 mm的JSG1高紫外石英材料制作的视窗，其他3个窗口放置黑色金属块。定容燃烧弹底部装有电热丝，可将内部封闭的环境气体加热到目标温度。喷油器位于容弹顶盖中心，竖直方向上距离喷油器喷嘴10、50和90 mm 处安装3个热电偶，用来测量可视化区域中环境气体温度。由于不同热电偶之间测量温度差异小于20 K，所以近似认为整个封闭空间内气体温度分布均匀，并把与竖直方向上距离喷嘴50 mm 处的热电偶温度测量结果作为容弹内的环境温度值。
图1 定容燃烧系统示意
定容燃烧弹的进/排气口位于弹体底部，采用高压气瓶向弹体内充气，高压气瓶内装有预先制备的指定气体比例的混合气，氧气体积分数误差小于0.5％。试验采用Bosch高压共轨燃油喷射系统，喷射压力调节范围为60～160 MPa。采用单孔喷油器便于对单一油束开展测量，喷孔直径为0.14 mm。燃油喷射信号同时触发一台延迟触发器(DG535，Stanford，USA)，通过调整DG535的信号延迟触发时间，采集不同喷油时刻的火焰图像。
笔者采用火焰自发光高速摄像技术、OH化学发光成像技术和双色法火焰测量技术等技术开展试验，详细信息可参阅源文献[1]，此处不再赘述。
2. 结果分析
图9 双色法得到的像素平均KL因子和像素平均火焰温度随氧体积分数的变化
2.1 柴油喷雾燃烧火焰自发光特征
图2示出环境温度为800 K、环境压力为4 MPa及光圈为f/16 时10%～40%氧体积分数范围内柴油喷雾燃烧火焰自发光图像。图像上方的时间表示距离喷射起始时刻的时间间隔，喷油器喷嘴位于每幅图片左边框中点处。O2体积分数大于30%时，曝光时间设置为4.10 μs。当O2体积分数不超过21%时，为了得到清晰的喷雾火焰图像，15%和21%氧体积分数的曝光时间设置为6.94 μs，10%氧体积分数时设置为20.00 μs。
图2 不同氧体积分数下火焰自发光单次试验
图2a所示氧体积分数为10%时燃烧初始阶段发生在喷油结束之后，滞燃期最长。主要由于环境气体中的氧气与燃料分子碰撞几率的降低限制了燃料的燃烧速率，因而相比于15%氧体积分数时，10%氧体积分数下火焰位置更靠近喷雾下游直至超出视窗范围，火焰区域也更加宽广。火焰自发光亮度包括化学发光和碳烟辐射发光，碳烟辐射强度一般比化学发光强度高出几个数量级。氧体积分数为10%时采用的曝光时间约是氧体积分数为15%时的3倍。较低的火焰温度以及较长的预混持续时间使10%氧体积分数下的碳烟生成量远少于15%。当氧体积分数升高至21%时，更多氧气被卷吸进入喷雾的火焰浮起区域，火焰浮起长度缩短，因而碳烟的初始形成位置向喷雾火焰的上游迁移。
当氧体积分数由21%上升至40%时，火焰前端的半球形碳烟头部区域变小，火焰更加明亮。如果采用相同曝光时间，相比于30%氧体积分数，21%氧体积分数条件下火焰自发光亮度值更低。40%氧体积分数下部分区域开始出现饱和像素点，火焰前锋出现褶皱现象。主要由于氧体积分数升高使得火焰前锋湍流运动与化学反应放热的相互作用加剧，准稳态时期柴油喷雾火焰前锋的不稳定性增加。
2.2 稀释气体组分对柴油喷雾燃烧的影响
图3为3种不同稀释气体时火焰自发光单次试验。稀释气体分别为Ar、N2 和CO2，氧体积分数为30%。环境压力为4 MPa，环境温度为800 K，光圈选用f/16。3 种稀释气体间摩尔热容顺序为CO2＞N2＞Ar，因而CO2、N2和Ar热作用对火焰自发光亮度的影响呈递减趋势。Ar 作稀释气体时火焰自发光亮度最高，CO2作稀释气体时火焰自发光亮度最低。CO2的热作用影响了燃料蒸发以及与氧气混合，减慢了燃烧初期燃料的反应速率，因而与其他稀释气体相比，CO2作稀释气体时碳烟初始形成位置更靠近喷雾下游，火焰长度最短。30%氧体积分数条件下，O2-CO2作环境气体时喷雾火焰前锋出现了剧烈波动，这可能是由于CO2 摩尔热容较高，释放相同热量时温度升高速率减慢，燃料分子与穿过扩散火焰面的氧原子发生化学反应的过程延长，使火焰更容易受到湍流扰动的影响。
图3 3种稀释气体条件下火焰自发光单次试验
图4为低氧体积分数下火焰自发光单次试验，环境温度和环境压力分别设置为800 K和4 MPa，稀释气体为Ar 和N2，氧体积分数为10%、15%和21%。为了获得清晰的柴油喷雾燃烧火焰发展过程图，相机拍摄参数设置如表1所示。环境气体分别为21%O2＋79%N2、21%O2＋79%Ar 和15%O2＋85%Ar 时曝光时间均为6.94 μs，环境气体为15%O2＋85%N2 和10%O2＋90%Ar 时曝光时间均为20.00 μs。当环境气体为10%O2＋90%N2时柴油喷雾燃烧过程极其微弱，因而采用最大光圈为f/1.4 拍摄柴油喷雾火焰着火过程，其余环境气体下相机光圈均设置为f/16。
表1 相机拍摄参数
图4 火焰自发光单次试验
图4所示在相同氧体积分数下，与Ar相比，N2作稀释气体时柴油喷雾着火位置更靠近喷雾下游，准稳态阶段火焰前锋已经超出可视化范围。由于N2具有较高摩尔热容，导致其着火阶段具有较低放热量，温度升高速率减慢，影响了滞燃期和着火位置。尽管环境气体为15%O2＋85%N2时所采用的曝光时间远大于15%O2＋85%Ar，但15%O2＋85%N2条件下火焰自发光亮度仍较低。相同氧体积分数下，N2 作为稀释气体火焰自发光亮度明显低于Ar。这是由于N2较高的摩尔热容导致局部火焰温度较低，减少了碳烟的生成。除环境气体为10%O2＋90%N2外，其余氧体积分数下N2和Ar作为稀释气体时柴油喷雾火焰具有相似的规律：随氧体积分数升高，火焰头部区域减小，碳烟初始形成位置向喷雾上游移动。10%O2＋90%N2条件下光圈调至最大才能观察到极其微弱的柴油喷雾燃烧过程。在喷油结束后，首先出现微弱的蓝色化学发光，可能是由于较高摩尔热容导致过长的油、气混合时间，形成了几乎没有碳烟生成的低当量比区域。喷油结束后5 ms，局部较高当量比区域温度升高，导致少量碳烟生成。低氧体积分数下，柴油喷雾火焰着火和发展过程对不同稀释气体的热作用更敏感。
2.3 低氧体积分数下柴油喷雾火焰发展及碳烟分布
采用OH自发光成像以及双色测温法，对准稳态状态下的柴油喷雾火焰开展深入研究，分析低氧体积分数(O2 体积分数小于21%)时不同稀释气体对火焰温度场以及一些典型物种分布的影响。高氧体积分数下OH与碳烟受篇幅所限，将在进一步研究中进行分析。图5为低氧体积分数Ar 和N2作为稀释气体时OH自发光成像结果，环境温度为800 K，环境压力为4 MPa。图5左边界中心处为喷油器位置，白色虚线表示火焰浮起长度的位置。之前研究表明，燃料和环境气体在扩散火焰上游混合，火焰浮起长度附近形成预混反应区，甲醛等预混燃烧产物在火焰浮起长度上游区域形成，在火焰浮起长度下游区域被消耗。在喷雾火焰燃烧准稳态阶段，火焰浮起长度显著影响碳烟形成：喷嘴下方的燃料雾化蒸发后与火焰浮起长度上游区域卷吸进入喷雾的氧气混合，之后混合气进入火焰浮起长度下游的预混反应区发生反应。随着火焰浮起长度增长，燃烧区域上游卷吸进入喷雾火焰的氧气量增多，因此，火焰浮起长度下游预混燃烧区域的当量比减小，从而降低了火焰下游碳烟的生成量。
图5 羟基自发光成像结果
图6 火焰浮起长度随氧体积分数的变化
图6为Ar 和N2作为稀释气体时火焰浮起长度随氧体积分数的变化。试验条件是：环境温度为800 K，环境压力为4 MPa，喷孔直径为0.14 mm，喷油压力为100 MPa。当环境气体为空气时，柴油喷雾火焰的火焰浮起长度平均值为51.71 mm，随氧体积分数降低，火焰浮起长度平均值显著增大，15%氧体积分数时为59.62 mm，10%氧体积分数时为78.99 mm。使用Ar 作稀释气体替代N2 后，在氧体积分数为21%、15%和10%时火焰浮起长度平均值分别下降至24.22、37.78 和57.15 mm。随氧体积分数降低，不同试验次数间的火焰浮起长度差异增大。当环境气体中氧体积分数升高时，喷嘴附近卷吸进入喷雾体内的氧气量增加，燃烧预混反应区向喷雾上游移动，火焰浮起长度缩短。10%O2＋90%N2 条件下火焰浮起长度过长，视窗范围内火焰上游卷吸进入大量环境气体，同时N2 的热作用使得燃烧反应温度升高速率过慢，结合图5 可知，在火焰浮起长度下游形成了几乎没有碳烟生成的低当量比区域，但同时也降低了着火稳定性。相同氧体积分数条件下，使用Ar替代N2 后火焰浮起长度显著缩短。主要原因之一是Ar 摩尔热容较低，燃料反应释放相同热量时周围环境气体温度升高量大，有利于燃料蒸发以及与氧气混合，同时加快了燃烧初期燃料的反应速率，使火焰浮起长度缩短。此外Ar 分子量(39.948)大于N2的分子量(28.013)，尤其在氧体积分数较低时，Ar 作稀释气体使得环境气体密度显著增大，加快了燃料雾化及蒸发速率，有利于燃料分子与火焰浮起区域卷吸进入喷雾的O2混合。因此，在低氧体积分数下Ar 能够有效地提升柴油喷雾火焰的着火稳定性，更适合在极端低氧体积分数下使用。
图7 柴油喷雾火焰温度分布
图8 柴油喷雾火焰KL因子分布
图7和图8为双色法得到的低氧体积分数下不同稀释气体柴油喷雾火焰的温度分布和KL 因子分布。图中左上方小圆点标记了喷油器的位置，此处仅展示了喷雾火焰半侧图像。图中火焰温度即是碳烟火焰温度。由于10%O2＋90%N2 条件下几乎没有碳烟生成，因而无法由双色法测算碳烟火焰温度及KL 因子分布。当柴油喷雾进入准稳态状态时，火焰前锋已经超出视窗范围，火焰温度较高的区域位于火焰外部侧面以及火焰下游接近火焰前锋的区域，主要因为在这些区域燃料当量比接近于1，大量碳烟迁移至此处被环境气体中的O2 氧化，释放大量热量，导致火焰温度较高。相比于N2，相同氧体积分数下Ar作为稀释气体火焰温度整体上升，火焰浮起长度缩短，碳烟初始形成位置向火焰上游移动。随氧体积分数降低，视窗范围内的碳烟区域长度缩短，喷雾下游附近的火焰范围更加宽广。
柴油喷雾KL 因子分布与火焰温度分布呈现相反的趋势。图8示出除环境气体为15%O2＋85%N2和10%O2＋90%Ar 外，KL因子较高的区域出现在火焰中游内部，主要由于此区域内燃料当量比较高，火焰温度相对较低，喷雾火焰上游生成的碳烟迁移至此的过程中不断生长。随着火焰中游内部的碳烟向火焰前锋和火焰外部迁移，环境气体中更多氧气参与燃烧，局部当量比降低，大量碳烟被迅速氧化消耗，导致火焰下游靠近火焰前锋区域以及火焰外部侧面的KL因子较低。
结合图6中火焰浮起长度进一步分析低氧体积分数下稀释气体组分对柴油喷雾火焰碳烟生成和火焰温度的影响。15%O2＋85%N2和10%O2＋90%Ar 条件下，由于火焰浮起长度过长，大量空气卷吸进入火焰浮起长度附近区域，同时火焰整体温度较低，火焰上游形成了低温、低当量比区域，不利于碳烟的生成与发展，因而KL 因子整体较小。随氧体积分数降低，一方面火焰浮起长度增大，更多环境气体卷吸进入喷雾上游区域，同时氧气比例降低减少了局部当量比，满足碳烟生成条件的位置向喷雾下游移动；另一方面火焰下游靠近火焰前锋区域和火焰外部侧面的氧气比例下降，火焰内部生成的碳烟需要迁移至更远才能被氧化消耗，喷雾下游区域火焰范围更加宽广。Ar相比于N2，火焰浮起长度显著缩短，火焰浮起长度上游预混区域当量比较高，相同氧体积分数下整体火焰温度上升，因此，火焰内部更适于碳烟的生成和发展，火焰中游内部出现了局部碳烟浓区，O2＋Ar条件下火焰中游内部的碳烟浓区分布更广。
图9为双色法得到的火焰图像统计计算结果，不同稀释气体像素平均KL因子、像素平均火焰温度随氧体积分数的变化趋势。可知，随氧体积分数升高，像素平均KL因子和像素平均温度值均升高。氩气作稀释气体时，10%、15%和21%氧体积分数下像素平均火焰温度分别为1 997、2 358 和2 440 K，像素平均KL 因子分别为0.13、0.17 和0.29。相同氧体积分数下Ar 像素平均火焰温度和像素平均KL因子均高于N2(15%氧体积分数时平均火焰温度和平均KL 因子分别为1 886 K和0.13；21%氧体积分数时分别为2 149 K 和0.15)。这主要由于Ar 摩尔热容较小，燃料分解阶段的温度下降速率减慢，着火阶段的温度升高速率增加。虽然15%O2＋85%N2环境气体中氧气比例高于10%O2＋90%Ar，环境气体中更多氧气卷吸进入喷雾上游区域，但是N2 较高摩尔热容影响了燃料蒸发以及与氧气混合，减慢了燃烧初期燃料的反应速率，结合图6可知，氧气比例和摩尔热容的耦合作用使得两种情况下火焰浮起长度相近。环境气体中的氧气比例和稀释气体的热作用综合影响了燃料的着火以及火焰发展过程，导致10%O2＋90%Ar 条件下平均火焰温度高于15%O2＋85%N2，像素平均KL因子均为0.13。
(1) 10%～40%氧体积分数内，随氧体积分数升高，柴油喷雾火焰自发光亮度增强，火焰宽度减小，碳烟初始形成位置向火焰上游迁移；40%氧体积分数下O2-Ar 喷雾火焰前锋出现褶皱现象。
(2) 使用CO2、N2和Ar作稀释气体时火焰自发光亮度呈递增趋势，CO2火焰长度最短，火焰头部的碳烟氧化区域更靠近喷雾上游；30%氧体积分数条件下，O2-CO2 作环境气体时喷雾火焰前锋出现了剧烈波动；在低氧体积分数条件下，N2 作稀释气体火焰自发光亮度明显低于Ar；10%O2＋90%N2条件下燃烧火焰主要是微弱的蓝色化学发光。
(3) 随氧体积分数升高，火焰浮起长度增加，O2-N2在10%、15%和21%氧体积分数时平均火焰浮起长度分别为78.99、59.62和51.71 mm，使用Ar替代N2作为稀释气体后对应氧体积分数下的平均火焰浮起长度显著缩短至57.15、37.18 和24.22 mm；10%O2＋90%N2条件下火焰浮起长度过长，降低了着火稳定性；极端低氧体积分数下Ar作稀释气体能够有效地提升柴油喷雾火焰的着火稳定性。
(4) 火焰温度较高的区域位于火焰外部侧面以及火焰下游接近火焰前锋的区域，KL 因子较高的区域出现在火焰中游内部；随氧气比例降低，喷雾下游区域火焰范围更加宽广；Ar替代N2后整体火焰温度上升，火焰中游内部的碳烟浓区分布更广。
(5) 相同氧体积分数下Ar作稀释气体时像素平均火焰温度和像素平均KL因子均高于N2作为稀释气体的结果，分别由15%氧体积分数时的1 886 K和0.13 上升至2 358 K和0.17，21%氧体积分数时的2 149 K和0.15上升至2 440 K和0.29；氧气比例和稀释气体的热作用综合影响了燃料的着火以及火焰发展过程。
[1]易文韬,丰 雷,王 煜,等.稀释气体组分和浓度对柴油喷雾燃烧特征影响[J].内燃机学报,2021,(01):1-10.
学报简介
《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目”能源与动力工程类前列。《内燃机学报》主要刊载内燃机方面有较高学术价值和应用价值的学术性论文，在海内外有广大的读者群，是内燃机工作者的良师益友，欢迎登录《内燃机学报》官方网站（www.transcsice.org.cn）投稿。
电话：（022）27406812
邮箱：editor@transcsice.org.cn
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