可控热氛围下柴油喷雾自燃及燃烧特性的研究

摘要

冷焰反应条件下的均质混合气的自燃和燃烧特性及其相关影响因素和边界条件，是发动机实现HCCI燃烧控制的关键。针对此问题，本文研发了一套可控活化热氛围燃烧试验系统，提出了一种利用起升火焰基部三重火焰区域研究液体燃料均质混合气自燃的方法，深入研究了不同协流温度下的液体喷射起升火焰的自燃及燃烧特性、火焰稳定机理和影响燃烧稳定性的决定性因素——临界温度，并研究了燃料特性、喷雾雾化质量、喷射系统参数以及添加剂成分及浓度对临界温度的影响。 基于Dibble燃烧器的原型，研发了可控活化热氛围燃烧器，并对其操控特性进行了研究。在此基础上，搭建了完整的活化热氛围燃烧试验系统软件、硬件平台。研究结果表明：该系统可实现发动机IICCI燃烧第一阶段低温放热的温度场；在围绕喷嘴中心半径为40mm的圆柱体范围内，轴向距离从喷嘴口到150mm的喷射下游的宽广空间范围内，协流温度可以保持均衡而温度波动仅5K，从而为喷射火焰在不同热氛围下的自燃及燃烧特性研究提供了试验平台。 针对液体燃料均质混合气制备困难的问题，提出了研究液雾起升扩散火焰的火焰基部均质带，从而研究液体燃料均质混合气自燃及其火焰稳定性影响因素的方法，并验证了该方法的可行性。 研究了活化热氛围中柴油低压喷射液雾火焰和高压喷雾火焰的自燃及燃烧特性。低压喷射结果表明：自燃点位置随协流温度的上升而趋近于喷嘴口；滞燃期随协流温度呈明显的两阶段变化规律，在较低的协流温度下，滞燃期对温度很敏感，温度变化26K可导致自燃延迟4ms以上。随着协流温度上升，滞燃期随温度变化而变化的幅度减小。低协流温度时柴油喷雾稳定火焰的起升高度随温度的升高而急剧减小；高协流温度时火焰起升高度变化减缓；当协流温度到达1127K(±3K)时，火焰已基本稳定在喷嘴口附近。当协流温度低于1022K(±3K)时，已很难形成稳定的起升火焰。 研究了高压柴油喷雾在热氛围中的多点自燃现象以及喷射系统参数对自燃及燃烧稳定性的影响，结果表明：常压下柴油喷雾滞燃期受协流温度的影响较大，呈非线性下降趋势，并总结出柴油滞燃期的经验公式；喷油系统参数对柴油喷雾滞燃期和火焰起升高度存在一定的影响，但影响程度与协流温度有关。喷油系统参数对滞燃期的影响主要体现在两个方面，即改善喷雾效果从而降低物理滞燃期，以及由于喷雾锥角或贯穿速率增加引起的物理滞燃期缩短。 在协流中添加了不同浓度的活性抑制剂CO<,2>或活性促进剂H<,2>O<,2>溶液，研究添加剂成分及浓度对自燃特性、碳烟排放的影响，结果表明：协流中CO<,2>浓度大小对喷雾的自燃具有明显作用，随着CO<,2>浓度增加，柴油喷雾在热氛围中的滞燃期明显延长，起升高度增加；随着协流温度的降低或CO<,2>浓度的增加，碳烟排放减小。加水后柴油喷雾的滞燃期延长，碳烟排放降低；随着协流中H<,2>O<,2,>浓度的增加，滞燃期逐渐减小，碳烟排放先增加、后降低。总结了火焰起升高度与碳烟排放的关系，从总体趋势上看，随着起升高度上升，碳烟排放下降。研究了中央喷射柴油燃料的起升火焰的基部高度变化，发现不同协流温度下中央喷射起升火焰的不同稳定机理：协流温度较高时，火焰的稳定由湍流火焰的传播主导；而在较低的协流温度下，火焰的稳定则由自燃主导。 提出了影响均质混合气稳定自燃的决定因素——临界温度(T<,C>)的概念，提出了临界温度的两个判断标准并验证了它们的一致性。研究了燃料特性、喷雾质量、喷射系统参数、活性抑制剂以及活性促进剂的浓度对临界温度的影响。低压柴油液雾的临界温度约为1074K，由于雾化效果的改善，高压柴油喷雾的临界温度约为1048K。燃料特性的不同导致其临界温度不同，在本试验条件下，不同燃料所对应的临界温度关系为：T<,C柴油>；T<,C正庚烷>。喷射系统参数对临界温度存在一定的影响：增大喷孔直径、提高启喷压力或油泵转速，使喷雾的雾化效果增强，临界温度呈现减小的趋势。随着协流中CO<,2>浓度增加，临界温度增加。随着H<,2>O<,2>浓度上升，协流中OH活性基成分浓度增加，临界温度下降。 研究了中央喷射火焰的HC浓度瞬态分布特性与燃烧过程及协流温度对中央喷射火焰的HC浓度空间分布规律的影响，建立了其HC浓度分布数据库。试验结果表明，不同协流温度下，喷雾轴线的HC浓度分布均随测量点至喷嘴口距离的增加而减小。中央喷射火焰HC浓度峰值随协流温度上升呈先上升、后下降的现象。HC浓度峰值在空间上基本呈对称分布规律，在测量范围内，HC浓度峰值的径向分布范围均不超过30mm。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表、缩写表

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2柴油机的燃烧模式与排放控制技术

1.2.1柴油机的燃烧模式

1.2.2柴油机排放控制技术

1.3HCCI燃烧研究现状

1.3.1HCCI燃烧的研究历史

1.3.2HCCI燃烧的优缺点

1.3.3HCCI燃烧研究进展

1.3.4HCCI燃烧控制的关键问题及其探索

1.4可控活化热氛围燃烧器研究进展

1.4.1燃烧器的实验研究

1.4.2燃烧器的模拟研究

1.5课题的研究意义及本文的主要内容

1.5.1课题的研究意义及目标

1.5.2本文的主要研究内容

第二章可控活化热氛围燃烧系统研发

2.1前言

2.2可控活化热氛围燃烧器的结构组成及设计原理

2.2.1燃烧器的结构

2.2.2燃烧盘选材及厚度设计

2.2.3火焰稳定及回火控制原理

2.2.4氢燃料对协流火焰的影响

2.3基于活化热氛围燃烧器的燃烧系统

2.3.1三维坐标定位系统

2.3.2冷却系统

2.3.3供气系统

2.3.4测量系统

2.3.5安全操作系统

2.4高速摄影系统及后处理软件

2.4.1高速摄影系统简介

2.4.2图像后处理软件

2.5高速数据采集控制系统

2.5.1高速数据采集控制系统硬件集成

2.5.2燃烧试验系统操控平台CTC

2.6活化热氛围燃烧装置的操控特性研究

2.6.1当量比对协流温度的影响

2.6.2当量比变化对氧浓度的影响

2.6.3燃烧器的稳定特性

2.6.4协流温度的空间分布

2.6.5燃烧器的速度场模拟

2.7本章小结

第三章低压喷射液雾起升火焰研究

3.1前言

3.2热氛围中喷射燃料自燃的研究方法

3.3低压连续液雾喷射

3.3.1低压连续喷射装置

3.3.2喷油始点确定方案

3.3.3液雾对周边温度的影响

3.4热氛围中柴油喷射火焰特性

3.4.1自燃点位置及滞燃期

3.4.2火焰起升高度

3.5燃烧特性

3.5.1自燃后火焰长度及前锋面位置的变化

3.5.2火焰宽度变化

3.6柴油燃料喷射起升火焰的稳定机理——临界温度概念

3.6.1柴油起升火焰

3.6.2生物柴油起升火焰

3.6.3临界温度(Tc)定义

3.6.4临界温度判定依据

3.7燃料特性对临界温度的影响

3.7.1生物柴油与柴油对比

3.7.2正庚烷与异辛烷对比

3.7.3临界温度应用

3.8本章小结

第四章高压柴油喷雾特性及自燃特性研究

4.1前言

4.2高压喷雾试验系统

4.2.1试验装置的构成

4.2.2燃油喷射压力及喷油量

4.3喷雾特性研究

4.3.1喷雾特性的研究内容及方法

4.3.2喷孔直径对喷雾特性的影响

4.3.3启喷压力对喷雾特性的影响

4.3.4油泵转速对喷雾特性的影响

4.3.5协流温度对喷雾特性的影响

4.4柴油喷雾在热氛围中的自燃研究

4.4.1不同协流温度下的自燃过程

4.4.2滞燃期

4.4.3自燃点位置

4.4.4火焰起升高度

4.4.5火焰起升高度与滞燃期的关系

4.5喷雾特性对临界温度的影响

4.6本章小结

第五章添加剂对柴油喷雾自燃特性及碳烟排放的影响

5.1前言

5.2碳烟生成及氧化机理和测试方法

5.3CO2掺入比例对自燃特性及碳烟排放的影响

5.3.1CO2浓度对火焰的影响

5.3.2CO2浓度对滞燃期的影响

5.3.3CO2浓度对喷射火焰起升高度的影响

5.3.4CO2浓度对喷射火焰碳烟排放的影响

5.3.5碳烟排放与火焰起升高度的联系

5.4H2O2流量对自燃特性及碳烟排放的影响

5.4.1H2O2特性分析

5.4.2H2O2降低污染物排放的研究

5.4.3H2O2溶液对起升火焰的影响

5.5添加剂对临界温度的影响

5.6本章小结

第六章柴油喷雾火焰HC浓度瞬态分布

6.1前言

6.2HFR500型HC瞬态排放测量仪测量原理及特性简介

6.2.1测量原理

6.2.2仪器特性

6.2.3HC测量位置

6.3HC浓度瞬态分布特性与燃烧过程

6.4协流温度对HC浓度瞬态特性的影响

6.4.1低温下喷雾瞬态HC浓度分布特性

6.4.2高温不着火情况下中央喷雾瞬态HC浓度分布特性

6.4.3中央喷射火焰瞬态HC浓度分布特性

6.5中央喷射火焰瞬态HC浓度空间分布

6.6本章小结

第七章全文总结及工作展望

7.1全文分析与总结

7.2下一步工作展望

创新点说明

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

参加的科研项目与获得的奖励