韓志強, 錢云壽, 田 維, 夏 琦

(1. 西華大學(xué) 汽車測控與安全四川省重點實驗室, 四川 成都 610039; 2. 溫州大學(xué) 甌江學(xué)院, 浙江 溫州 325035)

為了緩解石油資源短缺和汽車尾氣排放污染,尋找高效清潔的發(fā)動機替代燃料一直是內(nèi)燃機領(lǐng)域研究的重要分支方向[1].可再生的丁醇燃料本身是一種含氧燃料,相比汽油、柴油常規(guī)燃料,汽化潛熱更大,具有改善發(fā)動機排放的潛力[2].

目前已有大量的科研機構(gòu)針對正丁醇及其幾種同分異構(gòu)體在點燃式和壓燃式發(fā)動機上燃燒進行了研究[3].文獻[4]研究了正丁醇對柴油機低溫燃燒和排放的影響,結(jié)果表明:在不同的進氣壓力下,碳煙排放均隨EGR率的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢.文獻[5]對正丁醇燃料特性對柴油機低溫燃燒影響的機理進行了研究,結(jié)果顯示： 混合燃料的沸點對碳煙排放的影響較小,低十六烷值和自身含氧才是降低碳煙排放的主要因素.文獻[6]對正丁醇與柴油摻混燃燒及排放情況進行了研究,結(jié)果表明:丁醇含氧燃料加入可以降低碳煙排放,且隨著摻混比例的增加,碳煙排放進一步降低.文獻[7]進行了正丁醇及其同分異構(gòu)體對柴油機低溫燃燒影響的試驗研究,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):丁醇可以較明顯改善低溫燃燒碳煙排放,十六烷值和含氧是正丁醇降低碳煙排放的主要因素.文獻[8]研究了不同參混比例的正丁醇、點火能量等參數(shù)對汽油機的燃燒和排放性能影響,研究結(jié)果表明:正丁醇與汽油摻燒可以有效地抑制顆粒物生成,在摻混比例較大時,顆粒物的粒徑有變小的趨勢.文獻[9]基于定容燃燒彈研究了正丁醇及其同分異構(gòu)體的層流燃燒規(guī)律,分析比較了丁醇幾種同分異構(gòu)體層流燃燒速度關(guān)系.

但就環(huán)境參數(shù)與當(dāng)量比之間的耦合作用對仲丁醇層流燃燒過程的影響關(guān)系研究卻鮮有報道,且這方面的研究有助于仲丁醇燃料在發(fā)動機上運用提供指導(dǎo)意義.筆者采用高速紋影攝影法和球形火焰擴散法在不同環(huán)境溫度、壓力以及燃空當(dāng)量比下研究仲丁醇-空氣層流燃燒特性參數(shù)——無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?、無拉伸層流燃燒速度的基礎(chǔ)上,重點分析其變化值、變化率、變化率之比的關(guān)系,以評價環(huán)境參數(shù)與當(dāng)量比的耦合關(guān)系對仲丁醇層流燃燒的影響規(guī)律.

1 試驗設(shè)備與方法

試驗研究基于定容燃燒彈可視化紋影攝影系統(tǒng),試驗裝置示意圖參考文獻[10].該試驗平臺主要由定容燃燒彈、液體加熱反應(yīng)釜、點火系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和紋影攝影系統(tǒng)等構(gòu)成.定容燃燒彈內(nèi)點火電極延伸至容彈中心處,點火電極之間的間隙設(shè)置為3 mm;容彈內(nèi)氣體通過電阻加熱絲加熱,利用定容燃燒彈加熱控制柜可將環(huán)境溫度控制在室溫至600 K之間,分辨率為1 K;環(huán)境壓力可在0～4.4 MPa之間調(diào)節(jié),分辨率為0.1 kPa.環(huán)境溫度與壓力分別為定容燃燒彈內(nèi)仲丁醇與空氣混合后靜止5 min后穩(wěn)定的溫度和壓力.試驗時,將定容燃燒彈內(nèi)抽真空,在室溫條件下,利用注射器將一定量的仲丁醇注射到液體燃料加熱反應(yīng)釜的進燃油端,并流入蒸發(fā)腔,在液體燃料加熱反應(yīng)釜內(nèi)加熱蒸發(fā)后,仲丁醇蒸汽通過出燃油蒸汽管進入容彈內(nèi)繼續(xù)加熱,并保持與環(huán)境溫度一致.通過閥門調(diào)節(jié)至對應(yīng)環(huán)境溫度、壓力與當(dāng)量比下的仲丁醇蒸汽壓力,壓力通過數(shù)字壓力表顯示.配氣完成后,將混合氣靜置 5 min,保證混合氣混合均勻處于靜止?fàn)顟B(tài)后再點火燃燒.整個系統(tǒng)由多功能控制儀同步控制,即控制高速照相機拍攝、電極點火、壓力傳感器采集三者同步工作.

2 層流燃燒特性評價指標(biāo)

通過無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣葀、無拉伸層流燃燒速度u對層流燃燒特性進行表征.在球形火焰擴散初期,定容燃燒彈內(nèi)壓力變化很小(可以看成準(zhǔn)定壓絕熱過程)的階段,拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣葀n和無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣冉瞥删€性關(guān)系:

vn=v-Lbα,

(1)

式中:Lb為馬克斯坦長度;α為拉伸率.

通過推導(dǎo)出的無拉伸層流燃燒速度為

u=vρb/ρw,

(2)

式中:ρw為未燃混合氣密度;ρb為已燃?xì)怏w密度.

分析無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?、無拉伸層流燃燒速度的變化值、變化率、變化率之比的關(guān)系來進一步評價環(huán)境壓力、環(huán)境溫度與當(dāng)量比的耦合關(guān)系對仲丁醇層流燃燒的影響規(guī)律.v1,v2,v3為環(huán)境壓力p1,p2,p3分別為0.1,0.2,0.3 MPa時的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?u1,u2,u3為環(huán)境壓力分別為0.1,0.2,0.3 MPa時的無拉伸層流燃燒速度.

環(huán)境壓力在0.1,0.3 MPa的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣炔钪导盁o拉伸層流燃燒速度差值分別為

Δv13=v1-v3,

(3)

Δu13=u1-u3.

(4)

環(huán)境壓力在0.2,0.3 MPa的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣炔钪导盁o拉伸層流燃燒速度差值分別為

Δv23=v2-v3,

(5)

Δu23=u2-u3.

(6)

環(huán)境壓力在0.1,0.3 MPa的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓始盁o拉伸層流燃燒速度變化率分別為

a13=Δv13/Δp13,

(7)

b13=Δu13/Δp13，

(8)

式中Δp13為p1與p3的壓差.

環(huán)境壓力在0.2,0.3 MPa的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓始盁o拉伸層流燃燒速度變化率分別為

a23=Δv23/Δp23,

(9)

b23=Δu23/Δp23，

(10)

式中Δp23為p2與p3的壓差.

環(huán)境壓力在0.2,0.3 MPa的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓逝c環(huán)境壓力在0.1,0.3 MPa的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓实谋戎禐?/p>

sa=a23/a13.

(11)

環(huán)境壓力在0.2,0.3 MPa的無拉伸層流燃燒速度變化率與環(huán)境壓力在0.1,0.3 MPa的無拉伸層流燃燒速度變化率的比值為

sb=b23/b13.

(12)

v01,v02,v03為環(huán)境溫度T1,T2,T3分別為400,430,460 K時的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?u01,u02,u03為環(huán)境溫度在400,430,460 K時的無拉伸層流燃燒速度. 環(huán)境溫度在400, 460 K的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣炔钪导盁o拉伸層流燃燒速度差值分別為

Δv013=v01-v03,

(13)

Δu013=u01-u03.

(14)

環(huán)境溫度在430, 460 K的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣炔钪导盁o拉伸層流燃燒速度差值分別為

Δv023=v02-v03,

(15)

Δu023=u02-u03.

(16)

環(huán)境溫度在400, 460 K的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓始盁o拉伸層流燃燒速度變化率分別為

a013=Δv013/ΔT13,

(17)

b013=Δu013/ΔT13，

(18)

式中ΔT13為T1與T3的溫度差.

環(huán)境溫度在430, 460 K的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓始盁o拉伸層流燃燒速度變化率分別為

a023=Δv023/ΔT23,

(19)

b023=Δu023/ΔT23，

(20)

式中ΔT23為T2與T3的溫度差.

環(huán)境溫度在430, 460 K的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓逝c環(huán)境溫度在400, 460 K的無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓实谋戎禐?/p>

s0a=a023/a013.

(21)

環(huán)境溫度在430, 460 K的無拉伸層流燃燒速度變化率與環(huán)境溫度在400, 460 K的無拉伸層流燃燒速度變化率的比值為

s0b=b023/b013.

(22)

3 試驗分析

3.1 壓力與當(dāng)量比對仲丁醇層流燃燒的影響

環(huán)境溫度為400 K,環(huán)境壓力分別為0.1,0.2,0.3 MPa,當(dāng)量比φ分別為0.80,1.10,1.40時,仲丁醇-空氣層流燃燒紋影序列圖如圖1所示.

圖1 仲丁醇層流燃燒紋影序列圖

從圖1可以看出:環(huán)境壓力為0.1 MPa時,所有紋影圖片的火焰前峰面都呈現(xiàn)出光滑的特征,不同當(dāng)量比下火焰前峰面的穩(wěn)定性較好;同時,φ=1.10時,燃燒火焰擴散相對最快,仲丁醇層流燃燒速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?隨著壓力的增加,在同一當(dāng)量比下,燃燒火焰?zhèn)鞑p緩,φ>1.10時,火焰前峰面出現(xiàn)裂紋,且環(huán)境壓力越大,裂紋條數(shù)越多,火焰前峰面穩(wěn)定性下降.故較高的環(huán)境壓力和當(dāng)量比下,仲丁醇層流燃燒火焰前峰面穩(wěn)定性下降,且兩者對其的影響不能簡單劃分開,屬于共同影響的結(jié)果.環(huán)境溫度為400 K,環(huán)境壓力分別為0.1,0.2,0.3 MPa時,無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的變化曲線如圖2所示.無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣炔钪郸23,Δv13隨當(dāng)量比的變化曲線如圖3所示.無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓蔭23,a13及變化率之比sa隨當(dāng)量比的變化曲線如圖4所示.

圖2 不同環(huán)境壓力下，無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的變化曲線

圖3 Δv23,Δv13隨當(dāng)量比的變化曲線

圖4 a23,a13,sa隨當(dāng)量比的變化曲線

從圖2可以看出:無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S環(huán)境壓力增加而減小,且隨當(dāng)量比增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,其最大值出現(xiàn)在φ=1.10附近.從圖3可以看出:v23與v13均隨當(dāng)量比增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢,且兩者出現(xiàn)的高低峰值一致分別在φ=0.90和1.30處.從圖4可以看出:sa<1時,隨著壓力差增加,雖然無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣炔钪翟黾?但單位壓力差值時,壓力越大,無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓叫?即對于無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣榷?壓力在0.1～0.2 MPa范圍對其影響變化較0.2～0.3 MPa范圍的大;sa隨著當(dāng)量比增加而增加,直到φ=1.10附近時,開始呈現(xiàn)下降趨勢,由此可知,過稀和過濃可燃混合氣在低壓時對其影響變化更靈敏.

環(huán)境溫度為400 K,環(huán)境壓力分別為0.1,0.2,0.3 MPa時,無拉伸層流燃燒速度隨當(dāng)量比的變化曲線如圖5所示.無拉伸層流燃燒速度差值Δu23,Δu13隨當(dāng)量比的變化曲線如圖6所示.無拉伸層流燃燒速度變化率b23,b13及變化率之比sb隨當(dāng)量比的變化曲線如圖7所示.

圖5 不同環(huán)境壓力下，無拉伸層流燃燒速度隨當(dāng)量比的變化曲線

圖6 Δu23,Δu13隨當(dāng)量比的變化曲線

圖7 b23,b13,sb隨當(dāng)量比的變化曲線

從圖5可以看出:無拉伸層流燃燒速度隨壓力的增加而下降,且隨當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢;φ=1.10附近時,無拉伸層流燃燒速度達到最大值.在混合氣較稀和較濃時無拉伸層流燃燒速度下降,這是因為較稀混合氣中燃料濃度較低,混合氣較濃時氧含量較低,導(dǎo)致燃燒速率下降.隨著環(huán)境壓力的增大,無拉伸燃燒速度下降,這是由于溫度不敏感的鏈終止反應(yīng)的反應(yīng)速率得到加強,消耗了大量的自由基,而溫度敏感較強的鏈分支反應(yīng)的反應(yīng)速率基本保持不變.因此,在鏈終止反應(yīng)加強的作用下,混合氣的層流燃燒速度隨著初始壓力的升高而降低.

從圖6可以看出: Δu23與Δu13隨當(dāng)量比變化較為復(fù)雜,但2個壓力差下的整體變化規(guī)律較為一致,均為先增加后減小又增長的變化趨勢.從圖7可以看出:在φ=1.05和1.55時,b23,b13相同且sb為1,表明在這2個當(dāng)量比時,壓力在0.1～0.3 MPa范圍內(nèi),壓力變化對無拉伸層流燃燒速度的影響呈現(xiàn)線性變化規(guī)律;φ<1.05時,sb<1,表明在較稀可燃混合氣時低壓環(huán)境對層流燃燒影響占的權(quán)重更大;而φ為1.05～1.55時,sb>1,說明在該當(dāng)量比區(qū)間,低壓環(huán)境對層流燃燒影響相較更小;當(dāng)混合氣過濃時,無拉伸層流燃燒速度變化加劇.

3.2 溫度與當(dāng)量比對仲丁醇層流燃燒的影響

環(huán)境壓力為0.1 MPa，不同環(huán)境溫度和當(dāng)量比下的仲丁醇-空氣層流燃燒紋影序列圖如圖8所示.

圖8 不同環(huán)境溫度和當(dāng)量比下，燃燒紋影序列圖

從圖8可以看出:燃燒火焰發(fā)展相對較快，發(fā)生在φ=1.10時,隨著當(dāng)量比的增加,燃燒火焰擴散減慢,且火焰前峰面出現(xiàn)不同程度的裂紋;隨著環(huán)境溫度的增加,在同一當(dāng)量比下,燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?這是由于缸內(nèi)溫度較高時,加快了燃料混合物化學(xué)反應(yīng)速率;混合氣較濃時,火焰前峰面出現(xiàn)裂紋,溫度越高,裂紋數(shù)越多,反映火焰前峰面穩(wěn)定性開始下降.

環(huán)境壓力為0.1 MPa時,不同環(huán)境溫度下無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的變化曲線如圖9所示，無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S溫度增加而增加,這是因為根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論可知,隨著溫度的增加,混合物化學(xué)反應(yīng)速率增加,即導(dǎo)致無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?不同溫度條件下無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣染讦諡?.00～1.10時達到最大值,隨著當(dāng)量比的增加,無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)先增加后減小的變化趨勢.

圖9 不同環(huán)境溫度下，無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的變化曲線

無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣炔钪郸023,Δv013隨當(dāng)量比的變化曲線如圖10所示.無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓蔭023,a013及變化率之比s0a隨當(dāng)量比的變化曲線如圖11所示.

圖10 Δv023,Δv013隨當(dāng)量比的變化曲線

圖11 a023,a013,s0a隨當(dāng)量比的變化曲線

從圖10,11可以看出:不同溫度變化區(qū)間下的v023與v013均隨著當(dāng)量比增加而呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢;隨著溫度差值增加,無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊母叩头逯党尸F(xiàn)往當(dāng)量比增加的方向偏移的變化趨勢.在過稀混合氣(φ<0.75)時,s0a<1,表明環(huán)境溫度越高,無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓酱?因此,在過稀燃燒狀態(tài)下,無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣仁墉h(huán)境溫度的影響權(quán)重更大.在過濃混合氣(φ>1.35)時,s0a>1,即環(huán)境溫度越高,無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓鄬Ω?表明其受溫度影響相對更小.同時無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓时戎祍0a出現(xiàn)高低峰值分別在φ=0.95和1.25.且φ為0.75～1.15時,s0a>1,表明這一區(qū)域無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓茌^高環(huán)境溫度影響較大.

環(huán)境壓力為0.1 MPa時,不同環(huán)境溫度下，無拉伸火焰層流燃燒速度隨當(dāng)量比變化曲線如圖12所示，無拉伸層流燃燒速度隨著溫度增加而變大;在φ=1.10附近時達到最大值,同時燃燒速度隨著當(dāng)量比呈現(xiàn)出先增加后較小的變化趨勢.

圖12 不同環(huán)境溫度下，無拉伸火焰層流燃燒速度隨當(dāng)量比的變化曲線

無拉伸層流燃燒速度差值Δu023與Δu013隨當(dāng)量比的變化曲線如圖13所示.無拉伸層流燃燒速度平均變化率b023,b013及平均變化率之比s0b隨當(dāng)量比的變化曲線如圖14所示.

圖13 Δu023,Δu013隨當(dāng)量比的變化曲線

圖14 b023,b013,s0b隨當(dāng)量比的變化曲線

從圖13,14可以看出:Δu023與Δu013均隨當(dāng)量比增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律,且Δu023高低峰值分別出現(xiàn)在φ=1.10和1.40,而Δu013高低峰值分別出現(xiàn)在φ=1.10和1.50,兩者高低峰值對應(yīng)當(dāng)量比變化較為一致;在φ<0.85和φ>1.45時,s0b<1 和s0b>1,表明混合氣在過稀和過濃情況下,當(dāng)量比對無拉伸層流燃燒速度影響較大,故受溫度影響的權(quán)重相對于燃空當(dāng)量比更小;φ為0.85～1.20時,s0b為1.05～0.95,表明無拉伸層流燃燒速度在這一區(qū)域變化較為平穩(wěn),但環(huán)境溫度對無拉伸層流燃燒速度影響權(quán)重更大.

4 結(jié) 論

1) 仲丁醇層流燃燒中火焰?zhèn)鞑ニ俣群蜔o拉伸層流燃燒速度均隨著環(huán)境溫度增加而增加,隨著環(huán)境壓力增加而減小,隨著當(dāng)量比增加先增加后減小.

2) 在環(huán)境壓力和當(dāng)量比的耦合作用下,φ=1.05和1.55時,壓力變化對無拉伸層流燃燒速度的影響呈線性變化;φ<1.05時,低壓環(huán)境對層流燃燒影響更大;而φ為1.05～1.55時,低壓環(huán)境對層流燃燒影響相較更小.

3) 在環(huán)境溫度和當(dāng)量比的耦合作用下,φ<0.85和>1.45時,燃空當(dāng)量比對無拉伸層流燃燒速度影響權(quán)重更大;φ為0.85～1.20時,無拉伸層流燃燒速度在這一區(qū)域變化較為平穩(wěn).

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