鐘汶君，袁起飛，相啟龍，顏飛斌，何志霞，2，王 謙

（1.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 能源研究院，鎮(zhèn)江 212013）

0 概述

柴油機(jī)廣泛應(yīng)用于國(guó)民生活中的各個(gè)領(lǐng)域，其高顆粒物（particulate matter，PM）排放會(huì)對(duì)環(huán)境和身體健康造成很大的危害［1-4］，同時(shí)日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)也要求柴油機(jī)不斷減少PM 排放。醇類化合物作為含氧替代燃料，可以有效減少PM 排放［5-8］，且其具有可再生、辛烷值高、抗爆性好的特點(diǎn)。戊醇與甲醇、乙醇及丁醇相比，其能量密度高，十六烷值高，黏度與柴油更為接近，很適合應(yīng)用于壓燃模式［9-10］。純戊醇十六烷值低，難以直接應(yīng)用在壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)上，但戊醇的極性低，可直接與柴油、生物柴油穩(wěn)定互溶［11］，因此將戊醇與高活性燃油以一定比例混合是將戊醇應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的可選方法。同時(shí)，戊醇可由木質(zhì)素、糖等經(jīng)發(fā)酵或生物酶高效合成獲得［12-13］，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)戊醇與柴油的摻混燃油開(kāi)展了許多研究：文獻(xiàn)［14］中在一臺(tái)無(wú)廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）的發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展了柴油/戊醇/生物柴油的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，相比于純柴油，添加戊醇后碳煙的排放量明顯減少，且在中低負(fù)荷時(shí)氮氧化合物（NOx）排放降低，在中高負(fù)荷下一氧化碳和未燃碳?xì)浠衔锱欧沤档?。文獻(xiàn)［9］中在直噴柴油機(jī)上研究了不同比例戊醇摻混柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，研究表明燃用戊醇/柴油混合燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)功率、有效熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性方面的表現(xiàn)與純柴油差距很小，且在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)沒(méi)有遇到困難。文獻(xiàn)［15］中研究指出，戊醇/柴油混合燃料在中等EGR 率時(shí)可以有效緩解碳煙和NOx排放的此消彼長(zhǎng)關(guān)系。國(guó)內(nèi)外大量的試驗(yàn)研究表明戊醇摻混高活性燃料應(yīng)用于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性，但試驗(yàn)研究的周期長(zhǎng)且成本高，難以對(duì)邊界工況進(jìn)行充分探索，因此開(kāi)展內(nèi)燃機(jī)的數(shù)值模擬研究以突破試驗(yàn)繁瑣復(fù)雜的限制，對(duì)缸內(nèi)燃燒情況進(jìn)行充分探索是必要的。

柴油的組分十分復(fù)雜，在仿真計(jì)算中，通常使用表征燃料來(lái)替代實(shí)際燃料。正庚烷十六烷值與柴油接近，常作為單組份表征燃料用于柴油機(jī)的仿真計(jì)算［16］。但在試驗(yàn)研究中，單純的十六烷值近似不足以完全表征柴油，其他諸如密度、黏度、揮發(fā)性、低熱值等理化特性對(duì)噴霧燃燒過(guò)程影響巨大。有研究表明，正庚烷的高揮發(fā)性導(dǎo)致液相長(zhǎng)度和柴油相比過(guò)短，在混合燃燒過(guò)程中與真實(shí)的柴油差距過(guò)大［17］。正十二烷是一種典型的大分子液態(tài)直鏈烷烴，與正庚烷相比，其分子尺寸與普通柴油更為接近，沸點(diǎn)更高，蒸發(fā)特性與柴油更為相似，可以更好地還原柴油噴霧蒸發(fā)及油氣混合過(guò)程。國(guó)際發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒合作組織針對(duì)正十二烷的噴霧和燃燒特性在低溫燃燒條件下進(jìn)行了一系列試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)正十二烷在表征柴油上有良好的表現(xiàn)，并建立了一套標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試條件，以改進(jìn)和驗(yàn)證正十二烷在壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)上的計(jì)算流體力學(xué)（computed fluid dynamics，CFD）模型［18］。文獻(xiàn)［19］中將Sandia 實(shí)驗(yàn)室和IFP 實(shí)驗(yàn)室在“Spray A”工況條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果在噴霧燃燒方面具有較好的一致性。綜上所述，正十二烷是柴油優(yōu)秀的單組份表征燃料。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)戊醇和柴油著火燃燒特性已進(jìn)行了一定的探索研究，但關(guān)于戊醇與柴油模型燃料正十二烷的研究還尚未見(jiàn)報(bào)道?；诖?，本文中以正十二烷作為柴油表征燃料，以戊醇作為低活性替代燃料，在定容燃燒彈系統(tǒng)內(nèi)，利用高頻背景光消光法開(kāi)展了不同環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、噴射壓力下的可視化試驗(yàn)研究，探究了戊醇/正十二烷二元燃料碳煙濃度的瞬態(tài)分布特性及戊醇加入對(duì)碳煙生成發(fā)展過(guò)程和碳煙生成質(zhì)量的影響，研究了環(huán)境工況和噴射壓力對(duì)戊醇/正十二烷二元燃料碳煙生成的影響，為戊醇應(yīng)用于直噴壓燃模式提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)，也為今后的仿真計(jì)算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 定容燃燒彈系統(tǒng)

本文中的所有試驗(yàn)研究均在定容燃燒彈系統(tǒng)上進(jìn)行，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)可參見(jiàn)文獻(xiàn)［20-23］。該系統(tǒng)主要由燃燒室、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。燃燒室內(nèi)可保持最高工作溫度1 000 K，最高工作壓力6 MPa。四周共安裝了4 個(gè)直徑為100 mm、厚度為60 mm 的視窗作為光學(xué)通道。

1.2 碳煙測(cè)試方法

采用高頻背景光消光法對(duì)碳煙的生成過(guò)程進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)裝置如圖1所示。圖中，ICCD 為像增強(qiáng)電荷耦合器（intensified charge coupled device）。光源為446 nm 高頻脈沖LED 光源，光束發(fā)出后通過(guò)菲涅爾透鏡轉(zhuǎn)化為平行光，隨后經(jīng)過(guò)擴(kuò)散片變?yōu)榫鶆蛏⑸涔猓来谓?jīng)過(guò)兩個(gè)容彈視窗后，通過(guò)一個(gè)凸透鏡聚焦到高速數(shù)碼相機(jī)上，相機(jī)鏡頭前配置有帶通濾波片。高速數(shù)碼相機(jī)與脈沖LED 信號(hào)同步時(shí)序原理如圖2所示。LED 光源頻率設(shè)置為相機(jī)的一半，這樣相機(jī)可以連續(xù)捕捉到一張只有碳煙輻射光（圖2中虛線區(qū)域1）的照片和一張LED 透射光疊加碳煙輻射光的照片（圖2中虛線區(qū)域2）。

圖1 高頻背景光消光法和OH*化學(xué)發(fā)光法聯(lián)合測(cè)量原理圖

圖2 高速數(shù)碼相機(jī)和脈沖LED 時(shí)序原理圖

通過(guò)高頻背景光消光法可以獲得各時(shí)刻的光強(qiáng)圖片，根據(jù)Beer-Lambert 定律可通過(guò)式（1）計(jì)算出表征碳煙濃度的光學(xué)厚度KL值。

式中，I0為L(zhǎng)ED 燈的入射光光強(qiáng)；Iflame為L(zhǎng)ED 光源熄滅時(shí)碳煙自身的輻射光強(qiáng)；Isum為入射光源穿透碳煙云團(tuán)后的光強(qiáng)I0，trans與Iflame的總和；K為空間消光系數(shù)；L為入射光在碳煙內(nèi)的光學(xué)厚度。

碳煙的體積分?jǐn)?shù)與空間消光系數(shù)K正相關(guān)［24］，如式（2）所示。

式中，f為碳煙體積分?jǐn)?shù)；λ為入射波長(zhǎng)，λ=450 nm；ke為無(wú)量綱消光系數(shù)，據(jù) Rayleigh-Debye-Gans（RDG）理論和Koylu 等人對(duì)消光系數(shù)的研究，ke取值為7.61［24-25，28-30］。

根據(jù)碳煙密度、碳煙的體積分?jǐn)?shù)及碳煙區(qū)域的體積可求得可視化照片瞬時(shí)的碳煙質(zhì)量，如式（3）所示。

Q——周長(zhǎng)評(píng)價(jià)特征量，表示參評(píng)車站雷達(dá)圖面積與等同于該雷達(dá)圖周長(zhǎng)的圓面積的比值，反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)的均衡性，其數(shù)值越大均衡性越好，反之則較差。

式中，msoot為碳煙質(zhì)量；ρ為碳煙密度，假設(shè)ρ=1.8 g/cm3［17，26-29］；A為碳煙區(qū)域的面積。

圖3為基于式（1）獲得的典型時(shí)刻（1 600 μs）的KL分布云圖及噴霧軸線上的KL和（KL）sat分布情況，其中（KL）sat為相應(yīng)的飽和KL值，即理論上可以得到的KL最大值。（KL）sat值由式（4）計(jì)算可得。

圖3 1 600 μs 時(shí)碳煙中KL 值分布

式中，Imin為當(dāng)LED 熄滅時(shí)穿透碳煙的最小光強(qiáng)。

KL曲線在噴霧軸線上存在兩個(gè)峰值，靠近噴嘴的區(qū)域?yàn)閲婌F液相區(qū)域，第二個(gè)峰值區(qū)域?qū)?yīng)碳煙生成區(qū)域，顏色的深淺表示對(duì)光吸收作用的強(qiáng)弱。

1.3 火焰浮起長(zhǎng)度測(cè)試方法

火焰浮起長(zhǎng)度是研究燃料燃燒特性的重要參數(shù)，反映了噴霧燃燒過(guò)程的空氣卷吸情況，與碳煙的形成有直接聯(lián)系［30-31］。因此，在進(jìn)行碳煙可視化試驗(yàn)的同時(shí)使用OH*熒光法測(cè)量了部分工況的火焰浮起長(zhǎng)度，并在可視化分析時(shí)引入該數(shù)據(jù)輔以分析。試驗(yàn)原理見(jiàn)圖1，將帶有310 nm 濾波片的ICCD 相機(jī)架設(shè)在定容彈的另一個(gè)視窗處，拍攝火焰結(jié)構(gòu)以得到火焰浮起長(zhǎng)度的大小。OH*熒光法的詳細(xì)原理可見(jiàn)文獻(xiàn)［21，23］。

1.4 燃料及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中所用的正戊醇和正十二烷由國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)，純度為99%。按照體積比20% 正戊醇及80%正十二烷混合得到P20D80；將正十二烷作為基準(zhǔn)燃料，記為D100?；旌先加偷拿芏?、黏度、十六烷值等參數(shù)由文獻(xiàn)［6，17，32-34］中的計(jì)算公式獲得，主要理化特性如表1所示。

表1 試驗(yàn)燃油的主要理化特性

試驗(yàn)中通過(guò)改變環(huán)境溫度和噴射壓力，對(duì)戊醇/正十二烷混合燃料的碳煙生成特性進(jìn)行研究，分析了戊醇摻混及參數(shù)變化對(duì)碳煙生成的影響。噴嘴孔徑為0.12 mm，為減少循環(huán)變動(dòng)，每組工況噴油10 次，噴油間隔10 s，具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 碳煙試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 碳煙發(fā)展歷程

在環(huán)境溫度850 K、噴射壓力50 MPa 下燃用D100 和P20D80 不同噴油后（after start of injection，ASOI）時(shí)刻的碳煙KL二維分布圖如圖4和圖5所示。圖中黑色部分表示入射光無(wú)法穿透碳煙的區(qū)域，即KL值大于5 的區(qū)域。

圖4 D100 在環(huán)境溫度為850 K、噴射壓力為50 MPa 時(shí)的碳煙KL 二維分布隨時(shí)間變化圖

圖5 P20D80 在環(huán)境溫度為850 K、噴射壓力為50 MPa 時(shí)的碳煙KL 二維分布隨時(shí)間變化圖

從圖4和圖5中可以看到，D100 和P20D80 的碳煙初始生成時(shí)刻分別為ASOI 875 μs 和ASOI 950 μs，戊醇的加入使碳煙的初生時(shí)間發(fā)生滯后。隨著時(shí)間的推移，碳煙生成區(qū)域逐漸擴(kuò)大并向下游移動(dòng)，D100 和P20D80 的碳煙濃度開(kāi)始出現(xiàn)明顯區(qū)別。在ASOI 1 800 μs 時(shí)刻，燃用D100 和P20D80 時(shí)的碳煙生成區(qū)域基本一致，但D100 的碳煙濃度遠(yuǎn)高于P20D80，D100的火焰內(nèi)部出現(xiàn)了因碳煙幾何厚度大而無(wú)法被入射光透過(guò)的黑色區(qū)域，碳煙顆粒的聚集效應(yīng)十分明顯。與之相比，P20D80 的碳煙整體濃度較低。這主要是因?yàn)椋阂环矫?，戊醇的十六烷值較低，降低了燃油整體的反應(yīng)活性和著火延遲期，空氣卷吸時(shí)間增長(zhǎng)，油氣混合程度增加，局部當(dāng)量比降低，使得碳煙生成量減少；另一方面戊醇含氧，使得碳煙生成區(qū)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煙前驅(qū)物，碳煙的凈生成量降低。

從ASOI 1 800 μs 到ASOI 3 000 μs，兩種燃油的碳煙前鋒面向前推進(jìn)，同時(shí)發(fā)生徑向擴(kuò)散，形成類似“紡錘”的結(jié)構(gòu)，碳煙濃度分布向“紡錘”中心富集。在此過(guò)程中 D100 的碳煙濃度明顯下降，而P20D80 的碳煙濃度則依舊維持在較低水平。這是由于隨著噴霧的發(fā)展，碳煙的生成區(qū)域被軸向拉長(zhǎng)，碳煙與空氣的接觸面積大大增加，外圍碳煙的氧化速度增快。這對(duì)于D100 可以大幅增加碳煙生成區(qū)域的供氧，使其整體碳煙濃度逐漸下降；而P20D80 本身含氧，氧氣的增加不會(huì)使其碳煙濃度出現(xiàn)明顯的下降，而是在這一段時(shí)間內(nèi)保持較為穩(wěn)定的濃度。在ASOI 4 000 μs 時(shí)刻，碳煙最前端已超過(guò)可視化邊界，兩種燃油前端的碳煙濃度都保持緩慢下降的趨勢(shì)。值得注意的是，自ASOI 1 800 μs之后，燃用兩種燃油時(shí)碳煙“紡錘”狀結(jié)構(gòu)尾部位置相對(duì)固定，這是由于火焰鋒面的發(fā)展與燃油貫穿動(dòng)量達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，維持了下游區(qū)域碳煙的穩(wěn)定位置。

在ASOI 3 000 μs 時(shí)刻碳煙前鋒面已經(jīng)接近視窗邊界，整體的碳煙生成區(qū)域不再向前發(fā)展。因此選擇ASOI 3 000 μs 時(shí)刻，在775 K 和850 K 環(huán)境溫度不同噴射壓力下對(duì)比了D100 和P20D80 的碳煙濃度分布情況，如圖6～圖9所示。

圖6 D100 在Ta=775 K、ASOI 3 000 μs 時(shí)刻不同噴射壓力下的碳煙濃度分布情況

圖7 P20D80 在Ta=775 K、ASOI 3 000 μs 時(shí)刻不同噴射壓力下的碳煙濃度分布情況

圖8 D100 在Ta=850 K、ASOI 3 000 μs 時(shí)刻不同噴射壓力下的碳煙濃度分布情況

圖9 P20D80 在Ta=850 K、ASOI 3 000 μs 時(shí)刻不同噴射壓力下的碳煙濃度分布情況

由圖6～圖9可見(jiàn)，噴射壓力的提升和戊醇的摻混可以顯著降低碳煙生成，但環(huán)境溫度的提高則會(huì)在一定程度上提高碳煙濃度。在環(huán)境溫度為775 K時(shí)，燃用P20D80 的碳煙生成區(qū)域與燃用D100 時(shí)基本一致，但碳煙濃度明顯低于D100；隨著環(huán)境溫度增加至850 K，兩種燃油的碳煙生成區(qū)域明顯拉長(zhǎng)，且生成區(qū)域依舊十分接近，燃用D100 的碳煙濃度大幅增加，而燃用P20D80 的碳煙依舊保持在較低水平。這是因?yàn)樵跍囟壬叩揭欢ǔ潭葧r(shí)，氧氣的消耗速率更快，擴(kuò)散燃燒區(qū)域擴(kuò)大，碳煙生成區(qū)域自然更大，在此情況下戊醇的含氧特性就更為關(guān)鍵，可以緩解燃燒反應(yīng)區(qū)域的局部高溫缺氧現(xiàn)象，減少碳煙的生成。

為了進(jìn)一步研究穩(wěn)定狀態(tài)下碳煙與燃燒之間的相互關(guān)系，分析了火焰浮起長(zhǎng)度與碳煙之間的聯(lián)系。對(duì)于同種燃油，在環(huán)境溫度相同時(shí)，隨著噴射壓力的提高，碳煙初始生成位置和火焰浮起長(zhǎng)度位置之間的距離不斷增大，碳煙量也大幅下降；在噴射壓力相同時(shí)，隨著環(huán)境溫度從775 K 增加到850 K，該距離大幅縮短，碳煙量也大幅增加?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于同種燃油，碳煙初始生成位置和火焰浮起長(zhǎng)度位置之間的距離與碳煙的凈生成量呈負(fù)相關(guān)，這與文獻(xiàn)［35］中的研究結(jié)果一致。火焰浮起長(zhǎng)度位置表征了燃油燃燒時(shí)火焰尾部的穩(wěn)定位置，碳煙初始生成位置則表征了燃燒時(shí)局部高當(dāng)量比的擴(kuò)散燃燒所處的位置，兩位置之間的區(qū)域則為油氣充分混合的預(yù)混燃燒所在的區(qū)域。噴射壓力的提高可以有效提高油氣混合程度，預(yù)混燃燒占比隨之提高；而溫度的增加縮短了著火延遲期，油氣預(yù)混時(shí)間減少，擴(kuò)散燃燒更早開(kāi)始，碳煙量增加。對(duì)比D100 和P20D80 兩種燃油火焰浮起長(zhǎng)度和碳煙初始生成的位置，在相同工況下其距離大小大致相當(dāng)。P20D80 的碳煙生成區(qū)域大小雖然與D100 十分接近，但碳煙濃度遠(yuǎn)低于后者。綜上可知，戊醇的加入對(duì)油氣混合程度的影響有限，其對(duì)碳煙生成的降低作用主要取決于含氧特性。

2.2 碳煙初始生成時(shí)刻及生成位置

碳煙的初始生成時(shí)刻和生成位置是研究碳煙生成特性的重要信息，對(duì)判斷碳煙前驅(qū)物的分布和表征擴(kuò)散燃燒的意義重大。前文定性分析了燃用兩種燃料時(shí)的碳煙量，為了更加直觀分析其差異，本節(jié)主要從定量角度分析。不同環(huán)境溫度和噴射壓力下燃用D100 和P20D80 兩種燃油時(shí)的碳煙初始生成時(shí)刻和初始位置定量對(duì)比見(jiàn)圖10。由于摻混戊醇后燃油活性降低，在700 K 時(shí)P20D80 并未著火，因此圖中沒(méi)有相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖10 不同環(huán)境溫度和噴射壓力下燃用D100 和P20D80 時(shí)碳煙初始生成時(shí)刻和初始生成位置

從圖10中可以看出，戊醇的摻混會(huì)小幅延后碳煙的初始生成時(shí)刻并延長(zhǎng)其生成位置。這是因?yàn)槲齑嫉膿交煅娱L(zhǎng)了燃油的著火延遲期，燃油噴霧向前移動(dòng)的時(shí)間更長(zhǎng)，著火位置靠后，碳煙出現(xiàn)的時(shí)間自然靠后。在噴射壓力相同時(shí)，溫度的提高會(huì)顯著降低兩種燃油碳煙的初始生成時(shí)刻，兩種燃油在不同噴射壓力下變化率十分接近。對(duì)于燃用D100，溫度從700 K 增長(zhǎng)至850 K，3 種噴射壓力由高到低下碳煙初始生成時(shí)刻分別提前68%、69%、70%。同時(shí)，溫度的提高還會(huì)使對(duì)應(yīng)工況下碳煙初生位置更靠近噴嘴，燃用D100 時(shí)環(huán)境溫度從700 K 升高至850 K，3種噴射壓力由高到低下碳煙初始生成位置距噴嘴距離均減小30 mm 左右，幅度分別為41%、51%、62%。環(huán)境溫度的提升大幅縮短了著火延遲期，使碳煙的初生時(shí)刻大幅提前，著火延遲期的縮短降低了噴霧擴(kuò)散程度，局部當(dāng)量比增大，造成碳煙生成時(shí)刻提前。在環(huán)境溫度相同時(shí)，噴射壓力的提升會(huì)小幅提前碳煙的初始生成時(shí)刻，隨著噴射壓力從50 MPa 增加至150 MPa，環(huán)境溫度700 K 時(shí)燃用D100 的碳煙初始生成時(shí)刻從2 952 μs 提前至2 619 μs，環(huán)境溫度850 K 時(shí)初始生成時(shí)刻從875 μs 提前至825 μs，變化幅度分別為11% 和9%。噴射壓力的提升同時(shí)會(huì)使碳煙的初始生成位置推后。噴射壓力從50 MPa 增加至150 MPa 時(shí)，3 種環(huán)境溫度下燃用兩種燃油的碳煙初始生成位置距噴嘴距離均增加25 mm 左右，以數(shù)值較高的150 MPa 為基準(zhǔn)，3 種環(huán)境溫度由高到低下變化幅度為36%、34%、58%。噴射壓力的提升會(huì)顯著增加噴霧貫穿距，提升燃油的霧化效果，擴(kuò)散燃燒開(kāi)始時(shí)火焰整體結(jié)構(gòu)更加遠(yuǎn)離噴嘴，火焰中碳煙生成區(qū)域也隨之變遠(yuǎn)?？梢宰⒁獾降氖?，環(huán)境溫度的改變對(duì)碳煙的初始生成時(shí)刻的影響遠(yuǎn)大于噴射壓力變化對(duì)碳煙初始生成時(shí)刻的影響，相比之下，兩者對(duì)碳煙初始生成位置的影響較為接近。

2.3 碳煙質(zhì)量與面積瞬態(tài)特性

碳煙的濃度分布與局部碳煙顆粒的數(shù)量與大小密切相關(guān)。通過(guò)式（3）可以建立碳煙濃度與碳煙質(zhì)量分布的關(guān)系，定量分析不同工況下碳煙的瞬態(tài)變化特性。圖11為不同環(huán)境溫度和噴射壓力下燃用D100 和P20D80 時(shí)碳煙生成質(zhì)量隨時(shí)間發(fā)展變化圖。整體而言，在相同的工況條件下，燃用D100 的碳煙生成質(zhì)量高于P20D80，同時(shí)碳煙初始生成時(shí)刻也略早于P20D80。

圖11 不同環(huán)境溫度和噴射壓力下燃用D100 和P20D80 時(shí)碳煙生成質(zhì)量隨時(shí)間發(fā)展變化圖

環(huán)境溫度700 K 下，燃用D100 時(shí)著火延遲期長(zhǎng)，碳煙生成質(zhì)量較小。在較低噴射壓力（50 MPa）時(shí)最高碳煙質(zhì)量為10 μg 左右；噴射壓力增大后，碳煙質(zhì)量降低至約2 μg。環(huán)境溫度增加到775 K，最高碳煙質(zhì)量大幅增加，50 MPa 時(shí)D100 的最高碳煙質(zhì)量增長(zhǎng)到約90 μg，同時(shí)碳煙初始生成時(shí)刻的提前，這在圖11中得到了體現(xiàn)。對(duì)比燃用P20D80 與D100 碳煙量的發(fā)展變化可知摻混戊醇可以顯著降低碳煙質(zhì)量，噴射壓力50 MPa 時(shí)最高碳煙質(zhì)量降幅可達(dá)40% 以上，在150 MPa 噴射壓力下幾乎無(wú)碳煙生成。環(huán)境溫度進(jìn)一步提高至850 K 和925 K 時(shí)，碳煙生成時(shí)刻與生成質(zhì)量變化幅度明顯減小，遠(yuǎn)低于700 K 至775 K 的變化幅度。在環(huán)境溫度提高至775 K 以上時(shí)，擴(kuò)散燃燒占主導(dǎo)地位，碳煙質(zhì)量更取決于燃油富集區(qū)域的大小和區(qū)域內(nèi)當(dāng)量比的大小，而溫度的進(jìn)一步提高僅能使著火延遲期略減小，在此較短的時(shí)間內(nèi)燃油噴霧發(fā)展有限，碳煙質(zhì)量的變化幅度也較小。

對(duì)比兩種燃油的碳煙生成發(fā)展過(guò)程，噴射壓力的提高可以降低碳煙的生成質(zhì)量，但對(duì)不同燃油的降低效果有明顯差異。當(dāng)環(huán)境溫度從775 K 增加到850 K，噴射壓力150 MPa 時(shí)燃用D100 的最高碳煙生成質(zhì)量已達(dá)到較高水平（40 μg ～50 μg），而燃用P20D80 的碳煙質(zhì)量依舊保持在較低水平（10 μg 左右），可見(jiàn)高噴射壓力配合含氧燃料可顯著降低燃燒區(qū)域的當(dāng)量比，能更有效降低碳煙生成。值得注意的是，在碳煙質(zhì)量的發(fā)展曲線中首先經(jīng)歷了急速增長(zhǎng)階段，隨著碳煙向下游移動(dòng)，碳煙質(zhì)量會(huì)達(dá)到一個(gè)遠(yuǎn)高于穩(wěn)定狀態(tài)的峰值。該峰值的成因是燃油噴霧著火之前呈錐形，當(dāng)量比由外向內(nèi)呈增大趨勢(shì)，燃油開(kāi)始著火時(shí)以外圍的預(yù)混燃燒為主，并迅速向內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散燃燒比例迅速增大，由于噴霧軸線上尤其是頭部燃油富集，空氣難以進(jìn)入，造成該“紡錘”狀結(jié)構(gòu)的前端局部當(dāng)量比過(guò)高，碳煙在該區(qū)域不斷堆積并難以被氧化，從而使碳煙的濃度和質(zhì)量急劇上升形成峰值。之后燃油噴霧進(jìn)一步往前推進(jìn)使油氣進(jìn)一步混合，緩和了局部高當(dāng)量比的情況，另一方面在擴(kuò)散燃燒占主導(dǎo)地位后整體燃燒反應(yīng)放緩并逐漸與燃油噴霧達(dá)到平衡，使得碳煙生成量在后半段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定。相對(duì)于D100，燃用P20D80 時(shí)碳煙峰值回落幅度明顯更小，這也證實(shí)了戊醇中的氧原子可以在燃油富集區(qū)一定程度上緩解局部高當(dāng)量比，提高該位置的氧化速率。

為了研究碳煙分布區(qū)域的面積的瞬態(tài)變化特性，根據(jù)碳煙分布區(qū)域的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)和標(biāo)定時(shí)與真實(shí)尺寸的比例關(guān)系，得到環(huán)境溫度775 K 和850 K 時(shí)不同噴射壓力下燃用D100 和P20D80的瞬態(tài)碳煙面積變化曲線，如圖12所示?？梢钥吹?，在相同的試驗(yàn)條件下，燃用D100 和P20D80在碳煙面積上的總體變化趨勢(shì)與碳煙質(zhì)量的發(fā)展情況基本一致，但沒(méi)有明顯的峰值。碳煙的面積變化主要反映碳煙生成區(qū)域的大小，而并不能反映出碳煙局部高濃度的區(qū)域，因此沒(méi)有峰值?？偟膩?lái)說(shuō)摻混戊醇和提升噴油壓力可以明顯降低碳煙面積的大小。

圖12 不同環(huán)境溫度和噴射壓力下燃用D100 和P20D80 時(shí)碳煙面積隨時(shí)間發(fā)展變化圖

3 結(jié)論

（1）在碳煙的生成發(fā)展階段，燃用P20D80 的碳煙生成區(qū)域與D100 大致相當(dāng)，但其整體碳煙濃度遠(yuǎn)低于D100，這主要是因?yàn)槲齑嫉褪橹导昂跆匦缘挠绊憽Ｔ诖穗A段中D100 的碳煙濃度會(huì)經(jīng)歷明顯的先增大后減小的趨勢(shì)，而P20D80 的碳煙濃度在初始增長(zhǎng)后會(huì)在較低值穩(wěn)定一段時(shí)間。

（2）環(huán)境溫度的增加會(huì)使燃用D100 的碳煙區(qū)域和濃度大幅增加，也會(huì)使燃用P20D80 的碳煙區(qū)域變大，但燃用P20D80 時(shí)碳煙濃度增幅較小，依然保持在較低值。相對(duì)于低活性，戊醇的含氧特性對(duì)碳煙的降低起到更大的作用。

（3）摻混戊醇小幅推遲了碳煙的初始生成時(shí)刻，并小幅推后了碳煙的初始生成位置。戊醇的低十六烷值特性降低了燃油的反應(yīng)活性，延長(zhǎng)了其著火延遲期，著火時(shí)刻靠后，碳煙生成時(shí)刻相應(yīng)變長(zhǎng)，且燃油噴霧向前移動(dòng)的時(shí)間更長(zhǎng)，著火位置相應(yīng)靠后。

（4）燃用P20D80 時(shí)的碳煙生成質(zhì)量和碳煙面積要小于D100。環(huán)境溫度提高到850 K 及925 K時(shí)，燃用P20D80 的碳煙濃度也會(huì)達(dá)到較高值，此時(shí)配合高噴射壓力是進(jìn)一步降低碳煙質(zhì)量的有效途徑。