柴油机相似条件下颗粒/燃料/空气预混火焰动力学及燃烧反应机理的研究

Burning velocities of fuel/air mixtures have been investigated extensively, but there are only a limited number of literature data concerning particle/fuel/air mixtures which are important for the enhancement of in-cylinder soot oxidation in diesel engines. This project will measure the variation of flame stretched velocities with stretched rates and the variation of Markstein length with equivalence ratios in a constant volume cylindrical bomb using natural light and Schlieren high-speed cinè photography, and develop a correlation between unstretched burning velocities and combustion conditions (e.g. temperature, pressure, equivalence ratio). Flame instabilities and the formation of cellular structures during spherical gaseous explosions will been studied experimentally using single-shot planar laser-induced fluorescence (PLIF). Ranges of unstable wavelengths will be identified as a function of Markstein number and Peclet number. The dynamics of cell growth and fissioning will be qualitatively interpreted in terms of flame stretch rates and thermodiffusion. The effect of particle on flame stability will be characterized. Major products and intermediate species in flat flames on a McKenna burner will be identified by measurements of GS-MS. Sensitivity analysis and reaction path analysis will be performed to explore the effect of particles on chemical kinetics at high temperatures and high pressures. A theoretical model will be established to account for the interaction of diffusion, oxidation and radiation of particles with flame propagation and stability. Diesel engine experiments will be conducted and the theoretical model will be modified to fit engine test data. A technical approach will be explored to improve engine combustion and enhance the oxidation of in-cylinder soot.

目前对火焰动力学的研究主要针对燃料/空气混合气，很少关注颗粒/燃料/空气混合气，而后者的研究对强化柴油机碳烟缸内氧化具有重要意义。申请项目拟在定容燃烧弹内采用纹影法测量含颗粒混合气拉伸火焰速率与拉伸率的关系以及当量比与马可斯坦长度的关系；发展含颗粒混合气无拉伸燃烧速率与温度、压力、当量比的关联式；采用平面激光诱导荧光法研究火焰不稳定性和蜂窝结构的形成过程。归纳不稳定波长与马可斯坦准数、Pelect准数的关系，以及蜂窝单元增长、裂变与拉伸率、热扩散率的关系，分析颗粒在火焰失稳和碎裂过程中的作用。采用McKenna燃烧器和气相色谱-质谱联用仪，精确探测火焰中间体、主要产物的种类和浓度，通过反应路径分析和敏感性分析，发展含颗粒混合气高温高压化学反应机理。建立颗粒扩散、氧化和热辐射与混合气火焰传播和稳定性相互影响的理论模型。结合柴油机实验，修改和完善模型，探索强化柴油机碳烟缸内氧化的技术途径。

目前火焰动力学的研究主要针对燃料/空气混合气，而对颗粒/燃料/空气混合气关注较少，后者对强化柴油机碳烟缸内氧化具有重要的研究价值。项目利用定容燃烧弹和高速纹影摄像装置研究了颗粒对火焰发展过程的影响规律。计算了等压燃烧阶段层流火焰传播速度，获得了碳粒浓度、尺度分布对火焰传播速率和燃烧速率的影响规律。发现火焰中的碳粒不仅能够促进火焰扩散的作用，而且能够减小了Markstein 长度，这种趋势在当量比附近尤为明显。此外颗粒的存在使得火焰出现裂纹时间和蜂窝化时间均缩短，蜂窝化时刻压力值降低，这一趋势在高温时比低温时更明显。含颗粒火焰的蜂窝化是由环形裂纹触发，标志着颗粒对火焰蜂窝化结构具有重要影响。采用McKenna 燃烧器和同步辐射技术，精确探测了预混火焰中间体、主要产物的种类和浓度，结合计算化学方法，获得了碳烟增长组分的新反应路径，完善了燃烧机理模型。采用新的反应机理，分析了正庚烷和异辛烷的燃烧过程中碳烟增长组分的变化规律，发现C2H4和C2H2 的生成与消耗均与C2H3 直接相关。正庚烷燃烧过程中，C2H4 及其后续反应占据主导地位，而异辛烷燃烧过程中，C3H6 及其后续反应与其它路径占据的比例基本相同。研究了含氧燃料和碳氢燃料之间的相互作用。乙醇在高温和低温时有不同的作用机理，低温时，乙醇含量增加会减少火焰中OH浓度，导致乙烯总的相对消耗反应速率下降。乙醇对火焰中H浓度影响很小，但高温和低温时乙烯与H反应的路径不同。低温时，O浓度较小，OH浓度随乙醇含量增加而降低；高温时，随乙醇含量增加，OH浓度升高而O浓度降低。在发动机实验台架上，进行了国IV柴油和F-T柴油掺混含氧物质烯酸甲酯的实验，从烯酸甲酯化学结构、特征官能团与碳烟增长组分的相互作用关系出发，研究了碳烟成核过程和燃料化学结构的内在关系。基于高压共轨多次喷射柴油机实验平台，研究了混合气形成方式对燃烧碳烟形成过程的影响规律，分析了前、后次喷射时间间隔和喷油量对碳烟浓度和粒数分布的影响规律，研究发现，后次喷射对前次喷射燃烧形成的碳烟具有氧化作用，同时后次喷射对碳烟峰值粒径的增长也有促进作用。分析了缸内高温裂解反应在碳烟粒子成核过程中的作用，探索了利用喷油策略调整碳烟颗粒氧化活性的可行性。研究结果对于强化碳烟颗粒缸内氧化，降低发动机碳烟排放提供了理论依据和技术支持。