含氧燃料燃烧的光学诊断研究

李晶鑫，邵琪

含氧燃料燃烧的光学诊断研究

李晶鑫，邵琪

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

为研究不同含氧燃料在降低污染物上的差异，选用三种不同燃料，通过自发光的光学诊断方法对燃烧火焰进行研究。发现DMF30的含氧量和CO-O*生成量不一致，推测燃料中的氧可能有其他的转化方式，B30燃料相对于其他两种燃料来说的能够有效减少碳烟、CH等污染物。

含氧燃料；碳烟；光学诊断；火焰自发光诊断

引言

传统的汽油车与柴油车在燃烧的过程中会产生大量的污染物，如颗粒物、一氧化碳、碳氢和氮氧化物等，这些排放物随着汽车保有量的上升而不断增加。含氧燃料是可再生的生物质燃料，同时降低了内燃机燃烧时各种排放物的生成，在环境保护与资源节约方面均有较大优势。

上海交通大学吕兴才等人进行了在柴油中掺混乙醇的燃烧排放特性实验，实验表明：随着乙醇的不断增加，着火时刻明显推迟，碳烟和氮氧化物的生成量明显下降[1]。Wu等人进行了在丁酸甲酯燃料中掺混甲醇的实验发现：在燃烧过程中由于甲醇的加入增加了燃料中的氧原子，这些氧原子在燃烧的过程中与碳原子结合带走了更多的碳原子，这在一定程度上减少了CO2的生成[2]。

自发光法相比于其他的光学诊断方法来说较为直接简便，操作简单，因此通常被用于缸内的光学检测[3]。例如Stoj- kovic等人运用了自发光法并结合高速摄像技术研究了燃料在气缸中燃烧时的碳烟和OH的分布以及变化历程[4]。

本文的主要研究工作是通过自发光诊断的方法比较不同含氧燃料与柴油燃烧时在降低碳烟及其中间产物生成量上的不同，从而提出含氧结构的颗粒物燃料控制路线。

1 含氧燃料燃烧研究理论基础

柴油机燃烧时的碳烟的形成要经历一个复杂的过程，首先柴油机中的燃料受热分解产生碳烟的主要前驱物PAH，PAH不断聚集形成碳烟的基核，碳烟的基核形成后，燃烧产生的各种微粒在该基核表面合并，形成碳烟生成过程中的主要粒子[5]。众多的粒子通过凝聚过程不断积聚最终生成碳烟26。而在碳烟生成的过程中，会产生各种前驱物如PAH（多环芳烃）、C2、CO-O*、CH、CH2O、OH以及SOOT等。不同的中间产物会发出光强不同的光，且前驱物的生成量越多，辐射强度越大[6]。

2 实验方法及图像的处理

2.1 实验装置和方法

本实验的主要装置为酒精灯、高速摄像机以及采集波段不同的滤镜和一台光谱仪。

本研究把正丁醇和2,5-二甲基呋喃与柴油以体积比1:4进行混合，得到了两种物性参数不同的混合燃料：B30 和DMF30。用高速摄像机拍摄燃烧的火焰自发光图像，经过标定，光强计算等过程最终得到污染物的光强曲线。

由于两种混合燃料的掺混量相同，这两种混合燃料的氧含量也比较类似。因此可以忽略燃料中氧含量对污染物的影响。

2.2 采集波段和滤镜的选取

本次试验所选择的采集波段为372 nm～701 nm。本次试验所采用的五种不同的滤镜的型号、采集波段、信号的主要来源物种和测量目标物种在表1中给出。

表1 滤镜参数

滤镜型号采集波段/nm信号主要来源物种测量目标物种 FF01−680/42−25659～701碳烟碳烟 FF02−520/28−25506～534碳烟、C2、CO-O*C2 FF02−472/20−25462～482碳烟、CO-O*CO-O* FF01−425/26−25412～438碳烟、CH、CO-O*CH

2.3 信号强度的计算

整个测试系统所能得到的信号V为：

滤光片的中心波长为λ；半高宽为△fi；最大通过率为τp；镜头的放大倍数为M；像素点面向镜头方向的面积为S；一个像素点的面积为A1；激光片的厚度为W；相机镜头面积为A2；ni表示本试验所采用的高速摄像机在波长为λ时对光强的敏感系数。本文的相机敏感系数ζ如图1所示。

2.4 滤镜通过率

取中心波长为425 nm、472 nm、520 nm以及682 nm得到如图2所示的滤镜通过率图像。

通过近似计算可知，中心波长为425 nm的滤镜片其通过率约为90%；中心波长为475 nm、520 nm和682 nm的滤镜片其通过率均为93%。

2.5 不同中间产物光强的计算

由图1可知，相机敏感参数分别为425=0.634；472= 0.756；520=0.8615 7；680=0.953 719。对图3的碳烟辐射曲线进行基准归一化处理，表2表示最终归一化处理的结果。

表2 归一化结果

中心波长/nmCO2的发光强度碳烟的发光强度 4250.418 8070.117 766 6 4720.406 3610.255 763 5 5200.348 6740.409 669 3 68011

忽略高速摄像机对光接受的差异以及同一种物质在不同波长的发光强度差异可以得到如下公式：

I−425=(I−425+I0*−425+I−425)×425×425（2）

I−472=(I−472+I0*−472)×472×472（3）

I−520=(I2−520+I0*−520+I−520)×520×520（4）

I−680=I−680×680×680（5）

计算所需的参数如表3所示：

表3 计算所需参数

中心波长/nm滤镜通过率τ相机敏感参数ζCO2的发光强度R碳烟的发光强度A 4250.900.6340.418 8070.117 766 6 4720.930.7560.406 3610.255 763 5 5200.930.861 570.348 6740.409 669 3 6800.930.953 71911

其中I为高速摄像机接受到的光强，为不同物质的发射光强。计算过程如下：I=I−680。

由公式（3）可以推出：

I−472(472×472)=I−472+I0*−472=I0*−472+680−472×

I−680=I0*−472+680−472×I−680(680×680)

因此I0*的计算公式为：

I0*=I0*−472

=I−472(472×472) −680−472×I−680(680×680)

= I−472(0.93×0.756) −0.255 763 5×I−680(0.93×0.953 719)

= I−4720.703 8−0.255 763 5×I−6800.886 958 67 （6）

同理，由公式（2）和（4）可以推出：

I−425(425×425)=I425+I−425=I425+(425472)

×I0*−472+680−425×I−680(680×680)

I−520(520×520)=I2−520+I0*−520= I2520+(520472)

×I0*−472+680−520×I−680(680×680)

I和I2的计算公式如下：

I=I−425

= I−425(425×425) −(472425)×I0*−472−(680−425×I−680)/

(680×680)

= I−425(425×425) −(472425)×I0*−680−425×I−680/

(680×680)

= I−4250.570 9 −0.970 282 254 1×I0*−(0.117 766 6×

I−680)/0.886 958 67 （7）

I2= I2−520

= I−520(520×520) −(520472)×I0*−472−(680−520×I−680)/

(680×680)

= I−520(520×520) −(520472)×I0*(680−520×I−680)/

(680×680)

= I−5200.801 260 1−0.858 040 018 6×I0*− (0.409 669 3

×I−680)/0.886 958 67 （8）

其中，I−425；I−475；I−520；I−680是经过图像采集得到的，分别代表四个滤镜采集到的图像的灰度值。

通过查阅文献，引入在已知温度下的SOOT辐射曲线，如图3所示[7]：

图3 SOOT辐射曲线

2.6 火焰自发光图像的处理

利用Andor soils软件对采集到的1 800张图像素材进行挑选，得到符合实验要求的300张图像。

将300张图像分为五组，利用Andor soils软件中的Com- mand line功能对着60张图形进行累加计算。

在对上述五组图像进行累加计算后，通过Andor soils软件中自带的Command line功能对图像进行处理。处理的过程如图4所示。

图4 图像处理

2.7 自发光图像的标定

标定所使用的仪器主要有刻度尺、标准纸（每一小格对应1 mm）以及高速摄像机组成。将刻度尺放在柴油机燃烧时的火焰旁，随后将标准纸夹在漫射板上。标定时对焦在漫射板上的标准纸。

3 含氧燃料结构对碳烟生成影响的研究

图5是通过对自发光图像处理，光强计算和标定等工作得到的光强图，该图的纵坐标代表同一火焰高度下所有像素点的总光强。横坐标代表火焰的高度。图6是三种燃料在整个燃烧过程中中间产物的总光强即不同污染物的总生成量。

图6 四种污染物的总生成量

4 结论

（1）DMF30燃料含氧量高然而CO-O*的生成量却较少，其燃料中大量的氧可能有其他的转化方式。

（2）C2与碳烟的最终形成有很大的联系，然而通过对比C2与碳烟的曲线可知C2的生成规律与碳烟的生成规律并不一致，可以猜测C2转变为碳烟时有其他可能的转变路径。

（3）B30燃料的碳烟、CH等中间产物生成量都比较少，而DMF30虽然碳烟生成减少了但中间产物生成量增加了，因此B30燃料可以有效减少柴油机污染物的生成。

[1] 吕兴才,马骏骏,吉丽斌,等.乙醇/生物柴油双燃料发动机燃烧过程与排放特性的研究[J].内燃机学报,2008(02):140-146.

[2] Untao Wu,Ki Hoon Song,Thomas Litzinger,et al. Reduction of PAH and soot in premixed ethylene-air flames by addition of ethanol[J]. Combustion and Flame,2005,(4):144.

[3] 何旭,马骁,王建昕.光学诊断在柴油机缸内碳烟测试中的应用[J].车用发动机,2007(03):8-13.

[4] Boris D. Stojkovic, Todd D. Fansler, Michael C. Drake, Volker Sick. High-speed imaging of OH* and soot temperature and concentration in a stratified-charge directinjec- tion gasoline engine[J].Proceedings of the Combustion Institute,2004, (2):30.

[5] Musculus M P,Genzale C L,Reitz R D.Effects of Spray Targeting on Mixture Development and Emissions in Late-Injection Low-Tem- perature Heavy-Duty Diesel.

[6] Combustion.[J].Proceedings of the Combustion Institute,2008,32(2): 2767-2774.

[7] Guiberti T F,Durox D,Schuller T.Flame chemiluminescence from CO2-and N 2-diluted laminar CH 4/air premixed flames[J].Com- bustion and Flame,2017,181:110-122.

[8] Iuliis S D,Barbini M,Benecchi S,et al.Determination of the Soot Vo- lume Fraction in an Ethylene Diffusion Flame by Multiwavelength Analysis of Soot Radiation[J].Combustion and Flame,1998,115(1): 253-261.

Optical Diagnosis of Oxyfuel Combustion

LI Jingxin, SHAO Qi

( School of Automobile of Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

In order to study the difference of reducing pollutants between different oxyfuel, three different fuels were selected to study the combustion flame by self luminous optical diagnosis method. It is found that the oxygen content of dmf30 is not consistent with the CO-O* production. It is speculated that there may be other ways of oxygen conversion in the fuel. Compared with the other two fuels, B30 fuel can effectively reduce soot, CH and other pollutants.

Oxygenated fuel; Soot; Optical diagnosis;Flame self-luminescence diagnosis

TK43

A

1671-7988(2021)23-40-05

TK43

A

1671-7988(2021)23-40-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.011

李晶鑫，长安大学汽车学院车辆工程硕士研究生。