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1、低温燃烧碳烟前驱物生成机 理及中间产物自由基研究 张鹏 指导教师：尧命发 教授 研究方法及实施方案 主要内容 国内外研究动态和背景 研究水平和存在问题 选题的目的和意义 进展计划 主要内容 国内外研究动态和背景 研究动态和背景 新型燃烧模式：均质压燃（HCCI）和低温燃烧（LTC）可以提 高热效率的同时降低尾气排放，减少内燃机对后处理器的依赖， 对节约资源和国家经济发展发挥重要作用。 经过近几年来国内外研究，人们认识到：缸内混合气浓度（） 历程和温度（T）历程控制是柴油机新型燃烧模式的核心 近年来，光学、计算机以及高速图象处理技术的飞速发展为柴 油机燃烧可视化提供了强有力的工具。国外研究者运用
2、先进的 测试技术，设计出各种柴油机燃烧可视化实验装置，对柴油机 缸内燃烧的各个方面进行研究，获得了大量的试验数据。 柴油机燃烧可视化是研究其燃烧过程最先进、最有效的实验手 段之一，因此开展柴油机燃烧可视化研究具有十分重要的意义 ： 一、可以系统、深人地了解燃烧发生、发展的特征规律，获取 燃烧中间产物和自由基的发展历程，进一步加深对柴油机燃烧 过程的的理解和燃烧机理的认识； 二、结合实际柴油机进气组织、喷雾及燃烧室结构来开展这方 面的研究，能够为柴油机燃烧系统的评价和改进提供依据。 Dec等人通过燃用柴油和含氧燃料，对生成的PAH和碳烟进行 了激光诊断研究，表明早期的碳烟是在浓的预混合反应区生成
3、 。喷油进入准稳态期（火焰浮起长度被建立到喷射结束前）后 ，油束前端的碳烟生成较多，油束外围的扩散火焰加速了碳烟 的生成。 研究动态和背景 重点研究低温燃烧不同燃烧阶段的碳烟前驱物多环芳烃（ PAHs）生成与演化，这一研究对于发展柴油机低温燃烧理 论、探索降低柴油机低温燃烧碳烟排放技术途径有重要的 理论意义和较高的实用价值。 Dec和Tree通过激光诱导炽光（LII）和激光诱导荧光（LIF）， 对碳烟和OH同时进行研究表明，油束里面的碳烟被OH包围着， 在OH包围的外面没有碳烟生成，表明碳烟在脱离火焰之前就被 氧化了。 Kobayashi等人通过构建苯的扩散火焰，对碳烟的前驱物PAH 进行了研
4、究，研究重点放到了PAH向碳烟的转化过程，并得到 了转化温度发生在11501200 K的结论。 国内柴油机燃烧的光学诊断因为技术和设备的原因起步较晚，但 也获得了大量燃烧过程的试验数据。在碳烟缸内诊断技术方面， 天津大学的张惠明等人将双色法成功地应用于柴油机燃烧过程中 温度和碳烟浓度的测试。清华大学的何旭等人应用LII技术，结 合双色法测温原理获得了乙烯扩散火焰的碳烟浓度分布二维图像 。并结合双色法获得了生物柴油与柴油掺混后燃烧的温度场和碳 烟的浓度场 研究动态和背景 主要内容 研究水平和存在问题 英国Andor 公司ICCD相机2套 研究水平和存在问题 实验设备水平 美国Spectra-Ph
5、ysics公司Nd:Yag激光器一套 德国Sirah公司 PrecisionScan型 可调谐染料激光器一套 美国Bruker公司光谱仪1套 研究水平和存在问题 试验系统水平 发动机试验系统 燃 烧 器 试 验 系 统 研究水平和存在问题 存在的问题 由于碳烟生成过程极为复杂，碳烟生成机理，尤其是低温燃烧过 程碳烟生成机理仍是内燃机燃烧学研究的一个难题，现今国内外 碳烟生成研究存在的问题有： 一、碳烟生成机理仍不十分清楚，碳烟生成的概念模型还没有得 到实验的验证 二、低温燃烧过程碳烟生成机理需要“再认识”，内燃机碳烟生成 、缸内分布、形态、粒径分布等与燃烧模式有关。传统的现象学 模型不能解释低
6、温燃烧试验研究结果。因此，需要“再认识”低温 燃烧柴油机碳烟形成机理； 三、对低温燃烧初期碳烟前驱物的形成，低温燃烧过程中火焰结 构及其对碳烟生成、氧化影响以及适合低温燃烧全过程的碳烟化 学动力学模型的研究还很少； 四、上止点附近对光路和图像处理带来一定的困难。同时由于碳 烟对可视发动机石英窗的污染，需要经常清洗，增加了实验研究 工作量； 五、把激光诊断技术应用到实际的光学发动机燃烧火焰的测量中 进一步实施光信号的标定，从而获得缸内浓度定量信息将是待解 决的关键技术。 主要内容 选题的目的和意义 研究目地 实现更低的缸内原始碳烟排放，是低温燃烧方式 研究的关键问题。发展柴油机低温燃烧理论、开
7、展低温燃烧碳烟生成机理的基础理论研究，对提 出降低碳烟排放燃烧控制技术新途径有重要理论 指导意义和工程应用价值。 本研究将建立PAH-PLIF、PLII-soot和OH-PLIF 等先进的激光测试系统，综合采用光学发动机激 光诊断技术、化学发光法测试技术；重点研究低 温燃烧不同燃烧阶段包括碳烟前驱物多环芳烃（ PAHs）生成与演化、的物理、化学动力学模型， 提出降低柴油机低温燃烧碳烟排放的控制策略。 这一研究对于发展柴油机低温燃烧理论、探索降 低柴油机低温燃烧碳烟排放技术途径有重要的理 论意义和较高的实用价值。 研究意义 1）燃烧过程中碳烟生成机理是燃烧学研究的热 点和难点，本研究通过光学发动
8、机和燃烧器采用 不同的光学测量技术对柴油机低温燃烧碳烟生成 开展深入系统的研究。 2）本研究将完善柴油机缸内燃烧诊断技术，对 柴油机低温燃烧过程关键中间产物、自由基演化 和碳烟生成与演化历程开展深入的研究，使柴油 机燃烧光学诊断技术进入国际先进水平。 3）本研究领域涉及燃烧学、化学反应动力学、 计算流体力学和激光诊断技术等多学科，可实现 学科交叉提高研究水平。 4）本研究有很好的工程应用背景，在基础理论 研究成果基础上，将提出控制柴油机低温燃烧碳 烟排放、提高发动机能量利用率的燃烧控制技术 。 研究方法及实施方案 主要内容 研究方法 使用光谱仪对预谱仪对预 混合低温燃烧过烧过 程中化学发发光（
9、自燃 发发光）的光谱谱特性随时间时间 和空间间的发发展过过程进进行记录 。采用化学发发光法研究低温燃烧烧中间产间产 物、自由基演化 历历程（重点是PAH前驱驱的C2自由基） 应用片状激光诱导荧光（PLIF）方法，激发PAHs产生 荧光信号，用ICCD探测器及光谱成像系统分别进行记录 。 采用PLII-soot激光成像系统研究低温燃烧碳烟生成与 氧化机理。结合双色法测温原理，测量受激碳烟颗粒温 度、粒径分布，并从LII信号绝对的光强值中得到碳烟 浓度的定量分布。 应应用PLIF法研究重要的自由基OH的演化历历程。 使用PIV系统，测量缸内流场和速度场。 实施方案 PAH-PLIF Nd:YAG
10、输 出532nm， 重复频率为 10Hz的激光 ；泵浦染料 激光器发出 387nm激光 信号激发 PAHs， 用410nm的 长波通滤光 片清除杂散 光干扰进行 采集。 soot PLII Nd:YAG输出 532nm，重复 频率为10Hz ，能量约为 125mJ的激光 激发soot； 用450nm的短 波通滤光片 清除杂散光 干扰进行采 集。DG535 延迟触发 ICCD采集 OH-PLIF Nd:YAG输出 532nm，重复频 率为10Hz，能量 约为650mJ的激 光；泵浦染料激 光器发出284 nm 激光信号激发 OH ，用312nm 的带通滤光片、 58nm的短波通 滤光片和 WG3
11、05长波通 滤光片清除光干 扰进行采集。 信号采集试验方法 一、滤波后（去除干扰信号）采集图像或光谱（主 要针对现阶段） 二、滤波后（去除干扰信号）通过半透半反镜同时 采集发动机燃烧或燃烧器燃烧在相同条件和相同时 刻的光谱和图像 三、通过半透半反镜同时采集发动机燃烧或燃烧器 燃烧在相同条件和相同时刻的在不同滤波后（去除 干扰信号）图像信号（方便双色法计算） 温度场和流场试验方案 温度场试验方案：在进气中加入磷光剂，通过一 定能量的532nm激光后，通过磷光剂的发出光强 计算出温度。 流场试验方案：使活塞运动段缸体和燃烧室尽量 使用石英玻璃，通过PIV系统进行测量 主要内容 进展计划 计划安排
12、2010年1月12月 阅读相关文献以了解所研究课题 的背景和意义、并完成光学发动机和单缸发动机试 验台架，确立技术方案。应用化学发光法通过光谱 分析研究低温燃烧中间产物、自由基演化历程。设 计完成层流预混燃烧器搭建PLII和PLIF光路。 2011年1月12月在光学发动机上开展：PAHs生成 历程及演化的探测及定量研究；PAHs前驱物C2和 其它重要中间产物、自由基生成历程；温度场测量 。在燃烧器上开展：碳烟浓度分布定量测量技术； PAH和OH等自由基的定量测量。发表论文3-4篇。 2012年在光学发动机上开展：低温燃烧碳烟生成机理 、缸内生成区域及演化，碳烟生成与火焰结构的关系 ；碳烟后氧化机理的研究；含氧燃料碳烟生成机理研 究；对模型进行定量标定。发表论文23篇。 2013年辅助课题延伸试验；撰写博士论文准备答辩。 感谢您的关注
