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石化能源消耗和环境污染已成为车用内燃机发展所面临的两大难题,代用燃料的发展不仅是缓解石油危机的重要措施,同时基于燃料设计和燃料组分重构也是实现内燃机高效清洁燃烧的重要手段。近年来,含氧生物质清洁代用燃料的发展得到了国内外学者的广泛关注,因其所具有的自携氧特性,可以有效降低发动机的碳烟,HC以及CO排放,为耦合燃烧边界条件进一步改善压燃式发动机NO_x和soot之间的“trade off”关系创造了条件。发动机的碳烟排放严重影响了环境和人体健康,因此对发动机的燃烧过程及碳烟的生成过程的深入认识有助于从源头找到切实可行的降低碳烟排放的技术措施。本研究采用光学测试方法对压燃式发动机燃用含氧燃料的燃烧及碳烟生成进行了试验研究,探究了不同氧含量和不同分子结构的含氧燃料对发动机的燃烧过程和碳烟生成历程的影响规律,揭示了含氧燃料和燃烧边界条件协同控制对压燃式发动机碳烟生成特性的影响程度和范围。本研究基于一台压燃式光学发动机,搭建了发动机燃烧光学诊断测试平台。采用高速摄影法对发动机缸内燃烧火焰发展历程进行图像采集,采用示功图分析法对缸内燃烧压力和放热规律进行分析,采用双色法求取燃烧过程中缸内温度场及表征碳烟浓度的KL因子,在此基础上分析了压燃式发动机燃用含氧燃料的燃烧历程和碳烟生成特性。主要研究内容包括:1)以煤基合成柴油(CTL)为基础燃料,分别掺混15%和30%的正丁醇制取不同氧含量的试验燃料,探究不同比例正丁醇/CTL混合燃料在不同喷油参数和不同进气氧浓度条件下的燃烧和碳烟生成规律。2)以CTL为基础燃料,分别掺混15%的正丁醇和5%的碳酸二甲酯(DMC)制取相同氧含量、不同分子结构的含氧混合燃料,探究含氧燃料分子结构对燃烧与碳烟生成的影响规律。3)以国五柴油为基础燃料,分别掺混15%和30%的正丁醇制取不同氧含量的试验燃料,探究不同比例正丁醇/柴油混合燃料在不同喷油参数和不同进气氧浓度条件下的燃烧和碳烟生成规律;进而对比分析正丁醇/CTL和正丁醇/柴油两种混合燃料燃烧和碳烟生成特性,探究正丁醇对不同理化特性燃料燃烧和碳烟生成的影响。主要研究结论如下:1)对于丁醇/CTL混合燃料,随着丁醇掺混比例的增加,丁醇中的自携氧抑制了燃烧过程中碳烟的生成,降低了碳烟颗粒的辐射发光,使大面积高亮火焰消失,高温火焰区域和KL因子分布区域大幅度减少,燃烧持续期缩短,燃烧速率增大,由于丁醇汽化潜热比CTL大,低热值比CTL低,掺混丁醇后,缸压和放热率曲线峰值减小。丁醇的掺混比例为15%即可对燃烧和碳烟生成有较大影响。不同的喷油参数下丁醇对燃烧和碳烟生成的影响差别不大。2)燃料氧和环境氧对CTL燃烧和碳烟生成的影响研究表明,掺混丁醇与增大进气氧浓度都会抑制燃烧过程中碳烟的生成,使高亮火焰区域面积减少,大面积火焰持续时间变短,KL因子分布区域减小,且燃烧过程中碳烟生成均处于火焰高温向低温的过渡区域,也就是火焰图像中剧烈燃烧区域的边缘部分。环境氧浓度提高,滞燃期缩短,相比于环境氧浓度,提高燃料氧浓度对燃烧过程火焰亮度和火焰面积的影响更大,燃烧过程中碳烟生成量更少。3)丁醇/CTL及DMC/CTL混合燃料的燃烧特性表明,含氧燃料分子结构对燃烧和碳烟生成历程的影响不同,DMC/CTL混合燃料的滞燃期比丁醇/CTL的短,燃烧过程中火焰面积和火焰亮度比丁醇/CTL的大,丁醇与DMC相比对降低火焰区域温度和抑制燃烧过程中碳烟生成的效果更好。4)对于丁醇/柴油混合燃料,随着丁醇掺混比例的增加,大面积高亮火焰变为零星火焰,当丁醇掺混比例为30%时燃烧火焰出现的时刻明显后移,同时高温火焰区域和KL因子分布区域明显减小,这是由于丁醇的自携带氧原子提高了燃烧区域的氧浓度抑制了燃烧过程中碳烟的生成且加强了碳烟的后期氧化,降低了碳烟颗粒的辐射发光。随着丁醇掺混比例的增加,滞燃期延长,燃烧持续期缩短,较长的滞燃期使燃烧以预混合燃烧为主,放热率曲线峰值增大,但由于着火滞后,缸压曲线峰值减小。丁醇掺混比例为15%时对柴油燃烧和碳烟生成影响较弱,掺混比例为30%时对燃烧和碳烟生成有较大影响。不同的喷油参数下丁醇对燃烧和碳烟生成的影响差别不大。5)燃料氧和环境氧对柴油燃烧和碳烟生成的影响研究表明,随着进气氧浓度的提高,滞燃期明显缩短,混合气预混合量减少,预混合燃烧比例降低,燃烧持续期延长,放热率曲线峰值降低,缸压曲线峰值升高,环境氧对燃烧过程中碳烟生成的抑制作用减弱,高亮火焰区域面积和KL因子分布面积有增大的趋势。提高燃料氧浓度对燃烧和碳烟生成的影响效果与提高环境氧浓度相反,但环境氧浓度和燃料氧浓度均在提高比例较大时对燃烧和碳烟生成影响较大。6)丁醇/柴油及丁醇/CTL混合燃料的燃烧特性表明,随着丁醇掺混比例的增加,丁醇/柴油和丁醇/CTL的滞燃期均延长,但丁醇/柴油的滞燃期延长相对较明显,丁醇/CTL的燃烧放热率曲线峰值减小,而丁醇/柴油的燃烧放热率曲线峰值增大,且前者减小的幅度比后者增大的幅度大。随着丁醇掺混比例增加,燃烧火焰均变暗,且丁醇/CTL的燃烧火焰更暗,丁醇/柴油的燃烧火焰出现时刻滞后,出现在活塞下行过程中,在扩散燃烧阶段有较多的点状火焰。通过双色法分析表明,随着丁醇掺混比例增加火焰温度和KL因子降低,且丁醇/CTL的火焰温度和KL因子的降低效果更明显,说明不同燃料对于丁醇掺混比例的敏感性有所区别。丁醇对CTL燃烧和碳烟生成的影响比对柴油大,丁醇/柴油只在丁醇掺混比例为30%时才对燃烧与碳烟生成过程有较大影响,而丁醇/CTL在丁醇掺混比例为15%就能明显降低缸内高温燃烧区域温度和碳烟浓度。