燃烧科学与技术
Journal of Combustion Science and Technology 2017，23(4)：344-350
DOI 10.11715/rskxjs.R201703021
收稿日期：2017-01-21．
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51336005)．
作者简介：耿培林（1989— ），男，博士研究生，gengpeilin@tju.edu ． 通讯作者：姚春德，男，博士，教授，arcdyao@tju.edu ．
耿培林1，姚春德1，胡江涛1，张德福2，马 明3
(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 天津理工大学海运学院，天津 300384；
3. 华菱星马汽车股份有限公司，马鞍山 243061)
摘 要：为了解不同着火性质燃料之间的相互作用，在定容上结合高压燃油共轨系统，通过高速摄像光学系统，研究了柴油分别在两种不同的单碳高辛烷值燃料氛围下的着火和燃烧行为．结果表明：降低环境温度和增加预混甲烷的浓度均延长柴油着火滞燃期，增大燃烧放热率峰值，且较低的环境温度和高的甲烷浓度有利于减少碳烟的生成；相比于甲烷，甲醇对柴油着火的抑制作用更强，具有较长的滞燃期，为油气混合赢得更多的时间，预混燃烧部分增加，因此柴油在甲醇氛围下的放热率峰值略高于甲烷氛围，同时产生碳烟的扩散燃烧比例降低，生成的碳烟减少．
关键词：定容；柴油；甲烷；甲醇；着火燃烧
中图分类号：TK16 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2017)04-0344-07
Ignition and Combustion Characteristics of Diesel in Premixed
Methane and Methanol Atmosphere
Geng Peilin 1，Yao Chunde 1，Hu Jiangtao 1，Zhang Defu 2，Ma Ming 3
(1．State Key Laboratory of Engines ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2．Marine Transportation College ，
Tianjin University of Technology ，Tianjin 300384，China ；3．Hualing Xingma
Automobile (Group )Co.，Ltd ，Maanshan 243061，China )
Abstract ：In order to understand the interaction between fuels of different ignition properties ，the ignition and combustion characteristics of diesel injected in either methanol or methane mixture were researched in a constant volume combustion chamber coupled with high pressure common rail system by using high speed camera optical system ．The premixed atmospheres are the mixture of methane and the mixture of methanol and air ，respectively ．Results show that the ignition delay period and the peak combustion release heat rate increase as the ambient temperature decreases or the premixed methane concentration increases ．Under low ambient temperature or premixed methane atmosphere ，the soot formation decreases ．Compared with methane ，methanol has a greater inhibitory effect on diesel ignition ，so the ignition delay period of the methanol atmosphere is longer than that of the methane atmosphere ．There are much time for diesel fuel to mix with air ，so the peak release heat rate of the methanol atmosphere is bigger and less soot is generated.
Keywords ：constant volume combustion chamber ；diesel ；methane ；methanol ；ignition and combustion
耿培林等：柴油在甲烷氛围及在甲醇氛围下的着火燃烧特性 燃烧科学与技术
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在能源安全和环境污染问题日益凸显的时代，柴油机作为石油消耗及污染物排放的主要贡献者之一，其传统的柴油扩散燃烧模式很难满足当今的需求，为了追求更高的燃料热效率和超低的污染物排放，诸多新型燃烧方式应运而生，其中Reitz 等[1]提出了基于双燃料燃烧模式的RCCI (reactivity controlled com-pression ignition )燃烧，RCCI 燃烧通过进气道喷射低活性燃料与缸内直喷高活性燃料相结合，利用两
种燃料截然相反的性质在缸内制备基于化学反应活性的混合气来控制着火时刻和燃烧过程，并获得国际燃烧界的关注．
由于甲烷和甲醇结构简单，且不含有C—C 键，来源广泛，可实现无焰燃烧[2]，是非常有潜力的替代燃料．同时开展了针对天然气和甲醇燃料的诸多基础和实验研究[3-4]．但是因为这两种燃料的着火温度高，难以直接压燃，因此利用柴油引燃天然气和甲醇的二元燃料燃烧模式得到国内外学者的关注. Pa-pagiannakis 等[5]研究表明，相比于纯柴油，双燃料燃烧具有较长的滞燃期和更低的NO x 和碳烟排放，但CO 和HC 的排放增加．Liu 等[6]发现双燃料燃烧产生较多的未燃HC ，其中90%的未燃HC 来自于未燃烧的甲烷．Guerry 等[7]研究了柴油喷射时刻对预混天然气柴油发动机的燃烧和排放的影响，研究发现随着喷射时刻的提前，燃烧放热率形态由两阶段放热形态转变为单一阶段放热的高斯形态，NO x 和碳烟排放降低，未燃HC 和CO 排放增加．Liu 等[8]通过多维数值模拟耦合详细的化学反应机理发展了柴油引燃天然气双燃料的数值模型，并能够很好地预测发动机在小负荷下的燃烧和排放性能．但是对于柴油引燃天然气燃烧方式的研究主要集中在发动机台架试验，且对于试验现象的解释多停留在定性认识的基础上，对柴油在天然气氛围下的可视化参数研究较少．
相对于天然气，甲醇有含氧、汽化潜热大、易储存、价格便宜等诸多优点，甲醇在柴油机上也得到越来越多的应用．与柴油引燃天然气燃烧性质相似，柴油引燃甲醇燃料同样具有着火滞燃期长，碳烟和NO x 排放降低，未燃HC 和CO 的排放增加等特点[9]．为深入了解柴油在甲醇氛围下的着火和燃烧特性，Yin
等[10]在定容上研究了环境温度对柴油在甲醇/空气氛围下的着火和燃烧特性，发现在甲醇氛围下柴油的滞燃期比在空气氛围下的要长，随着温度的增加，甲醇对柴油燃烧的滞燃效果减弱，当环境温度升高到960K 时，甲醇的滞燃作用消失．Xu 等[11]通过化学反应动力学机理阐述了柴油在甲醇氛围下推迟着火的原因．但是柴油分别在天然气氛围和甲醇氛
围下的着火和燃烧特性的对比研究鲜有报道．由于
环境温度和混合气浓度是影响燃料着火的主要因素，为此，笔者采用高速摄像技术，在定容上结合高压共轨系统开展了环境温度和混合气浓度对双燃料的着火和燃烧特性的试验研究，并对比分析了柴油在甲烷氛围和甲醇氛围下的着火和燃烧特性．
1 试验装置及方法
1.1 试验装置
试验台架主要包括定容、高压共轨燃油供给系统、高速摄像光学系统和数据同步采集系统等．试验台架结构示意图如图1所示．其中定容内置一个直径为80cm 、长为224cm 的炉膛，电炉丝环绕在炉膛四周，前后各安装一块视窗，大小为80cm 的石英玻璃，其最高能够承受的压力为10MPa ，温度为1000K ．定容的正上方布置一个孔径
为0.18mm 的单孔圆柱型喷油器，其一侧安装压力传感器(Kistler 6125C )和温度传感器，并分别连接一个电荷放大器(Kistler 5018A )和一个数字显示仪来实时监测缸内气体的压力和温度变化．
图1 试验台架示意
高压共轨燃油供给系统由Bosch CPN2.2型高压油泵、高压共轨管、异步电机及变频器等构成．试验通过变频器和电机驱动高压油泵建立轨压，最高可达到160MPa 的喷射压力，结合自行研制的燃油喷射控制单元可实现多次连续喷射，且每次喷射脉宽和间隔均灵活调节．试验中采用国Ⅴ的0号柴油，单次燃油循环喷射量为17.6mg ．
高速摄像光学系统主要是一台日本Phtron 公司生产的Fastcam SA1.1 型高速摄像机，并配有一台Tokina 100mm 定焦镜头．为了获得较好的对比分析燃烧图像，本试验选取10000帧/秒的拍摄速度，对应分辨率为768×768，曝光时间为1/183000s ，固定光圈大小．
数据同步采集系统采用NI 公司DAQ 6251型数据采集卡，主要进行燃烧压力数据的采集及实现燃油
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喷射时刻与高速摄像时刻的同步触发，即当计算机给ECU 发出喷油信号时，喷油器按照设定的喷射参数(喷射脉宽和间隔)开始工作，同时ECU 同步触发高速摄像机和DAQ ，实现高速摄像机的拍摄和燃烧压力信号的同步采集，本试验中，燃烧压力信号的采集频率和高速摄像的拍摄帧率保持一致，实现高速摄像图像与燃烧压力采样点的统一，最终燃烧的图像和燃烧压力信号被保存在计算机中． 1.2 试验方法
影响燃料着火的因素主要有环境温度和混合气浓度，为此试验研究了不同环境温度和混合气当量比对预混燃料氛围下柴油的着火和燃烧特性的影响．前期工作已经开展了柴油在醇类氛围下的可视化参数研究[8]，本试验重点研究环境温度和甲烷与空气混合气浓度对柴油的着火和燃烧行为的影响，并对比分析相同环境温度下甲烷氛围和甲醇氛围下混合
气浓度对柴油着火和燃烧的影响．试验中所选甲烷的当量比为0、0.1和0.2，在文中分别简称NG0、NG0.1和NG0.2，其中NG0代表纯空气的氛围．所选甲醇的当量比为0.1和0.2，在文中分别简称M0.1和M0.2．具体的试验工况如表1所示．
天然气的主要成分为甲烷，试验中选择甲烷代替天然气．甲烷的纯度为99.9%，甲醇的纯度为99.999%，柴油为国V 的0号柴油，其相应的物理性质如表2所示[12-13]．
表1 试验工况
参 数
数 值
喷射压力/MPa 80
环境压力/MPa 3 环境温度/K 770，800，840 预混燃料 CH 4，CH 3OH 预混合气当量比 0，0.1，0.2
单次柴油喷射量/mg 17.6
表2 甲烷、甲醇和柴油的物理属性
燃料 分子式
分子质量/ (g ·mol -1)
密度(20,℃)/ (g ·cm -3)
沸点/℃
闪点/℃
自燃温度/℃
燃空当量比
十六烷值
低热值/ (MJ ·kg -1)
柴油 C 12H 26 170～198 820～860 190～28052 300～340 0.069 40～55 42.74 甲烷 CH 4 16 0.65 -161.5 — 540 0.058 — 50.02 甲醇
汽车烧甲醇CH 3OH 32 790 64.7 11 470 0.154 3～5 20.27
试验测试流程如下：试验开始之前确保试验中各
仪器和装置的电路、油路和水路处于正常工作状态，并进行喷油器试喷射和定容的预加热，确定台架稳定运行之后开始正式试验．每次试验之前均对定容进行一次扫气过程，再利用真空泵抽真空，尽量清空定容内部残留的气体．之后向定容内充入1.5MPa 空气，通过温度控制系统设定所需温度并加热，待温度加热到指定温度后，再向定容内充入空气，直到缸内压力达到3MPa ，此时计算机向ECU 发出喷油信号，ECU 控制喷油器喷油并触发相机拍摄，DAQ 同步记录整个燃烧过程的压力信号和燃烧图像，完成一次试验．每次试验开始，对定容进行3次扫气并抽真空，消除上次试验残留气体对下次试验带来的干扰．对于甲烷氛围，通过控制缸内甲烷的分压量来调节
甲烷混合气浓度．甲醇是通过控制加入甲醇的体积来调节甲醇混合气的浓度．
2 试验结果分析
2.1 柴油在不同燃料氛围下的火焰发展历程
为了方便分析不同工况下的燃烧情况，试验中保持相同的相机拍摄参数设置，高速摄像机记录了柴油
在不同环境温度和预混氛围下的着火和燃烧过程如
图2所示(从上到下依次为喷油后2.0～6.5ms ，间隙0.5ms )．图2(a )为环境温度和甲烷混合气浓度对柴油的着火和燃烧的影响．从图2(a )中可以看出，相同的甲烷当量比下，随着环境温度的升高，着火时刻提前，滞燃期缩短，着火位置逐渐靠上，火焰浮起长度降低，这是因为温度的升高加快了燃油液滴的蒸发速度，缩短了油束周围形成当量混合气浓度的时间，高温提高了化学反应速率，加速了化学反应进程，导致了着火提前，着火位置更靠上．高的环境温度下，火焰浮起长度较短，油束卷吸的空气量减少，并且更多的燃油喷入燃烧火焰中，形成更多的碳烟，由图可以看出，高的环境温度下燃烧火焰亮度更强，火焰面积更大．相同环境温度下，随着甲烷当量比的增加，燃烧着火推迟，滞燃期增加，火焰着火位置逐渐靠近壁面，火焰的浮起长度增加，说明甲烷的加入对柴油的着火起到抑制作用．延长着火时间可以增加预混燃烧的比例，更长的火焰浮起长度有利于卷吸更多空气，这些因素均可抑制碳烟颗粒的
形成，在图上表现为火焰亮度的降低和面积的减小．图2(b )为柴油在甲醇氛围下的燃烧过程，相比于图2(a )中800K 下的天然气氛围，柴油在甲醇氛围下的滞燃期更长，火焰亮度降低，说明了在抑制柴油着火方面，甲醇的抑
耿培林等：柴油在甲烷氛围及在甲醇氛围下的着火燃烧特性
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制能力要强于甲烷．
T amb ＝840K T amb ＝800K T amb ＝770K T amb ＝800K
（a ）甲烷氛围 （b ）甲醇氛围
图2 柴油在预混合气氛围下的着火和燃烧过程
2.2 柴油在不同预混燃料氛围下的滞燃期
着火滞燃期是研究燃烧的主要特征参数，表示燃油在着火之前发生物理和化学过程所准备的时间，可用来表征柴油燃烧中预混比例的程度．其中定义滞燃期的方法有很多[14]，本文采用火焰亮度直接观察法，即把喷油信号始点到第一次看到明显火焰之间的时间间隔作为柴油的着火滞燃期．图3为柴油在不同预混合气氛围下的着火滞燃期．从图中可以看出，在纯空气氛围(甲烷当量比为0)和甲烷与空气混合气氛围，随着温度的增加，柴油的着火滞燃期缩短．以纯空气氛围为例，温度从770K 升高到840K ，柴油的着火滞燃期从2.6ms 降低到1.7ms ，降低了34.6%．这是因为温度升高，会加快燃油液滴的蒸发速度，缩短燃料着火前的物理准备时间，同时升高温度加快了化学反应速度，减少了着火前的化学准备时间，两者同时作用导致柴油着火滞燃期的降低．在相同的环境温度下，相对于柴油在纯空气氛围(NG0)下，柴油在甲烷与空气的混合气氛围下的着火时刻推迟，滞燃期增加，且随着甲烷当量比的增加，柴油的着火滞燃期增加．因为甲烷与正庚烷(代替柴油)的反应路径不同，不发生低温链分支反应，所以不像正
庚烷，在低温链分支反应中向自由基池中提供大量
OH ，相反，在低温反应中甲烷通过脱氢氧化作用消耗掉自由基池中的OH ，并把活跃的OH 转化为稳定
的H 2O 2，降低了系统的反应活性，从而抑制了正庚烷的着火[15]．从图中可以看出，环境温度为800K 时，不同的燃烧氛围对柴油着火的影响不同，柴油在甲醇氛围下的着火滞燃期比在甲烷氛围下的长，说明甲醇抑制柴油着火的能力要强于甲烷．这是因为在低温反应中，甲醇与正庚烷争夺OH 的能力要强于甲烷[16]，并且甲烷通过链传递反应CH 3＋HO 2＝CH 3O ＋OH 向自由基池中贡献一部分OH ，因此甲烷消耗的
OH
图3 柴油在预混气氛围下的滞燃期
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比甲醇少，又向自由基池中贡献OH ，所以甲烷对柴油的抑制作用要弱于甲醇[15]．
2.3 环境温度和预混合气浓度对燃烧压力和放热率
的影响
燃烧压力通过压力传感器直接采集获得，并根据采集的压力数据，通过热力学第一定律计算得到燃烧放热率．图4为柴油在甲烷氛围下的燃烧压力和放热率曲线．由于柴油单次循环喷射量是一定的，并且柴油是在一个有限的空间中燃烧，柴油燃烧卷吸进来甲烷的量也很少，所以在燃烧压力曲线上，不同温度和甲烷当量比下燃烧的最终压力基本一样，而温度和甲烷的加入改变了燃烧压力升高始点和终点时刻.
随着温度升高，燃烧压力升高的始点提前，燃烧滞燃期缩短，燃烧压力的终点时刻推迟，燃烧持续期增加，这与图2中观察到燃烧图像的着火开始和结束时刻一致．燃烧滞燃期缩短，导致燃烧中的预混燃烧比例下降，初始放热阶段速度减缓，燃烧放热率峰值降低．对于相同的环境温度，随着甲烷当量比的增加，燃烧压力升高的始点推迟，燃烧滞燃期增加，放热率峰值增加，且放热中心点向后推迟．导致这一现象的主要原因是甲烷的加入抑制了正庚烷的着火，延长了着火滞燃期，导致燃烧中的预混燃烧比例增加，燃烧放热速度更快，放热率峰值增加．
（a ）T amb ＝770K （b ）T amb ＝800K （c ）T amb ＝840K
图4 柴油在甲烷氛围下的燃烧压力和放热率
图5为柴油在甲烷氛围和甲醇氛围下的燃烧压
力和放热率曲线(温度为800K ，压力为3.0MPa )，从图中可以看出，柴油在天然气氛围和甲醇氛围下的燃烧压力曲线和放热率变化规律相同．相比于纯空气氛围，柴油在甲烷氛围和甲醇氛围下的燃烧压力升高的始点时刻都推迟，且随着预混燃料当量比的增加，滞燃期增加．相比于天然气氛围，柴油在甲醇两种当
（a ）甲烷氛围
（b ）甲醇氛围
图5 柴油在甲烷氛围和甲醇氛围下的燃烧压力和放热率 量比氛围下的燃烧压力和放热率升高的始点都推迟，
这一现象与图3的滞燃期规律相同．从图中也可以发现，柴油在甲醇氛围下的放热率峰值高于甲烷氛围，这是因为甲醇对柴油着火的抑制作用强于甲烷，较长的滞燃期为油气混合赢得更多的时间，致使燃
油预混燃烧比例增加，放热峰值增加，燃烧速度加快，燃烧持续期也相对缩短． 2.4 环境温度和预混合气浓度对碳烟生成特性的
影响
燃烧中火焰的发光亮度主要包括化学发光和碳烟颗粒辐射发光，而后者的发光强度要远远高于前者，因此可用火焰图像的发光亮度来表征碳烟[17]．为了更直观地表示燃烧过程中图像的亮度，本文定义图像中的火焰发光强度为空间综合自然发光度(spatially integrated natural luminosity ，SINL )，即通过Matlab 编程提取图像中所有像素点的R 、G 、B 值(RGB 颜模型中的红、绿、蓝)，然后对R 、G 、B 值加权计算得到，SINL 可用来表征瞬时碳烟量[10, 17]．
图6为甲烷当量比和环境温度对SINL 的影响，从图中可以看出，在纯空气氛围和甲烷与空气的预混合氛围下，随着温度的升高，SINL 开始时刻提前，且SINL 的峰值增加，这与图2中观察的火焰亮度一致．这是因为温度升高，缩短了燃烧着火时刻，减少了油气混合时间，进而增加了产生碳烟的扩散燃烧比例，且高温下更容易发生燃料裂解产生碳烟．相同温
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