低温燃烧碳烟前驱物生成机理及中间产物自由基研究

1、低温燃烧碳烟前驱物生成机低温燃烧碳烟前驱物生成机理及中间产物自由基研究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研究方法及实施方案主要内容主要内容国内外研究动态和背景国内外研究动态和背景研究水平和存在问题研究水平和存在问题选题的目的和意义选题的目的和意义进展计划进展计划主要内容主要内容国内外研究动态和背景国内外研究动态和背景研究动态和背景研究动态和背景新型燃烧模式：新型燃烧模式：均质压燃（均质压燃（HCCI）和低温燃烧（）和低温燃烧（LTC）可以提）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，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

2、约资源和国家经济发展发挥重要作用。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（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（历程和温度（T）历程控制是柴油机新型燃烧模式的核心）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。国外研究者运用先进的油机燃烧可视化提供了强有力的工具。国外研究者运用先进的测试技术，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

3、缸内燃烧的各个方面进行研究，获得了大量的试验数据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：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；过程的的理解和燃烧机理的认识；二、结

4、合实际柴油机进气组织、喷雾及燃烧室结构来开展这方二、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。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，对生成的等人通过燃用柴油和含氧燃料，对生成的PAH和碳烟进行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。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。喷油进入准稳态期（火焰浮起长度被建立到喷射结束前）后，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油束前端的碳烟生

5、成较多，油束外围的扩散火焰加速了碳烟的生成。生成。研究动态和背景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重点研究低温燃烧不同燃烧阶段的碳烟前驱物多环芳烃（PAHsPAHs）生成与演化，这一研究对于发展柴油机低温燃烧）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。的理论意义和较高的实用价值。Dec和和Tree通过激光诱导炽光（通过激光诱导炽光（LII）和激光诱导荧光（）和激光诱导荧光（LIF），），对碳烟和对碳烟和OH同时进行研究表明，油束里面的碳烟被

6、同时进行研究表明，油束里面的碳烟被OH包围着，包围着，在在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。氧化了。Kobayashi等人通过构建苯的扩散火焰，对碳烟的前驱物等人通过构建苯的扩散火焰，对碳烟的前驱物PAH进行了研究，研究重点放到了进行了研究，研究重点放到了PAH向碳烟的转化过程，并得到向碳烟的转化过程，并得到了转化温度发生在了转化温度发生在11501200 K的结论。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，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

7、碳烟缸内诊断技术方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过程中温度和碳烟浓度的测试。清华大学的何旭等人应用LIILII技技术，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温度场和碳烟的浓度场研究动态和背景研究动态和背景主要内容主要内容研究

8、水平和存在问题研究水平和存在问题英国英国Andor 公司公司ICCD相机相机2套套研究水平和存在问题研究水平和存在问题实验设备水平实验设备水平美国美国Spectra-Physics公司公司Nd:Yag激光器一套激光器一套德国德国Sirah公司公司 PrecisionScan型型 可调谐染料激光器一套可调谐染料激光器一套美国美国Bruker公司光谱仪公司光谱仪1套套研究水平和存在问题研究水平和存在问题试验系统水平试验系统水平发动机试验系统发动机试验系统燃燃烧烧器器试试验验系系统统研究水平和存在问题研究水平和存在问题存在的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，尤其是低温燃烧过由于碳

9、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：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到实验的验证二、低温燃烧过程碳烟生成机理需要二、低温燃烧过程碳烟生成机理需要“再认识再认识”，内燃机碳烟生成、，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温燃烧试验

10、研究结果。因此，需要型不能解释低温燃烧试验研究结果。因此，需要“再认识再认识”低温燃低温燃烧柴油机碳烟形成机理；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；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，增加了实验研究烟对可视发动机石英窗的

11、污染，需要经常清洗，增加了实验研究工作量；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。决的关键技术。主要内容主要内容选题的目的和意义选题的目的和意义研究目地研究目地实现更低的缸内原始碳烟排放，是低温燃烧方式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、开研究的关键问题。发展柴油机低温燃烧理论、开展低温燃烧碳烟生成机理的基础理论研究，对提展低温燃烧碳烟生成机理的

12、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。指导意义和工程应用价值。本研究将建立本研究将建立PAH-PLIFPAH-PLIF、PLII-sootPLII-soot和和OH-PLIFOH-PLIF等等先进的激光测试系统，综合采用光学发动机激光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燃烧不同燃烧阶段包括碳烟前驱物多环芳烃（PAHsPAHs）生成与演化、的物理、化学动力学模型，）生成与演化、的物理

13、、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。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。论意义和较高的实用价值。研究意义研究意义1 1）燃烧过程中碳烟生成机理是燃烧学研究的热）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机和燃烧器采用点和难点，本研究通过光学发动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

14、的研究。开展深入系统的研究。2 2）本研究将完善柴油机缸内燃烧诊断技术，对）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。机燃烧光学诊断技术进入国际先进水平。3 3）本研究领域涉及燃烧学、化学反应动力学、）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。学科交叉提高研究水平。4 4）本研究有很好的工程应用背

15、景，在基础理论）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。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研究方法及实施方案主要内容主要内容研究方法研究方法 使用光谱仪对预混合低温燃烧过程中化学发光（自燃发使用光谱仪对预混合低温燃烧过程中化学发光（自燃发光）的光谱特性随时间和空间的发展过程进行光）的光谱特性随时间和空间的发展过程进行记录。记录。采采用化学发光法研究低温燃烧中间产物、自由基演化历程用化学发光法研究低温燃烧中间产物、自由基演化历程（重点是（重点是

16、PAH前驱的前驱的C2自由基）自由基）应用片状激光诱导荧光（应用片状激光诱导荧光（PLIFPLIF）方法，激发）方法，激发PAHsPAHs产生荧产生荧光信号，用光信号，用ICCDICCD探测器及光谱成像系统分别进行记录。探测器及光谱成像系统分别进行记录。采用采用PLII-sootPLII-soot激光成像系统研究低温燃烧碳烟生成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，并从温度、粒径分布，并从LIILII信号绝对的光强值中得到碳信号绝对的光强值中得到碳烟浓度的定量分布。烟浓度的定量分布。应用应

17、用PLIF法研究重要的自由基法研究重要的自由基OH的演化历程。的演化历程。使用使用PIV系统，测量缸内流场和速度场。系统，测量缸内流场和速度场。实施方案实施方案PAH-PLIF PAH-PLIF Nd:YAG Nd:YAG 输输出出532nm532nm，重复频率为重复频率为10Hz10Hz的激光；的激光；泵浦染料激泵浦染料激光器发出光器发出387nm387nm激光激光信号激发信号激发PAHsPAHs，用用410nm410nm的的长波通滤光长波通滤光片清除杂散片清除杂散光干扰进行光干扰进行采集。采集。soot PLIINd:YAGNd:YAG输出输出532nm532nm，重复，重复频率为频率为1

18、0Hz10Hz，能量约为能量约为125mJ125mJ的激光的激光激发激发soot；用用450nm450nm的短的短波通滤光片波通滤光片清除杂散光清除杂散光干扰进行采干扰进行采集。集。DG535DG535延延迟触发迟触发ICCDICCD采集采集OH-PLIFOH-PLIF Nd:YAG Nd:YAG输出输出532nm532nm，重，重复频率为复频率为10Hz10Hz，能量约为能量约为650mJ650mJ的激光；泵浦染的激光；泵浦染料激光器发出料激光器发出284 nm284 nm激光信号激光信号激发激发OH OH ，用，用312nm312nm的带通滤的带通滤光片、光片、58nm58nm的短的短波通

19、滤光片和波通滤光片和WG305WG305长波通滤长波通滤光片清除光干扰光片清除光干扰进行采集。进行采集。信号采集试验方法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（主一、滤波后（去除干扰信号）采集图像或光谱（主要针对现阶段）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（去除燃烧在相同条

20、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）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，通过温度场试验方案：在进气中加入磷光剂，通过一定能量的一定能量的532nm532nm激光后，通过磷光剂的发出光激光后，通过磷光剂的发出光强计算出温度。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，通过量使用石英玻璃，通过PIVPIV系统进行测量系统进行测量主要内容主要内容进展计划进展计划计划安排计划安排20102010年年1 1月月1212月月 阅读相关

21、文献以了解所研究课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。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设计完成层流预混燃烧器搭建PLIIPLII和和PLIFPLIF光路。光路。20112011年年1 1月月1212月在光学发动机上开展：月在光学发动机上开展：PAHsPAHs生成生成历程及演化的探测及定量研究；历程及演化的探测及定量研究；PAHsPAHs前驱物前驱物C C2 2和其和其它重要中间产物、自由基生成历程；温度场测量。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；在燃烧器上开展：碳烟浓度分布定量测量技术；PAHPAH和和OHOH等自由基的定量测量