新型含氧多元混合燃料的雾化、蒸发和燃烧过程的可视化试验研究

申请项目：新型含氧多元混合燃料的雾化、蒸发和燃烧过程的可视化试验研究一、项目背景及课题的立项依据二、项目的主要研究内容三、项目的研究方案四、项目实施的可行性五、项目的创新点与总体目标2目录3一、项目背景及课题的立项依据4项目背景能源问题已成为我国面临的重要挑战，能源安全形式严峻石油年消费量超过5亿吨对外依存度已接近60%（2014年），2015年成为中国作为全球最大石油进口国的元年3亿吨作为动力用油使用环境保护是我国面临的另一重大问题大范围雾霾天气，PM2.5排放汽车尾气中的一氧化碳（CO）、碳氧化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）已经成为我国大中城市空气主要污染源5项目背景柴油机化已经成为汽车动力源的一个重要发展趋势政策支持：《中国制造2025》国家战略规划（国务院，2015）明确提出，“促进柴油机高压共轨技术的自主开发，推动柴油发动机在乘用车上的应用”性能优势：效率高、排放潜力大替代燃料兼容性好，先进清洁燃烧模式不断地发展（两轮“973”项目，十年的重点研究）发展柴油机清洁燃烧模式和应用清洁车用替代燃料具有重要意义！6立项依据①.发展可再生生物质能源是国家大力倡导的能源方向“增强能源自主保障能力，积极发展能源替代”“积极发展交通燃油替代，加强先进生物质能技术攻关，扩大交通燃油替代规模”国务院，2014，《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》“加快发展煤基、生物质基液体燃料和煤化工技术，统筹规划，有序建设重点示范工程。为“十二五”及更长时期石油替代产业发展奠定基础。”国家发展改革委，2007，《能源发展“十一五”规划》“以风能、太阳能、生物质能利用为重点，大力发展可再生能源。……有序开发生物质能，加快发展生物液体燃料。”国务院，2013，《能源发展“十二五”规划》目前，生物质燃料在交通领域推广应用极少（局限于生物乙醇，少数省市），相关基础研究和应用研发力度亟需加强！7立项依据②.戊醇与生物柴油——极具潜力的可再生生物质燃料戊醇/五碳高级醇被认为下一代可再生生物质含氧燃料（生物工程的突破）目前初具产业规模化生产与已应用的乙醇等低级醇相比，较高的能量密度较高的十六烷值更合适的蒸发潜热与石化柴油的混合性更好水溶性更低戊醇的生物工程合成技术示意图来源：S.Atsumietal.Nature.2008;451(7174):86-9.KZhangetal.PNAS.2008;105:20653-20658然而，戊醇作为新一代的生物燃料在柴油机上的应用研究十分匮乏。8立项依据②.戊醇与生物柴油——极具潜力的可再生生物质燃料生物柴油来源多样，符合我国国情（餐饮废油）工艺简单，价格低廉（为柴油60%左右）含氧燃料，性能优越，环境友好（低硫、低碳、低排放）政策支持倡导（《生物柴油产业发展政策》，国家能源局，2015）含氧生物燃料戊醇生物柴油石化柴油现有燃料体系新型含氧多元混合燃料优化燃料组合重新配方9立项依据③.含氧生物质燃料有助于内燃机清洁高效燃烧的实现低当量比低温燃烧方式是实现内燃机清洁高效燃烧的最佳燃烧方式含氧燃料的加入能降低着火区域燃氧当量比戊醇较大蒸发潜热有助于减低燃烧温度戊醇低粘度高挥发性将促进燃料混合特性戊醇对于低温燃烧过程有抑制作用生物柴油较大十六烷值有助于维持燃料足够的着火性碳烟颗粒和NOx在φ-T图上的生成区域新型含氧混合燃料物理性质化学性质喷雾燃烧过程内燃机性能与排放核心环节研究主题10二、项目的主要研究内容11主要研究内容能源背景环境问题汽车行业发展趋势发展清洁可再生车用替代燃料戊醇生物柴油石化柴油构建新型含氧生物质混合燃料燃料设计可视化光学诊断手段预混燃烧式定容弹雾化混合特性蒸发扩散特性着火燃烧特性实现内燃机清洁高效燃烧12三、项目的研究方案13研究方案总体研究思路14研究方案（1）新型混合燃料的喷雾雾化特性的可视化实验研究由于燃料物性的改变，会影响喷油系统的响应特性和流动特性，如喷嘴开启时间、喷油持续期和喷油速率等都会出现变化。

研究在石化柴油中分别添加戊醇及生物柴油对于喷雾雾化特性，如喷雾贯穿距、喷雾锥角、喷雾体积、喷雾燃空当量比等特性进行研究。高速纹影法光路示意图及图像示例15研究方案（2）新新型混合燃料的喷雾蒸发特性的可视化实验研究利用预燃加热技术构建高温环境，研究混合燃料中不同成分对于蒸发特性的影响，特别是着重关注蒸发型喷雾中液相贯穿距离的演变规律，以及探索由于低沸点燃料戊醇的添加而导致的微爆现象发生可能性。背光照明光路示意图及拍摄图像示例16研究方案（3）新型混合燃料的喷雾着火与燃烧特性的可视化实验研究采用广谱发光探测、关键自由基化学发光探测与高温辐射拍摄相结合的可视化手段，研究新型混合燃料在不同温度、氧浓度环境下的喷雾滞燃着火与多阶段氧化的时空演化规律；研究混合燃料中含氧成分对于喷雾着火燃烧特性的贡献以及对于燃烧过程中碳烟形成的抑制效应。化学发光探测法光路示意图及图像示例17四、项目实施的可行性18可行性分析项目组已具备功能完善的实验台架和光学设备高温高压可视化定容燃烧弹试验装置一套电控高压共轨喷油系统一台MotionProY4-S1型高速数字摄像机一台CL-150纹影仪一台Invisible®高速图像增强器一套紫外镜头、可视镜头、微距镜头各一套多波段光学滤波片一组高密度LED光源一台Kistler6052C压电传感器、5018电荷放大器和NIUSB-6251M高速数字采集系统各一套……19可行性分析项目组具备丰富的研究经验与实验技能本项目组已开展乙醇、乙醇柴油及柴油等燃料喷雾燃烧特性研究，发表国内外期刊论文5篇（其中SCI3篇，EI2篇）针对复杂的喷雾燃烧图像开发了一套先进的处理方法，发表SCI论文1篇，申请国家发明专利1项左图为乙醇柴油150MPa喷射压力下的雾化、蒸发及燃烧演化过程下图为项目组开发的喷雾燃烧图像独创处理方法20五、项目的创新点与总体目标21创新点

发展与应用新型可再生生物燃料、实现清洁高效低温燃烧是目前内燃机领域的一个新的发展趋势，与已有的探索性研究成果相比，本项目的创新之处在于：本项目基于“燃料设计，物性互补”的理念，选择极富潜力的新型含氧生物质燃料——戊醇、生物柴油与石化柴油掺混形成新型含氧多元混合燃料，一方面具有广阔的应用空间，另一方面又具有前瞻性和创新性，对于新型清洁燃料的开发具有重要的探索意义和指导价值。本项目创新利用多种可视化光学诊断手段对于戊醇-生物柴油-柴油混合燃料的雾化、蒸发和燃烧过程进行多角度可视化研究，采用物理-化学耦合分析手段，深入理解内燃机燃料“由喷油器至燃烧产物”演化历程，为完善柴油机清洁燃烧模式和发展新型生物质替代燃料方法提供新的思路。22总体目标戊醇-生物柴油-石化柴油多元混合燃料阐明新型含氧混合燃料在不同环境温度及氧浓度条件下喷雾雾化、蒸发及着火燃烧的机理与特性揭示控制各个环节的主要影响因素，并建立新环境下的新型内燃机燃料混合与着火燃烧理论模型探索先