ABE-柴油混合液的噴霧特性和燃燒特性研究.pdf

1、隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻，車用新型生物替代燃料的開發(fā)越發(fā)緊迫。其中柴油替代燃料，因柴油用車保有量隨公路運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展逐年增多但排放特別是碳煙排放較高，而更為迫切。當(dāng)前，丁醇因燃料特性接近于柴油，并且可以同時(shí)降低碳煙和NOx排放，已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。但生物丁醇因制取過程分離和提純成本過高而失去了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。ABE生物發(fā)酵技術(shù)中，丁醇（最終產(chǎn)物）是由丙酮-丁醇-乙醇（ABE）三種可燃物質(zhì)的混合液（中間產(chǎn)物）進(jìn)一步分離和提純獲得

2、的。為了提高燃料市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，本文提出將該中間產(chǎn)物ABE直接作為柴油替代物。并且發(fā)現(xiàn)，ABE比丁醇和柴油具有更好的互溶性和對(duì)水的兼容性，同時(shí)還可以通過調(diào)整發(fā)酵菌種類型、發(fā)酵環(huán)境控制ABE的組分比例。
　　為了獲取 ABE及相關(guān)燃料未來應(yīng)用于柴油機(jī)燃燒所需的基礎(chǔ)信息，本文基于激光診斷技術(shù)在預(yù)燃加熱式定容燃燒彈上對(duì)燃油的噴霧及燃燒過程進(jìn)行了較為詳盡的研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由定容燃燒彈、高速攝像機(jī)、銅蒸汽激光器、信號(hào)同步器、光學(xué)濾鏡、反光板及燃燒

3、壓力采集系統(tǒng)等組成，可獲得噴霧過程的米氏散射圖像，燃燒過程的火焰自然發(fā)光圖像、CH*化學(xué)發(fā)光圖像、碳煙圖像，及燃燒放熱過程。此外，可通過調(diào)整初始進(jìn)氣組分比例、壓力及噴油時(shí)刻，控制噴霧燃燒的環(huán)境溫度和氧濃度。本文測(cè)試的環(huán)境溫度分別為700K、800K、900K、1000K、1100K、1200K，以代表低溫燃燒模式和傳統(tǒng)燃燒模式，環(huán)境氧濃度分別為11％、16％、21％，以代表實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的高、中、低EGR率。ABE概念由生物丁醇生產(chǎn)過

4、程衍生而來，ABE組分比例可以改變且與柴油在理化特性上存在巨大差異，因此本文研究了ABE與正丁醇差異、丁醇同分異構(gòu)體、ABE組分變化、ABE摻混比變化等對(duì)燃料噴霧燃燒的影響。得出的主要結(jié)論如下：
　　所有被測(cè)燃料隨著噴霧環(huán)境條件的變化會(huì)表現(xiàn)出一些一般規(guī)律，如，隨著環(huán)境溫度及環(huán)境氧濃度的降低，燃燒相位均推遲，放熱速率分別升高和降低，燃燒持續(xù)期分別縮短和略微增長，噴霧尺寸均增大，火焰舉升高度均升高，瞬時(shí)火焰強(qiáng)度均降低。并且，各被測(cè)燃料

5、在高環(huán)境溫度時(shí)表現(xiàn)出與柴油較為接近的噴霧燃燒特性和火焰發(fā)光特性，而隨著環(huán)境溫度的降低不同燃料逐漸表現(xiàn)出差異。四種丁醇同分異構(gòu)體與柴油的混合物總體上表現(xiàn)出較為相似的燃燒放熱及火焰發(fā)光特性，正丁醇/柴油混合物在高溫下的燃燒放熱速率曲線與其它三種丁醇/柴油混合物幾乎重合，而當(dāng)溫度低至800K時(shí)，正丁醇表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境氧濃度變化更強(qiáng)的敏感性。純ABE與純正丁醇的噴霧與燃燒特性較為相似，但由于 ABE霧化及揮發(fā)特性更好汽化潛熱更高，表現(xiàn)出比純正丁醇更

6、小的噴霧圖像尺寸，但在低環(huán)境溫度下其燃燒相位推遲更多，同時(shí)因?yàn)檠鹾亢突鹧媾e升高度的優(yōu)勢(shì)使其表現(xiàn)出比正丁醇更大的碳煙排放降低潛力。ABE組分比例的變化可以顯著影響混合液的燃燒特性，提高ABE/柴油混合物中丙酮含量，可以實(shí)現(xiàn)在低環(huán)境溫度下與柴油極為相似的燃燒相位和放熱速率曲線，并且表現(xiàn)出良好的碳煙排放降低和熱效率增加的潛力。ABE摻混比例亦可以對(duì)混合物的噴霧燃燒特性產(chǎn)生較大影響，ABE存在一個(gè)介于20％和50％的臨界比例，一旦大于該比例混

7、合液將可以獲得一個(gè)較好的噴霧蒸發(fā)特性，小于該比例則仍表現(xiàn)出與柴油相類似的噴霧蒸發(fā)特性。其中，ABE50因在噴霧、蒸發(fā)特性變化與汽化潛熱變化中取得了較好的平衡，而獲得了比其它比例混合液與柴油更為接近的燃燒特性。對(duì)給定某一燃料火焰舉升高度與著火延遲期變化趨勢(shì)一致，這與其它文獻(xiàn)的結(jié)果相同，但對(duì)不同類型燃料，火焰的舉升高度隨著 ABE摻混比例的增加而升高，與總體著火延遲期的變化趨勢(shì)并不一致，可推測(cè)火焰舉升高度與著火延遲期中的化學(xué)準(zhǔn)備部分關(guān)系更加