低溫燃燒碳煙前驅(qū)物生成機(jī)理及中間產(chǎn)物自由基研究

1、低溫燃燒碳煙前驅(qū)物生成機(jī)低溫燃燒碳煙前驅(qū)物生成機(jī)理及中間產(chǎn)物自由基研究理及中間產(chǎn)物自由基研究張鵬指導(dǎo)教師：堯命發(fā) 教授研究方法及實(shí)施方案研究方法及實(shí)施方案主要內(nèi)容主要內(nèi)容國內(nèi)外研究動態(tài)和背景國內(nèi)外研究動態(tài)和背景研究水平和存在問題研究水平和存在問題選題的目的和意義選題的目的和意義進(jìn)展計(jì)劃進(jìn)展計(jì)劃主要內(nèi)容主要內(nèi)容國內(nèi)外研究動態(tài)和背景國內(nèi)外研究動態(tài)和背景研究動態(tài)和背景研究動態(tài)和背景新型燃燒模式：新型燃燒模式：均質(zhì)壓燃（均質(zhì)壓燃（HCCI）和低溫燃燒（）和低溫燃燒（LTC）可以提）可以提高熱效率的同時(shí)降低尾氣排放，減少內(nèi)燃機(jī)對后處理器的依賴，高熱效率的同時(shí)降低尾氣排放，減少內(nèi)燃機(jī)對后處理器的依賴，對節(jié)

2、約資源和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮重要作用。對節(jié)約資源和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮重要作用。經(jīng)過近幾年來國內(nèi)外研究，人們認(rèn)識到：缸內(nèi)混合氣濃度（經(jīng)過近幾年來國內(nèi)外研究，人們認(rèn)識到：缸內(nèi)混合氣濃度（）歷程和溫度（歷程和溫度（T）歷程控制是柴油機(jī)新型燃燒模式的核心）歷程控制是柴油機(jī)新型燃燒模式的核心近年來，光學(xué)、計(jì)算機(jī)以及高速圖象處理技術(shù)的飛速發(fā)展為柴近年來，光學(xué)、計(jì)算機(jī)以及高速圖象處理技術(shù)的飛速發(fā)展為柴油機(jī)燃燒可視化提供了強(qiáng)有力的工具。國外研究者運(yùn)用先進(jìn)的油機(jī)燃燒可視化提供了強(qiáng)有力的工具。國外研究者運(yùn)用先進(jìn)的測試技術(shù)，設(shè)計(jì)出各種柴油機(jī)燃燒可視化實(shí)驗(yàn)裝置，對柴油機(jī)測試技術(shù)，設(shè)計(jì)出各種柴油機(jī)燃燒可視化實(shí)驗(yàn)裝置，對柴油機(jī)

3、缸內(nèi)燃燒的各個(gè)方面進(jìn)行研究，獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)缸內(nèi)燃燒的各個(gè)方面進(jìn)行研究，獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。柴油機(jī)燃燒可視化是研究其燃燒過程最先進(jìn)、最有效的實(shí)驗(yàn)手柴油機(jī)燃燒可視化是研究其燃燒過程最先進(jìn)、最有效的實(shí)驗(yàn)手段之一，因此開展柴油機(jī)燃燒可視化研究具有十分重要的意義：段之一，因此開展柴油機(jī)燃燒可視化研究具有十分重要的意義：一、可以系統(tǒng)、深人地了解燃燒發(fā)生、發(fā)展的特征規(guī)律，獲取一、可以系統(tǒng)、深人地了解燃燒發(fā)生、發(fā)展的特征規(guī)律，獲取燃燒中間產(chǎn)物和自由基的發(fā)展歷程，進(jìn)一步加深對柴油機(jī)燃燒燃燒中間產(chǎn)物和自由基的發(fā)展歷程，進(jìn)一步加深對柴油機(jī)燃燒過程的的理解和燃燒機(jī)理的認(rèn)識；過程的的理解和燃燒機(jī)理的認(rèn)識；二、結(jié)

4、合實(shí)際柴油機(jī)進(jìn)氣組織、噴霧及燃燒室結(jié)構(gòu)來開展這方二、結(jié)合實(shí)際柴油機(jī)進(jìn)氣組織、噴霧及燃燒室結(jié)構(gòu)來開展這方面的研究，能夠?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒系統(tǒng)的評價(jià)和改進(jìn)提供依據(jù)。面的研究，能夠?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒系統(tǒng)的評價(jià)和改進(jìn)提供依據(jù)。Dec等人通過燃用柴油和含氧燃料，對生成的等人通過燃用柴油和含氧燃料，對生成的PAH和碳煙進(jìn)行和碳煙進(jìn)行了激光診斷研究，表明早期的碳煙是在濃的預(yù)混合反應(yīng)區(qū)生成。了激光診斷研究，表明早期的碳煙是在濃的預(yù)混合反應(yīng)區(qū)生成。噴油進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)期（火焰浮起長度被建立到噴射結(jié)束前）后，噴油進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)期（火焰浮起長度被建立到噴射結(jié)束前）后，油束前端的碳煙生成較多，油束外圍的擴(kuò)散火焰加速了碳煙的油束前端的碳煙生

5、成較多，油束外圍的擴(kuò)散火焰加速了碳煙的生成。生成。研究動態(tài)和背景研究動態(tài)和背景重點(diǎn)研究低溫燃燒不同燃燒階段的碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳烴重點(diǎn)研究低溫燃燒不同燃燒階段的碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳烴（PAHsPAHs）生成與演化，這一研究對于發(fā)展柴油機(jī)低溫燃燒）生成與演化，這一研究對于發(fā)展柴油機(jī)低溫燃燒理論、探索降低柴油機(jī)低溫燃燒碳煙排放技術(shù)途徑有重要理論、探索降低柴油機(jī)低溫燃燒碳煙排放技術(shù)途徑有重要的理論意義和較高的實(shí)用價(jià)值。的理論意義和較高的實(shí)用價(jià)值。Dec和和Tree通過激光誘導(dǎo)熾光（通過激光誘導(dǎo)熾光（LII）和激光誘導(dǎo)熒光（）和激光誘導(dǎo)熒光（LIF），），對碳煙和對碳煙和OH同時(shí)進(jìn)行研究表明，油束里面的碳煙被

6、同時(shí)進(jìn)行研究表明，油束里面的碳煙被OH包圍著，包圍著，在在OH包圍的外面沒有碳煙生成，表明碳煙在脫離火焰之前就被包圍的外面沒有碳煙生成，表明碳煙在脫離火焰之前就被氧化了。氧化了。Kobayashi等人通過構(gòu)建苯的擴(kuò)散火焰，對碳煙的前驅(qū)物等人通過構(gòu)建苯的擴(kuò)散火焰，對碳煙的前驅(qū)物PAH進(jìn)行了研究，研究重點(diǎn)放到了進(jìn)行了研究，研究重點(diǎn)放到了PAH向碳煙的轉(zhuǎn)化過程，并得到向碳煙的轉(zhuǎn)化過程，并得到了轉(zhuǎn)化溫度發(fā)生在了轉(zhuǎn)化溫度發(fā)生在11501200 K的結(jié)論。的結(jié)論。國內(nèi)柴油機(jī)燃燒的光學(xué)診斷因?yàn)榧夹g(shù)和設(shè)備的原因起步較晚，國內(nèi)柴油機(jī)燃燒的光學(xué)診斷因?yàn)榧夹g(shù)和設(shè)備的原因起步較晚，但也獲得了大量燃燒過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在

7、碳煙缸內(nèi)診斷技術(shù)方但也獲得了大量燃燒過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在碳煙缸內(nèi)診斷技術(shù)方面，天津大學(xué)的張惠明等人將雙色法成功地應(yīng)用于柴油機(jī)燃燒面，天津大學(xué)的張惠明等人將雙色法成功地應(yīng)用于柴油機(jī)燃燒過程中溫度和碳煙濃度的測試。清華大學(xué)的何旭等人應(yīng)用過程中溫度和碳煙濃度的測試。清華大學(xué)的何旭等人應(yīng)用LIILII技技術(shù)，結(jié)合雙色法測溫原理獲得了乙烯擴(kuò)散火焰的碳煙濃度分布術(shù)，結(jié)合雙色法測溫原理獲得了乙烯擴(kuò)散火焰的碳煙濃度分布二維圖像。并結(jié)合雙色法獲得了生物柴油與柴油摻混后燃燒的二維圖像。并結(jié)合雙色法獲得了生物柴油與柴油摻混后燃燒的溫度場和碳煙的濃度場溫度場和碳煙的濃度場研究動態(tài)和背景研究動態(tài)和背景主要內(nèi)容主要內(nèi)容研究

8、水平和存在問題研究水平和存在問題英國英國Andor 公司公司ICCD相機(jī)相機(jī)2套套研究水平和存在問題研究水平和存在問題實(shí)驗(yàn)設(shè)備水平實(shí)驗(yàn)設(shè)備水平美國美國Spectra-Physics公司公司Nd:Yag激光器一套激光器一套德國德國Sirah公司公司 PrecisionScan型型 可調(diào)諧染料激光器一套可調(diào)諧染料激光器一套美國美國Bruker公司光譜儀公司光譜儀1套套研究水平和存在問題研究水平和存在問題試驗(yàn)系統(tǒng)水平試驗(yàn)系統(tǒng)水平發(fā)動機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)燃燃燒燒器器試試驗(yàn)驗(yàn)系系統(tǒng)統(tǒng)研究水平和存在問題研究水平和存在問題存在的問題存在的問題由于碳煙生成過程極為復(fù)雜，碳煙生成機(jī)理，尤其是低溫燃燒過由于碳

9、煙生成過程極為復(fù)雜，碳煙生成機(jī)理，尤其是低溫燃燒過程碳煙生成機(jī)理仍是內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)研究的一個(gè)難題，現(xiàn)今國內(nèi)外程碳煙生成機(jī)理仍是內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)研究的一個(gè)難題，現(xiàn)今國內(nèi)外碳煙生成研究存在的問題有：碳煙生成研究存在的問題有：一、碳煙生成機(jī)理仍不十分清楚，碳煙生成的概念模型還沒有得一、碳煙生成機(jī)理仍不十分清楚，碳煙生成的概念模型還沒有得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證二、低溫燃燒過程碳煙生成機(jī)理需要二、低溫燃燒過程碳煙生成機(jī)理需要“再認(rèn)識再認(rèn)識”，內(nèi)燃機(jī)碳煙生成、，內(nèi)燃機(jī)碳煙生成、缸內(nèi)分布、形態(tài)、粒徑分布等與燃燒模式有關(guān)。傳統(tǒng)的現(xiàn)象學(xué)模缸內(nèi)分布、形態(tài)、粒徑分布等與燃燒模式有關(guān)。傳統(tǒng)的現(xiàn)象學(xué)模型不能解釋低溫燃燒試驗(yàn)

10、研究結(jié)果。因此，需要型不能解釋低溫燃燒試驗(yàn)研究結(jié)果。因此，需要“再認(rèn)識再認(rèn)識”低溫燃低溫燃燒柴油機(jī)碳煙形成機(jī)理；燒柴油機(jī)碳煙形成機(jī)理；三、對低溫燃燒初期碳煙前驅(qū)物的形成，低溫燃燒過程中火焰結(jié)三、對低溫燃燒初期碳煙前驅(qū)物的形成，低溫燃燒過程中火焰結(jié)構(gòu)及其對碳煙生成、氧化影響以及適合低溫燃燒全過程的碳煙化構(gòu)及其對碳煙生成、氧化影響以及適合低溫燃燒全過程的碳煙化學(xué)動力學(xué)模型的研究還很少；學(xué)動力學(xué)模型的研究還很少；四、上止點(diǎn)附近對光路和圖像處理帶來一定的困難。同時(shí)由于碳四、上止點(diǎn)附近對光路和圖像處理帶來一定的困難。同時(shí)由于碳煙對可視發(fā)動機(jī)石英窗的污染，需要經(jīng)常清洗，增加了實(shí)驗(yàn)研究煙對可視發(fā)動機(jī)石英窗的

11、污染，需要經(jīng)常清洗，增加了實(shí)驗(yàn)研究工作量；工作量；五、把激光診斷技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的光學(xué)發(fā)動機(jī)燃燒火焰的測量中五、把激光診斷技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的光學(xué)發(fā)動機(jī)燃燒火焰的測量中進(jìn)一步實(shí)施光信號的標(biāo)定，從而獲得缸內(nèi)濃度定量信息將是待解進(jìn)一步實(shí)施光信號的標(biāo)定，從而獲得缸內(nèi)濃度定量信息將是待解決的關(guān)鍵技術(shù)。決的關(guān)鍵技術(shù)。主要內(nèi)容主要內(nèi)容選題的目的和意義選題的目的和意義研究目地研究目地實(shí)現(xiàn)更低的缸內(nèi)原始碳煙排放，是低溫燃燒方式實(shí)現(xiàn)更低的缸內(nèi)原始碳煙排放，是低溫燃燒方式研究的關(guān)鍵問題。發(fā)展柴油機(jī)低溫燃燒理論、開研究的關(guān)鍵問題。發(fā)展柴油機(jī)低溫燃燒理論、開展低溫燃燒碳煙生成機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究，對提展低溫燃燒碳煙生成機(jī)理的

12、基礎(chǔ)理論研究，對提出降低碳煙排放燃燒控制技術(shù)新途徑有重要理論出降低碳煙排放燃燒控制技術(shù)新途徑有重要理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本研究將建立本研究將建立PAH-PLIFPAH-PLIF、PLII-sootPLII-soot和和OH-PLIFOH-PLIF等等先進(jìn)的激光測試系統(tǒng)，綜合采用光學(xué)發(fā)動機(jī)激光先進(jìn)的激光測試系統(tǒng)，綜合采用光學(xué)發(fā)動機(jī)激光診斷技術(shù)、化學(xué)發(fā)光法測試技術(shù)；重點(diǎn)研究低溫診斷技術(shù)、化學(xué)發(fā)光法測試技術(shù)；重點(diǎn)研究低溫燃燒不同燃燒階段包括碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳烴燃燒不同燃燒階段包括碳煙前驅(qū)物多環(huán)芳烴（PAHsPAHs）生成與演化、的物理、化學(xué)動力學(xué)模型，）生成與演化、的物理

13、、化學(xué)動力學(xué)模型，提出降低柴油機(jī)低溫燃燒碳煙排放的控制策略。提出降低柴油機(jī)低溫燃燒碳煙排放的控制策略。這一研究對于發(fā)展柴油機(jī)低溫燃燒理論、探索降這一研究對于發(fā)展柴油機(jī)低溫燃燒理論、探索降低柴油機(jī)低溫燃燒碳煙排放技術(shù)途徑有重要的理低柴油機(jī)低溫燃燒碳煙排放技術(shù)途徑有重要的理論意義和較高的實(shí)用價(jià)值。論意義和較高的實(shí)用價(jià)值。研究意義研究意義1 1）燃燒過程中碳煙生成機(jī)理是燃燒學(xué)研究的熱）燃燒過程中碳煙生成機(jī)理是燃燒學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，本研究通過光學(xué)發(fā)動機(jī)和燃燒器采用點(diǎn)和難點(diǎn)，本研究通過光學(xué)發(fā)動機(jī)和燃燒器采用不同的光學(xué)測量技術(shù)對柴油機(jī)低溫燃燒碳煙生成不同的光學(xué)測量技術(shù)對柴油機(jī)低溫燃燒碳煙生成開展深入系統(tǒng)

14、的研究。開展深入系統(tǒng)的研究。2 2）本研究將完善柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒診斷技術(shù)，對）本研究將完善柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒診斷技術(shù)，對柴油機(jī)低溫燃燒過程關(guān)鍵中間產(chǎn)物、自由基演化柴油機(jī)低溫燃燒過程關(guān)鍵中間產(chǎn)物、自由基演化和碳煙生成與演化歷程開展深入的研究，使柴油和碳煙生成與演化歷程開展深入的研究，使柴油機(jī)燃燒光學(xué)診斷技術(shù)進(jìn)入國際先進(jìn)水平。機(jī)燃燒光學(xué)診斷技術(shù)進(jìn)入國際先進(jìn)水平。3 3）本研究領(lǐng)域涉及燃燒學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、）本研究領(lǐng)域涉及燃燒學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)和激光診斷技術(shù)等多學(xué)科，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算流體力學(xué)和激光診斷技術(shù)等多學(xué)科，可實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉提高研究水平。學(xué)科交叉提高研究水平。4 4）本研究有很好的工程應(yīng)用背

15、景，在基礎(chǔ)理論）本研究有很好的工程應(yīng)用背景，在基礎(chǔ)理論研究成果基礎(chǔ)上，將提出控制柴油機(jī)低溫燃燒碳研究成果基礎(chǔ)上，將提出控制柴油機(jī)低溫燃燒碳煙排放、提高發(fā)動機(jī)能量利用率的燃燒控制技術(shù)。煙排放、提高發(fā)動機(jī)能量利用率的燃燒控制技術(shù)。研究方法及實(shí)施方案研究方法及實(shí)施方案主要內(nèi)容主要內(nèi)容研究方法研究方法 使用光譜儀對預(yù)混合低溫燃燒過程中化學(xué)發(fā)光（自燃發(fā)使用光譜儀對預(yù)混合低溫燃燒過程中化學(xué)發(fā)光（自燃發(fā)光）的光譜特性隨時(shí)間和空間的發(fā)展過程進(jìn)行光）的光譜特性隨時(shí)間和空間的發(fā)展過程進(jìn)行記錄。記錄。采采用化學(xué)發(fā)光法研究低溫燃燒中間產(chǎn)物、自由基演化歷程用化學(xué)發(fā)光法研究低溫燃燒中間產(chǎn)物、自由基演化歷程（重點(diǎn)是（重點(diǎn)是

16、PAH前驅(qū)的前驅(qū)的C2自由基）自由基）應(yīng)用片狀激光誘導(dǎo)熒光（應(yīng)用片狀激光誘導(dǎo)熒光（PLIFPLIF）方法，激發(fā)）方法，激發(fā)PAHsPAHs產(chǎn)生熒產(chǎn)生熒光信號，用光信號，用ICCDICCD探測器及光譜成像系統(tǒng)分別進(jìn)行記錄。探測器及光譜成像系統(tǒng)分別進(jìn)行記錄。采用采用PLII-sootPLII-soot激光成像系統(tǒng)研究低溫燃燒碳煙生成激光成像系統(tǒng)研究低溫燃燒碳煙生成與氧化機(jī)理。結(jié)合雙色法測溫原理，測量受激碳煙顆粒與氧化機(jī)理。結(jié)合雙色法測溫原理，測量受激碳煙顆粒溫度、粒徑分布，并從溫度、粒徑分布，并從LIILII信號絕對的光強(qiáng)值中得到碳信號絕對的光強(qiáng)值中得到碳煙濃度的定量分布。煙濃度的定量分布。應(yīng)用應(yīng)

17、用PLIF法研究重要的自由基法研究重要的自由基OH的演化歷程。的演化歷程。使用使用PIV系統(tǒng)，測量缸內(nèi)流場和速度場。系統(tǒng)，測量缸內(nèi)流場和速度場。實(shí)施方案實(shí)施方案PAH-PLIF PAH-PLIF Nd:YAG Nd:YAG 輸輸出出532nm532nm，重復(fù)頻率為重復(fù)頻率為10Hz10Hz的激光；的激光；泵浦染料激泵浦染料激光器發(fā)出光器發(fā)出387nm387nm激光激光信號激發(fā)信號激發(fā)PAHsPAHs，用用410nm410nm的的長波通濾光長波通濾光片清除雜散片清除雜散光干擾進(jìn)行光干擾進(jìn)行采集。采集。soot PLIINd:YAGNd:YAG輸出輸出532nm532nm，重復(fù)，重復(fù)頻率為頻率為1

18、0Hz10Hz，能量約為能量約為125mJ125mJ的激光的激光激發(fā)激發(fā)soot；用用450nm450nm的短的短波通濾光片波通濾光片清除雜散光清除雜散光干擾進(jìn)行采干擾進(jìn)行采集。集。DG535DG535延延遲觸發(fā)遲觸發(fā)ICCDICCD采集采集OH-PLIFOH-PLIF Nd:YAG Nd:YAG輸出輸出532nm532nm，重，重復(fù)頻率為復(fù)頻率為10Hz10Hz，能量約為能量約為650mJ650mJ的激光；泵浦染的激光；泵浦染料激光器發(fā)出料激光器發(fā)出284 nm284 nm激光信號激光信號激發(fā)激發(fā)OH OH ，用，用312nm312nm的帶通濾的帶通濾光片、光片、58nm58nm的短的短波通

19、濾光片和波通濾光片和WG305WG305長波通濾長波通濾光片清除光干擾光片清除光干擾進(jìn)行采集。進(jìn)行采集。信號采集試驗(yàn)方法信號采集試驗(yàn)方法一、濾波后（去除干擾信號）采集圖像或光譜（主一、濾波后（去除干擾信號）采集圖像或光譜（主要針對現(xiàn)階段）要針對現(xiàn)階段）二、濾波后（去除干擾信號）通過半透半反鏡同時(shí)二、濾波后（去除干擾信號）通過半透半反鏡同時(shí)采集發(fā)動機(jī)燃燒或燃燒器燃燒在相同條件和相同時(shí)采集發(fā)動機(jī)燃燒或燃燒器燃燒在相同條件和相同時(shí)刻的光譜和圖像刻的光譜和圖像三、通過半透半反鏡同時(shí)采集發(fā)動機(jī)燃燒或燃燒器三、通過半透半反鏡同時(shí)采集發(fā)動機(jī)燃燒或燃燒器燃燒在相同條件和相同時(shí)刻的在不同濾波后（去除燃燒在相同條

20、件和相同時(shí)刻的在不同濾波后（去除干擾信號）圖像信號（方便雙色法計(jì)算）干擾信號）圖像信號（方便雙色法計(jì)算）溫度場和流場試驗(yàn)方案溫度場和流場試驗(yàn)方案溫度場試驗(yàn)方案：在進(jìn)氣中加入磷光劑，通過溫度場試驗(yàn)方案：在進(jìn)氣中加入磷光劑，通過一定能量的一定能量的532nm532nm激光后，通過磷光劑的發(fā)出光激光后，通過磷光劑的發(fā)出光強(qiáng)計(jì)算出溫度。強(qiáng)計(jì)算出溫度。流場試驗(yàn)方案：使活塞運(yùn)動段缸體和燃燒室盡流場試驗(yàn)方案：使活塞運(yùn)動段缸體和燃燒室盡量使用石英玻璃，通過量使用石英玻璃，通過PIVPIV系統(tǒng)進(jìn)行測量系統(tǒng)進(jìn)行測量主要內(nèi)容主要內(nèi)容進(jìn)展計(jì)劃進(jìn)展計(jì)劃計(jì)劃安排計(jì)劃安排20102010年年1 1月月1212月月 閱讀相關(guān)文獻(xiàn)以了解所研究課閱讀相關(guān)文獻(xiàn)