新型含氧多元混合燃料的霧化、蒸發(fā)和燃燒過程的可視化試驗研究

申請項目：新型含氧多元混合燃料的霧化、蒸發(fā)和燃燒過程的可視化試驗研究一、項目背景及課題的立項依據(jù)二、項目的主要研究內(nèi)容三、項目的研究方案四、項目實施的可行性五、項目的創(chuàng)新點與總體目標2目錄3一、項目背景及課題的立項依據(jù)4項目背景能源問題已成為我國面臨的重要挑戰(zhàn)，能源安全形式嚴峻石油年消費量超過5億噸對外依存度已接近60%（2014年），2015年成為中國作為全球最大石油進口國的元年3億噸作為動力用油使用環(huán)境保護是我國面臨的另一重大問題大范圍霧霾天氣，PM2.5排放汽車尾氣中的一氧化碳（CO）、碳氧化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）已經(jīng)成為我國大中城市空氣主要污染源5項目背景柴油機化已經(jīng)成為汽車動力源的一個重要發(fā)展趨勢政策支持：《中國制造2025》國家戰(zhàn)略規(guī)劃（國務(wù)院，2015）明確提出，“促進柴油機高壓共軌技術(shù)的自主開發(fā)，推動柴油發(fā)動機在乘用車上的應(yīng)用”性能優(yōu)勢：效率高、排放潛力大替代燃料兼容性好，先進清潔燃燒模式不斷地發(fā)展（兩輪“973”項目，十年的重點研究）發(fā)展柴油機清潔燃燒模式和應(yīng)用清潔車用替代燃料具有重要意義！6立項依據(jù)①.發(fā)展可再生生物質(zhì)能源是國家大力倡導(dǎo)的能源方向“增強能源自主保障能力，積極發(fā)展能源替代”“積極發(fā)展交通燃油替代，加強先進生物質(zhì)能技術(shù)攻關(guān)，擴大交通燃油替代規(guī)?！眹鴦?wù)院，2014，《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014—2020年）》“加快發(fā)展煤基、生物質(zhì)基液體燃料和煤化工技術(shù)，統(tǒng)籌規(guī)劃，有序建設(shè)重點示范工程。為“十二五”及更長時期石油替代產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)?！眹野l(fā)展改革委，2007，《能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》“以風能、太陽能、生物質(zhì)能利用為重點，大力發(fā)展可再生能源。……有序開發(fā)生物質(zhì)能，加快發(fā)展生物液體燃料?！眹鴦?wù)院，2013，《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》目前，生物質(zhì)燃料在交通領(lǐng)域推廣應(yīng)用極少（局限于生物乙醇，少數(shù)省市），相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研發(fā)力度亟需加強！7立項依據(jù)②.戊醇與生物柴油——極具潛力的可再生生物質(zhì)燃料戊醇/五碳高級醇被認為下一代可再生生物質(zhì)含氧燃料（生物工程的突破）目前初具產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)與已應(yīng)用的乙醇等低級醇相比，較高的能量密度較高的十六烷值更合適的蒸發(fā)潛熱與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術(shù)示意圖來源：S.Atsumietal.Nature.2008;451(7174):86-9.KZhangetal.PNAS.2008;105:20653-20658然而，戊醇作為新一代的生物燃料在柴油機上的應(yīng)用研究十分匱乏。8立項依據(jù)②.戊醇與生物柴油——極具潛力的可再生生物質(zhì)燃料生物柴油來源多樣，符合我國國情（餐飲廢油）工藝簡單，價格低廉（為柴油60%左右）含氧燃料，性能優(yōu)越，環(huán)境友好（低硫、低碳、低排放）政策支持倡導(dǎo)（《生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》，國家能源局，2015）含氧生物燃料戊醇生物柴油石化柴油現(xiàn)有燃料體系新型含氧多元混合燃料優(yōu)化燃料組合重新配方9立項依據(jù)③.含氧生物質(zhì)燃料有助于內(nèi)燃機清潔高效燃燒的實現(xiàn)低當量比低溫燃燒方式是實現(xiàn)內(nèi)燃機清潔高效燃燒的最佳燃燒方式含氧燃料的加入能降低著火區(qū)域燃氧當量比戊醇較大蒸發(fā)潛熱有助于減低燃燒溫度戊醇低粘度高揮發(fā)性將促進燃料混合特性戊醇對于低溫燃燒過程有抑制作用生物柴油較大十六烷值有助于維持燃料足夠的著火性碳煙顆粒和NOx在φ-T圖上的生成區(qū)域新型含氧混合燃料物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)噴霧燃燒過程內(nèi)燃機性能與排放核心環(huán)節(jié)研究主題10二、項目的主要研究內(nèi)容11主要研究內(nèi)容能源背景環(huán)境問題汽車行業(yè)發(fā)展趨勢發(fā)展清潔可再生車用替代燃料戊醇生物柴油石化柴油構(gòu)建新型含氧生物質(zhì)混合燃料燃料設(shè)計可視化光學(xué)診斷手段預(yù)混燃燒式定容彈霧化混合特性蒸發(fā)擴散特性著火燃燒特性實現(xiàn)內(nèi)燃機清潔高效燃燒12三、項目的研究方案13研究方案總體研究思路14研究方案（1）新型混合燃料的噴霧霧化特性的可視化實驗研究由于燃料物性的改變，會影響噴油系統(tǒng)的響應(yīng)特性和流動特性，如噴嘴開啟時間、噴油持續(xù)期和噴油速率等都會出現(xiàn)變化。

研究在石化柴油中分別添加戊醇及生物柴油對于噴霧霧化特性，如噴霧貫穿距、噴霧錐角、噴霧體積、噴霧燃空當量比等特性進行研究。高速紋影法光路示意圖及圖像示例15研究方案（2）新新型混合燃料的噴霧蒸發(fā)特性的可視化實驗研究利用預(yù)燃加熱技術(shù)構(gòu)建高溫環(huán)境，研究混合燃料中不同成分對于蒸發(fā)特性的影響，特別是著重關(guān)注蒸發(fā)型噴霧中液相貫穿距離的演變規(guī)律，以及探索由于低沸點燃料戊醇的添加而導(dǎo)致的微爆現(xiàn)象發(fā)生可能性。背光照明光路示意圖及拍攝圖像示例16研究方案（3）新型混合燃料的噴霧著火與燃燒特性的可視化實驗研究采用廣譜發(fā)光探測、關(guān)鍵自由基化學(xué)發(fā)光探測與高溫輻射拍攝相結(jié)合的可視化手段，研究新型混合燃料在不同溫度、氧濃度環(huán)境下的噴霧滯燃著火與多階段氧化的時空演化規(guī)律；研究混合燃料中含氧成分對于噴霧著火燃燒特性的貢獻以及對于燃燒過程中碳煙形成的抑制效應(yīng)。化學(xué)發(fā)光探測法光路示意圖及圖像示例17四、項目實施的可行性18可行性分析項目組已具備功能完善的實驗臺架和光學(xué)設(shè)備高溫高壓可視化定容燃燒彈試驗裝置一套電控高壓共軌噴油系統(tǒng)一臺MotionProY4-S1型高速數(shù)字攝像機一臺CL-150紋影儀一臺Invisible?高速圖像增強器一套紫外鏡頭、可視鏡頭、微距鏡頭各一套多波段光學(xué)濾波片一組高密度LED光源一臺Kistler6052C壓電傳感器、5018電荷放大器和NIUSB-6251M高速數(shù)字采集系統(tǒng)各一套……19可行性分析項目組具備豐富的研究經(jīng)驗與實驗技能本項目組已開展乙醇、乙醇柴油及柴油等燃料噴霧燃燒特性研究，發(fā)表國內(nèi)外期刊論文5篇（其中SCI3篇，EI2篇）針對復(fù)雜的噴霧燃燒圖像開發(fā)了一套先進的處理方法，發(fā)表SCI論文1篇，申請國家發(fā)明專利1項左圖為乙醇柴油150MPa噴射壓力下的霧化、蒸發(fā)及燃燒演化過程下圖為項目組開發(fā)的噴霧燃燒圖像獨創(chuàng)處理方法20五、項目的創(chuàng)新點與總體目標21創(chuàng)新點

發(fā)展與應(yīng)用新型可再生生物燃料、實現(xiàn)清潔高效低溫燃燒是目前內(nèi)燃機領(lǐng)域的一個新的發(fā)展趨勢，與已有的探索性研究成果相比，本項目的創(chuàng)新之處在于：本項目基于“燃料設(shè)計，物性互補”的理念，選擇極富潛力的新型含氧生物質(zhì)燃料——戊醇、生物柴油與石化柴油摻混形成新型含氧多元混合燃料，一方面具有廣闊的應(yīng)用空間，另一方面又具有前瞻性和創(chuàng)新性，對于新型清潔燃料的開發(fā)具有重要的探索意義和指導(dǎo)價值。本項目創(chuàng)新利用多種可視化光學(xué)診斷手段對于戊醇-生物柴油-柴油混合燃料的霧化、蒸發(fā)和燃燒過程進行多角度可視化研究，采用物理-化學(xué)耦合分析手段，深入理解內(nèi)燃機燃料“由噴油器至燃燒產(chǎn)物”演化歷程，為完善柴油機清潔燃燒模式和發(fā)展新型生物質(zhì)替代燃料方法提供新的思路。22總體目標戊醇-生物柴油-石化柴油多元混合燃料闡明新型含氧混合燃料在不同環(huán)境溫度及氧濃度條件下噴霧霧化、蒸發(fā)及著火燃燒的機理與特性揭示控制各個環(huán)節(jié)的主要影響因素，并建立新環(huán)境下的新型內(nèi)燃機燃料混合與著火燃燒理論模型探索先