ABE-柴油混合液的噴霧特性和燃燒特性研究.pdf

1、隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴峻，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。當前，丁醇因燃料特性接近于柴油，并且可以同時降低碳煙和NOx排放，已經(jīng)得到廣泛的認可。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競爭力。ABE生物發(fā)酵技術中，丁醇（最終產(chǎn)物）是由丙酮-丁醇-乙醇（ABE）三種可燃物質的混合液（中間產(chǎn)物）進一步分離和提純獲得

2、的。為了提高燃料市場競爭力，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水的兼容性，同時還可以通過調整發(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及相關燃料未來應用于柴油機燃燒所需的基礎信息，本文基于激光診斷技術在預燃加熱式定容燃燒彈上對燃油的噴霧及燃燒過程進行了較為詳盡的研究。實驗系統(tǒng)由定容燃燒彈、高速攝像機、銅蒸汽激光器、信號同步器、光學濾鏡、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*化學發(fā)光圖像、碳煙圖像，及燃燒放熱過程。此外，可通過調整初始進氣組分比例、壓力及噴油時刻，控制噴霧燃燒的環(huán)境溫度和氧濃度。本文測試的環(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％，以代表實際發(fā)動機運行中的高、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、丁醇同分異構體、ABE組分變化、ABE摻混比變化等對燃料噴霧燃燒的影響。得出的主要結論如下：
　　所有被測燃料隨著噴霧環(huán)境條件的變化會表現(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，瞬時火焰強度均降低。并且，各被測燃料

5、在高環(huán)境溫度時表現(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，而當溫度低至800K時，正丁醇表現(xiàn)出對環(huán)境氧濃度變化更強的敏感性。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，同時因為氧含量和火焰舉升高度的優(yōu)勢使其表現(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摻混比例亦可以對混合物的噴霧燃燒特性產(chǎn)生較大影響，ABE存在一個介于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。對給定某一燃料火焰舉升高度與著火延遲期變化趨勢一致，這與其它文獻的結果相同，但對不同類型燃料，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并不一致，可推測火焰舉升高度與著火延遲期中的化學準備部分關系更加