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基于定容燃烧弹的正戊醇-柴油混合物的喷雾和蒸发特性

摘要:由于其优异的物理化学性质和可再生特性，戊醇被认为是一种应用于机动车辆的最有希望的替代生物燃料。这项研究的目的是研究了戊醇以不同的体积比（0％，20％和40％的体积）添加到柴油中的效果在各种注入和环境条件下的喷雾和蒸发特性。实验在预混燃烧加热的恒定容积燃烧室中进行两种不同的燃烧室光学布置，高速纹影技术和漫反射照明技术。结果表明，与柴油相比，纯柴油具有更长的喷嘴穿透深度和更小的锥角戊醇在非蒸发条件下混合。随着环境密度的增加，差异每种混合物之间的渗透特性变得可以忽略不计，但喷射角度的间隙仍然存在不同。与非蒸发条件相比，喷嘴尖端穿透有下降趋势纯度柴油在高于800 K的高温下，而戊醇混合物的增加趋势。喷雾除了将戊醇的混合比增加到40％之外，锥角不受环境温度的影响。通过以下方法获得空气夹带分析，例如喷雾量和燃料当量比分布分别测量和模型预测。结果表明纯柴油的混合度比空气-戊醇混合物燃料混合差。它还警告说，在低温燃烧条件下当戊醇混合比达到40％时，弹体壁上的液体冲击风险会变得更高。

引言

使用可再生燃料作为化石的替代品或补充剂移动车辆中的燃料被认为是有效和前瞻性的缓解压力的方法来自日益严格排放法规和对能源安全的关注。各国已制定相应的政策来倡导可再生燃料用于石油基燃料，如可再生能源燃料标准（RFS）计划[1]由美国政府提出和2030年的气候和能源框架[2]由欧盟委员会提出。 这些规定都致力于发展可再生能源和技术水平扩大可再生燃料行业，同时减少对化石的依赖油。

由于这种不可抗拒的趋势，在过去二十年出现了不同寻常的在增长趋势在替代品的开发和应用发动机燃料的开发 [3]。在这些替代燃料中，短链醇基生物燃料，如甲醇，乙醇等可再生资源因其更成熟的生产技术和高氧含量而受到重视。该燃料氧的结构特征可以改善燃烧特性和降低排放[4]。由于它们是低十六烷值，甲醇和乙醇等短链醇适用于火花点火发动机（SI）而不是压缩点火发动机（CI）。此外，还有一些其他困难像高蒸发潜热，长点火延迟，混溶性和稳定性问题阻碍了它们作为燃料的应用，对于CI引擎[5]。虽然有几种技术像酒精熏蒸[6]，双注射[7]和酒精 - 柴油乳液[8]应用短链醇在柴油发动机中，成本较高发动机改装和有限的燃料替代率导致减少了短链醇的低热值从而限制了可用范围。

由于它们的高能量密度和高十六烷值，长链与短链醇相比，醇具有显著的优点在CI引擎中的应用程序方面。他们也表现出更好混合稳定性，可直接注入燃烧室与所有混合比例的柴油混合。而且，相对于长链醇吸湿性较低，使其更容易储存和运输[9]。丁醇及其异构体是第一个长链酒精，这已经引起了很多关注。丁醇可以由可再生资源生产，例如活细胞Clostridium saccharoperbutylacetonicum [10]和可再生的丁酸、葡萄糖[11]。实验研究以丁醇 - 柴油混合物为燃料的发动机已被证明是更有优势的，在只有轻微影响的情况下实现废气排放[12]。由于其固有的特性，丁醇也显示出良好的EGR富氧耐受性，同时减少烟雾，与烟雾在适当的方法下相结合的时可以实现NOx排放EGR比[13]和注射策略[14]。

最近，下一代生物酒精戊醇已经受到了研究人员的特别关注。戊醇具有五碳链结构并且可以从生物途径获取，如工程微生物的天然微生物发酵[15]和葡萄糖的生物合成[16]。戊醇有类似的蒸汽潜热，密度和柴油的粘度，其能量密度更高，十六烷值更高，混合稳定性更好但吸湿性较差，这使其在CI发动机的替代燃料中更具竞争力。正戊醇的性质与柴油和其他短链醇的比较在表1中，到目前为止，有几种关于戊醇在压缩点火发动机工作的报道。魏等人[17]、李等人[18]和Campos-Fernandez等人 [19]分别发现使用正戊醇混合物代替纯柴油燃料具有明显的优势，它有利于减少氮氧化物排放，微粒质量和数量浓度随制动热量的增加而增加。库马尔等人最近应用了戊醇的组合/柴油混合物和中等EGR率（20-30％）来实现减少氮氧化物和烟雾排放[20]。他们还发现45％戊醇/柴油混合物可用于柴油引擎，也不会引起任何可见发动机部件受到长期耐久性损坏测试[21]。此外，还有几个基本的实验，如点火延迟在高温[22]和中间温度的测量[23]，层流火焰速度测量[24]，最近一年中进行了戊醇燃烧实验。三个不同的戊醇的燃烧动力学模型由Togbeacute;等人[25]，Heufer等人提出。 [26]和Wang等人[27]分别。这些工作确实有助于理解和改进它在CI引擎中高效清洁的应用燃烧化学。

众所周知，燃料喷雾和蒸发特性对燃烧过程和发动机的表现和排放有重要影响。为此专门设计的实验设施，例如光学可视的发动机[30]和定容燃烧弹[31]，这些是因为重现环境条件以及为了具有良好可观察性的热力发动机而制造的 [32]。另一方面，也有几种光学诊断方法开发并应用于相关调查。例如，米氏散射和漫反射（DBI）成像法[33]是用于液体喷雾成像的常用技术，而schlieren技术是最适合蒸汽喷雾成像的方法[34]。最近，二维激光诱导激素复合物开发了用于测量液体的荧光技术，在这些研究中是有效的技术 [35]。研究人员已经做了很多研究，以了解对燃料喷雾和燃料的影响基于上述装置的蒸发特性和方法。通常，相对于喷雾和蒸发的参数行为可分为两组，注射参数（如注射压力和喷嘴结构）和环境参数（如环境密度和温度）[36]。此外，燃料性能对喷雾和喷雾蒸发特性有显著影响，关于燃料喷雾和蒸发的性质的调查在发展中和替代燃料的应用起着关键作用。在过去十年，替代燃料或替代燃料的相关基础研究已被广泛发表，如生物柴油[37]，二甲醚[38]，费 - 托燃料[39]和乙醇[40]。但是，据作者所知，很少有人专注于喷雾渗透，分散和蒸发长链醇与柴油混合的特性。仅刘等人进行了相关研究[41]。最近，他们的结果只表明了混合燃料渗透率长度随着正丁醇体积的增加而减少在类似发动机的条件下。既然长链醇与纯柴油的和其他较短的燃料属性差别很大（如表1所示），更多详细了解实验数据是必需的。

本研究的目的是用戊烯醇替代柴油40％并评估宏观喷雾行为，在各种注射和环境条件下的混合和蒸发特性。 瞬态液相和气相图像分别通过DBI成像和纹影技术记录。特征参数，包括喷嘴穿透，喷雾角度，喷雾量和液体长度调查所有测试燃料。 而且用1-D数值模型液体长度和当量比分布用于比较和进一步讨论。 结果证明戊醇与纯柴油相比，混合物具有更好的空气 - 燃料混合，但是还警告说，在低温燃烧时戊醇混合比达到40％条件下墙壁上的液体撞击的风险更高。

表1：正戊醇与柴油及其他短链醇的燃料性能比较。

实验装置

本文中的实验是在预混合定容燃烧弹中进行的燃烧加热（CVCB），由Deng等人建立[43]。光学接入两种不同的光学诊断方法用来燃料喷雾和蒸发调查。组成测试系统和图像处理方法将是本节介绍。

2.1高压腔体和喷射系统

如图1所示.CVCB的主要结构是对称的立方体，边长380毫米，立方体封闭燃烧腔室长136毫米。 最大渗透率喷雾约120毫米，开发了完全符合要求喷雾研究。提供可视化光学检测，2个厚度为50毫米的石英窗安装在光学通路上。 同时，加热板将其粘附在CVCB的表面上，并保持温度CVCB在383 K，以防止水蒸气冷凝在石英窗上。

构建了两种不同的实验环境分别研究燃料喷雾和蒸发特性。对于非蒸发喷雾试验，用N₂充满了腔室，形成15kg / m³,22.5kg / m³和30kg / m³的密度环境。对于蒸发喷雾的那种，预燃技术是用来产生高温高压气体燃烧器，由Siebers详细描述等[44]。在预先计算的腔室中填充C₂H₂，N₂和O₂形成15kg / m3密度混合物。火花点火，混合物的温度和压力会快速上升然后逐渐下降。预燃烧冷却至预选的压力和温度，这通过与容器壁传递热量来控制，控制器触发注射器开始注射和高速数字相机CCD同时录制。为了保证精确控制充气压力和组件并收集压力信息，独立的压力采集系统设计的。该系统由压​​力传感器Kistler组成6052C，电荷放大器Kistler 5018和高速数据样本卡NI USB-6251M，它与其他发行版相结合单位在期间创建一个闭环控制系统充电过程并收集压力信息预燃和喷雾过程。

使用Bosch型号CRIN2燃油喷射器并垂直安装在CVCB的主要腔口的中心。它只有一个sactype喷嘴位于喷油器轴上，通过显微镜方法测得喷嘴直径为0.234mm。注射过程被触发并保持2.5毫秒电子控制单元（ECU）。使用油浴系统控制和调节喷油器及燃油的温度。该油浴系统采用PID控制器稳定冷却液温度通过电加热和机械搅拌。气温冷却液温度的控制精度为plusmn;1.0℃。在里面提出的工作，冷却液温度设定为25℃，和在所有测试条件下保持相同。

2.2光学系统

经使用两种不同的光学布置来研究戊醇/柴油的喷雾和蒸发特性（如图2所示）。本研究中的混合物第一个（以下简称被称为OA 1）用于可视化宏观喷雾通过高速纹影可视化技术。在另一手，应用第二光学装置（从现在开始的OA 2）用于测量喷雾时间分辨在蒸发条件下注入液体长度的DBI技术。以下详细描述了在实验中使用的光学元件实施方法。

Schlieren成像技术已经使用了很多年在各种实验中以识别折射率梯度[45]，和许多研究人员也采用了调查燃料喷雾进化的方法[46]。光学装置1（图2a）包括CL-150schlieren成像系统和MotionPro Y4-S1高速CMOS相机。由75Whalogen提供的稳定点光源灯通过针孔聚焦以进行扩展和准直通过镜头1（150 mm U，1500 mm焦距）到CVCB。光束通过光学通道燃烧室由位于容器的下游的高速CMOS相机镜头2（150 mm U，1500 mm焦距）

采集。相机设置为20,000 fps分辨率为640times; 280，在100毫米焦点的长度镜头下获取图像的比例尺度为0.204毫米/像素。

DBI技术用于汽化的液体边界检测。 DBI图像基于直接测量消光强度与参考光强度。实验设置如光源的强度和位置有限对液相测量结果的影响。发动机燃烧网络（ECN）建议将DBI技术应用于液体边界检测汽化喷雾[46]。详细地说，光学安排2（图2b）使用40W的LED灯作为照明光源，然后光通过地面玻璃漫射器成为漫反射束光。漫射照明通过CVCB并直接由高速CMOS摄像头采集。相机设置与光学装置1相同的帧速率，但是分辨率为1024times;280和更精确的比例为0.06毫米/像素。

图1：定容燃烧弹系统示意图。

图2：两种不同光学配置的草图，其中（a）用于OA1，（b）用于OA2。

2.3燃料和测试矩阵

对于该研究，正戊醇（CAS No：71-41-0）的纯度为98％（分析级）是从中国医药集团集团公司采购的。 商业0＃柴油燃料是从中石油有限公司获得，该公司制作这项研究的

参考燃料。 正如作者所知，目前为止，最大的正戊醇体积混合比达到了45％。过量的戊醇混入会导致制动热效率下降，由于减少了制动比油耗会增加戊醇的能量含量会增加[20]，并且混合物急剧下降的润滑性是另一个严重的问题[9]。所以，本研究的重点是三种测试燃料，D100，D80P20和D60P40，通过混合正戊醇制备柴油三种不同的混合比例按体积分别为0 / 100,20 / 80和40/60。 这些测试燃料的溶解度经过测试，48小时后没有发现相的分离融合。

为了研究，已经探索了戊醇/柴油混合物的喷雾和蒸发特性，以及在不同混合比，注入和环境条件下对结果的影响。表2为该研究总结。案例1和案例2测试组设计用于非蒸发下的喷雾特性研究条件，而案例3和案例4测试组设计用于高温下的蒸发特性条件。为了减少随机误差，讨论了所有数据均是五次重复测试的平均结果。喷雾和蒸发实验的可重复性可靠性在我们之前的研究中得到验证，平均偏差不到5％。有关验证过程的更多信息可在参考文献中找到。[47]。

2.4图像处理方法

图像处理最重要的一步是图像分割，并且阈值处理方法广泛用于喷雾边界检测[48]。用于非蒸发喷雾试验，如案例1和案例2测试组，背景几乎不变由于环境气体的微弱湍流。前面的框架燃料喷射被设定为背景图像。减法背景图像可以很好地消除环境干扰在下面的喷雾图像。然后，选择合适的阈值可以轻松地将喷雾区域与背景分开。在这个研究中，应用Otsu方法计算阈值。对于蒸发喷雾试验，强烈的环境密度干扰和由预燃烧引起的温度将转化为#39;#39;纹理背景“在schlieren图像。它进行分割在情况3中更难以实现喷射边界测试组。基于Sandia编辑的图像处理代码[49]，开发了一种新的边界分割方法基于自动阈值确定算法识别蒸发纹影图像中的喷雾边界。这个参考文献中详细讨论了分割方法 [47]。固定阈值，对应于最大值的3％在图像中选择在差分图像中获得的数字水平背景算术减法后的二值化蒸发喷雾的边界检测（案例4试验组）。许多以前的研究[50,51]证明了这个阈值可以找到这个区域，散射光强度迅速下降。图3显示了每个测试组的图像处理顺序。

此外，光学设置和分割方法在每个测试组中保持不变以确保可靠性测量数据比较。相关的宏观特征根据原始轮廓进行测量和量化，通过图像分割获得蒸汽和液体喷雾以上。详细的计算方法如下所述部分。

表2：测试矩阵。

图3：不同类型的图像处理序列。

结果与讨论

在本节中，宏观喷雾特性很好调查，包括喷嘴穿透，扩散角度和所有混合物的预计喷雾量。 另外，Musculus和Kattke混合模型[52]也被用来更好了解所有混合物的喷雾混合行为。 在另一方面，戊醇对各种燃料液体长度的影响在实验中详细讨论了环境温度结果和建模分析。

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资料编号：[4241]</h