湍流对油菜籽甲酯与柴油部分预混火焰燃烧性能的影响

摘要

油菜甲基酯（CME）是一种生物燃料，即可再生替代能源资源，由油菜油的酯交换产生。本研究的目的是记录湍流对部分预混火焰环境中CME和2个柴油燃料混合物的燃烧特性的影响。用预蒸发的燃料和空气的混合物以7和三个燃烧器出口雷诺数，2700,3600和4500的初始等效率的混合物进行实验。研究了25,50和75％的CME体积浓度的三种共混物．纯柴油火焰的烟灰体积比最高，由于随着雷诺数增加的碳输入速率和增加的空气夹带增加，因此由于雷诺数，并且随着雷诺数的增加而导致的雷诺数没有显着变化。全球NOx排放指数最高，纯CME火焰的共同发射指数是最低的，并且在混合中与生物燃料含量无单调的平均温度和四分之三火焰高度的NOx浓度通常相关，表明NOx形成的热机理也在湍流的生物燃料火焰中占主导地位。

1.介绍

油价上涨、国家安全担忧和环境保护导致了替代燃料的研究和开发。生物燃料是一种替代燃料，只要对现有的汽车稍加改装就可以使用。生物燃料是可再生的，在美国可以获得，它们的能量含量类似于以石油为基础的汽油和柴油。一类生物燃料来自植物油的酯交换反应，如菜籽油和大豆油;这类生物燃料的例子有大豆甲酯(SME)和油菜甲酯(CME)。这些燃料含硫量低，可以在当地生产;此外，它们还减少了净碳排放量。

有很多关于在柴油发动机使用这些生物燃料的研究。Durbin等人。[1]测量来自四种可商购的柴油车辆的污染物排放和颗粒物质（PM）。该发动机在柴油，B100（100％）生物燃料，B80（体积80％）生物燃料和合成柴油燃料上进行了运营。在测试的四个车辆中的三个中，使用B100和柴油燃料从发动机发射的颗粒物质（PM）没有显着差异。Scholl和Sorenson [2在四缸，四冲程，通常吸气直喷式柴油机上测试了大豆甲酯，并将结果与传统柴油燃料的结果进行了比较。作者发现，结果随发动机的工作条件而变化，如点火延迟和气缸压力上升。麦考密克等人[3.]在六缸，直接注射，涡轮增压，四冲程循环发动机中测试了各种生物燃料和柴油燃料。测量每单位功率的颗粒物质，发现明显较低（300％）比使用石油基柴油所获得的300％。Wang等人。[4.]测试B35（35％生物燃料）大豆甲酯生物燃料在未改变的康明斯拖拉机卡车发动机中融合，并测量了由此产生的PM和污染物排放。结果表明，当使用混合混合物操作时，在操作发动机时产生25％的PM，而不是在石油柴油上操作时。

Dorado等人。[5.]在2500cc，三缸，四冲程循环，水冷，直喷柴油发动机中使用酯化的废橄榄油。作者表明，通过使用使用石油柴油获得的排放，通过使用生物燃料，共同排放量高达58.9％，不增加排放量高达37.5％。此外，CO排放显示与PM的生产相关。Labeckas和Slavinskas [6.[用柴油燃料和冷压油菜籽油（RO）对天然吸气，四冲程，四缸，水冷直喷柴油发动机进行了研究。使用油菜籽油观察到NOx排放的增加。NOx形成的增加归因于燃料中存在的双键，并且由于油菜脂肪酸的存在而导致的较长的点火延迟。agarwal [7.综述了植物油、生物燃料和酒精的生产、表征、现状以及各国开展的实验研究工作。与原植物油相比，甲酯的CO排放较低，这归因于更好的喷雾质量。Mueller等[8.通过大豆生物燃料调查了重型压缩点火发动机中NOx排放的增加。结果表明，通过使用生物燃料观察到的NOx增加未通过单一燃料特性的变化来定量确定，而是由于许多耦合机制的结果，其效果可能在不同条件下彼此增强或取消彼此的耦合机制的结果，取决于特定的燃烧和燃料特性。由于生物燃料的含氧性，抑制了烟灰产生，这减少了汽缸中的总辐射热损失，从而增加了温度和热NOx生产。Kousolidou等。[9.[棕榈油B10生物柴油燃料在轻型共轨欧元3发动机中的性能研究。结果发现，使用生物柴油混合物导致PM排放的减少，而对NOx排放的影响仅与用石油柴油测量的影响略微不同。得出结论是，高达10％生物柴油的混合物可用于当前柴油发动机，对性能有任何显着影响。

已经进行了有限数量的研究，以记录在开放式火焰环境中生物燃料的燃烧性能。爱等。[10.]测量了不同燃料与空气预燃混合物的层流部分预混火焰的辐射热流和排放。石油和生物燃料的NOx和CO排放指数与文献中所报道的发动机的排放指数一致。在一项同伴研究中，Love等人[11.]采用相同的实验构型研究了碘值对油菜籽甲酯、大豆甲酯和硬脂酸甲酯层流部分预混火焰中NOx生成的影响。结果表明，氮氧化物的峰值浓度随燃料碘数的增加而显著增加，表明燃料的化学结构与氮氧化物的排放有很强的相关性。在层流燃料丰富的生物燃料火焰中，氮氧化物产生的主要途径是Fenimore机制(而不是Zeldovich机制)。Erazo等[12.研究了油菜籽甲酯和石油柴油在常压下的喷雾火焰燃烧特性。测量了液滴的大小和速度分布、火焰温度和排放。柴油喷雾火焰大多为非均相燃烧，油菜籽甲酯为均相气相燃烧。CME火焰中NO浓度在各火焰高度均低于柴油喷雾火焰。CME火焰也比柴油喷射火焰冷却200 K。观察到的氮氧化物排放减少与以前发动机研究中记录的氮氧化物增加形成对比，并归因于喷射火焰中的持续燃烧，而不是发动机中发生的间歇性燃烧。

2.客观的

目前的实验调查是Love等人研究的延伸。[10.那11.，旨在了解湍流对CME/柴油火焰汽化混合物燃烧特性的影响。本研究项目的具体目标是测量混合日冕物质抛射和2号柴油燃料在湍流条件下火焰中的整体辐射、整体排放、火焰中排放和温度分布。

3.实验细节和步骤

３.１.实验设置和测试条件

设置的示意图呈现在图中1．高温加热带用于将携带空气的流动管道加热到所需的温度，以使液体燃料完全汽化。通过连接两个k型热电偶的双区温度控制器来调节温度。一个热电偶被放置在燃料喷射之前，另一个被放置在燃烧器之前的下游。使用数字质量流量计监测空气流量。液体燃料储存在一个用氮气缸加压的罐中，并使用Rotameter进行计量。当空气达到所需温度后，燃料被注入空气中。所有实验均设置空气温度为460℃;该温度大大高于最高沸点420℃，但低于CME的热解温度，使燃料完全汽化而不结焦。燃烧器的内径为9.5毫米，通过四个旁路端口对称供给。 All experiments were conducted in a vertical steel test chamber of cross-section 76 cm × 76 cm and 150 cm height. The top of the combustion chamber was connected to the atmosphere through an exhaust duct. The ambient pressure of the laboratory was maintained slightly above (20 Pa) the atmospheric pressure to provide a positive draft inside the test chamber so that the combustion products did not leak into the main laboratory. Additional details of the setup are provided by Dhamale [13.］．

CME和2号柴油以不同比例混合，B25, B50和B75(例如，B25是25%的CME体积飞溅与75%的柴油混合)进行了测试。混合物的属性如表所示1．燃料中的氧含量随混合物中SME浓度的增加而增加。此外，热值随着CME浓度的增加而降低，因为CME的热值比柴油低(约10%)。测量了三个雷诺数:2700、3600和4500。根据体积流体速度、燃烧器内径和混合物粘度计算了雷诺数。混合粘度采用Wilke方程计算[14.在燃烧器出口温度。初始当量比保持在7，因此燃料/空气混合物燃料丰富。选择该条件是为了表示柴油机在满载工况下远离喷油器的湍流扩散控制燃烧区域的局部等效比。由于改变质量流量来改变雷诺数，且当量比不变，雷诺数的变化与燃料-空气混合物的体积速度的变化成正比。各燃料的碳投入速率随雷诺数的增加而增加，如表所示1．下面描述的测量重复了4到6次，使用标准程序计算不确定度;计算详情由Dhamale提供[13.］．不确定度以误差柱的形式显示在相关的图中。

３．２．辐射测量

辐射测量是用高灵敏度太阳热计进行的。将日晷仪(观察角度为150°，吸收率为0.96)放置在距燃烧器150厘米处，使其观察角度覆盖整个火焰长度，满足平方反比定律。利用数据采集板和适当的软件对测量到的辐射热流进行采样。每次测试持续1分钟，采样率为10hz。背景辐射热流以10 Hz采样30秒。在实测热流中减去背景辐射，得到修正后的火焰辐射热流。修正的辐射热流，，用于计算放热的辐射率，，如下: 这里，是距火焰中心线到纤维计的距离，为液体燃料的质量流量，LHV为燃料的较低热值。释放热量的辐射率是火焰辐射的总能量与燃烧燃料的净能量的比值。

３．3.全球和火焰内发射测量

CO的体积浓度₂废气中的CO和NOx是用气体排放分析仪测量的。一个锥形烟道被放置在火焰上方以收集废气。在烟道的顶部，一个内径为1毫米的石英探头被安装来取样废气。废气通过冰浴去除水分，然后通过过滤器去除颗粒物。一氧化碳和氮氧化物的浓度测量值然后转换为以质量为基础的排放指数(每公斤燃料的种类克数)[15.以补偿稀释: 这里，代表摩尔分数，是燃料中的碳原子数，MW是分子量。假设燃料中的所有碳都被转换为CO和CO₂而且烟灰浓度很小。

3.4。火焰温度测量

测量了径向温度分布型热电偶胎圈尺寸为0.3毫米。将热电偶安装在横向机构上，并且手动穿过火焰。在LabVIEW程序以1 Hz的采样率的帮助下读取并记录热电偶输出，温度在40秒的时间内平均。校正温度测量辐射，传导和对流损失[13.］．

3．5．烟灰体积分数测量

采用功率探测器的5mw氦氖激光对火焰中的烟灰体积分数进行了测量。通过测量无火焰和穿透火焰时的激光束强度，得到了火焰中存在烟灰引起的激光束衰减。还测量了火焰强度，并从总强度测量中减去了火焰的激光衰减量。然后将衰减量转化为烟灰体积分数，： 这里，是衰减激光强度，为入射激光强度，是激光束波长，和为沿激光束长度的火焰厚度。光谱消光系数，，假定为与石油柴油烟灰的烟灰浓度相同的常数[16.在计算中。

3.6。出口速度测量

采用激光多普勒测速仪(LDV)对燃料空气混合物出口垂直速度进行了测量。该系统基于氩离子激光器的514.5 nm波长。频率移动使用一个布拉格单元，使一个波束的频率移动40 MHz;然后将信号降移38 MHz，产生2 MHz的净移。散射光以离轴前向散射方式收集。以名义直径为4微米的氧化镁(MgO)颗粒作为种子颗粒。一小部分(20%)的空气供应被转入含有氧化镁粉的钢瓶中。气缸的进气口定位为切向进气口;细颗粒被带过位于气缸中心的排气口。携带种子颗粒的空气被引入到燃烧器出口以下20厘米处，在那里它与燃料-空气混合物混合。

4.结果与讨论

4．1.火焰的外表

这些火焰图像是用800万像素的数码单反相机在不同快门速度下拍摄的。B50火焰的典型火焰图像(长时间曝光)如图所示2在三个雷诺数。由于燃烧器出口处的湍流条件，火焰在外观上进行了刷子;这可以在图中的图片中看到3.拍摄时间为1/4000。火焰中存在显着的烟灰含量提供了黄色色调。出口等价率为7;因此，在出口处没有提供足够的空气以完全燃烧燃料，并且需要夹带周围环境的空气。所有燃料的火焰高度都是可比的。纯CME和柴油火焰的近燃烧器出口图像如图所示4.．这些图像是用1秒的曝光时间拍摄的。由于在该区域的主要气相反应，近燃烧器区域呈现蓝色。当燃料中生物燃料的含量增加时，蓝色区域轴向扩展到更大的高度。CME燃料分子中氧气的存在有助于燃料的氧化，导致燃烧器附近均相反应区增加。

4.2。退出速度配置文件

图中给出了纯柴油和CME火焰在燃烧器出口的燃料-空气混合物的平均速度5.对于三个雷诺数。为了保持7的初始等效比，每一个雷诺数(由于燃料分子中存在氧气)提供给生物燃料的空气量更小;因此，生物燃料火焰的体积速度低于柴油火焰。这可以在平均速度剖面中观察到。轴向速度峰值在中线处;由于在这些雷诺数处流动的过渡性质，剖面不是平坦的。平均中心线轴向速度比体积速度高22%。湍流强度如图所示6.．湍流强度在靠近边缘处高于中心处(典型的管流)。最大湍流强度(靠近边缘)随雷诺数增加而增大。

4．3．火焰辐射

在图中绘制了三个雷诺数各种火焰的辐射热级分7.．火焰辐射由燃烧的烟灰颗粒和火焰中存在的高温气体发出;因此，它取决于局部温度，气体发射率和烟灰发射率。纯CME火焰的辐射级分略低于所有雷诺数的柴油火焰。通常，柴油火焰中的烟灰含量高于纯CME火焰的烟尘，但是在纯生物燃料火焰中比在柴油火焰中的最大温度较高。因此，纯CME火焰中的略微较低的辐射级分可能归因于火焰中烟雾含量的显性效果。在混合物的火焰的情况下，B75火焰的辐射部分高于柴油火焰的辐射部分，而B50和B25火焰的辐射级分与柴油火焰的辐射馏分相当。虽然这些火焰中的烟灰含量低于纯燃料火焰的烟尘，但火焰温度与纯燃料火焰中测量的火焰温度不同。与B25和B50共混物的火焰相比，25和50％火焰高度的B75火焰最高的火焰温度最高。13.];高温导致B75火焰具有最高的辐射级分。

总的来说，辐射分数随着雷诺数从2700增加到3600而增大，然后随着雷诺数进一步增加到4500而减小(B50火焰除外)。如前所述，雷诺数的增加是通过增大体积速度来实现的，因此随着雷诺数的增加，吸气量也随之增加。因此，当雷诺数为3600时，辐射分数最高，这可能是由于较大的碳输入速率导致烟灰形成增加，而随着吸气量的增加，烟灰氧化率也增加，这两者之间的平衡被打破了。

4.4。全球温室气体排放

数字8.显示了所有火焰的全球CO排放指数。纯CME火焰(雷诺数为2700时为柴油火焰的1 / 3，雷诺数为3600和4500时为柴油火焰的1 / 2)CO排放指数最低。B25和B50火焰的CO排放指数与柴油火焰相当，而B75火焰的CO排放指数略低于柴油火焰。随着燃料中生物燃料含量的增加，燃料中的氧气含量也会增加，而增加的氧气将有助于CO氧化成CO₂．而B25火焰的CO全球排放指数略高于柴油火焰。这是CME与柴油耦合作用的结果。柴油火焰和B25火焰的碳输入速率与B75火焰和纯CME火焰的碳输入速率相当，且高于B75火焰和纯CME火焰的碳输入速率1）;在Midflame的B25火焰中最低火焰温度最低，并且在75％的火焰高度。B25火焰中的烟灰体积分数低于柴油火焰（如后面所讨论的）。因此，虽然在B25火焰中形成较少的烟尘，但是相当的碳输入速率导致了更高的CO形成。此外，由于雷诺数增加的较高的空气夹带增加，CO排放指数随着所有燃料的雷诺数而增加。

在不同火焰中测量到的全球NOx排放指数如图所示9.．纯日冕物质抛射火焰温度最高;在共混物火焰中，CME B25火焰的NOx排放指数高于柴油火焰。火焰中氮氧化物的产生受热、苯尼摩尔和氮的控制₂o机制[15.］．因此，局部温度和燃料-空气混合比在NOx的产生中起着重要作用。总的来说，CME和CME共混物火焰的最高温度高于柴油火焰，如下图所示。因此，与相同初始当量比下的层流火焰相比，在这些条件下，热机理产生的NOx可能显著[11.］．发现NOx排放指数随着大多数情况的雷诺数增加而增加，除了B50和B75火焰，其中NOx排放指数在雷诺数3600的雷诺数下降，并在雷诺数为4500.较大较高雷诺数的空气夹带导致倾斜局部混合物，并且较短的停留时间（由于较高的速度）在相反方向上影响热形成的NOx，因此可能是在雷诺数3600的最小观察到的原因对于B50火焰。

4.5。温度变化情况

数字10.显示三季度火焰高度的火焰中的径向温度曲线。通过比较三个数字可以看到雷诺数（Re = 2700,3600和4500）的效果。在每个数字中，呈现了给定雷诺数的混合比的影响。在该轴向位置，温度达到中心线附近的最大值，随着B75火焰的所有火焰增加径向距离，显示出在RE = 4500处特别优势的偏离轴峰值。这种趋势是特征高初始等效率预混火焰的烟尘区中燃烧区域中的烟灰占状的异构燃烧。在最高RE（4500）中，烟灰降低和累积空气夹带的综合效果可以使均匀的气相反应显着，导致径向温度型材中的轴外峰。似乎是CME B75混合物的火焰的情况。

由于局部当量比是由该区域的烟尘浓度和累积的空气夹带量决定的，因此它可以接近化学计量甚至是稀薄的条件。因此，可能发生的最高温度受到绝热火焰温度的限制(纯柴油为2303 K, CME B25为2300 K, CME B50为2297 K, CME B75为2294 K, CME为2291 K)。纯日冕物质抛射火焰的温度在这个位置最高。当雷诺数为2700时，柴油火焰和B75火焰的温度相当，且高于B25和B50火焰;当雷诺数为3600和4500时，B25火焰和柴油火焰的温度最低。由于周围空气与部分预混的燃料/空气混合物混合良好，峰值温度随雷诺数增加而增加。

4.6。烟尘体积分数

在图中呈现了火焰中烟灰体积分数的轴向变化11.．总体上，烟炱体积分数随下游距离增大而增大。在CME共混物的火焰中，火焰尖附近烟灰体积分数下降，雷诺数为4500时烟灰体积分数下降最为明显。柴油火焰烟灰体积分数最高，纯生物燃料火焰次之。CME的燃料分子中氧气的存在有望减少生物燃料火焰中煤烟的形成。有趣的是，CME共混物火焰中烟灰体积分数低于纯CME火焰。高碳氢比燃料(柴油)和燃料分子中含氧能提高煤烟热解速率(CME)的燃料总体上产生较高的煤烟浓度。因此，纯柴油和CME火焰比它们的混合火焰有更高的烟尘浓度。

在近燃区()，燃料在Re = 2700时的停留时间比Re = 4500时的停留时间大得多。与氧化反应相比，燃料热解、烟灰成核和颗粒生长在该区域占主导地位。因此，当Re = 2700时，燃料分子结构的差异表现为烟灰体积分数的显著差异。由于更高的速度和额外的空气夹带也促进氧化反应，这些差异在Re = 4500时减轻。CME与柴油之间的协同耦合效应在这些火焰中占据主导地位。烟灰体积分数随雷诺数增加的变化不明显，是由于吸气增加导致的碳输入速率增大和稀释程度增大的累积整体效应。

4.7。火焰的氮氧化物浓度

数字12.显示3季度火焰高度NOx的火焰浓度测量。在该火焰高度处，在中心线发生峰值NOx浓度并朝向火焰边缘降低，但是在RE = 2700处看到B75火焰的轻微偏离轴驼峰。对于纯CME火焰，将峰值NOx浓度记录为纯CME火焰也有最高的火焰温度[13.］．此外，Zeldovich热NOx机理表明，NOx的生成速率也与局部氧浓度有关，纯柴油火焰的NOx浓度最低。以质量计算，生物燃料携带了超过10%的氧气，这表明形成氮氧化物的热途径占主导地位。随着雷诺数的增加，NOx的峰值浓度增加。这些趋势与温度测量的趋势一致，如图所示10.，证实NOx形成的热机理在这些条件下在CME火焰中占优势。Laminar火焰观察结果的变化[11.强调了湍流对生物燃料火焰的结构和排放的影响。

5。结论

在CME和三种CME/柴油混合燃料(B25、B50和B75)的湍流火焰中测量了三个燃烧器出口雷诺数2700、3600和4500。燃烧器出口当量比保持在7。根据测量结果，得出以下结论。（1）所有燃料的火焰具有相当的高度，范围为50-65厘米。在近燃烧器区域中，均匀气相反应的长度（由蓝色色调表示）对于CME火焰更长。CME的燃料分子中氧的存在促进了近燃烧器区域中的燃料的氧化。（2）CME混合燃料的火焰中烟灰体积浓度低于纯燃料的火焰，突出了降低烟灰前驱体氧化(由于生物燃料中存在氧气)和更高的柴油热解程度的综合作用。随着雷诺数的增加，由于较高的碳输入和较高的引气量的累积整体效应，烟灰体积浓度没有显著变化。（3）B75火焰的辐射热分数高于其他火焰。混合燃料火焰中烟灰含量较纯燃料火焰低，但火焰中火焰温度和四分之三火焰高度均较高。烟灰量越少，燃烧速率越高，因此在给定雷诺数下，同样的进气量会增加能量释放速率。（4）由于空气夹带增加，CO排放指数随着雷诺数的增加而降低。(5）全球NOx排放指数对于纯CME火焰最高。在三分之三的火焰高度下，纯柴油火焰的火焰中的NOx浓度最低，并且随着雷诺数增加。这些趋势对应于火焰温度的趋势，表明NOx的热形成在这些火焰中占主导地位。(6）最后，实验结果表明，基于纯CME火焰和柴油火焰的混合比和混合特性不能准确预测CME/柴油混合火焰的燃烧特性。为了了解混合燃料火焰中CO和NOx的形成，需要对火焰中自由基浓度进行详细的测量。

命名法

F:	热释放的辐射分数
：	烟尘体积分数
：	光衰减的光谱系数
：	火焰与辐射计的距离，m
求得:	燃料热值低，kJ/kg
：	燃油质量流量，kg/s
兆瓦:	分子量
：	燃料中的碳原子数
r：	测量火焰辐射
X:	摩尔分数
：	火焰厚度,厘米
：	激光波长。

承认

感谢美国能源部提供的财政支持。

参考

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