定容弹内低温燃烧条件下乙醇柴油喷雾和燃烧特性实验研究

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1、分类号学号D200977212学校代码10487密级博士学位论文定容弹内低温燃烧条件下乙醇柴油喷雾和燃烧特性实验研究学位申请人：邓鹏学科专业：动力机械及工程指导教师：黄荣华教授答辩日期：2014年5月22日万方数据万方数据ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringExperimentalResearchonEthanol-DieselS

2、prayandCombustionunderLowTemperatureCombustionConditionsinaConstantVolumeCombustionBombPh.D.Candidate：DengPengMajor：PowerMachineryandEngineeringSupervisor：Prof.HuangRonghuaHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074，P.R.ChinaMay22,2014万方数据万方数据万方数

3、据华中科技大学博士学位论文摘要近年来，低温燃烧(LTC)方式因其在内燃机清洁高效燃烧方面展现出的巨大潜力而受到广泛关注。与此同时，替代燃料的研究也成为内燃机领域的热点研究问题，像生物乙醇这样可再生、低排放、安全无毒的替代燃料备受重视。乙醇的理化特性非常适合于低温燃烧发动机，但目前相关研究大多还处于探索阶段，主要为发动机台架性能实验。因此，开展乙醇柴油在低温燃烧环境下的喷油燃烧特性研究，不仅能为乙醇柴油的推广应用提供重要的实验数据，还能促进低温燃烧理论的完善。对雾化、蒸发和燃烧过程的比较研究可以凝聚人

4、们对燃油喷射零散的认识，为喷油燃烧模型的完善提供重要参考，具有十分重要的理论意义与实际应用价值。为模拟内燃机喷油燃烧环境，构建了一台预混燃烧加热式定容燃烧弹，并开发完善相关实验流程和数据处理方法。成功模拟出喷油压力50～200MPa、环境气体密3度15kg/m、环境温度300～1200K、环境压力0.1～10MPa、氧浓度0%～21%的喷雾环境。覆盖了低温燃烧柴油机缸内环境参数范围，可同时获取喷油燃烧过程的图像与压力信号。使定容弹不仅能开展喷油雾化实验，还能开展喷油蒸发、喷油燃烧和预混点火燃烧实验。

5、根据喷雾图像的特点，针对性地开发出基于Matlab的处理程序，从复杂的纹影背景中识别出喷雾边界。开展了E20乙醇柴油喷雾雾化、蒸发和燃烧三种类型的实验研究。对喷油压力、环境温度和环境氧浓度三种因素的影响进行考察。喷油压力变化范围为50MPa到200MPa，环境温度变化范围为383K(雾化)和800K～1200K(蒸发/燃烧)，环境氧浓度变化范围为0%(雾化/蒸发)和15%～21%(燃烧)，以柴油作为E20乙醇柴油的比较对象。雾化实验研究喷孔流动特性、雾化特性和油气混合特性。结果表明喷油压力越高，雾化

6、混合效果越好，E20的雾化特性与柴油相当，但因其含氧，混合特性优于柴油。该研究表明提高喷油压力和添加含氧燃料是强化混合的可行途径。燃烧实验分析了发光滞燃期、火焰升举长度等基于燃烧图像的特征参数和燃烧压力、压升滞燃期等基于压力的特征参数。结果表明，环境温度和氧浓度越低，滞燃期和燃烧持续时间越长，火焰升举长度和燃烧最高压力也越大，火焰面积和综合火焰亮度越小。基于准稳态阶段的喷雾火焰升举长度，计算分析了着火位置处的燃空当量比。结果表明低温燃烧的喷雾着火过程受化学动力学控制，但喷雾燃烧过程受物理混合过程限制

7、。当氧浓度为0.15、环境气体温度为800K时，火焰升举长度I万方数据华中科技大学博士学位论文位置处的燃空当量比略大于2，已经非常接近无烟燃烧状态。对雾化、蒸发和燃烧三类喷雾图像及有关特征参数的比较，显示了低温燃烧喷雾诸多未被发现的结构特征。如喷油结束后，在燃油经过的区域会存在喷雾残余结构，喷雾体外形由较为规则的锥形变成波纹状。着火在喷雾束的中部开始发生，喷雾头部的着火过程中未见明显的火焰传播过程，而是以自燃着火为主，是多点自燃的结果。喷孔显微的图像和燃烧图像一起说明，喷油结束后，在喷孔附近存在少量

8、低速大液滴，当环境温度超过1000K时，这些液滴会燃烧发光，在环境温度较低时，这些液滴将成为未燃碳氢的重要来源。关键词：定容燃烧弹；乙醇柴油；低温燃烧；喷雾燃烧；光学诊断II万方数据华中科技大学博士学位论文AbstractLowTemperatureCombustion(LTC)engineswerewidelyconcernedastheyshowedgreatpotentialinaspectofcleanandefficientcombustioninterms