1、低溫燃燒碳煙前驅物生成機低溫燃燒碳煙前驅物生成機理及中間產物自由基研究理及中間產物自由基研究張鵬指導教師：堯命發 教授研究方法及實施方案研究方法及實施方案主要內容主要內容國內外研究動態和背景國內外研究動態和背景研究水平和存在問題研究水平和存在問題選題的目的和意義選題的目的和意義進展計劃進展計劃主要內容主要內容國內外研究動態和背景國內外研究動態和背景研究動態和背景研究動態和背景新型燃燒模式：新型燃燒模式：均質壓燃（均質壓燃（HCCI）和低溫燃燒（）和低溫燃燒（LTC）可以提）可以提高熱效率的同時降低尾氣排放，減少內燃機對后處理器的依賴，高熱效率的同時降低尾氣排放，減少內燃機對后處理器的依賴，對節

2、約資源和國家經濟發展發揮重要作用。對節約資源和國家經濟發展發揮重要作用。經過近幾年來國內外研究，人們認識到：缸內混合氣濃度（經過近幾年來國內外研究，人們認識到：缸內混合氣濃度（）歷程和溫度（歷程和溫度（T）歷程控制是柴油機新型燃燒模式的核心）歷程控制是柴油機新型燃燒模式的核心近年來，光學、計算機以及高速圖象處理技術的飛速發展為柴近年來，光學、計算機以及高速圖象處理技術的飛速發展為柴油機燃燒可視化提供了強有力的工具。國外研究者運用先進的油機燃燒可視化提供了強有力的工具。國外研究者運用先進的測試技術，設計出各種柴油機燃燒可視化實驗裝置，對柴油機測試技術，設計出各種柴油機燃燒可視化實驗裝置，對柴油機

3、缸內燃燒的各個方面進行研究，獲得了大量的試驗數據缸內燃燒的各個方面進行研究，獲得了大量的試驗數據。柴油機燃燒可視化是研究其燃燒過程最先進、最有效的實驗手柴油機燃燒可視化是研究其燃燒過程最先進、最有效的實驗手段之一，因此開展柴油機燃燒可視化研究具有十分重要的意義：段之一，因此開展柴油機燃燒可視化研究具有十分重要的意義：一、可以系統、深人地了解燃燒發生、發展的特征規律，獲取一、可以系統、深人地了解燃燒發生、發展的特征規律，獲取燃燒中間產物和自由基的發展歷程，進一步加深對柴油機燃燒燃燒中間產物和自由基的發展歷程，進一步加深對柴油機燃燒過程的的理解和燃燒機理的認識；過程的的理解和燃燒機理的認識；二、結

4、合實際柴油機進氣組織、噴霧及燃燒室結構來開展這方二、結合實際柴油機進氣組織、噴霧及燃燒室結構來開展這方面的研究，能夠為柴油機燃燒系統的評價和改進提供依據。面的研究，能夠為柴油機燃燒系統的評價和改進提供依據。Dec等人通過燃用柴油和含氧燃料，對生成的等人通過燃用柴油和含氧燃料，對生成的PAH和碳煙進行和碳煙進行了激光診斷研究，表明早期的碳煙是在濃的預混合反應區生成。了激光診斷研究，表明早期的碳煙是在濃的預混合反應區生成。噴油進入準穩態期（火焰浮起長度被建立到噴射結束前）后，噴油進入準穩態期（火焰浮起長度被建立到噴射結束前）后，油束前端的碳煙生成較多，油束外圍的擴散火焰加速了碳煙的油束前端的碳煙生

5、成較多，油束外圍的擴散火焰加速了碳煙的生成。生成。研究動態和背景研究動態和背景重點研究低溫燃燒不同燃燒階段的碳煙前驅物多環芳烴重點研究低溫燃燒不同燃燒階段的碳煙前驅物多環芳烴（PAHsPAHs）生成與演化，這一研究對于發展柴油機低溫燃燒）生成與演化，這一研究對于發展柴油機低溫燃燒理論、探索降低柴油機低溫燃燒碳煙排放技術途徑有重要理論、探索降低柴油機低溫燃燒碳煙排放技術途徑有重要的理論意義和較高的實用價值。的理論意義和較高的實用價值。Dec和和Tree通過激光誘導熾光（通過激光誘導熾光（LII）和激光誘導熒光（）和激光誘導熒光（LIF），），對碳煙和對碳煙和OH同時進行研究表明，油束里面的碳煙被

6、同時進行研究表明，油束里面的碳煙被OH包圍著，包圍著，在在OH包圍的外面沒有碳煙生成，表明碳煙在脫離火焰之前就被包圍的外面沒有碳煙生成，表明碳煙在脫離火焰之前就被氧化了。氧化了。Kobayashi等人通過構建苯的擴散火焰，對碳煙的前驅物等人通過構建苯的擴散火焰，對碳煙的前驅物PAH進行了研究，研究重點放到了進行了研究，研究重點放到了PAH向碳煙的轉化過程，并得到向碳煙的轉化過程，并得到了轉化溫度發生在了轉化溫度發生在11501200 K的結論。的結論。國內柴油機燃燒的光學診斷因為技術和設備的原因起步較晚，國內柴油機燃燒的光學診斷因為技術和設備的原因起步較晚，但也獲得了大量燃燒過程的試驗數據。在

7、碳煙缸內診斷技術方但也獲得了大量燃燒過程的試驗數據。在碳煙缸內診斷技術方面，天津大學的張惠明等人將雙色法成功地應用于柴油機燃燒面，天津大學的張惠明等人將雙色法成功地應用于柴油機燃燒過程中溫度和碳煙濃度的測試。清華大學的何旭等人應用過程中溫度和碳煙濃度的測試。清華大學的何旭等人應用LIILII技技術，結合雙色法測溫原理獲得了乙烯擴散火焰的碳煙濃度分布術，結合雙色法測溫原理獲得了乙烯擴散火焰的碳煙濃度分布二維圖像。并結合雙色法獲得了生物柴油與柴油摻混后燃燒的二維圖像。并結合雙色法獲得了生物柴油與柴油摻混后燃燒的溫度場和碳煙的濃度場溫度場和碳煙的濃度場研究動態和背景研究動態和背景主要內容主要內容研究

8、水平和存在問題研究水平和存在問題英國英國Andor 公司公司ICCD相機相機2套套研究水平和存在問題研究水平和存在問題實驗設備水平實驗設備水平美國美國Spectra-Physics公司公司Nd:Yag激光器一套激光器一套德國德國Sirah公司公司 PrecisionScan型型 可調諧染料激光器一套可調諧染料激光器一套美國美國Bruker公司光譜儀公司光譜儀1套套研究水平和存在問題研究水平和存在問題試驗系統水平試驗系統水平發動機試驗系統發動機試驗系統燃燃燒燒器器試試驗驗系系統統研究水平和存在問題研究水平和存在問題存在的問題存在的問題由于碳煙生成過程極為復雜，碳煙生成機理，尤其是低溫燃燒過由于碳

9、煙生成過程極為復雜，碳煙生成機理，尤其是低溫燃燒過程碳煙生成機理仍是內燃機燃燒學研究的一個難題，現今國內外程碳煙生成機理仍是內燃機燃燒學研究的一個難題，現今國內外碳煙生成研究存在的問題有：碳煙生成研究存在的問題有：一、碳煙生成機理仍不十分清楚，碳煙生成的概念模型還沒有得一、碳煙生成機理仍不十分清楚，碳煙生成的概念模型還沒有得到實驗的驗證到實驗的驗證二、低溫燃燒過程碳煙生成機理需要二、低溫燃燒過程碳煙生成機理需要“再認識再認識”，內燃機碳煙生成、，內燃機碳煙生成、缸內分布、形態、粒徑分布等與燃燒模式有關。傳統的現象學模缸內分布、形態、粒徑分布等與燃燒模式有關。傳統的現象學模型不能解釋低溫燃燒試驗

10、研究結果。因此，需要型不能解釋低溫燃燒試驗研究結果。因此，需要“再認識再認識”低溫燃低溫燃燒柴油機碳煙形成機理；燒柴油機碳煙形成機理；三、對低溫燃燒初期碳煙前驅物的形成，低溫燃燒過程中火焰結三、對低溫燃燒初期碳煙前驅物的形成，低溫燃燒過程中火焰結構及其對碳煙生成、氧化影響以及適合低溫燃燒全過程的碳煙化構及其對碳煙生成、氧化影響以及適合低溫燃燒全過程的碳煙化學動力學模型的研究還很少；學動力學模型的研究還很少；四、上止點附近對光路和圖像處理帶來一定的困難。同時由于碳四、上止點附近對光路和圖像處理帶來一定的困難。同時由于碳煙對可視發動機石英窗的污染，需要經常清洗，增加了實驗研究煙對可視發動機石英窗的

11、污染，需要經常清洗，增加了實驗研究工作量；工作量；五、把激光診斷技術應用到實際的光學發動機燃燒火焰的測量中五、把激光診斷技術應用到實際的光學發動機燃燒火焰的測量中進一步實施光信號的標定，從而獲得缸內濃度定量信息將是待解進一步實施光信號的標定，從而獲得缸內濃度定量信息將是待解決的關鍵技術。決的關鍵技術。主要內容主要內容選題的目的和意義選題的目的和意義研究目地研究目地實現更低的缸內原始碳煙排放，是低溫燃燒方式實現更低的缸內原始碳煙排放，是低溫燃燒方式研究的關鍵問題。發展柴油機低溫燃燒理論、開研究的關鍵問題。發展柴油機低溫燃燒理論、開展低溫燃燒碳煙生成機理的基礎理論研究，對提展低溫燃燒碳煙生成機理的

12、基礎理論研究，對提出降低碳煙排放燃燒控制技術新途徑有重要理論出降低碳煙排放燃燒控制技術新途徑有重要理論指導意義和工程應用價值。指導意義和工程應用價值。本研究將建立本研究將建立PAH-PLIFPAH-PLIF、PLII-sootPLII-soot和和OH-PLIFOH-PLIF等等先進的激光測試系統，綜合采用光學發動機激光先進的激光測試系統，綜合采用光學發動機激光診斷技術、化學發光法測試技術；重點研究低溫診斷技術、化學發光法測試技術；重點研究低溫燃燒不同燃燒階段包括碳煙前驅物多環芳烴燃燒不同燃燒階段包括碳煙前驅物多環芳烴（PAHsPAHs）生成與演化、的物理、化學動力學模型，）生成與演化、的物理

13、、化學動力學模型，提出降低柴油機低溫燃燒碳煙排放的控制策略。提出降低柴油機低溫燃燒碳煙排放的控制策略。這一研究對于發展柴油機低溫燃燒理論、探索降這一研究對于發展柴油機低溫燃燒理論、探索降低柴油機低溫燃燒碳煙排放技術途徑有重要的理低柴油機低溫燃燒碳煙排放技術途徑有重要的理論意義和較高的實用價值。論意義和較高的實用價值。研究意義研究意義1 1）燃燒過程中碳煙生成機理是燃燒學研究的熱）燃燒過程中碳煙生成機理是燃燒學研究的熱點和難點，本研究通過光學發動機和燃燒器采用點和難點，本研究通過光學發動機和燃燒器采用不同的光學測量技術對柴油機低溫燃燒碳煙生成不同的光學測量技術對柴油機低溫燃燒碳煙生成開展深入系統

14、的研究。開展深入系統的研究。2 2）本研究將完善柴油機缸內燃燒診斷技術，對）本研究將完善柴油機缸內燃燒診斷技術，對柴油機低溫燃燒過程關鍵中間產物、自由基演化柴油機低溫燃燒過程關鍵中間產物、自由基演化和碳煙生成與演化歷程開展深入的研究，使柴油和碳煙生成與演化歷程開展深入的研究，使柴油機燃燒光學診斷技術進入國際先進水平。機燃燒光學診斷技術進入國際先進水平。3 3）本研究領域涉及燃燒學、化學反應動力學、）本研究領域涉及燃燒學、化學反應動力學、計算流體力學和激光診斷技術等多學科，可實現計算流體力學和激光診斷技術等多學科，可實現學科交叉提高研究水平。學科交叉提高研究水平。4 4）本研究有很好的工程應用背

15、景，在基礎理論）本研究有很好的工程應用背景，在基礎理論研究成果基礎上，將提出控制柴油機低溫燃燒碳研究成果基礎上，將提出控制柴油機低溫燃燒碳煙排放、提高發動機能量利用率的燃燒控制技術。煙排放、提高發動機能量利用率的燃燒控制技術。研究方法及實施方案研究方法及實施方案主要內容主要內容研究方法研究方法 使用光譜儀對預混合低溫燃燒過程中化學發光（自燃發使用光譜儀對預混合低溫燃燒過程中化學發光（自燃發光）的光譜特性隨時間和空間的發展過程進行光）的光譜特性隨時間和空間的發展過程進行記錄。記錄。采采用化學發光法研究低溫燃燒中間產物、自由基演化歷程用化學發光法研究低溫燃燒中間產物、自由基演化歷程（重點是（重點是

16、PAH前驅的前驅的C2自由基）自由基）應用片狀激光誘導熒光（應用片狀激光誘導熒光（PLIFPLIF）方法，激發）方法，激發PAHsPAHs產生熒產生熒光信號，用光信號，用ICCDICCD探測器及光譜成像系統分別進行記錄。探測器及光譜成像系統分別進行記錄。采用采用PLII-sootPLII-soot激光成像系統研究低溫燃燒碳煙生成激光成像系統研究低溫燃燒碳煙生成與氧化機理。結合雙色法測溫原理，測量受激碳煙顆粒與氧化機理。結合雙色法測溫原理，測量受激碳煙顆粒溫度、粒徑分布，并從溫度、粒徑分布，并從LIILII信號絕對的光強值中得到碳信號絕對的光強值中得到碳煙濃度的定量分布。煙濃度的定量分布。應用應

17、用PLIF法研究重要的自由基法研究重要的自由基OH的演化歷程。的演化歷程。使用使用PIV系統，測量缸內流場和速度場。系統，測量缸內流場和速度場。實施方案實施方案PAH-PLIF PAH-PLIF Nd:YAG Nd:YAG 輸輸出出532nm532nm，重復頻率為重復頻率為10Hz10Hz的激光；的激光；泵浦染料激泵浦染料激光器發出光器發出387nm387nm激光激光信號激發信號激發PAHsPAHs，用用410nm410nm的的長波通濾光長波通濾光片清除雜散片清除雜散光干擾進行光干擾進行采集。采集。soot PLIINd:YAGNd:YAG輸出輸出532nm532nm，重復，重復頻率為頻率為1

18、0Hz10Hz，能量約為能量約為125mJ125mJ的激光的激光激發激發soot；用用450nm450nm的短的短波通濾光片波通濾光片清除雜散光清除雜散光干擾進行采干擾進行采集。集。DG535DG535延延遲觸發遲觸發ICCDICCD采集采集OH-PLIFOH-PLIF Nd:YAG Nd:YAG輸出輸出532nm532nm，重，重復頻率為復頻率為10Hz10Hz，能量約為能量約為650mJ650mJ的激光；泵浦染的激光；泵浦染料激光器發出料激光器發出284 nm284 nm激光信號激光信號激發激發OH OH ，用，用312nm312nm的帶通濾的帶通濾光片、光片、58nm58nm的短的短波通

19、濾光片和波通濾光片和WG305WG305長波通濾長波通濾光片清除光干擾光片清除光干擾進行采集。進行采集。信號采集試驗方法信號采集試驗方法一、濾波后（去除干擾信號）采集圖像或光譜（主一、濾波后（去除干擾信號）采集圖像或光譜（主要針對現階段）要針對現階段）二、濾波后（去除干擾信號）通過半透半反鏡同時二、濾波后（去除干擾信號）通過半透半反鏡同時采集發動機燃燒或燃燒器燃燒在相同條件和相同時采集發動機燃燒或燃燒器燃燒在相同條件和相同時刻的光譜和圖像刻的光譜和圖像三、通過半透半反鏡同時采集發動機燃燒或燃燒器三、通過半透半反鏡同時采集發動機燃燒或燃燒器燃燒在相同條件和相同時刻的在不同濾波后（去除燃燒在相同條

20、件和相同時刻的在不同濾波后（去除干擾信號）圖像信號（方便雙色法計算）干擾信號）圖像信號（方便雙色法計算）溫度場和流場試驗方案溫度場和流場試驗方案溫度場試驗方案：在進氣中加入磷光劑，通過溫度場試驗方案：在進氣中加入磷光劑，通過一定能量的一定能量的532nm532nm激光后，通過磷光劑的發出光激光后，通過磷光劑的發出光強計算出溫度。強計算出溫度。流場試驗方案：使活塞運動段缸體和燃燒室盡流場試驗方案：使活塞運動段缸體和燃燒室盡量使用石英玻璃，通過量使用石英玻璃，通過PIVPIV系統進行測量系統進行測量主要內容主要內容進展計劃進展計劃計劃安排計劃安排20102010年年1 1月月1212月月 閱讀相關文獻以了解所研究課閱讀相關文獻