柴油-丁醇混合燃料喷雾火焰的两色法测试研究

石奇， 李铁， 张小卿， 王斌， 贺鹏飞

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)

柴油-丁醇混合燃料喷雾火焰的两色法测试研究

石奇， 李铁， 张小卿， 王斌， 贺鹏飞

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)

基于两色法原理，可利用彩色高速相机测量喷雾火焰的温度和炭烟浓度(KL)二维分布的时间演变，为先进柴油机燃烧系统设计提供必要信息。通过使用单台彩色相机的两个独立感光通道，两色法测量装置得到大幅度简化。两色法的测试结果受多种因素影响，例如双波长的选择，带通滤片的透过性，光路的设置等，然而相关研究并不充分。本文在对两色法的测试不确定度及误差进行了分析和讨论之后，并对柴油丁醇混合燃料在不同环境氧体积分数下的火焰温度和炭烟浓度(KL)的时空分布进行了研究。

两色法； 柴油； 丁醇； 混合燃料； 火焰温度； 炭烟

20世纪70年代后期，日本学者Kamimoto，Matsui等人将两色法应用于柴油喷雾燃烧研究[1]。两色法基于热辐射理论，通过测量火焰中两波长的绝对辐射强度，可同时计算出火焰的温度(T)和炭烟浓度(KL)。早期研究中[1-3]，研究者大多利用两组光电二极管测量两波长的辐射强度,但只能计算出火焰温度和炭烟浓度的平均值。随着图像技术的发展，黑白相机逐渐应用于两色法装置[4]。试验时两台相机同步拍摄火焰，通过分析两张图片像素点的光强信息，可得到温度和炭烟浓度的二维分布。本课题采用单台彩色RGB高速相机，通过分析各像素点R，B两通道的光强信息，可有效进行两色法计算。与传统两色法光路系统相比，无需设置分光系统，大幅度简化了试验装置。

炭烟颗粒和氮氧化物(NOx)是发动机排放的两种主要污染物。研究表明[5]，炭烟和NOx的生成与温度紧密相关。在传统高温燃烧方式中，NOx和炭烟的排放控制存在折中关系(trade-off)。通常，炭烟颗粒在火焰的燃料富集区大量生成。在当量比接近于1的高温区域，炭烟会被快速氧化，但NOx会不可避免地大量生成。低温燃烧技术(LTC)具有同时降低炭烟和NOx生成的潜质[6]，是当前内燃机领域的研究热点之一。为探究低温燃烧与传统高温燃烧的区别，设置21%，18%，15%及12%4种氛围氧体积分数，以研究两种燃烧方式的特点。

正丁醇是一种可再生的生物质燃料，可由植物纤维和粮食通过发酵大量获得。正丁醇的理化特性(密度，黏度，十六烷值等)接近柴油，较容易与柴油均匀混合，并保持稳定。相关研究表明[7-8]，在柴油中添加适量的正丁醇可同时减少炭烟和NOx的排放。然而，针对柴油-丁醇混合燃料喷雾火焰温度和炭烟浓度时空分布的相关研究较少，特别是其消烟作用的机理有待进一步解明。本研究应用两色法测试柴油-丁醇混合燃料喷雾火焰的温度与炭烟浓度分布，旨在为解明其消烟作用机理提供支持。

1 两色法原理

两色法的核心理论为普朗克定律，即黑体辐射强度是关于温度和波长的函数，表达式为

(1)

式中：C1和C2为普朗克常数。

火焰中炽热炭烟的辐射强度是单色发射率ελ和黑体辐射强度的乘积，

Is(λ,T)=ελIb(λ,T)=

(2)

在两色法计算中，需要引入亮度温度的概念：对于某一黑体，在温度Ta、波长λ下的辐射强度为Ib,λ，若该强度等于波长λ、温度T的炭烟的辐射强度，则称温度Ta是炭烟在波长λ下的亮度温度。

Is(λ，T)=Ib(λ，Ta)。

(3)

由式(2)、式(3)得

(4)

根据Hottel & Broughton经验公式[9]：

ελ=1-e(-KL/λα)。

(5)

联立式(4)、式(5)可得

(6)

对于火焰某点，KL是一个固定值：

(7)

将两波长对应的亮度温度Ta1和Ta2代入式(7)，可解出真实温度T和KL。KL是表征炭烟浓度的物理量，其中K为吸收系数，近似与炭烟颗粒的数量密度成正比，L是探测方向上的火焰几何厚度。

2 试验装置

基于两色法的喷雾燃烧试验在可视化定容燃烧弹中进行。图1示出定容燃烧弹喷雾火焰测试系统示意。

图1 定容燃烧弹喷雾火焰测试系统示意

试验时，预先在预混容器中按比例配置乙烯、氧气和氮气混合气。充分搅拌后，定量混合气充入定容燃烧弹并利用火花塞点燃，以模拟柴油机上止点时刻缸内高温高压环境。通过改变气体配比，即可实现喷雾时刻不同氛围氧体积分数。定容燃烧弹可视窗口由厚度50 mm的高强度石英玻璃制成，额定承压为20 MPa。定容燃烧弹内搅拌风扇在试验时开启，以保持定容弹内温度均衡。缸内压力可通过动压传感器(Kistler 6125C)进行测量。多通道数据采集仪(HIOKI 8860-50)用来记录缸内动态压力数据和喷油器驱动电流信号。

图2示出喷雾火焰两色法试验光路。彩色CMOS高速相机(NAC HX-6)用来记录喷雾火焰图像。相机通过RGB三通道感光并以Bayer矩阵形式储存图片信息。

图2 喷雾火焰两色法试验光路

相机的CMOS感光元件的RGB三通道响应特性曲线见图3。本研究进行两色法计算时，只选择R和B通道值，因为这两条通道的感应光谱重叠区域较小，可保证较好的感光独立性。由于两色法计算是采用两个固定波长值，较窄的相机感光范围有利于提高计算结果的精确度。因此，光路中设置了带通滤片组，有效减小了光谱响应范围。

图3 相机RGB三通道响应特性曲线

3 高速相机的光学标定测试

两色法计算是通过获取两波长对应的亮度温度实现的。读取喷雾火焰图片，只能直接获取各像素点的RGB值。因此，对RGB值和亮度温度的关系进行标定就十分必要。

试验采用型号为MIKRON M390的高温黑体炉，其稳定工作温度可达3 000 K，标定的温度间隔设置为50 K。标准黑体炉的黑度大于0.999，因此可近似认为高温黑体炉的亮度温度等于其真实温度。为了保证标定准确度，相机和镜头的参数设置等都需要与喷雾火焰试验保持一致。图4示出在光圈F2.8、曝光时间1.1 μs条件下的标定结果。

图4 R值、B值与亮度温度的标定结果

4 不确定度及误差分析

虽然两色法应用时间较长，但关于其不确定度及误差的相关研究较少。本研究将从两色法原理、标定过程与喷雾火焰过程三个方面对两色法试验的不确定度及误差进行分析。

4.1 基于两色法原理的误差分析

4.1.1 参数α的选择

Hottel & Broughton公式阐明了火焰中炭烟放射率ε和炭烟浓度KL的关系。式中，参数α是经验估计值，反映了火焰中炭烟的消光程度。在可见光范围内，通常选择α=1.39或α=1.38。在红外光范围内，α的选择与波长有关。为研究α的选择对两色法计算结果的影响，进行了如下研究：假设火焰中某点的温度T=2 500 K，炭烟浓度KL=1.0。可见光(0.475 μm，0.615 μm)和红外光(2.5 μm，4.0 μm)分别应用于两色法计算。取α=1.38(可见光)和α=0.95(红外光)，计算出对应的两波长亮度温度。然后保持亮度温度不变并改变α值，计算对应的T和KL。图5示出了参数α的改变对两色法计算结果的影响。

由图可知，在可见光范围内，温度T和炭烟浓度KL的计算结果受参数α的影响很小，在红外光范围内，则受参数α的影响较大。本研究在可见光范围内选取α=1.38进行计算。

图5 参数α的改变对两色法计算结果的影响

4.1.2 响应光谱宽度的影响

通过使用带通滤片组合来减小相机的光谱响应范围。对于B通道，感光范围缩小至460～500 nm。相应地，R通道缩小至600～630 nm。即便如此，响应光谱的严格单色性仍不能保证，采用固定波长值进行两色法计算会产生一定的不确定度。本研究选择475 nm(B通道)和615 nm(R通道)进行两色法计算，在此波长下，相机的R和B通道光谱响应率最大。表1示出保持亮度温度不变时(B通道：2 487.31 K，R通道：2 460.32 K)，利用感光范围的上下限值进行两色法计算的结果。

表1 波长对两色法计算结果的影响

当本研究采用475 nm和615 nm进行计算时，响应光谱的宽度会使两色法计算结果产生一定不确定度。由表可知，该因素对炭烟浓度KL造成的不确定度大于温度T。

4.2 基于相机标定过程的误差分析

相比钨带灯，利用黑体炉进行标定可以确保精确度更高。然而，拍摄的黑体炉靶面图像上仍存在很多噪点，具体表现为这些点的RGB值波动较大。为降低噪点的干扰，进行标定计算时，选取靶面上多个像素点，对其RGB值进行算术平均化。表2示出在光圈F2.8，快门1.1 μs条件下R&B值的算术平均处理结果。

表2 黑体炉靶面的R&B值算术平均处理结果

由表可知，靶面上像素点的R值波动幅度为10～23，B值的波动幅度稍小，为8～15。为消除该因素对标定结果的影响，建议至少取900个像素点进行算术平均计算。

4.3 基于喷雾火焰试验的不确定度分析

4.3.1 火焰温度梯度分布的影响

当火焰温度存在梯度分布时，两色法的测量结果会偏离算术平均值。分析两色法光路可知，像素点的RGB值取决于辐射强度。火焰图片上单个像素点的亮度值是沿视野方向上各点炭烟辐射强度的近似积分。通常认为，距离相机越近的炭烟，其对两色法的计算结果影响越大。这是因为距离相机较远的炭烟发出的光在传播过程中，由于受到光路中其他炭烟及燃烧中间产物的吸收和散射作用，辐射能会逐渐减小。

Musculus等人[10]的研究结果表明，在传统柴油机喷雾燃烧过程中，火焰温度T的差值可达600 K左右。对应的两色法计算结果显示，温度T比算术平均值高约200 K，而炭烟浓度KL低估约50%。产生偏差原因主要有两个。首先，距离相机最近的火焰表面对两色法计算影响最大。对于喷雾火焰，通常表面温度比内部温度高很多。其次，根据斯蒂芬玻尔兹曼定律，黑体单位辐射强度与温度并非线性关系，而是与其四次方成正比，导致高温区域的炭烟对两色法计算造成很大影响。

4.3.2 石英窗口透光性的研究

在喷雾火焰试验中，为了进行可视化研究，定容燃烧弹采用石英窗口。然而，利用黑体炉进行相机标定时，相同的石英窗口无法设置在标定光路中。因此，在定容弹内部安装了钨丝灯，然后利用光高温计(Chino IR-AHU)测量钨丝亮度温度(λ=650 nm)，通过对比安装和未安装石英窗口情况下亮度温度的测量值，可验证石英玻璃对两色法计算的影响程度，具体结果见表3。

表3 石英窗口对亮度温度测量的影响

结果表明，石英窗口的透光性较好。在安装石英窗口的情况下，亮度温度(λ=650 nm)的测量值比未安装仅偏低10～20 K。相比2 000 K以上的火焰温度，该偏差对温度的结果影响较小。

5 喷雾火焰试验的参数设置

在配制柴油-丁醇混合燃料时，采用柴油与正丁醇体积比为4∶1的配制方案(BU20)。表4示出柴油、正丁醇以及BU20燃料的理化性质。

表4 柴油、正丁醇和BU20燃料的理化性质

为研究喷射时刻环境氧体积分数对喷雾燃烧的影响，试验中氧体积分数分别设置为21%，18%，15%和12%。喷射时刻的环境密度为15 kg/m3，温度为900 K。试验采用孔径为0.28 mm的单孔喷油器，喷射压力为120 MPa，喷射脉宽为2.2 ms。

试验之前需要设置合适的曝光参数。通常，理想的设置是火焰的最亮部位接近饱和，而最暗部位能够清晰地辨别火焰轮廓。如果火焰过亮，相机的R通道将感光饱和，即R值保持在255不变,超出了感光的线性范围。当火焰过暗时，图片产生大量电子噪点，影响两色法的计算。同时，在使用Matlab进行计算时，清晰的火焰轮廓有助于准确判断火焰面积。测试结果表明，在21%和18%氛围氧体积分数下，光圈F2.8和曝光时间1.1 μs适合拍摄；对于15%和12%氛围氧体积分数，光圈F2.8和曝光时间3 μs的设置较为理想。

6 试验结果与讨论

6.1 火焰温度和炭烟浓度二维分布

图6示出喷雾火焰的温度二维分布。结果表明，随着氧体积分数的降低，两种燃料的火焰温度都呈下降趋势。在氧体积分数为21%时，火焰中温度大于2 400 K的区域面积较大，意味着此时可能生成较多的NOx。而当氧体积分数降至15%和12%时，火焰中温度基本小于2 200 K，表明NOx的生成量可能较少。由图可知，火焰边缘区域温度高于内部，这可能是由于边缘区域混合气接近理论比，导致火焰温度较高。然而，如4.3.1节所述，两色法测试结果本质上为光路上的积分，相关影响需要进一步解析。BU20燃料与柴油相比,火焰高温区域相对偏小。

图7示出喷雾火焰的KL二维分布。由图可知，火焰边缘区域的炭烟浓度处于较低水平。分析原因主要有两点：一是，空气卷吸作用使该区域的混合气较稀薄，减少了炭烟的生成；二是，火焰边缘的温度较高，促进了炭烟的氧化。相比传统柴油，特别是在氛围氧体积分数为12%时，BU20燃料的高浓度炭烟区域面积明显偏小，验证了添加丁醇对炭烟生成具有抑制作用。分析原因，BU20燃料的十六烷值小于柴油，使得BU20喷雾火焰的滞燃期较长，促使喷雾与氛围气体混合更均匀。另一方面，正丁醇的易挥发性也促进了BU20喷雾液滴的快速蒸发，使得燃料较易与氛围气混合。

图6 各氛围氧体积分数下BU20和柴油的喷雾火焰温度二维分布(喷油开始后1.2 ms)

图7 各氛围氧体积分数下BU20和柴油的喷雾火焰KL二维分布(喷油开始后1.2 ms)

6.2 火焰温度和炭烟浓度的时间分布

研究表明，火焰中NOx的生成量与火焰的高温面积有关[5]。把T>2 400 K的区域定义为火焰高温区域，图8示出18%和21%氛围氧体积分数下，两种燃料的火焰高温面积的统计。15%和12%氛围氧体积分数下的火焰几乎没有高温区域(T>2 400 K)，故在此不进行讨论。

图8 火焰高温区域(T>2 400 K)统计

由图8可知，21%氧体积分数下喷雾火焰的高温面积远大于18%氧体积分数。在相同氧体积分数下，柴油火焰的高温区域略大于BU20。另一方面，在所有工况下，火焰高温面积随时间有相似的变化趋势。喷雾燃烧前期，高温区域随火焰的发展逐渐变大，在燃烧后期逐渐减小至零。在喷射开始后3.0 ms左右，火焰高温面积达到最大值。

图9示出火焰中高炭烟浓度区占火焰总面积比

图9 高炭烟浓度区占火焰总面积比重的统计

重的统计，统计对象为炭烟浓度KL>0.2的区域。在21%氛围氧体积分数下，两种燃料高炭烟浓度区的比重随时间呈下降趋势。当氛围氧体积分数降至18%时，该下降趋势明显减弱。在15%氛围氧体积分数下，柴油火焰高炭烟浓度区的比重随时间已呈缓慢上升趋势，表明此时炭烟的整体氧化速度已低于生成速度。氛围氧体积分数为12%时，在火焰初始阶段，高炭烟浓度区的比重较小。随着火焰发展，高炭烟浓度区的比重迅速增加。这说明氛围氧体积分数的降低导致炭烟的氧化逐渐减慢，火焰温度的降低又进一步抑制了该作用。此外，当氛围氧体积分数保持一致时，BU20火焰高炭烟浓度区的比重总低于柴油，这一结果说明BU20燃料在一定程度上抑制了炭烟生成。

7 结论

a) 利用彩色高速相机进行两色法的标定与测试过程中，参数α的选择、响应光谱的宽度、火焰温度和炭烟浓度梯度分布等因素都会对结果造成一定的误差，KL测试结果的相对误差要比温度的大；

b) 与柴油相比，柴油-丁醇混合燃料在喷雾燃烧时具有较低的火焰温度和炭烟浓度水平，一定程度上达到了同时对炭烟颗粒和NOx排放抑制的效果；

c) 在喷雾火焰的不同发展阶段，BU20燃料与柴油相比，其高温火焰面积(T>2 400 K)始终偏小，这一结果表明BU20喷雾火焰的NOx生成量可能偏少；

d) 随着氛围氧体积分数的减小，柴油与柴油丁醇混合燃料喷雾火焰的温度明显降低，炭烟的氧化速度明显放缓。

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[5] Li T,Ogawa H.Analysis of the Trade-off between Soot and Nitrogen Oxides in Diesel-Like Combustion by Chemical Kinetic Calculation[C].SAE Paper 2011-01-1847.

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[编辑： 潘丽丽]

Spray Flame Testing of Diesel-butanol Blended Fuel with Two-color Method

SHI Qi, LI Tie, ZHANG Xiaoqing, WANG Bin, HE Pengfei

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Based on the principle of two-color method, the time-resolved 2-D distribution of flame temperature and soot density(KL) were measured by using a color high speed RGB camera, which provides the necessary reference for the design of advanced combustion system of diesel engine. The use of two independent photosensitive channels from one camera simplified the configuration of two-color device. The uncertainty and error of two-color method was analyzed and discussed and the spatial and time resolved distributions of flame temperature and soot density (KL) for diesel-butanol blends were further studied under different ambient oxygen concentrations.

two-color method; diesel; butanol; blended fuel; flame temperature; soot

2016-09-01；

2016-12-08

国家自然科学基金项目(51276115/E060702)；科技部国际合作专项(2014DFG61320)

石奇(1992—)，男，硕士，主要研究方向为发动机喷雾燃烧及清洁排放；shiqi_sjtu@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.016

TK421.2

B

1001-2222(2016)06-0083-07