不同海拔条件下柴油燃烧火焰温度和碳烟特性研究

何旭，徐雨轩，许锴，刘泽昌，向祺，张朝，魏巍,3

（1. 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2. 北京电动汽车协同创新中心，北京 100081；3. 华北水利水电大学 机械学院，河南，郑州 450045）

随着“西部大开发”、“一带一路”等目标下国家发展布局的全面推动，对高海拔地区柴油机动力性和清洁燃烧提出了更高的要求. 柴油机压燃点火的工作方式会使燃烧过程易受环境温度、环境压力等参数变化影响，并且在柴油机冷起动时燃烧室内的压缩终了温度、压力低，导致柴油机在高原等低温低压环境中容易出现冷起动过程缸内燃烧恶化和颗粒物排放增加等问题，因此柴油机高海拔冷起动过程的排放问题受到了广泛关注.

为了研究海拔条件对柴油机冷起动过程排放的影响，YAN 等[1]测试了不同海拔高度下的柴油机整机排放特性，发现随着海拔升高颗粒物排放增加，在进气压力低于0.08 MPa 后排放量显著增加. 柴油机尾气中的颗粒物主要成分为缸内燃烧过程中未被氧化的碳烟[2-3]，仅依靠整机测试无法对海拔变化时的碳烟形成机理进行深入研究，因此不少学者在定容燃烧弹中模拟柴油机缸内热力学状态，并采用光学测试方法对燃烧过程中的碳烟生成特性进行机理研究. PICKETT 等[4]利用激光消光法研究了环境温度、环境密度对碳烟生成特性的影响，结果发现燃烧过程中火焰内的碳烟体积分数峰值随环境温度、密度降低而减小，在环境温度为850 K 或环境密度为7.3 kg/m3时均未发现碳烟生成.

整机测试结果与定容燃烧弹内的试验结果相矛盾，一部分学者认为这与柴油机和定容弹的结构差异有关. 柴油机缸内容积远小于定容弹燃烧室，高海拔下易发生附壁燃烧等情况，黄胜等[5]发现高海拔工况下发生附壁燃烧时，壁面附近出现了不易氧化的低温碳烟层，随海拔升高碳烟层厚度增加. 由于最终的碳烟排放是燃烧过程中的碳烟生成过程和氧化过程相互竞争的结果，因此一部分学者推测高海拔下碳烟氧化能力降低导致未氧化的碳烟数量增加，进而增加了碳烟排放，颜方沁等[6]发现燃烧后期高环境压力下碳烟氧化反应占主导，而低环境压力下碳烟凝聚反应和表面生长反应占主导. 然而至今尚未有明确的结论能够解释这一现象，并且非所有海拔条件下都会出现附壁燃烧的现象，因此海拔条件变化对碳烟生成和氧化过程的影响具有重要的研究意义.

在对碳烟的生成和氧化过程的研究中始终围绕着当量比和温度两个重要因素展开，但由于柴油在燃烧室内进行扩散燃烧，局部当量比的测定较为困难. PICKETT 等利用火焰浮起长度大致估算柴油混合气的当量比，发现随着环境温度和压力降低，混合气当量比降低，导致碳烟生成量减少. 温度直接影响了柴油火焰中所有化学反应的反应速率，对碳烟的生成和氧化过程都产生了直接影响，尤其是局部温度对于局部碳烟特性更是有着重要的影响. 双色法能够利用碳烟辐射光强度反推出火焰中温度和碳烟浓度分布，被广泛用于碳烟特性的研究中，双色法的测试精度也已经被多次证实[7]. ZHU 等[8]利用双色法发现环境密度由30 kg/m3降低至11 kg/m3后柴油混合气滞燃期和火焰浮起长度增大，燃烧过程中预混燃烧区域增加且碳烟生成量减少. YANG 等[9]利用双色法研究了碳烟浓度与火焰温度的关系，以及火焰温度对碳烟生成和氧化过程的影响.

冷起动过程中柴油燃烧对环境温度和压力的变化均十分敏感，而海拔升高时环境温度与环境压力同时降低，因此研究海拔条件变化对柴油机冷起动过程火焰温度和碳烟特性影响时，需要考虑环境温度和压力的耦合作用，同时海拔条件变化对柴油燃烧时碳烟特性与火焰温度关系的影响也鲜有报道.文中使用双色法在定容燃烧弹中研究了不同海拔条件对柴油火焰温度和碳烟特性的影响，并讨论了海拔变化对碳烟生成和氧化过程的影响，主要对以下几个问题进行研究：①不同海拔条件下环境温度、压力同时变化对火焰温度和碳烟生成特性的耦合作用；②不同海拔条件对燃烧过程中碳烟浓度和火焰温度关系的影响；③不同海拔条件对柴油燃烧中后期碳烟氧化特性的影响. 研究结果旨在为工作于高海拔环境下的柴油机冷起动过程碳烟排放优化提供参考.

1 试验系统及方法

1.1 试验系统

柴油机上止点的缸内热力学状态通过定容燃烧弹试验系统进行模拟，容弹4 个方向分别布置了4个有效观察直径100 mm 的石英玻璃视窗用于光学测试. 整个试验系统分为供油系统、冷却系统、进排气系统和控制系统等部分，如图1 所示.

图1 定容燃烧弹系统示意图Fig. 1 Schematic of constant volume combustion chamber (CVCC)

供油系统由高压油泵和博世高压油轨、喷油器组成，最高喷油压力可达到180 MPa.冷却系统使用大功率冷却装置、循环水路对容弹视窗部分进行冷却，采用适配器确保喷油器处的冷却水温度恒定. 定容燃烧弹内部通过PID 功率控制器和加热丝实现温度控制，控制精度±2 K，最大加热功率12 kW，容弹内部最高温度可达 1000 K；利用气瓶和电磁阀实现进排气和压力控制，控制精度±0.05 MPa，设计允许的最大气体压力为6 MPa，进排气口位于容弹下端盖处.在控制系统中，使用软件与控制单元控制喷油器，控制单元的信号在喷油时刻同步激活相机进行数据采集. 为了获得较好的火焰图像质量，柴油燃烧过程图像使用PhantomV7.3 高速相机采集，选用了105 mm微距镜头，设置光圈为f/22、曝光时间20 μs，拍摄速度为 20000 帧/s，分辨率为256×512 像素.

1.2 试验方案

柴油机冷起动过程中，增压器不起作用且冷却水温度较低，进气温度、压力与外部环境一致. 为了探究柴油机在不同海拔条件下的冷起动过程火焰温度和碳烟特性，选取了柴油机进气温度283/293 K、进气压力0.08/0.09/0.1 MPa，利用不同进气温度与进气压力的组合以模拟平原（进气温度293 K、进气压力0.1 MPa）至海拔高度2000 m 处（进气温度283 K、进气压力0.08 MPa）的环境条件变化. 在柴油机冷起动的前提下，以一台压缩比14、比热比1.4 的柴油机为基础，经过绝热压缩计算并考虑缸内漏气后，燃烧室内环境温度为815/840 K、环境压力为2.7/3.1/3.4 MPa.由于在对应高海拔环境的定容弹试验中未拍摄到柴油火焰，因此文中以海拔2000 m 作为边界条件进行讨论.

试验工况的相关参数如表1 所示.试验中采用了-50 号柴油，冷却水温度通过冷却水循环系统控制在293 K 左右，经适配器进行温度控制后稳定至293 K±0.3 K，与冷起动工况对应. 为了减小试验过程中随机误差的影响，每个工况重复试验5 次，并对后处理得到的试验数据进行平均.

表1 试验工况Tab. 1 Test conditions

1.3 双色法原理

柴油燃烧过程中的亮光主要来自于碳烟粒子的辐射光，取两个特定波长的辐射强度，建立方程即可计算得到碳烟温度T和用以表征碳烟浓度的KL因子，其中K为吸收系数，L为探测方向上火焰的几何厚度. 计算所用的公式为

式中： λ为辐射光波长；第二普朗克常数C2=14 388 μm·K；Ta1、Ta2为与辐射强度E0(λ,Ta)对应的亮度温度；系数α在特定波长区间上是常数，对可见光区间而言取1.38.在柴油火焰中，当碳烟粒子与周围物质达到热平衡时，两者之间的温差极小可以忽略（ΔT≤1 K），且达到热平衡的时间极短（Δt≤10-5s），可以认为此时碳烟温度即为火焰温度. 以往的双色法研究中采用多台相机配合窄带滤光片的方式拍摄火焰图像，文中为了简化试验光路，采用单台彩色CMOS 相机进行双色法试验，单台彩色相机的测试精度已经被多次验证. 双色法的详细原理和彩色相机的黑体炉标定过程可以参考何旭等[10]的研究.

2 结果与讨论

2.1 海拔条件变化对柴油着火滞燃期的影响

为了更直观地研究海拔条件对柴油着火滞燃期的影响，从表1 的试验工况中选取了环境温度815和840 K、环境压力2.7 和3.4 MPa 共4 组工况进行对比，如表2 所示.

表2 工况表Tab. 2 Condition table

在火焰随时间变化的过程中，4 个工况下的火焰出现于不同时刻，即环境变化影响了柴油的着火过程. 为了研究环境条件变化对柴油滞燃期（ignition delay，ID）的影响，将滞燃期定义为喷油开始时刻至拍摄到第一张高温火焰图像的时间，对比了不同工况下的滞燃期变化，如图2 所示. 图2 中随着环境压力减小，滞燃期逐渐增大，其中环境温度为840 K 时，工况a、c 的滞燃期分别为2.0 ms 和2.56 ms；环境温度为815 K 时，工况b、d 的滞燃期分别增大至2.37 ms和3.13 ms.由此可见在同一环境压力下，环境温度降低后，同样会导致滞燃期增大. 在相关研究中已经证实，环境压力或环境温度降低都会导致柴油着火前的化学准备时间增加[11-12]，进而增大了滞燃期. 工况d 的滞燃期相较于工况a 增大了56.5%，增幅较为显著. 这表明冷起动阶段柴油的着火过程也对环境变化十分敏感，海拔变化时环境温度的变化不容忽视.海拔升高后环境温度和环境压力同时降低会产生耦合作用，使柴油着火前的化学准备时间进一步增加，导致滞燃期显著增大.

图2 不同工况下的滞燃期Fig. 2 Ignition delay under different conditions

2.2 海拔条件变化对柴油火焰温度和碳烟生成特性的影响

火焰温度能够较好地反映出混合气燃烧过程中热量释放和累积的情况，为了获得各点的火焰温度，采用双色法进行了计算，并对火焰图像中各点温度值做算术平均，得到火焰平均温度Tavg变化，如图3所示. 与此同时，统计了处于不同温度区间内的火焰图像像素点个数，n，用以表征不同温度区间所对应的火焰面积，如图4 所示.

图3 不同工况下的平均火焰温度Fig. 3 Average flame temperature under different conditions

图4 不同工况下的火焰温度区间分布图Fig. 4 Flame temperature distribution under different conditions

随着燃烧过程进行，不同工况下的火焰平均温度和火焰面积不断增大，在达到峰值后逐渐下降. 在燃烧过程中，工况a 的平均火焰温度最高，峰值达到了2 083 K，高温区域（温度＞2 100 K）面积持续增大后减小，最大时占总火焰面积的41.5%. 相比于工况a，工况b、c 的平均火焰温度降低，高温区域占比缩小. 这表明随着环境温度或压力降低，混合气燃烧剧烈程度减弱，燃烧过程放热量减少导致火焰温度降低. 相较于工况a，工况d 中平均火焰温度大幅度减小，峰值降低至1 804 K，在整个燃烧过程中未出现高温区域. 这是由于海拔升高时，环境温度和环境压力同时降低，从不同角度同时影响了化学反应速率，产生的耦合作用使高温反应速率进一步减小，燃烧放热量不足；同时混合气当量比随着预混时间增加而降低，混合气比热容增大，导致平均火焰温度降低. 喷雾与空气充分混合后，混合气预混燃烧比例上升，扩散燃烧过程减弱，导致燃烧持续期缩短，燃烧过程中热量释放更均匀，火焰中不易出现局部高温区域.

为了研究不同海拔条件对碳烟生成特性的影响，计算了图像中各点用以表征碳烟浓度的KL因子大小，对火焰图像中各点KL因子进行累计得到KL因子总量KLtot变化图，如图5 所示；同时对火焰区域中处于不同KL因子大小区间的像素点个数进行了统计，用以表征不同浓度的碳烟面积，如图6 所示.

图5 不同工况下的KL 因子总量Fig. 5 Integrated KL factor under different conditions

图6 不同工况下的KL 因子区间分布Fig. 6 KL factor distribution under different conditions

随着燃烧过程进行，不同工况下的KL因子总量不断增大，在达到峰值后逐渐下降，表明碳烟在燃烧前中期大量生成，在燃烧中后期被氧化而不断减少.对于工况a，KL因子总量在ASOI 3.25 ms 时刻达到了峰值，KL＞0.9 区域最大时占总碳烟面积的44.4%.相比于工况a，工况b 和工况c 中KL因子总量峰值降低，燃烧过程中KL＞0.9 区域所占比例减小. 由此可见，环境压力或温度降低后，喷雾与空气混合时间增加，混合气整体当量比降低，导致碳烟生成总量减少，局部碳烟浓度较高的区域面积减少. 相对于工况a，工况d 中KL总量峰值降幅显著，KL＞0.9 区域最大占比为33.7%. 随着海拔升高，环境温度和压力变化产生的耦合作用进一步延长了滞燃期，高温火焰出现时喷油持续期已经结束，缺少了液相燃油注入后混合气当量比不断降低. 同时工况d 中燃烧剧烈程度减弱，混合气燃烧更加充分，低温低当量比的环境不利于碳烟生成，因此工况d 的KL因子总量相较于工况a 降幅明显.

综上，柴油机冷起动阶段的燃烧过程对环境变化十分敏感. 在海拔条件变化耦合了环境压力和温度变化后，海拔条件对柴油火焰温度和碳烟特性的影响更加显著. 海拔条件变化时，环境温度和压力的变化耦合作用于化学反应速率，随着海拔上升混合气化学准备时间延长、高温反应速率降低，导致混合气滞燃期延长、燃烧剧烈程度减弱，平均火焰温度降低；柴油喷雾与空气混合时间增加，混合气当量比不断降低，混合气燃烧更充分，导致燃烧过程中生成的碳烟总量减少.

2.3 海拔条件变化对碳烟浓度与火焰温度关系的影响

燃烧过程中碳烟的生成与氧化过程同时作用且相互竞争[13-14]，火焰温度对这两个过程有着重要的影响. YANG 等利用KL因子和火焰温度之间的时空对应关系探究火焰温度对碳烟生成和氧化的影响，XUAN 等[15]研究了碳烟体积分数与火焰温度之间的关系.

为了研究海拔条件变化对KL因子总量和平均火焰温度关系的影响，对比了工况a、d 下KL因子总量与平均火焰温度，如图7 所示. 在工况a 和d 的燃烧过程中，KL因子总量和平均火焰温度的变化均呈现出三阶段特征. 阶段Ⅰ为碳烟生成主导阶段，KL因子总量和平均火焰温度同时快速增大，在喷油持续期结束后KL因子总量达到峰值. 工况a 燃烧剧烈程度较高，平均火焰温度增大后加速了碳烟生成，而工况d 中平均火焰温度较低，对碳烟生成过程的影响有限. 进入阶段Ⅱ后碳烟氧化过程在与生成过程的竞争中占主导作用，大量碳烟被氧化并释放热量，导致KL因子总量减小而平均火焰温度继续增大. 由于工况d 燃烧起始时刻滞后、燃烧重心后移，导致工况d 进入阶段Ⅱ的时刻晚于工况a，即海拔升高后，柴油燃烧过程碳烟氧化过程起主导作用的时刻延迟.阶段Ⅲ中KL因子总量和平均火焰温度同时降低，在这一阶段中燃烧过程进入后期，碳烟继续被氧化，但释放的热量不足，导致平均火焰温度下降. 在整个燃烧持续期中，阶段Ⅱ、Ⅲ均为碳烟氧化主导阶段，阶段Ⅰ中生成的大部分碳烟在这两个阶段中被氧化.工况a 中由于平均火焰温度较高，KL因子总量呈指数变化快速减小，随后平均火焰温度降低，KL因子总量变化速率减缓；工况d 中阶段Ⅱ、Ⅲ平均火焰温度较低，KL因子总量变化缓慢.KL因子总量的变化速率代表了碳烟的生成和氧化速率，这表明较高的平均火焰温度既加速了碳烟生成过程，也增大了碳烟氧化速率，而随着海拔升高，平均火焰温度降低后对碳烟生成过程影响减小，但也减弱了碳烟氧化过程. 另外，对于实际柴油机冷起动过程，碳烟氧化速率在活塞下行时随着缸内温度和压力快速下降而降低. 随着海拔升高，碳烟氧化主导时刻延迟，可能会导致燃烧后期碳烟氧化过程起主导作用时氧化速率较低，碳烟氧化不充分，导致更多未氧化的碳烟颗粒.

图7 不同工况下KL 因子总量与平均火焰温度关系Fig. 7 The relationship of integrated KL factor and average flame temperature under different conditions

在燃烧过程中，局部碳烟浓度由局部火焰温度和局部当量比决定. 为了研究海拔条件变化对局部碳烟浓度（KL因子）和局部火焰温度关系的影响，统计了不同工况下ASOI 3.5 ms 时刻的KL因子与火焰温度空间对应关系，如图8 所示. 图中采用灰度值大小来表征某一区域内像素点个数的数量，像素点越多则该区域的灰度值越大. 从图6 中可以看出，ASOI 3.5 ms 时刻不同工况的碳烟生成都趋于稳定，此时的KL因子和火焰温度关系能够较好地反映出局部火焰温度对碳烟生成过程的影响. 在图8 中，工况a中局部火焰温度越高，局部KL因子越大，即局部火焰温度对碳烟浓度有较大的影响. 这是由于工况a中柴油火焰燃烧剧烈程度较高，“边混合边燃烧”的扩散燃烧模式燃烧速率较大，释放、累积了大量热量，局部火焰温度迅速上升，加快了高温反应的进行和混合气内部氧气的消耗，增大了碳烟生成速率. 工况d 中同一温度区间（1 750～1850 K）中广泛分布了不同大小的KL因子，这说明工况d 中不同碳烟浓度区域的局部火焰温度较为接近，即局部火焰温度对不同碳烟浓度区域的产生影响较小. 由于碳烟浓度由局部火焰温度和当量比决定，可以推断工况d 中出现高碳烟浓度区域是由于混合气局部当量比较高导致的. 这表明海拔升高后，虽然柴油喷雾与空气经过了长时间混合后混合气整体当量比降低，但由于混合气浓度不均匀，仍存在当量比较高的区域，在燃烧过程中导致局部碳烟浓度较高. 这也解释了上一节中，海拔升高后柴油火焰内高温区域消失，但高KL因子区域的占比变化较小的现象. 由此可见，海拔升高后柴油混合气燃烧剧烈程度减弱，火焰中局部火焰温度差异较小，对局部碳烟浓度的影响减小，局部碳烟浓度更容易受到局部当量比的影响.

图8 不同工况下的KL 因子与火焰温度空间对应关系Fig. 8 KL factor versus flame temperature of each pixel under different conditions

3 结 论

随着海拔由0 m 增加至2000 m，环境温度、压力同时降低产生了耦合作用，导致柴油滞燃期由2.0 ms增大至3.13 ms，火焰面积显著减小. 随着海拔升高，柴油燃烧过程中燃烧剧烈程度减弱，平均火焰温度降低，局部高温区域（温度＞2 100 K）消失. 柴油喷雾与空气混合时间增加，混合气燃烧更充分，导致燃烧过程中的碳烟生成总量减少. 随着海拔升高，柴油燃烧过程中平均火焰温度降低，导致碳烟生成和氧化速率降低，局部火焰温度对局部碳烟浓度的影响减小.