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烷烃喷雾点火的实验研究
摘要：
喷雾点火实验在恒定体积喷雾燃烧室（CVSCC）中进行，用于确定在650-825K和1-4MPa的空气中的纯烷烃燃料组分的第一阶段和总点火延迟时间，提供其在喷雾燃烧条件下氧化的反应性。对正构烷烃（庚烷，癸烷，十二烷和十六烷）的实验表明，在2.14和4.0MPa的压力下以及在1.0MPa的压力下进行两阶段点火时的强单级点火，发现正构烷烃的总点火延迟随着链长的增加而减小，发现高度支化的烷烃，异辛烷和异十六烷具有非常不均匀的分布，其中总点火的时间比例与第一阶段点火延迟的比率范围是大约二比一至三比一。发现轻度支化2,6,10-三甲基十二烷的行为与正庚烷和正癸烷之间具有反应性的正构烷烃类似，表明正构烷烃适合模拟轻度支化烷烃的喷雾点火以用于工程实验或预测。发现环烷烃，环己烷和甲基环己烷具有长的总点火延迟时间，高度支化烷烃的顺序，但是在单一阶段点燃。发现所有点火延迟时间随着温度和压力的增加而降低，并且在750-825K左右的温度下总体活化能降低，表明在低温开始时发生的链支化和扩散之间的竞争的影响。来自CVSCC和点火质量测试仪（IQT）的结果之间的比较显示，具有接近单级点火的燃料具有良好的相关性。然而，对于具有强烈的两阶段点火行为的燃料来说情况并非如此，其中点火延迟的定义和实验参数对点火延迟的确定是有影响的。
一，简介
燃料反应性是内燃机设计和分析中的一个关键考虑因素，因为它影响放热速率，从而影响发动机效率，功率密度和排放。历史上已经使用许多基本的实验配置来探测气相燃料反应性，包括激波管，快速压缩机（RCM），层状火焰，喷射搅拌反应器和流动反应器。这些实验的结果为动力学模型的燃料氧化动力学和验证目标提供了见解。喷雾点火实验也被用于表征先进内燃机中重要的低温条件下燃料的反应性，并且已经在恒定容积，压力变化的稳流装置，RCM ，冲击管和发动机，具有变化的加热燃料喷射和其他实验中应用。电加热或其他方式的外部加热恒容量外壳具有静态环境条件的优点，这些环境条件在流动装置，RCM，冲击管或发动机中不可获得。此外，外部加热和恒定容积的外壳避免了高浓度氧气预燃的复杂性，以提供所需的高温和高压环境条件 。由于这些原因及其简单的操作，商业化的外部加热定容装置已经开发用于测量衍生十六烷值（DCN），该参数用于比较燃料反应性，可以使用标准化ASTM方法在点火质量测试（IQT）和燃料点火测试仪（FIT） 设备中。低温燃烧（LTC）策略的燃料反应性规范的建立已经在恒定体积喷雾实验中进行了实验。然而，尽管IQT和FIT装置为中等到高反应性燃料（例如柴油和喷气燃料）提供精确的DCN测量，但已建立的DCN测量结果可能偏离低反应性燃料，其中缓慢且通常两阶段喷雾点火过程对适当定义点火延迟提出了挑战。
除定义燃料反应性的DCN参考值外，恒定体积喷雾燃烧实验还允许在低温化学体系内的一系列热力学条件下探索燃料反应性。这些实验已经用含有减少的化学动力学模型的计算流体动力学（CFD）模拟进行建模，并已用于探索喷雾物理，蒸发，混合和化学在喷雾点火和燃烧中的重要性。在某些情况下，点火延迟时间很长，喷雾分解，蒸发和混合现象相对于化学反应速度快，喷雾点火实验的结果与同质系统点燃有合理的相关性 。
目前工作的目标是：（1）为烷烃的喷雾点火延迟时间提供广泛的数据库; （2）表征烷烃结构和热力学条件对喷雾点火的影响; （3）研究各种纯烷烃在喷雾燃烧过程中的第一阶段热释放的相对幅度，而不是通过DCN测量捕获;（4）为基于CFD的燃料喷雾反应性研究提供目标。据报道，喷射点火试验是在运输燃料在650-825K和高压（1 4MPa）下注入空气后点燃烷烃化合物。第一阶段和总点火延迟，通常在恒定体积喷雾燃烧室（CVSCC）中进行测量，精度为plusmn;5％。本研究选用的燃料是纯正链，支链和环状烷烃，提供各种分子结构，存在于实际燃料中 ，并表现出一系列反应性和两阶段点火行为。 IQT装置的结果和在均匀恒定体积条件下进行的动力学模拟计算也得出了比较结果。
2实验方法
2.1.Constant容量喷雾燃烧室
实验在定容喷雾燃烧室（CVSCC）中进行，参见图1的示意图。CVSCC是一个圆柱形腔室，内径7.6厘米，内部长度11厘米（体积500毫升）。它可以在高达850 K和5 MPa的初始条件下运行。燃料喷射器安装在腔室的顶壁中，使得尖端与内壁齐平。底壁有一个进气口和排气口，用于供给加压氧化混合气（本研究中的空气），并在燃烧后通过高压管道和阀门排出燃烧室内的排气产物。 CVSCC的底壁还有一个安装的压力传感器和热电偶。 CVSCC使用电阻加热器进行外部加热。该喷油器是博世公司生产的机械式枢轴式柴油喷油器（型号W0133-1827210，如图2所示）。当向喷射器提供足够的压力时，喷射器针（针）抬起并且燃料通过由喷嘴孔（直径1mm）和针尖（尖端直径0.5mm）形成的环形空间喷射。喷油器提供了汽油直喷系统的低压喷射系统，但比现代共轨柴油机喷射系统低得多。本系统允许使用比共轨系统少50mL的小得多的燃料样品，其中在高压燃料输送系统内循环需要1升量级的样品。另外，如这里主要观察到的，更长的点火延迟时间（超过2-3ms）通常受化学限制，物理效应取决于注射压力，控制因子更少。原料注射器有两个泄漏端口，设计用于在关闭后从注射器释放额外的燃料。对喷油器进行了修改以最大限度地减少燃油的回流，并将这些端口连接到了循环冷却剂流体的微型泵，其通过温度控制器保持在室温以提供喷射器喷嘴冷却。自动喷油是通过将喷油器入口连接到一个12V直流电磁阀上实现的，该电磁阀将喷油器与储存燃油样品的液压活塞式蓄能器分开，并且被加压到15.2兆帕，喷射压力，气瓶（N2）。动态压力传感器（PCB型号112A05）安装在电磁阀下游的燃油管路中，记录每次进样的压力时间历史记录，以确定进样开始和结束时间。在标准大气条件下进行的高速成像研究被用来测量喷雾尖端速度，发现在0到170米/秒之间变化，喷雾锥角在7到20°之间变化，通过注射时间在CVSCC对面的端壁上安装水冷式压力传感器（Kistler型号6041A），以监测点火和燃烧过程中的动态室压。换能器的安装位置使其距离墙壁约10厘米处，以保护其不受室内加热器影响，并避免换能器冷却影响室内温度。已经表明，这种类型的细长指示器通道安装件增加了几十微秒量级的延迟至换能器的响应 ，考虑到为了延长换能器的寿命和测量的点火延迟的持续时间而考虑的合理折衷2-300毫秒）。 6041A型号是一款电荷型传感器，具有出色的线性度，可在很宽的温度范围内工作。信号通过Kistler Type 5010B双模放大器进行调节和放大。分辨率为0.5 psi的静压传感器安装在进气口附近，并用作参考从6041A传感器获得的动态压力信号的基线。
使用医用级呼吸空气（Airgas）作为本文所述实验的氧化剂。当手动操作排气时，电磁阀控制充电过程。该室使用陶瓷和矿棉进行绝缘。室内使用两个700W带状加热器实现了高达850K的高温，这些加热器处于闭环控制中，其传感器输入来自校准过的K型热电偶，通过底壁安装到室内以感测气体温度;热电偶从底壁进入腔室4厘米。使用此热电偶进行的测量报告为预点火充气温度。额外的热电偶插入腔壁内，在内表面和外表面之间的中间。通过翻译热电偶来检查壁面和内部温度分布。在818K的温度设定点，室内空气温度的最大梯度为15K，室内中心处的空气温度为818K，非常靠近冷却的喷射器，空气温度最低为是803 K.这是一个显着小于IQT所显示的温度梯度，据报道其与近处注射器至腔室中心的差异大约为43 K 。
该实验使用LabView中开发的软件接口实现自动化，该接口与控制仪器和TTL（晶体管 - 晶体管逻辑）电路集成在一起。该系统允许用户指定腔室初始空气温度和压力，注射持续时间，并提供数据采集（采样率为100 kHz）。下一节将介绍实验过程。
2.2.Experimental程序
操作程序由以下部分组成：
（1）将CVSCC加热至室内测量的用户定义的设定点温度。
（2）CVSCC充满空气至所需的压力，这是通过电磁阀完成的，该电磁阀将从医疗级空气的高压气缸充入的进气管线与腔室分开。
（3）记录预喷射充气温度和压力（LabView程序等待25秒以实现稳定状态）和燃油管电子电磁阀，将蓄电池中的高压燃油与喷油器通过确定喷油持续时间的方波输入启动。喷油器打开，高压燃油喷入腔内，喷油器关闭。
（4）数据采集系统以100kHz的采样率从腔室和喷油器压力传感器获取同步数据。这些信号允许确定喷射开始，喷射持续时间和腔压历史，从而可以确定总点火延迟和第一阶段点火延迟（如果已观察到）。
（5）燃烧产物排放并用空气冲洗。
（6）如果需要，可以再次进行实验。本文报告的所有数据均为单次实验结果，无平均值。
来自两个压力传感器的示例信号位于燃油喷射器管线和燃油室的位置如图3所示。零点时，喷油器加压并打开，通过喷油器压力曲线和高压喷油器的同步比较确定喷射的准确开始（SOI） 高速摄像头图像的喷射事件（见下一节）。 在图3的情况下，喷射器打开7毫秒并关闭。 再次，注射结束（EOI）已经使用高速相机成像确定。 室内压力显示从0到〜3 ms的压力略有下降，燃料压力 - 时间历史的特征（如图3所示）。 通过一系列实验来确定SOI和EOI发生的燃料压力轨迹上的特征点，其中将燃料压力分布图与高速摄像机图像由于喷雾蒸发冷却，随后从3 ms开始增加压力。 由于低温放热，压力从3毫秒缓慢上升到4毫秒，然后在4毫秒时由于热点火而非常迅速地上升。 在4ms的点火事件之后，随着剩余喷雾燃烧并且换能器信号由于点火位置处的快速放热而产生的腔室中的压力波的传播和反射，振荡腔室压力进一步增加。注射开始和持续时间，注射质量供应给燃料电磁阀的方波电子脉冲的宽度控制燃料喷射持续时间，即开始喷射（SOI）和喷射结束（EOI）之间的时间。使用当前设置，可以在4到15 ms之间改变喷射持续时间。在实验装置中，这些事件的时间由燃料压力 - 时间历史的特征确定（如图3所示）。通过一系列实验来确定SOI和EOI发生的燃料压力轨迹上的特征点，在该系列实验中，将燃料压力分布图与高速照相机图像在CVSCC以外的大气条件下捕获燃油喷射。发现喷射持续时间与方波喷射脉冲的宽度成比例关系，但比方波信号短，随着腔室温度的升高而略微下降。图4显示了喷射的燃油管路压力斜坡，
该喷射也以超过4000帧每秒（fps）的速度与高速摄像机（MotionPro X3具有1280 1024分辨率，AF-S Micro Nikkor 40 mm透镜）同步成像。 。检查这些图像表明，第一次喷雾必须在10.337和10.577 ms的连续帧之间进行;因此，我们估计SOI发生在这两帧之间的中间（10.457 ms）。燃油管线压力曲线显示出一个尖锐的拐点
ms后面紧跟着一个峰值，表示在该阈值压力下针阀（针）升程提供燃料压力松弛。对不同的喷射持续时间和不同的燃料重复了许多同步燃料压力成像实验。发现在摄像机图像中观察到SOI时总是发生燃料管路压力的拐点时间。基于高速摄像机采样率和比较图像和燃料，使用拐点在燃油管压力下的SOI不确定度估计为plusmn;0.08 ms10.5压力许多注射。同样，高速成像研究证实了燃油压力曲线中的一个特征，即燃油压力下降的明显突破（由于枢轴关闭），这对应于喷射结束时间（EOI）在图像中观察。使用燃油压力来识别SOI和EOI可以精确确定喷射正时，而无需对喷射器进行必要的修改，这是实施霍尔效应传感器跟踪针移动所需的，并且具有与霍尔传感器。此外，由于燃料压力曲线都非常相似，因此在所有实验和所研究的所有燃料中，SOI或EOI中的误差应该是一致的。在柴油机实验中，Szybist等人研究了注入期间燃料管线压力变化与使用霍尔效应传感器确定的SOI之间的关系。他们发现用霍尔传感器确定的SOI发生在燃料管线峰值压力之前大约0.1ms，与观察到的拐点与燃料压力峰值之间的时间差异非常类似类似于SOI中目前估计的不确定性。
高速图像还表明，在标准大气条件下，喷雾穿透深度至多为5厘米。考虑到CVSCC的长度为11厘米，喷雾锥角小，点火实验的高温，撞击在CVSCC上不会发生壁面上的燃油喷射，因为它可能在IQT中[26]。此外，内部热电偶已从注射器上充分移除（7厘米），使其不会与喷雾或点火混合物相互作用。
在给定的喷射持续时间内为喷射而喷射的燃料质量基于校准来指定。在大气条件下（298K和0.101MPa）将多次注射（10-20次）与共同注射持续时间一起放入干净的玻璃小瓶中。收集的燃料质量用高精度称量，并确定每次注射的质量。这些校准运行的注入持续时间最多不超过plusmn;0.2 ms，这是通过确定积分注入持续时间和确定校准组的平均注入持续时间的平均注入质量来解决的。对正庚烷和正十六烷进行了广泛的校准，因为它们代表了本研究中考虑的燃料化合物在密度和粘度方面的极端情况。校准数据集中没有可测量的燃料效应，并且其他燃料的单点校验显示相同。如图5所示，
喷射燃料质量校准符合单个线性拟合，高R2为0.9986。因为注入的燃料质量也取决于腔室的压力，并且在压力差的平方根上成比例
在大气压力下进行的校准针对点火实验中遇到的不同腔压力进行调整（参见图5）。此外，在不同的燃烧室压力和高温条件下（818K）进行了几次试验，可以假设几乎完全燃烧，并且短点火延迟时间使热损失最小化，将由于热量引起的总压力升高释放燃料注入质量。发现这两个参数表现出极佳的比例性（与线性度的偏差最多为plusmn;5％），借此确信通过压力调整校准确定的燃料喷射质量（图5）适用于CVSCC中的升高压力。化合物（正庚烷，异辛烷或2,2,4-三甲基戊烷和甲基环己烷）在放热时间历程和点火时间尺度方面表现出来。 图6中考虑的预点火充电条件是2.14 MPa和818 K，并且定义了在IQT实验中选择用于评估衍生十六烷值（DCN）的热力学状态[7]。 正如预期的那样，正庚烷是最具反应性的，异辛烷反应性最小。 此外，异辛烷显示出不同的两阶段点火行为，这些行为包括SOC和点火延迟的定义。
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