掺混含氧燃料的柴油替代物部分预混火焰中多环芳香烃的荧光光谱和碳烟浓度

张 鹏 刘海峰 陈贝凌 唐青龙 尧命发(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072)

掺混含氧燃料的柴油替代物部分预混火焰中多环芳香烃的荧光光谱和碳烟浓度

张 鹏 刘海峰*陈贝凌 唐青龙 尧命发
(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072)

为研究不同含氧燃料与柴油掺混后碳烟降低机理,本文在自行设计的燃烧器上构建部分预混层流火焰,采用甲苯和正庚烷混合物(T20,20%(体积分数)甲苯、80%正庚烷)作为柴油替代物,并分别添加甲醇、乙醇、正丁醇、丁酸甲酯和2,5-二甲基呋喃(DMF),且保证混合燃料的含氧量均为4%.进而应用激光诱导荧光法和激光诱导炽光法分别测量不同混合燃料的火焰中多环芳香烃(PAHs)的荧光光谱和碳烟浓度.结果表明:通过PAHs的荧光光谱可测量不同燃料火焰中PAHs的生成和增长历程.四环芳香烃(A4)的生成氧化规律和碳烟基本一致,说明通过分析A4变化可以预测碳烟变化.添加含氧燃料后,T20燃料中甲苯含量降低是导致PAHs的荧光光谱强度降低和碳烟生成量减少的主要原因;同时不同含氧燃料本身对多环芳香烃的生成贡献能力也是影响PAHs的荧光强度和碳烟生成的重要原因.含氧量相当时,掺混正丁醇后PAHs的荧光光谱强度和碳烟浓度比添加甲醇、乙醇、丁酸甲酯和DMF这四种含氧燃料的更低.因此从含氧燃料结构来讲,正丁醇掺混入T20燃料中降低PAHs和碳烟作用最显著.

含氧燃料;多环芳香烃;碳烟浓度;激光诱导荧光光谱;激光诱导炽光

1 引言

柴油机排放法规不断严格和柴油燃料不可再生特性,使含氧生物燃料在柴油机上的应用得到广泛关注.目前国内外在柴油机上研究和应用较多的含氧生物燃料主要有生物柴油、甲醇和乙醇.研究表明,在柴油燃料中掺混一定比例的含氧生物燃料,发动机动力性不受影响,同时柴油机碳烟排放显著降低.1-4

随着燃料制备技术发展,正丁醇和2,5-二甲基呋喃(DMF)这两种新型含氧燃料得到广泛关注.与甲醇和乙醇相比,丁醇和DMF制备过程更加节能环保、燃料热值更高,而且与柴油混合后不易分层.5,6研究表明,柴油机燃用柴油/乙醇和柴油/正丁醇混合燃料后碳烟排放显著降低,掺混正丁醇油耗和热效率均略优于掺混乙醇.7,8燃用柴油/DMF混合燃料结果表明,当DMF体积分数为40%时,碳烟排放量接近于零.6,9

但是,发动机试验结果受很多因素影响.掺混含氧生物燃料后,燃料沸点、粘度、气化潜热等物理特性改变,同时混合燃料十六烷、燃料成分、含氧量等化学特性改变,上述因素均会影响碳烟排放.此外,柴油机燃烧过程是复杂的湍流预混与扩散燃烧过程,其燃烧碳烟排放受发动机喷射策略和缸内流动特性等边界条件影响,这给碳烟生成氧化机理研究带来困难.

在层流火焰中进行光学诊断测量是研究碳烟生成氧化历程重要手段之一.10-16很多碳烟模型中小分子多环芳香烃(PAHs)被认为是碳烟主要前驱物,而且PAHs的浓度降低可以直接减少碳烟生成量.10,11Joannon等12在乙烯预混火焰上的激光诱导荧光光谱结果表明,荧光光谱能很好区分燃料热解和氧化区域.Kobayashi等13在扩散火焰上的激光诱导荧光光谱结果表明,随火焰高度升高,荧光光谱峰值红移即PAH环数增大,可见荧光光谱分析有助于观察PAH形成和演变过程.Lee等14在对冲火焰上的激光诱导PAH荧光和激光诱导碳烟炽光结果验证了C3在燃烧过程中对PAHs的增长和炔丙基复合成环过程至关重要.国内何旭、15陈亮16以及岳宗宇17等也应用激光诱导炽光定量研究了不同层流火焰中碳烟浓度分布.

燃料特性不同对燃烧火焰会产生很大影响.汽柴油燃料成分复杂,在进行燃烧机理研究时,多采用简单替代物表征汽柴油燃料.18-22例如,使用正庚烷、异辛烷和甲苯混合物代表汽油;使用正庚烷与甲苯混合物代表柴油.先前研究22表明,当使用正庚烷与甲苯按照体积比例4:1掺混后的燃料(T20)可以很好表征柴油燃料的燃烧和排放特性.因此本研究选取T20作为柴油燃料替代物,并分别添加甲醇、乙醇、丁醇、丁酸甲酯和DMF这五种含氧燃料,保证混合燃料含氧量一致,通过激光诱导荧光光谱和激光诱导碳烟炽光来研究柴油替代物掺混不同含氧燃料对PAH荧光光谱和碳烟浓度的影响.

2 实验部分

图1是实验装置原理图.Nd:YAG激光器(Pro 250Spectra Physics,USA)提供频率10 Hz、脉冲能量0.085 J·cm-2、波长266 nm激光,通过透镜组形成高50 mm、厚0.8 mm的激光片光源,经过燃烧火焰中心激发芳香烃产生荧光,波长选择266 nm主要是因为先前研究表明266 nm激发PAHs的荧光效果较其他波长更准确.23用一台配有增强电荷耦合探测器(ICCD),DH720i Andor,Northern Ireland)的成像光谱仪(250isBruker,USA)采集芳香烃的荧光光谱,增强器的增益设置为200.通过焦距100 mm平凸透镜收集荧光信号,同时采用由5根UV/Vis光纤组成的光纤束、并累加500次采集荧光光谱信号以提高信噪比.芳香烃荧光光谱采集通过信号延迟触发器(DG535 Stanford Research,USA)控制,采集门宽20 ns(荧光寿命60 ns).光栅选择150 lines·mm-1,对应光谱分辨率3 nm,可以测量紫外和可见光范围内250 nm的较宽波段.采集中心波长根据峰值波长调整.采集光纤头布置在火焰中心轴的不同高度来采集受激的PAH荧光光谱.

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experiment system

激光诱导炽光(LII)研究同样使用Nd:YAG激光器,波长选为532 nm.激光束经过透镜组形成与PAH荧光光谱研究等高等厚片激光,并通过火焰中心.炽光图像信号通过一台装有双像器(vz10-0274Lavision,Germany)的ICCD相机在垂直于激光片的方向上采集,双像器装有两个中心波长分别为450 nm(半高宽(FWHM)=10 nm)和650 nm(FWHM= 10 nm)的带通滤波片,从而将双色法测温与LII测量相互结合.激光能量调节为0.22 J·cm-2,以保证炽光信号不受激光能量影响,而且碳烟经过该能量的激光加热后温度小于4000 K,不足以使碳烟升华,影响碳烟浓度(体积分数)测量结果.相机门宽设置为20 ns,拍摄延时设置为激光到达后50 ns,这个延时时间是碳烟被激光加热后温度最高的时间,同时保证了PAH荧光和散射光不会干扰测量.采集结果通过公式(1)和(2)计算得到碳烟浓度定量信息,双色法LII的优势主要是保持了碳烟浓度和形态,减少了高能激光对测量的干扰,详细的双色法激光诱导碳烟炽光方法介绍见文献.24

其中Tp为碳烟受激发后温度(K);h为普朗克常数(kg· m-3);c是光速(m·s-1);k为波尔兹曼常量(Pa·s);λ1和λ2为选择的检测波长(nm);ηi为ICCD在λi波长下对于光强的敏感系数;VEXP(λi)为ICCD的采集输出信号值(counts);Δfi为滤光片的半高宽(nm);τpi为滤光片的最大通过率;E(mλi)为碳烟的折射率函数,根据文献24本文取值0.26;fv为碳烟体积分数;ui为物距(m); Mi为相机放大倍数;Ap为ICCD每个像素点的面积(m2);wb为激光片厚度(m);AL为相机镜头面积(m2).

部分预混火焰在实际燃烧装置中应用广泛,如柴油机、燃气轮机、家用灶台等;因此开展部分预混火焰的研究一方面可以为上述燃烧装置提供一定指导,同时也可以为燃烧火焰相关计算模型提供更充分验证.图2为部分预混层流火焰燃烧器示意图.燃料流量由注射泵(LSP01-2A)调节控制,预混空气由流量计(ALICT-MC-2slpm)测量控制.燃料和预混空气通过预混加热形成燃空化学计量比为5的浓混合气,供给的协流空气在保证火焰稳定性的同时参与燃烧过程.实验用燃料命名及组成见表1.将正庚烷(纯度99.0%)与甲苯(纯度99.5%)按照体积比例4: 1比例混合,作为柴油替代物,用T20表示;然后在保证含氧质量为4%条件下,向T20中掺混甲醇(纯度99.5%)、乙醇(纯度99.7%)和正丁醇(纯度97%),分别用M7.4、E10.6和B16.8表示,研究不同醇类结构对PAHs和碳烟影响;同时向T20中掺混正丁醇(纯度97%)、丁酸甲酯(纯度99%)和DMF(纯度99.3%),分别用B16.8、MB10.4和DMF20表示,研究不同含氧官能团对PAHs和碳烟影响.

3 结果与讨论

图3为B16.8火焰在266 nm激发时的荧光光谱.图中表明,荧光波长在280-650 nm时;C2的Swan谱带(473.7,516.5和563.6 nm)对450-600 nm波长内PAH荧光有很强干扰,这主要是由于C2H2、C2H4、PAHs和碳烟颗粒等产物的光解造成的.先前Kobayashi13和Sun25等研究已表明,不同芳香烃环数的荧光光谱特性不同,例如:单环芳香烃(A1)的主要荧光发射波长范围在280-350 nm,2、3环芳香烃(A2、A3)发射波长在350-400 nm,4环芳香烃(A4)发射波长在400-500 nm.图3表明,靠近燃烧器出口较低位置处,280-350 nm波段内能观测到很强荧光,这主要来自于单环芳香烃贡献,例如燃料中甲苯和反应生成的单环芳香烃.随着高度增加,燃料被消耗,芳香烃环数增长,280-350 nm波段荧光消失,在350-650 nm范围内荧光增强,这部分荧光主要来自于2-4环芳香烃.由此可见,随着火焰高度升高,芳香烃不断成环聚集生成更大环数芳香烃,荧光光谱峰值从300 nm逐渐红移至450 nm,这与文献13结果一致.

图2 燃烧器示意图Fig.2 Schematic diagram of burner system

图4为T20火焰不同高度下的荧光光谱.由于C2对荧光光谱有干扰,所以采集火焰荧光光谱范围在280-450 nm之间.图中表明,在0-11 mm火焰中,光谱主要集中在280-350 nm,表明该高度范围内主要的PAH荧光来自于单环芳香烃.随着高度增加,燃料中的甲苯燃烧被消耗,荧光光谱强度逐渐降低.在17-37 mm火焰中,280-350 nm的荧光消失,光谱主要集中在350-450 nm,表明该高度范围内主要的PAH荧光来自于更大环数芳香烃.在17-22 mm范围内,随着高度增加,芳香烃不断增长,荧光光谱强度逐渐升高;在22-37 mm范围内,芳香烃被氧化以及聚合生成碳烟,荧光光谱强度逐渐降低,并在37 mm处趋于平缓,芳香烃消失.

3.1 添加不同醇类影响

3.1.1 掺混不同醇对火焰PAH光谱影响

图5为T20、M7.4、E10.6和B16.8四种燃料的火焰在不同高度下的荧光光谱.图中表明,在相同含氧量下四种燃料中甲苯含量关系为:T20＞M7.4＞E10.6＞B16.8,所以在1 mm处T20荧光光谱最强,相应的掺混正丁醇荧光光谱最弱.在6 mm位置,四种燃料中甲苯燃烧被消耗,荧光减弱,在11 mm位置荧光进一步被消耗并趋于一致.值得注意的是,在6 mm位置E10.6燃料中甲苯尽管多于B16.8燃料,但是E10.6荧光光谱较B16.8弱,详细原因将在后续分析.

在17-37 mm高度范围内,四种火焰芳香烃荧光光谱强度关系为:T20＞M7.4＞E10.6＞B16.8,与燃料中甲苯含量一致,可见燃烧火焰中生成的PAH量基本取决于甲苯含量.在不含芳香烃燃料的燃烧过程中,PAH生成和生长过程主要受控于脱氢加乙炔(HACA)机理.11但是在含有甲苯的燃烧过程中, PAHs的生成和生长过程发生以下反应:26

其中,(R1)中的A2代表中间产物萘,(R3)中的A3代表中间产物菲.由于反应R1-R3的存在,促进了多环芳香烃的生成,而掺入含氧燃料后,甲苯含量减少,生成PAHs倾向降低,荧光强度减小.

图6为图5中提取波长在280-350 nm波段,在不同火焰高度下荧光光谱的积分值.图中表明,当火焰高度低于11 mm时,不同燃料在280-350 nm光谱范围的荧光强度积分值存在明显不同.随着甲苯含量降低,荧光强度积分值减少,根据文献,26甲苯主要消耗生成苯和苄基,而由于苄基和苯的荧光和甲苯相同,所以从荧光分析甲苯消耗主要考虑苯和苄基的进一步反应,主要步骤和反应如下:

其中,(S1)中的c-C5H5代表环戊二烯基.值得注意的是,在6 mm处,E10.6的甲苯含量较B16.8的高,但是其荧光强度的积分值最低,这主要受控于不同含氧燃料的化学反应动力学影响.Westbrook等27研究表明,甲醇的消耗主要为脱氢反应,主要步骤如下所示:

McNesby等28研究表明,乙醇主要消耗为脱水和裂解反应,反应如下所示(其中R5消耗58%(x,摩尔分数,下同)的乙醇,R6消耗30%的乙醇,R7消耗8%的乙醇,方程式中的M代表燃烧体系中的任意物质):

表1 测试燃料的组成(φ,体积分数)和目的Table 1 Constitute(φ,volume fraction)and purpose of testing fuels

图3 B16.8火焰荧光光谱随高度变化Fig.3 Fluorescence spectra of the B16.8 flame at different heights

Veloo29和Harper,30等研究表明,正丁醇主要消耗为脱氢反应和裂解反应,反应如下所示,其中R8和R9为脱氢反应,R10-R12为裂解反应.

脱氢和裂解产物进一步裂解生成C2H4、C3H6和C4H8(分别消耗19.8%、32.4%和25.5%的正丁醇),这些产物有利于PAHs生成和生长.

图4 T20火焰荧光光谱随高度变化Fig.4 Fluorescence spectra of the T20 flame at different heights

在火焰高度6 mm处由于反应R7的进行,促进了反应R4进行,消耗更多甲苯,所以E10.6荧光强度积分值较B16.8的低.在高于11 mm位置,正丁醇脱氢过程生成大量H和氧气反应生成大量OH,促进了反应R4进行,消耗更多甲苯,因此其荧光强度积分值最低.随着高度升高,燃烧反应R1-R3的进行,更大环数芳香烃生成,光谱向更大波长红移,四个火焰在280-350 nm波段内发出荧光基本一致.但值得注意的是在22 mm位置,T20在280-350 nm较其他三种添加含氧燃料的荧光强度高,这可能是由于T20甲苯含量较高,发生R13和R14反应,重新生成苯基.26添加含氧燃料后,C3H3和C2H2通过其他路径反应消耗,没有再生成苯基.

图5 不同醇类掺混火焰荧光光谱随高度变化Fig.5 Fluorescence spectra of the flames adding different alcohols at different heights

图6 不同醇类掺混火焰的燃料甲苯和A1荧光强度与高度位置关系Fig.6 Relation between height and fluorescence intensity of toluene in fuels andA1 of the flames adding different alcohols

图7为图5中提取波长在400-450 nm波段,火焰不同高度下荧光光谱积分值,这部分荧光主要为A4贡献.图中表明,当火焰高度高于11 mm时,不同燃料在400-450 nm光谱范围的荧光强度积分值存在明显不同.随着高度升高,芳香烃先生成生长,后被氧化和聚合生成碳烟,所以荧光光强积分值先升高后降低.由于步骤S2的进行,甲醇生成H和CO,促进S1和R4进行,生成了大量C3H3和C2H2,根据R13和R14成环,之后加C2H2增长以HACA机理生成A4.而由于在R5-R12过程中,燃料中的一部分O通过脱水和裂解生成OH消耗,使得H生成量降低,所以相同含氧下甲醇生成的H更早更多,M7.4生成的A4早于E10.6和B16.8;虽然T20甲苯含量高于M7.4,但甲醇脱氢更早更多,所以M7.4生成A4也早于T20.由于T20本身甲苯含量较高,促进反应R1-R3的进行,且没有含氧燃料氧化影响,所以生成的A4明显高于添加醇类之后的火焰.E10.6通过反应R6生成CH3,促进反应R4进行,生成C2H2,并通过反应R5生成C2H4,进一步生成C2H2,所以乙醇A4生成较晚一些.同时相比甲醇,乙醇通过反应R5和R6促进PAHs生成和生长,使得添加乙醇火焰中的A4生成增多,其最大值和添加甲醇火焰的基本相当.对正丁醇而言,虽然反应R8-R12生成C2H4、C3H6和C4H8等中间产物有利于PAHs生成和生长,但生成量比乙醇小,同时由于相同当量比条件下, B16.8的甲苯含量最低,且正丁醇脱氢过程生成大量H和氧气反应生成OH,有利于PAHs氧化.所以A4没有明显升高.

图7 不同醇类掺混火焰的A4荧光强度和高度位置关系Fig.7 Relation between height and fluorescence intensity of A4 of the flames adding different alcohols

3.1.2 掺混不同醇对碳烟浓度影响

图8为基于时间延迟的双色法LII(TR-TC-LII)测量的T20、M7.4、E16.8和B16.8四种燃料火焰中心轴位置上soot浓度沿高度变化结果.图中表明,当火焰高度高于22 mm时,不同燃料碳烟浓度存在明显不同,添加含氧燃料后soot浓度均降低,随着火焰高度升高,碳烟呈现先升高后降低的趋势,即在一定火焰高度下氧化速率大于生成速率,碳烟越过峰值,逐渐被氧化.在保证含氧量相当时,添加正丁醇火焰的碳烟降低最明显,添加乙醇次之,而添加甲醇对碳烟降低作用最小.结合图7发现A4在27-37 mm火焰高度范围内逐渐降低并消失,在这个高度范围内soot明显生成.A4的生成氧化规律和soot生成氧化规律基本一致,这就验证了文献31推论,即A4是预测soot较准确的前驱物.

图8 不同醇类掺混火焰中心碳烟浓度(fv)随高度变化对比Fig.8 Relation between height and soot volume fraction (fv)of the flames adding different alcohols

从soot浓度峰值上看,相对于T20,添加甲醇降低15.4%.根据Westbrook等27研究结果,甲醇本身不生成碳烟或是有利于生成碳烟的小分子烯烃或炔烃.在大化学计量比条件下,甲醇上的OH会被H原子置换,32从而参与氧化,所以添加甲醇后,碳烟有所降低.相对于T20,添加乙醇降低了35.8%.根据Westbrook等27研究结果,乙醇虽然会产生大量乙醛这种含氧中间体,但也会产生乙烯这种容易生成PAHs的小分子物种,如反应R5所示.因此单纯乙醇燃料soot生成应该较纯甲醇多,但是由于保证含氧量一致时,添加乙醇的燃料中甲苯含量相比添加甲醇后的混合燃料要少,文献27,28,32研究表明,乙醇较甲醇提供更多OH,使生成碳烟和前驱物PAHs的过程中的氧化量增加,因此保证含氧量一致时,乙醇的添加较甲醇更有效的减少碳烟排放.对照反应R5-R7和R8-R12,正丁醇生成C2H4小于乙醇,并且B16.8中甲苯含量低于E10.6,所以B16.8降低soot更多.从峰值位置关系可以看出,几种掺混含氧燃料火焰的碳烟峰值出现高度位置相近,且均早于T20,这是由于含氧燃料的氧化作用,使得氧化反应较没有含氧燃料的T20发生的更早.

3.2 不同含氧官能团影响

3.2.1 掺混不同含氧官能团燃料对火焰PAH光谱影响

图9为T20、B16.8、MB10.4和DMF20四种燃料的火焰在不同高度下荧光光谱.与添加不同醇类的荧光光谱分析相似,在1-11 mm高度范围内,荧光集中在280-350 nm.在相同含氧量下,四种燃料中的甲苯含量关系为:T20＞MB10.4＞B16.8＞DMF20, T20荧光光谱最强,掺混DMF荧光光谱最弱.值得注意的是,在6 mm位置MB10.4燃料中的甲苯尽管多于B16.8燃料,但是MB10.4荧光光谱强度比B16.8弱,这是因为丁酸甲酯裂解产物除含氧小分子外,均为CH3和C2H4,33而CH3促进反应R4进行,消耗更多甲苯.

图9 不同含氧官能团燃料掺混火焰荧光光谱随高度变化Fig.9 Fluorescence spectra of the flames adding different oxygenated group additives at different heights

在17 mm处,由于反应R1-R3进行,荧光波段为350-450 nm,且荧光强度关系和燃料的甲苯含量一致.随着高度升高至22 mm,芳香烃生成增多,荧光强度增强.而在22-37 mm,随着高度升高,芳香烃被氧化,同时部分聚合生成碳烟,芳香烃减少,荧光强度降低直至消失.在这个高度范围内虽然DMF20的甲苯含量低于B16.8,但是DMF分解生成环戊二烯基,34有助于生成多环芳香烃,所以DMF20荧光强度比B16.8强.MB10.4甲苯含量高于B16.8,同时正丁醇中的C―O生成CO,而MB中的C―O生成CO和CO2,见反应R15和R16,27,33所以MB10.4中由于CO2的生成需要更多的氧原子才能带走相同量的碳原子,因此导致碳烟前驱物PAH生成量增大,其荧光强度大于B16.8燃料.

图10为图9中提取波长280-350 nm波段火焰在不同高度下荧光光谱积分值.与添加不同醇类的荧光光谱分析相似,当火焰高度低于11 mm时,不同燃料荧光强度积分值随甲苯含量降低而减少.在6 mm处,MB10.4甲苯含量较B16.8高,但其荧光强度积分值低于B16.8,原因同图9分析.随火焰高度升高,更大环数芳香烃生成,光谱向更大波长红移,四个火焰在280-350 nm波段内发出荧光基本一致.在22 mm位置,T20在280-350 nm较其他三种添加含氧燃料的荧光强度高,原因同图6分析.

图10 不同含氧官能团燃料掺混火焰的燃料甲苯和A1荧光强度和高度位置关系Fig.10 Relation between height and fluorescence intensity of toluene in fuels andA1 of the flames adding different oxygenated group additives

图11为图9中提取波长在400-450 nm波段,火焰不同高度下荧光光谱积分值.图中表明,当火焰高度高于11 mm时,不同燃料在400-450 nm光谱范围荧光强度积分值整体变化趋势与图7相似.由于丁酸甲酯生成C2H4,且相同含量O带走的C更少,同时MB10.4的甲苯含量较多,所以丁酸甲酯先生成A4;虽然DMF生成的环戊二烯基有利于生成多环芳香烃,但DMF生成C2时间较晚,所以DMF20的A4峰值靠后,且最大值接近MB10.4.丁醇的A4生成量始终较低,其原因同图7分析.

图11 不同含氧官能团燃料掺混火焰的A4荧光强度和高度位置关系Fig.11 Relation between height and fluorescence intensity ofA4 of the flames adding different oxygenated group additives

3.2.2 掺混不同含氧官能团燃料对碳烟浓度影响

图12为TRF20、MB10.4、B16.8和DMF20四种燃料火焰中心轴位置上碳烟浓度(fv)沿高度变化的对比.图中表明,B16.8生成碳烟最少,相比于T20降低43.5%.DMF20生成碳烟浓度大于B16.8,相比于T20降低27.1%.与B16.8和DMF20相比,MB10.4生成碳烟更多,相比T20降低19.7%.一方面掺混含氧燃料后甲苯含量降低,造成碳烟生成减少;另一方面,相比与一般的碳氢燃料,由于反应R15和反应R16的发生,丁酸甲酯中的O以CO2和CO的形式带走碳原子,而正丁醇和DMF均以CO的形式带走了C,相同含氧下,B16.8和DMF20生成碳烟的碳含量小于MB10.4,所以B16.8和DMF20的碳烟浓度低于MB10.4,但是由于DMF分解生成环戊二烯基,有利于碳烟生成,所以DMF20碳烟浓度大于B16.8.从峰值的位置关系可以看出,几种掺混含氧燃料火焰的碳烟峰值出现高度位置相近,且均早于T20,原因和图8相同.

图12 不同含氧官能团燃料掺混火焰中心碳烟浓度随高度变化对比Fig.12 Relation between height and soot volume fraction of the flames adding different oxygenated group additives

4 结论

基于激光诱导荧光和激光诱导炽光的测试系统对不同火焰的多环芳香烃荧光光谱特性和碳烟浓度进行研究,并结合动力学分析得到以下结论.

通过PAH荧光光谱可测量不同燃料火焰中PAHs的生成和增长历程.四环芳香烃(A4)的生成氧化规律碳烟基本一致,说明通过分析A4变化可以预测碳烟变化.

T20燃料中甲苯含量降低是导致PAH荧光光谱强度和碳烟浓度降低的主要原因,不同含氧燃料对多环芳香烃的生成贡献能力也是影响碳烟生成的重要原因.

含氧量相当时,掺混正丁醇后PAH荧光光强和碳烟浓度比添加甲醇、乙醇、丁酸甲酯和DMF这四种含氧燃料更低,因此从含氧燃料结构来讲,正丁醇掺混入T20燃料中降低PAHs和碳烟作用最显著.

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Fluorescence Spectra of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Soot Concentration in Partially Premixed Flames of Diesel Surrogate Containing Oxygenated Additives

ZHANG Peng LIU Hai-Feng*CHEN Bei-Ling TANG Qing-Long YAO Ming-Fa
(State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,P.R.China)

Partially premixed laminar flames were formed using our purpose-built burner.The soot reduction mechanism of blends of diesel and oxygenated fuel was explored.The mixture of toluene and n-heptane (volume ratio,20:80)(T20)was used as a diesel surrogate.Methanol,ethanol,n-butanol,methyl butyrate,and 2,5-dimethylfuran(DMF)were blended with T20,whilst retaining a 4%oxygen content.Laser-induced fluorescence(LIF)was used to obtain spatial fluorescence spectra of polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) in partially premixed co-flow flames.Laser-induced incandescence(LII)was used to measure soot concentration (volume fraction).The formation and growth of PAHs in flames varied with the fuel blend.Four-ring aromatics (A4)exhibited similar formation and oxidation to soot,so A4 was suitable for estimating soot formation and oxidation.With oxygenated additives,the content of toluene is reduced in T20 fuel,which is the major reason for the reduction of PAH fluorescence spectral intensity and soot concentration.The contribution of different oxygenated additives to PAH formation also affected soot reduction.The PAH-LIF spectral intensity and soot concentration of n-butanol/T20 blends were lower than those of fuels containing methanol,ethanol,methyl butyrate,and DMF.Therefore,n-butanol more effectively reduced PAHs and soot emission during thecombustion of the diesel surrogate(T20).©Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

Oxygenated fuel;Polycyclic aromatic hydrocarbon;Soot concentration Laser induced fluorescence spectrum;Laser induced incandescence

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(51206120).

国家自然科学基金(51206120)资助项目

O643

10.3866/PKU.WHXB201411051www.whxb.pku.edu.cn

Received:July 31,2014;Revised:November 5,2014;Published on Web:November 5,2014.∗