第 1 章 绪论
1.1 研究意义
1784 年英国发明家瓦特发明了蒸汽机，作为跨时代的发明拉开了产业革命的序幕。随后德国人奥托和迪赛尔分别于 1876 年和 1897 年推出了汽油机和柴油机，成为了继蒸汽机之后的又一里程碑，也为现代内燃机发展的奠定基础。第一台柴油机诞生的一个多世纪以来，经过前人艰辛的科研和无数科学爱好者的努力，其性能已经到达了一个较高的水平，在经济性、动力性、稳定性等方面具有显著的特点。车用柴油机逐渐走向人们的视野，给人民的生活带来了便利，成为 了现代社会不可或缺的动力源机械。经过二十世纪五十年代初兴起的增压技术和七十年代开始的电子技术的应用，以及近年来涡轮增压、电子控制、废气再循环等先进技术的应用使得柴油机的燃烧效率得到进一步增加[1-5] 。然而，柴油机的大规模始终受到能源与环境两个条件的制约，其一是柴油机使用的动力源主要依靠燃烧储存量有限的化石燃料，其二是柴油机尾气对环境的影响愈演愈烈。[6-12]自 1993 年起我国由石油的出口国转为进口国，我国石油消耗中，占半数以上的石油来自国外，并且进口比例越来越大。目前全世界使用的能源有百分之九十取自化石燃料，从资源储量来看，现在全世界煤炭已探明资源总量约为 10 万亿吨，石油为 1800 亿吨，天然气为 181 万亿 m3。大气污染是环境污染的重要方面，也是控制与治理较为困难的方面，汽车尾气占城市污染的较大比重。柴油机尾气是指柴油发动机燃烧柴油后喷出的尾气，尾气中含有上百种不同的化合物，这种气体排放物不仅气味怪异，而且令人头昏、恶心，影响人的身体健康。2017 年 10月 27 日，世界卫生组织国际癌症研究机构将柴油发动机排放物列于一类致癌物清单中[13]。随着经济的发展和人民日益增长的生活水平，据公安部发布的数据显示，我国的机动车及汽车保有量呈现逐年增长的态势，2019 年中国机动车保有量达 3.48 亿辆，其中汽车保有量达 2.6 亿辆，同比 2018 年增长了 8.83%，近五年的数据显示，随着经济的发展，我国机动车保有量每年平均增加 1380 万辆。依据统计数据显示，全国 3.48 亿辆机动车中，汽车占 2.6 亿量，即按照三口之家计算，平均每两户居民就拥有一台汽车。机动车污染物成为我国空气污染的重要来源，更是雾霾的主要“贡献者”。除了环境的危害外，摸不着的汽车尾气还悄悄侵蚀着人们的健康。
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1.2 国内外研究现状
内燃机工作时，通过吸气、压缩、做功和排气四个冲程，将燃料的化学能转为动能，其间高压喷射系统将柴油喷入燃烧室内，并立刻发生破碎、雾化随之与空气混合，随后燃烧做功。柴油机在工作时具有高压缩比、非均匀混合的特点，柴油喷雾与空气的混合的同时发生着燃烧，其中柴油雾化和空气混合燃烧过程是影响内燃机性能的关键因素，为了响应全球城市移动源节能减排的号召，广大科研工作者都为此做出了贡献，主要包括对发动机的燃烧和排放性能方面做出了研究，其中火焰浮起长度和柴油富氧燃烧受到了的研究者的广泛关注并展开相关研究。
1.2.1 火焰浮起长度国内外研究现状
柴油着火时，着火区域不在喷孔处，与喷孔有一定距离，将这段距离定义为火焰浮起长度。二氧化碳和氧气含量的变化均会影响柴油的燃烧特性，其中火焰浮起长度(Flame Lift-off Length, FLOL)是燃烧特性中的主要参数。Yin 人[19]将浮起长度定义为从喷油器顶部到火焰明亮处的距离。在每个实验工况下将实验最少重复五次，并把整个图像中最大像素阈值的 10%设置为阈值，沿火焰中心线计算，将像素阈值达到的区域定于为火焰明亮处。John 等[20]利用化学发光技术，将 OH*化学发光最强烈的区域是对应的 310nm 波长，作为高温区域的标志。他们将该区域和喷油器之间的长度定义为火焰浮起长度。Senecal 等[21]采用等温法测得火焰浮起长度，选择 2200 K 作为高温区域边缘。他们把高温区域边缘到喷油器的距离定义为火焰浮起长度。Jesús Benajes 等[22]利用纹影法和激光诱导荧光技术对柴油发动机燃烧网格中火焰浮起长度进行研究，结果表明化学发光和纹影技术对测得氧浓度和环境密度的影响较小，测量值的绝对值仍然很接近。Zhang 等[23]将喷油器到信号强度达到 50%的位置之间的轴向距离定义为火焰浮起长度。
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第 2 章 计算模型
2.1物理模型建立
本文的研究基于可视化定容燃烧试验台实现的，因此在 Converge 软件计算中建立的物理模型参考实体，运用 make surface 功能，根据燃烧室内部形状，建立底面半径为 150mm、高为 560mm 的定容燃烧弹物理模型，网格的基本尺寸为 1 mm，根据温度梯度限值进行三级加密网格，定容燃烧弹几何结构示意如图 2-3 所示。该软件采用自动运行实时处理技术对网格进行划分，计算过程中网格如图 2-4 所示，网格是在计算的时候实时生成的，不需要划分网格，只需要设定曲面边界的定义和计算文件。使用计算模型见下表。
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2.2化学反应动力学模型
柴油是一种复杂烃类的混合物，根据原油种类，炼制工艺的不同，制得柴油的成分也有差异。目前柴油的表征燃料有正癸烷/甲苯[52]、正庚烷[21,38,53]、正庚烷/甲苯[54]、正癸烷/异辛烷/甲基环己烷/甲苯[55]和正庚烷/甲苯/环己烷[56]等，其中正庚烷在常温下化学性质稳定，与柴油的十六烷值、C/H 比和着火极限等十分相似。现选用正庚烷作为柴油的表征燃料，参考了正庚烷包含 52 步基元反应和 29 种组分的化学反应动力学简化模型。该模型运用了威斯康星大学发动机研究中心 Patel 等提出的正庚烷模型简化机理，该模型用代数关系代替假定处于稳态的中间物种的微分方程从而减少火焰数值计算中的计算工作量，利用 μ 遗传算法对反应的阿累尼乌斯参数进行了优化，并通过实验验证了其准确性，其能够预测点火延迟和热释放速率，计算结果与试验结果基本吻合。
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第 3 章 试验设备及图像处理方法 .............................. 19
3.1 试验参数设置 ..................................... 19
3.2 试验测试系统搭建 .............................. 20
第 4 章 数据分析 ..................................... 28
4.1 燃烧过程 ..................................... 28
4.2 火焰温度云图 .............................. 29
第 4 章 数据分析
4.1 燃烧过程
柴油机在正常工作的四冲程中，只有一个冲程燃烧做功，由于柴油的黏度比汽油大、不易蒸发且自燃温度低，因此采用压燃自燃式点火。为了方便分析和揭示燃烧过程，研究者们通常将柴油燃烧的过程分为：滞燃期、速燃期、缓燃期和补燃期。滞燃期表示柴油从喷入气缸起到首次出现着火的过程，柴油喷入燃烧室后，经过破碎、雾化、蒸发等过程，随后压燃着火。在此阶段柴油与空气混合，为燃烧做准备。十六烷值、缸内温度和压力越高，对应的滞燃期越短。速燃期表示柴油从开始着火到出现最高压力的过程。在此阶段缸内压力逐渐上升，直至压力大到最大。缓燃期表示从缸内压力最大点到最高温度点的过程，在此阶段柴油不断进行燃烧但由于氧气、柴油的浓度减小，燃烧速率下降，同时废气的生成速率变快；同时压力开始下降。补燃期表示从最高温度点到燃油燃尽的过程，通常将循环放热量达到 95%以上视作补燃期结束。在设计柴油机时需尽量减少补燃期，从而提高燃油经济性和利用率 [58]。
本文利用可视化定容燃烧弹试验台记录了柴油在不同比例二氧化碳/氧气环境中喷雾燃烧过程。图 4-1 所示为柴油在四种工况下的柴油喷雾燃烧随喷射时间(After the Start of Injection，ASOI)发展的过程。柴油喷雾着火的排序为空气>50%二氧化碳/50%氧气>43%二氧化碳/57%氧气>35%二氧化碳/65%氧气，即柴油喷雾在工况一、二、三、四中相继发生着火。柴油在工况一中进行喷雾燃烧时，0.55ms时首次发现火焰，即定义为发生着火；柴油在工况二中进行喷雾燃烧时，0.35ms发生着火；柴油在工况三中进行喷雾燃烧时，0.25ms 发生着火；柴油在工况四中进行喷雾燃烧时，0.20ms 发生着火，且该工况下柴油喷雾燃烧的火焰面积最大。氧气对柴油喷雾燃烧的促进作用与二氧化碳对柴油喷雾燃烧的抑制作用同时响柴油的滞燃期，即使试验中最高二氧化碳达到 50%，由于氧气的促进作用，柴油在二氧化碳/氧气环境下进行喷雾燃烧时的滞燃期依然比空气环境短，富氧燃烧起主导作用，在 0. 35ms 时，工况二、三、四中均已经出现明显的火焰，由于环境的变化，柴油喷雾所处环境的空气密度和成分发生变化，影响了柴油喷雾油束的空气卷吸作用。将首次记录到柴油喷雾的图像结果记录为 0ms，即开始喷油，由于柴油在不同工况下的滞燃期不同，第二张图片记录四种工况不同时间首次出现火焰图像结果。横向对比，随后的四组图片为柴油喷雾在四种工况下燃烧过程，在四种环境中柴油的着火特性有较大差别，柴油在不同二氧化碳/氧气环境中燃烧的火焰亮度也有所不同。
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结论与展望
结论
本文通过计算与试验相结合的方式，对不同二氧化碳/氧气环境下柴油的燃烧特性展开研究。首先，推导了 DCER 模型，建立了定容燃烧弹物理模型和柴油表征燃料正庚烷的化学模型，基于 Converge 燃烧仿真软件计算，得到了柴油在二氧化碳/氧气环境下燃烧的火焰浮起长度及火焰温度云图的分布情况。其次，搭建了定容燃烧弹与高速摄像机相结合的试验系统，详细介绍了系统组成、操作流程及试验工况。对柴油的着火燃烧过程进行可视化试验。最后，对柴油在空气和不同浓度二氧化碳/氧气环境下着火燃烧过程、火焰温度云图分布、火焰浮起长度以及火焰自然发光度进行讨论。得到结论如下：
（1）柴油在空气与二氧化碳/氧气环境下燃烧特性有极大差异，柴油在二氧化碳/氧气环境下的火焰浮起长度和火焰温度云图的仿真结果与试验结果吻合，初步证明了本文建立的计算模型计算柴油在二氧化碳/氧气环境下火焰浮起长度的准确性。
（2）在不同二氧化碳/氧气环境下，柴油火焰上游区域温度分布变化明显。同时，火焰下游区域的温度分布没有明显的差异。
（3）二氧化碳/氧气环境对的柴油喷雾燃烧火焰浮起长度影响非常明显，氧气浓度的增加极大的促进了柴油与氧气的混合，缩短了柴油喷雾卷吸氧气的时间，加速了可燃混合物的形成速率。当二氧化碳浓度小于 43%后，火焰浮起长度受二氧化碳浓度影响的减弱。
（4）柴油喷雾在空气、二氧化碳/氧气环境中，火焰浮起长度变化曲线呈现出相同的趋势:首先急速下降，然后轻微下降，最后迅速上升。随着二氧化碳浓度的增高，火焰浮起长度与火焰自然发光度均有所增加，同时火焰自然发光度的峰值增加且滞后出现。
参考文献（略）