丁士高，王关晴，徐玉龙，徐江荣

(杭州电子科技大学能源研究所，浙江 杭州 310018)



多孔介质中汽油着火特性研究

丁士高，王关晴，徐玉龙，徐江荣

(杭州电子科技大学能源研究所，浙江 杭州 310018)

在一种新型液体燃料多孔介质燃烧装置上，采用甲烷气体燃烧预热方式对汽油点火及汽油在多孔介质中的着火特性进行了实验研究.在讨论甲烷气体着火燃烧预热启动的基础上，分析了汽油着火燃烧的启动过程，探讨了汽油启动着火温度分布与污染物排放的稳定性.实验结果表明，甲烷能够快速着火燃烧，预热多孔介质燃烧室，并形成稳定的预热温度分布；雾化后的汽油液滴能够在预热后的多孔介质中迅速着火燃烧，燃烧温度逐渐升高，污染物排放逐渐降低，并最终形成稳定的温度分布和污染物排放，验证了汽油能够在多孔介质内的稳定燃烧.

多孔介质燃烧；液体燃料；着火特性

0 引 言

液体燃料在多孔介质中燃烧，多孔介质能很好地促进燃油的蒸发，从而形成可燃混合气，减少燃料的不完全燃烧.混合气在多孔介质中的预混合燃烧可以大幅度提高燃烧效率和热利用率，显著扩展燃烧极限，火焰稳定性明显提高，污染性尾气的排放量大大降低[1-3].文献[4]的实验表明，在燃烧器内布置多孔介质有效地增加了燃烧效率，改善了燃烧工况.文献[5]的燃用正庚烷多孔介质燃烧器实验表明，喷射雾化型多孔介质燃烧可获得良好的混合效果，在当量比为0.57～0.67时，燃烧达到稳定且污染物排放得到显著改善.文献[6]认为液体燃料雾化效果的好坏是能否获得稳定高效多孔介质燃烧的关键，尤其是燃料汽化潜热较高的情况下，雾化液滴的大小对燃烧效果有着显著的影响.文献[7]的研究表明，燃油喷嘴位置很大程度地影响了燃烧污染物排放，当喷嘴距多孔介质的距离足够远时，油滴与空气可以很好地混合并得到充分蒸发，显著改善了污染物排放.文献[8]建立的实验分别研究了喷油量不同、空气流量不同、预热温度不同等因素对多孔介质燃烧的影响.本文在一种新型液体燃料多孔介质燃烧实验装置上[9]，利用甲烷燃烧预热多孔介质燃烧器后形成稳定的汽油着火温度分布，对汽油的着火燃烧稳定特性进行了研究，分析了不同时间下各测点温度变化和温度分布情况，以及燃烧污染物排放的稳定性，为探索多孔介质内液体燃料的高效清洁燃烧提供了研究基础.

1 实验内容

1.1 实验装置

新型液体燃料多孔介质燃烧装置实验系统如图1所示.

实验系统包括5个部分，分别是供油系统、供气系统、多孔介质燃烧主体、流量控制系统以及数据采集系统.供油系统主要是由油箱、液体泵、压力表、喷嘴等部件组成；供气系统主要包括空压机、空气储罐、甲烷气瓶、减压阀等部件组成.液体燃料多孔介质燃烧器是本实验的核心部分，主要是由多孔介质预混室、蒸发气化室、燃烧蓄热室等部分组成.流量控制系统是通过质量流量控制器(七星电子)来实现一次风、二次风、甲烷气的流量调节与显示控制.数据采集系统主要包括温度采集和烟气成分采集，温度采集主要是利用安捷伦数据采集仪对热电偶的温度进行实时监控和采集，温度测点分布如图2所示，烟气成分采集主要是通过HORIBA PG-350对烟气成分进行在线监测.

图1 多孔介质燃烧装置系统图

图2 各温度测点分布

1.2 实验方法

实验通过向常温燃烧器内通入甲烷气体进行点火的冷态启动和在甲烷气体着火并稳定燃烧后，对汽油进行预热点火的启动方式来进行汽油在新型液体燃料多孔介质燃烧装置中的着火启动特性的研究.

将实验系统通电，打开质量流量控制器及流量显示仪电源，使其预热时间至少15 min，并进行调零，同时打开HORIBA PG-350便携式烟气分析仪，使其预热时间至少30 min；打开与Agilent数据采集仪相连的计算机并打开软件进行扫描通道以及数据采样时间的设定，在线显示并检查各参数指示值；在各仪器正常工作状态下，打开高压甲烷气钢瓶向实验系统中通入甲烷气体并接通电子点火器，待甲烷着火后，调节流量显示仪控制一次风、二次风流量和甲烷气的流量，从而改变当量比的值.在甲烷气进入到燃烧器时点火，同时开启软件和HORIBA PG-350便携式烟气分析仪进行数据采集和记录，并进行实时监控.待甲烷气体稳定燃烧后，停止供应甲烷气，打开液体泵向实验系统中通入雾化汽油，调节流量显示仪控制一次风、二次风流量，将汽油量调节到设计工况下的流量，进行雾化汽油的着火燃烧实验.

2 实验结果分析

2.1 甲烷着火预热启动特性研究

图3 甲烷点火升温曲线

甲烷点火升温曲线如图3所示.实验记录了通过电子点火器点火使甲烷着火燃烧后的各测点温度随点火时间的变化情况，实验过程中保持甲烷和空气的进气量不变，通过计算得出此时当量比为0.97，流速为0.55 m/min.从图3可知，点火后，各测点温度迅速升高，并迅速超过650 ℃(甲烷着火温度，说明甲烷能够实现快速着火，表明燃烧开始，随着燃烧时间增加，按照各测点温度到达最高值的迅速，可以明显看出燃烧火焰逐渐向上游传播).

图4(a)为甲烷预热温度分布情况，记录了各测点温度分布情况，待上述实验进行了相当时间，燃烧火焰传播到上游后，为了得到甲烷在不同当量比情况下的燃烧效果，实验通过调节甲烷进气量以及空气的流量来进行，得出此时当量比为0.73，流速为0.46 m/min.图4(b)为该情况下的烟气浓度排放情况.图4来源于HORIBA PG-350便携式烟气分析仪检测实时数据.图4中，改变当量比后，随着温度向燃烧器上游部位移动，最佳燃烧区的温度上升很快，并且形成稳定的预热温度分布，说明甲烷启动可以预热燃烧室.随着燃烧逐渐趋于稳定状态，CO2，NOx以及CO的含量逐渐减少并且在某一值后达到稳定，CH4和O2的浓度也基本维持在某一值范围内，说明在燃烧工况不变情况下烟气成分达到一定，燃烧已经达到稳定.

2.2 汽油着火特性研究

停止向燃烧室内通入甲烷，开启液体泵，并向燃烧室内通入雾化汽油后，随着汽油燃烧过程的进行，各测点温度分布情况如图5所示.为了确定汽油的雾化效果，在实验开始前，先进行汽油雾化实验，得出当汽油流量为0.053 g/s时雾化效果最佳，调节一、二次风流量，计算得到此时当量比为2.7.从图5可知，一阶段是汽油启动阶段，汽油从雾化喷嘴喷出后可以实现迅速着火；二阶段是汽油燃烧阶段，该阶段温度迅速升高；三阶段是汽油燃烧稳定阶段，随着燃烧过程的进行，温度迅速升高后，燃烧已经达到稳定状态并且形成较高温度分布.

喷入汽油后的燃烧污染物排放情况如图6所示，图6来源于HORIBA PG-350便携式烟气分析仪检测实时数据.从图6中可知，汽油启动阶段，随着汽油迅速着火燃烧后，甲烷的含量迅速降低直至消耗完全，此阶段燃烧过程不稳定，所以CO2，NOx以及CO的含量变化范围偏大.随着汽油燃烧过程的进行，NOx，CO和CO2的排放浓度降低.随着汽油燃烧逐渐达到稳定阶段，燃烧污染物排放达到稳定状态.

图5 喷入汽油后各测点温度变化

图6 喷入汽油后各烟气污染物排放浓度变化

3 结束语

为探索汽油在多孔介质中的着火特性，本文将汽油在新型液体燃料多孔介质燃烧实验装置上进行实验，结果表明：甲烷能够迅速着火，并开始燃烧，随着燃烧时间增加，甲烷燃烧火焰逐渐向上游传播，预热温度和污染物排放逐渐趋于稳定；汽油雾化液滴能够在预热多孔介质内实现迅速着火，各点温度迅速升高，并逐渐趋向于稳定；CO，CH等污染物排放在汽油启动时迅速升高，随后逐渐降低，并逐渐到达稳定状态，形成稳定燃烧，为深入研究液体燃料在多孔介质中的高效清洁燃烧提供基础.

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[2]ZHDANOK S, LAWRENCE A, KOESTER G. Superadiabatic combustion of methane air mixtures under filtration in a packed bed [J]. Combust and Flame, 1995, 100(1): 221-231.

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[5]KAPLAN M, HALL M J. The combustion of liquid fuels within a porous media radiant burner[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1995, 11(1): 13-20.

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[7]VIJAYKANT S，AGRAWAL A K. Liquid fuel combustion within silicon-carbide coated carbon foam[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2007, 32(1):117-125.

[8]刘宏升.基于多孔介质燃烧技术的超绝热发动机的基础研究[D].大连:大连理工大学，2008.

[9]王关晴，罗丹，黄雪峰，等．一种液体燃料多孔介质燃烧装置及其燃烧方法:2010101763492[P].2010-05-18.

Research on Gasoline Ignition Characteristics in Porous Medium

DING Shigao, WANG Guanqing, XU Yulong, XU Jiangrong

(InstituteofEnergy,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

The ignition characteristics of the gasoline were experimentally investigated in a novel type of the liquid fuel combustion device by preheating the combustion chamber with the methane gas combustion. Based on discussing the preheating process of the methane combustion, the ignition of the gasoline was analyzed, the stability of the testing temperatures and the emissions were confirmed. The results showed that the methane combustion could be ignited fast, preheated the porous media combustion chamber, and formed a stable preheating temperature profiles. The spray droplet of the gasoline was ignited fast in the preheated porous burner. The combustion temperatures gradually increase, the emissions gradually reduce, and the stable temperature profiles and emissions are finally obtained, which confirms the feasibility of the gasoline combustion in porous media.

porous media combustion; liquid fuel; ignition characteristics

10.13954/j.cnki.hdu.2016.06.014

2015-12-03

浙江省自然科学基金资助项目(LY15E060007，Y1090313)

丁士高(1990-)，男，安徽安庆人，硕士研究生，多孔介质燃烧技术.通信作者：王关晴副教授，E-mail：gqwang@hdu.edu.cn.

TK16

A

1001-9146(2016)06-0066-05