第3期（总第230期） 2017年6月
车用发动机 VEHICLE ENGINE
No.3(Serial No.230)
Jun.2017
掺混甲烷对乙烯层流预混火焰炭烟形貌的影响
李若昕，林柏洋，顾浩，林赫
（上海交通大学内燃机所，上海200240）
摘要：针对掺混甲统的乙烯层流火始中的炭烟颗粒从形貌角度进行了研究，构建了具有相同当量比（2.07)、火始温度、气体流速的层流预混乙烯火焰和掺混甲烷的乙炼火焙，并各自选取了3个高度进行热泳探针取样，采用 TEM和AFM方法对各个工况的炭烟颗粒粒径分布、平均粒径、平均体积当量球径进行了对比。发现少量的甲烷掺混会今乙烯火始中炭烟题粒的尺寸变大，而当甲烷掺混量变多时该现象消失。而通过对题粒的圆度、球度和分形维数计算和分新，发现即使是很小的颗粒电具有相似的不规则形状，这一现象广泛存在于各种火始和各种大小的颗粒中，不受掺混比的影响，升且越大的颗粒结构越松散。
关键词：炭烟；形貌；热泳探针；取样；协同效应 DOI: 10.3969/j.issn,1001-2222,2017.03.003
中图分类号：TK411.2
文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2017)03-0014-06
由化石燃料燃烧所产生的碳颗粒排放会对全球气候、空气质量和人类健康产生严重危害(1-3)，20世纪90年代以来，燃烧过程炭烟颗粒的生成机理一直是研究的热点。由Frenklach等人提出的Hydro-gen-Abstraction-Carbon-Addition(HACA)机理(+-) 已被广泛认可，并成为炭烟生成模型的基础理论之一。该理论认为，大分子碳氢燃料在燃烧时会在极短的时间内裂解成小分子碳氢化合物如乙烯、丙烷等并进行脱氢加碳反应，然后不断地凝并和聚合，最终形成以芳香族为核心的炭烟颗粒[8.19]。由此可见，对乙烯等小分子燃料的燃烧成烟过程进行研究是研究大分子混合燃料燃烧过程中炭烟的生成机理的基础。
在以前的小分子燃料研究中，有学者发现燃料掺混会对层流扩散火焰的成烟过程造成影响[$-10]，也有人对苯、甲烷等燃料对PAHs生成所造成的影响进行研究[]。其中，Chung等人通过对炭烟体积分数和数密度的测量，发现甲烷掺混对乙烯火焰中炭烟的生成有一定的促进作用，并将这种自身成烟趋势小、掺混后却能够促进成烟的燃料掺混起到的促进作用称之为协同效应（synergisticeffect)[9-11]。 CanShao在随后的研究中通过SMPS(扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪)对甲烷掺混量在协同效应中的作用进行了研究，并在模拟中探讨了掺混对成烟的
收稿日期：2016-12-13，修回日期：2017-03-10
影响，认为当甲烷掺混量变大时反而会令协同效应消失[12]。由于目前SMPS主要采用基于理想球形假设(假设炭烟颗粒为球状)的模型计算方法计算颗粒的体积分数，计算精确度与颗粒的真实形貌有很强的关联性[16.20]。因此，本研究将从形貌角度对甲烷掺混对成烟的影响进行分析，研究甲烷掺混所产生的协同效应对形貌方面产生的影响。
炭烟颗粒形貌研究的主要目的是从粒径和相应的几何参数人手，为炭烟模型的建立和修改提供形貌上的数据和参考[16]。在常见的形貌研究中， TEM（透射电子显微镜）是广为使用的方法之二[18.2-25]，可以有效地观测纳米级颗粒。AFM（原子力显微镜)由于能够获得颗粒的三维形貌，也成为了研究的重要手段(16-21-2]。本研究结合TEM和 AFM技术对乙烯掺混甲烷火焰中的炭烟形貌进行研究，探究甲烷掺混对乙烯火焰中炭烟形貌的影响规律。
1试验设备和方法
试验系统见图1，左图为燃烧器示意，右图为热泳取样装置示意。试验采用的燃烧器为自主设计的类McKenna预混火焰燃烧器，燃料气体、氧气和氢气组成的混合气经由下部进人，由压铸合金多孔材料整流后燃烧产生均匀的一维火焰，外圈通过氮气
作者简介：李若昕（1990—），男，硕士，主要从事火焰中炭烟颗粒的形貌分析的相关工作；liruoxin1234@sina,cn。