第6期（总第227期） 2016年12月
车用发动机 VEHICLE ENGINE
No 6 (Serial No 227)
Dec 2016
柴油-丁醇混合燃料喷雾火焰的两色法测试研究
石奇，李铁，张小卿，王斌，贺鹏飞
（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240）
摘要：基于两色法原理，可利用彩色高速相机测量喷雾火焰的温度和炭烟浓度（KL)二维分布的时间演变，
为先进票油机燃烧系统设计提供必要信息。通过使用单台彩色相机的两个独立感光通道，两色法测量装置得到大幅度简化。两色法的测试结果受多种因素影响，例如双波长的选择，带通滤片的透过性，光路的设置等，然而相关研究并不充分。本文在对两色法的测试不确定度及误差进行了分析和讨论之后，并对柴油丁醇混合燃科在不同环境氧体积分数下的火焰温度和炭烟浓度（KL)的时空分布进行了研究。
关键词：两色法；柴油；丁醇；混合燃料；火焰温度；炭烟 DOI: 10 3969/j issn 1001-2222 2016 06 016
文献标志码：B：
中图分类号：TK4212：
文章编号：1001-2222(2016)06-0083-07
20世纪70年代后期，日本学者Kamimoto， Matsui等人将两色法应用于柴油喷雾燃烧研究[]。两色法基于热辐射理论，通过测量火焰中两波长的绝对辐射强度，可同时计算出火焰的温度（T)和炭烟浓度（KL）。早期研究中[1-3}，研究者大多利用两组光电二极管测量两波长的辐射强度，但只能计算出火焰温度和炭烟浓度的平均值。随着图像技术的发展，黑白相机逐渐应用于两色法装置4]。试验时两台相机同步拍摄火焰，通过分析两张图片像素点的光强信息，可得到温度和炭烟浓度的二维分布。本课题采用单台彩色RGB高速相机，通过分析各像素点R，B两通道的光强信息，可有效进行两色法计算。与传统两色法光路系统相比，无需设置分光系统，大幅度简化了试验装置，
炭烟颗粒和氨氧化物（NO：）是发动机排放的两种主要污染物。研究表明5」，炭烟和NO：的生成与温度紧密相关。在传统高温燃烧方式中，NO，和炭烟的排放控制存在折中关系（trade-off）。通常，炭烟颗粒在火焰的燃料富集区大量生成。在当量比接近于1的高温区域，炭烟会被快速氧化，但 NO，会不可避免地大量生成。低温燃烧技术(LTC)具有同时降低炭烟和NO，生成的潜质[5]，是当前内燃机领域的研究热点之一。为探究低温燃烧与传统高温燃烧的区别，设置21%，18%，15%及
收稿日期：2016-09-01；修回日期：2016-12-08
12%4种氛围氧体积分数，以研究两种燃烧方式的特点。
正丁醇是一种可再生的生物质燃料，可由植物纤维和粮食通过发酵大量获得。正丁醇的理化特性（密度，黏度，十六烷值等)接近柴油，较容易与柴油均勾混合，并保持稳定。相关研究表明7-8」，在柴油中添加适量的正醇可同时减少炭烟和NO，的排放。然而，针对柴油-丁醇混合燃料喷雾火焰温度和炭烟浓度时空分布的相关研究较少，特别是其消烟作用的机理有待进一步解明。本研究应用两色法测试柴油-丁醇混合燃料喷雾火焰的温度与炭烟浓度
分布，旨在为解明其消烟作用机理提供支持， 1两色法原理
两色法的核心理论为普朗克定律，即黑体辐射强度是关于温度和波长的函数，表达式为
Ci
I.(a,T)=x(exp Ca/aT) -1)。式中：C和C。为普期克常数
(1)
火焰中炽热炭烟的辐射强度是单色发射率和黑体辐射强度的乘积，
I.(A,T)=I(>,T)=
Ci
eu x(exp( C2 /aT) -1) 。
(2)
在两色法计算中，需要引入亮度温度的概念：对
基金项目：国家自然科学基金项目（51276115/E060702）；科技部国际合作专项（2014DFG61320）
作者简介：石奇（1992—），男，硕士，主要研究方向为发动机喷雾燃烧及清洁排放；shiqi_sjtu@163eom，