多次喷射策略下生物柴油对发动机燃烧与排放影响的数值计算研究

摘要

生物柴油作为一种清洁可再生能源与石化柴油物性参数相似，是石化柴油的良好替代品，应用生物柴油对解决能源短缺和环境污染的问题具有重大意义。本文构建了柴油-生物柴油混合燃料的化学反应机理，并将三维CFD数值模拟与化学反应机理耦合，结合柴油机台架试验，进行了不同比例掺混生物柴油、预喷射策略、后喷射策略下柴油机燃烧和排放生成过程的数值仿真计算，研究了多次喷射的喷油策略下柴油-生物柴油的混合燃料对柴油发动机燃烧性能和排放性能的影响。
　　本文首先对正庚烷详细机理进行了简化，并在此基础上添加了癸酸甲酯-癸酸九酯简化机理、GRI-NOx机理、PAH简化机理，最终构建了包含82组分、314个基元反应的正庚烷-癸酸甲酯-癸酸九酯的简化机理来代替柴油-生物柴油，并结合试验数据对简化机理的合理性进行了验证。
　　通过对纯柴油以0、10％、20%、50%的比例掺混生物柴油的混合燃料进行三维数值模拟，研究掺混比例对柴油机燃烧和排放性能产生的影响，得到以下结论：放热率峰值随生物柴油掺混比例的增加而逐步降低，放热也逐渐延迟；NOX的排放随掺混比例升高而逐渐降低，其中NO集中在高温区域(T≥1700K)生成，NO2集中在中高温区域(1000K≤T≤1700K)，N2O含量较小且受掺混比例影响不大；碳烟排放随掺混比例升高而降低，且碳烟在被氧化过程中OH起主要作用。
　　计算研究了多次喷射策略对燃用B20的柴油机燃烧和排放性能的影响，结果表明：预喷射使缸内燃烧放热趋于平缓；碳烟和NOX排放均相比单次喷射大幅上升,且均随预主喷间隔角增大而减小，随预喷油量增加而大幅增加；后喷射使NOX排放略微恶化，且受后喷射参数变化影响不大；后喷射的加入使碳烟大幅降低，主后喷间隔角在10℃A以上20℃A下、后喷油量不超过6mg时最有利于降低碳烟排放。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 生物柴油研究概述

1.3 柴油机新型燃烧方式概述

1.4 本课题的主要研究内容

2 数值计算理论与模型

2.1 基本控制方程

2.2 湍流模型

2.3 喷雾与雾化模型

2.4 燃烧模型

2.5 NOX和碳烟排放模型

2.6 本章小结

3 生物柴油混合燃料详细化学反应动力学机理

3.1 机理简化方法理论基础

3.2 正庚烷简化机理的构建及验证

3.3 生物柴油-柴油简化机理的构建及验证

3.4 本章小结

4 生物柴油混合燃料对燃烧与排放影响的数值模拟研究

4.1 试验台架概述

4.2 试验仪器

4.3 燃料性质

4.4 三维数值模型的建立与计算验证

4.5 混合燃料中生物柴油掺混比例对燃烧与排放的影响

4.6 本章小结

5 多次喷射策略下生物柴油混合燃料对燃烧和排放影响的计算研究

5.1 预喷射对混合燃料燃烧和排放的影响

5.2 后喷射对混合燃料燃烧和排放的影响

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究创新点

6.3 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2