2,5-二甲基呋喃/柴油混合燃料燃烧和碳烟颗粒物生长演变研究

摘要

石化能源危机和环境污染问题是当前政府、学术界和工业界共同关注的焦点，也是亟待解决的难点。对柴油机而言，发展高效清洁代用燃料和建设能源多元化供应体系，可以缓解能源消耗、降低污染物排放。此外，柴油机排放碳烟颗粒物对环境和人体健康危害极大，而由于其复杂的生长演变过程，碳烟生成机理一直是燃烧界的研究热点。2,5-二甲基呋喃（DMF）作为第二代生物质含氧燃料，在缓解能源消耗和降低碳烟排放方面已展现出良好的效果和适用性，目前越发受到内燃机界的关注。因此，本文以DMF/柴油混合燃料为研究对象，采用试验和理论相结合的研究方法，探究了DMF掺混对柴油燃料燃烧和碳烟颗粒物生长演变过程的影响。 首先，论文开展了不同负荷、喷油时刻和EGR工况下DMF掺烧的柴油机台架试验研究，结果表明：（1）DMF掺混有利于改善柴油机燃烧，但大比例掺混时，会面临压升率高或燃烧恶化等问题；（2）DMF掺混有利于减少颗粒物的总质量浓度和平均直径，但会提高颗粒物总数量浓度；（3）DMF掺混有利于减少团状、絮状形式存在的颗粒物，减少基本碳粒子之间的堆积，使得颗粒的结构紧密程度降低，基本粒子碳层排列的有序性减弱。 其次，论文开展了数值模拟研究，深入揭示DMF/柴油混合燃料燃烧和碳烟颗粒物生长演变规律，其主要内容为：（1）采用多级机理简化策略和机理“解耦”思想，构建了涉及四环芳香烃组分生成的正庚烷/甲苯/DMF三元燃料简化化学反应机理，包含99种组分和395步反应，并利用滞燃期、组分浓度、火焰传播速度和HCCI燃烧等试验数据对其进行了广泛验证；（2）采用燃料特性预测和试验值拟合的方法，获得了DMF以及不同比例DMF/柴油混合燃料的热物性参数；（3）结合三元燃料简化机理，构建了混合燃料燃烧的碳烟模型，其中选取了芘分子作为成核和表面沉积组分，标定了成核、表面沉积和OH氧化的反应速率；（4）利用KIVA-CHEMKIN计算代码，耦合简化机理、混合燃料热物性参数和碳烟模型，搭建了多维数值计算平台，进行了混合燃料定容燃烧弹和发动机喷雾燃烧和碳烟颗粒物生长演变过程的模拟计算。 通过数值研究获得的主要结论为：（1）构建的正庚烷/甲苯/DMF三元燃料简化机理能够预测较宽范围内的燃料滞燃期、组分浓度、层流火焰传播速度和 HCCI燃烧过程；（2）数值计算平台可以准确预测定容弹中柴油火焰浮起长度、碳烟生成量及其分布区域，以及柴油发动机燃烧过程中PAHs分子和碳烟颗粒的生长演变规律，还可以很好地预测柴油与D30（70%柴油/30%DMF）燃料发动机燃烧和碳烟排放的变化趋势；（3）碳烟主要生成区域位于当量比大于1.5、火焰温度范围为1700～2000K位置，且位于芘分子浓度较高区域的上游，与乙炔主要生成区域保持一致；（4）环境氧浓度增加、喷油压力增大或喷孔直径减小，可增加火焰浮起长度，改善燃烧，降低碳烟生成量；（5）DMF掺混可以延长滞燃期，增加火焰浮起长度，减少浓混合气区域，同时提高系统中的氧含量，降低过浓区域的当量比，减少碳烟前驱物和碳烟生成来源。通过对DMF/柴油混合燃料燃烧和碳烟颗粒物生成过程以及工况参数对其影响的试验和理论研究，所得结论可有效指导实际柴油机燃烧效率提高和碳烟颗粒物排放控制，为新型燃料的应用提供理论依据和试验基础，对缓解能源危机和改善环境质量具有重要的理论价值和现实意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及课题来源

1.2 2,5-二甲基呋喃/柴油混合燃料国内外研究现状

1.2.1 2,5-二甲基呋喃理化特性

1.2.2 2,5-二甲基呋喃/柴油混合燃料试验研究现状

1.2.3 2,5-二甲基呋喃/柴油混合燃料数值模拟研究现状

1.3 柴油机燃烧碳烟颗粒物生成概述

1.3.1 柴油机排放颗粒物

1.3.2 碳烟生成机理研究

1.3.3 碳烟模型发展现状

1.4 当前研究存在的问题

1.5 本文的主要研究内容

第2章 发动机台架试验设备和数值模拟基础

2.1 发动机台架试验设备

2.2 化学反应动力学基础理论及模型

2.2.1 化学反应动力学基础理论

2.2.2 数学计算模型控制方程

2.3 多维数值模拟基础理论及模型

2.3.1 基本控制方程

2.3.2 湍流模型

2.3.3 喷雾破碎模型

2.3.4 液滴蒸发模型

2.3.5 燃烧化学反应计算模型

2.4 详细化学反应机理简化方法

2.5 本章小结

第3章 2,5-二甲基呋喃/柴油混合燃料发动机台架试验研究

3.1 混合燃料发动机台架试验方案

3.2 混合燃料发动机缸内燃烧特性分析

3.2.1 负荷对发动机燃烧特性的影响

3.2.2 喷油时刻对发动机燃烧特性的影响

3.2.3 EGR对发动机燃烧特性的影响

3.3 混合燃料发动机排放颗粒物的尺寸和质量分布分析

3.3.1 负荷对颗粒物尺寸和质量分布的影响

3.3.2 喷油时刻对颗粒物尺寸和质量分布的影响

3.3.3 EGR对颗粒物尺寸和质量分布的影响

3.4 混合燃料发动机排放颗粒物的微观形貌分析

3.5 本章小结

第4章 正庚烷/甲苯/2,5-二甲基呋喃三元燃料化学动力学研究

4.1 三元燃料化学动力学简化模型的构建方法

4.2 三元燃料化学动力学简化模型的构建过程

4.2.1 正庚烷/甲苯动力学模型的选取及分析

4.2.2 2,5-二甲基呋喃动力学模型的选取及简化

4.2.3 多环芳香烃动力学模型的选取及分析

4.2.4 三元燃料动力学简化模型的构建

4.3 三元燃料化学动力学简化模型的验证

4.3.1 滞燃期

4.3.2 层流预混火焰组分浓度

4.3.3 层流火焰传播速度

4.3.4 HCCI发动机燃烧

4.4 本章小结

第5章 2,5-二甲基呋喃/柴油混合燃料物性参数预测和碳烟模型构建

5.1 混合燃料物性参数预测

5.1.1 2,5-二甲基呋喃热力学参数估算

5.1.2 混合燃料热力学参数估算

5.2 混合燃料碳烟模型构建

5.3 多维数值计算平台的验证

5.3.1 定容燃烧弹燃烧和碳烟生成验证

5.3.2 发动机燃烧和碳烟生成验证

5.4 本章小结

第6章 2,5-二甲基呋喃/柴油混合燃料燃烧和碳烟生成数值模拟

6.1 模拟工况的选取

6.2 柴油燃料喷雾燃烧和碳烟生长演变过程分析

6.2.1 柴油定容燃烧弹的多维数值模拟

6.2.2 柴油发动机的多维数值模拟

6.3 运行工况参数对柴油喷雾燃烧和碳烟生成的影响分析

6.3.1 环境氧浓度

6.3.2 喷油压力

6.3.3 喷孔直径

6.4 混合燃料喷雾燃烧和碳烟生长演变过程分析

6.4.1 混合燃料定容燃烧弹的多维数值模拟

6.4.2 混合燃料发动机的多维数值模拟

6.5 本章小结

第7章 全文总结和工作展望

7.1 全文总结

7.2 论文主要创新点

7.3 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果