车用柴油机ABE-柴油混合燃料燃烧和排放特性研究

摘要

生物发酵法制取的ABE（Acetone-Butanol-Ethanol）用于内燃机可改善燃烧和降低排放。ABE直接作为内燃机替代燃料可简化燃料后处理工艺，降低生产成本。目前ABE相关研究集中在试验研究，相关的模拟研究较少，且ABE/柴油掺混比对碳烟尺寸分布的影响更鲜有报道。本文构建ABE-正庚烷简化机理，将该机理与FORTE软件耦合模拟ABE-柴油混合燃料的缸内燃烧过程，并在柴油机上燃用ABE-柴油混合燃料时负荷和喷油正时对碳烟尺寸分布特性的影响进行试验研究。 本文首先基于详细的PRF(Primary Reference Fuel)机理，构建出包含碳烟前驱物生成的ABE-正庚烷简化机理，并验证其有效性。研究结果表明，ABE-正庚烷简化机理能较好地预测丙酮、正丁醇、乙醇和正庚烷的着火滞燃期、重要中间产物和碳烟前驱物的生成及缸内压力的变化情况。 其次，由于FORTE软件燃料库中缺乏丙酮的物性参数，为此在现有燃料数据库中选择出与丙酮物理性质相似的物质进行代替。综合分析发现，所选取的甲基叔丁基醚用于表征燃油喷雾特性的物理性质与丙酮最为接近。将简化机理、甲基叔丁基醚的物性参数与FORTE软件耦合，构建出柴油机燃用ABE-柴油混合燃料的仿真平台。 在定容燃烧弹和四缸柴油机上，对ABE-柴油混合燃料的喷雾及缸内燃烧过程进行计算，并与试验数据进行对比。研究结果表明，在不同环境温度和氧浓度下，计算得到的喷雾贯穿距、燃烧压力和放热率与试验值整体吻合较好；并可定性地预测soot、 xNO和UHC的生成趋势。 然后，在1800r/min、50%负荷下，利用所建立的仿真平台研究ABE组分比例和ABE与柴油掺混比对缸内燃烧过程和排放特性的影响。研究结果表明：相对于纯柴油，不同ABE组分比例（A:B:E=3:6:1,6:3:1和0:9:1）的混合燃料均导致着火延迟，其中ABE20(6:3:1)延迟较多；此外，掺混ABE后均引起CO、UHC和 xNO排放升高，soot降低，且ABE20（6:3:1）的soot排放降低最多。随ABE掺混比的升高，放热延迟，压力峰值先降后升；CO和UHC的排放整体上增加，而 xNO排放则先升后降，soot排放持续降低。 最后基于柴油机试验台架，着重研究不同负荷和喷油正时对颗粒尺寸分布特性的影响。研究结果表明，在中低负荷时，燃用ABE10和ABE20可明显降低soot PNC(Particle Number Concentration)和PMD(Particle Mass Density)。在低负荷时，ABE20的soot PNC降低较多；在中负荷时，ABE10的soot PNC和PMD降低较多；在高负荷时，燃用ABE10和ABE20的soot排放大幅度地增长。但相比于纯柴油，ABE10的soot排放降低，而ABE20却增加，ABE10和ABE20的soot颗粒核模态增加，而其积聚模态PNC却降低。此外，在中低负荷时，ABE10的GMD（Geometric Mean Diameter）最大。在高负荷时，ABE20的GMD最大。 相比于纯柴油，ABE10和ABE20的PNC和PMD均大幅度降低；对于ABE10和ABE20，晚喷条件下ABE20的核模态和积聚模态（50nm~150nm）的soot PNC和PMD均较高，而积聚模态（150nm~1000nm）却降低；早喷条件下ABE20的核模态PNC和PMD较高，积聚模态的颗粒物浓度随粒径的增大趋于一致，但仍略微降低；相比于纯柴油，ABE10和ABE20的soot颗粒GMD较低；对比ABE10和ABE20，soot颗粒GMD随喷油正时的变化规律不清晰。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与研究方法

第2章 ABE-正庚烷简化机理研究

2.1 选用的详细机理

2.2 化学机理简化方法

2.3 机理简化过程

2.4 ABE-正庚烷简化机理验证

2.5 本章小结

第3章 ABE-柴油混合燃料喷雾和缸内燃烧过程数值模拟

3.1 基本控制方程及主要数学模型

3.2 ABE-柴油混合燃料喷雾模拟

3.3 ABE-柴油混合燃料缸内燃烧过程数值模拟

3.4 本章小结

第4章 燃料比例对发动机燃烧和排放特性的影响

4.1 ABE组分比例对柴油机燃烧和排放特性的影响

4.2 ABE掺混比例对柴油机燃烧和排放特性的影响

4.3 本章小结

第5章 负荷和喷油正时对柴油机燃烧和排放特性影响的试验研究

5.1 试验台架及试验策略

5.2 负荷对柴油机燃烧和排放特性的影响

5.3 喷油正时对柴油机燃烧和排放特性的影响

5.4 本章小结

第6章 结论

6.1 全文总结

6.2 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