柴油机燃用不同结构含氧燃料的燃烧过程及数值模拟

摘要

乙醇和生物柴油作为含氧燃料，在替代能源领域已获得广泛关注。围绕含氧燃料各异的理化特性，并结合化学反应动力学模拟，研究混合燃料的燃烧特性及排放物生成历程具有重要的应用价值。
　　首先，设计并配制不同混合比例性能稳定的乙醇-生物柴油-柴油混合燃料EBD1（乙醇0％、生物柴油20％、柴油80％）、EBD2（乙醇10％、生物柴油20％、柴油70％）以及EBD3（乙醇25％、生物柴油20％、柴油55％），实测或依据经验公式计算了3种混合燃料的理化特性参数。
　　其次，对生物柴油及3种混合燃料进行了热重差示扫描量热法试验研究。结果显示:生物柴油作为一种混合酯，在不同氛围下都呈现出与其主要单酯组分(C16∶0、C18∶0、C18∶1)相类似的热流峰形、挥发及氧化特性，所占比例较大的组分对生物柴油燃料总体的特性起着关键性的作用。3种混合燃料不同氛围下的终了失重温度与失重持续期较长的生物柴油组分相差不大，乙醇的掺混致使EBD2和EBD3的挥发和氧化热重曲线均呈现出向低温区偏移的趋势。燃料在热重条件下的挥发与氧化特性的差异可为其在发动机缸内的蒸发及燃烧过程的比较提供参考。
　　然后，选定标定工况研究混合燃料的燃烧排放特性。以柴油为参照，柴油机燃用3种混合燃料时缸内压力均略有降低，EBD1峰值压力出现位置提前约1℃A，而乙醇的加入使EBD2和EBD3压力峰值略有滞后;3种混合燃料对应放热率曲线峰值均低于纯柴油。随生物柴油以及乙醇掺混比例的增加，混合燃料的放热率峰值呈现不同程度的下降。随混合燃料含氧量的增加，烟度排放下降趋势明显，NOx排放有不同程度的增加。而HC和CO排放在较大负荷下均有不同程度的下降，但在较小负荷下则略有上升。
　　最后，结合Chemkin化学动力学软件对醇-酯-柴油混合燃料的燃烧过程中排放物（CO和NOx）的生成历程进行模拟研究。构建混合燃料正庚烷-乙醇-葵酸甲酯燃烧过程化学动力学反应机理模型，并对模拟得到的缸内压力与实测数据相验证。基于化学反应动力学机理分析，混合燃料中生物柴油组分在脱氢反应、二次加氧反应产生较多的OH·活性基团，使着火燃烧过程更早进行，较合适的燃烧相位使燃烧室呈现的高温及含氧燃料增强的氧氛围，使NOx生成量增加。而乙醇的掺混部分抑制了活性基团OH·的生成，使燃烧过程相对滞后，缸内温度下降，一定程度上抑制了NOx生成，但随着掺混比例的增大，更强的氧化氛围致使NOx排放增加。CO的形成同样受化学反应动力学控制，EBD1燃烧过程因生物柴油组分产生更多的OH·，促使CO氧化成CO2，而乙醇的加入使EBD2和EBD3的燃烧过程温度更低，不利于OH·的生成，因而不利于CO继续氧化成CO2，而表现为CO排放上升。由此可见来源于生物柴油的羰基的氧和乙醇羟基的氧，由于其燃料自身的结构的特性，最终对燃烧过程及燃烧产物产生不同的影响。
　　本文在柴油机上燃用了几种不同组分及比例的含氧混合燃料，并建立化学反应动力学模型，模拟分析了混合燃料燃烧过程及CO和NOx排放物的生成历程，对不同结构含氧燃料在发动机上的应用以及相应的排放控制具有重要的意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 含氧混合燃料的研究

1．2．1 乙醇柴油的应用研究

1．2．2 生物柴油的应用研究

1．2．3 乙醇-生物柴油-柴油混合燃料研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 混合含氧燃料的理化特性研究

2．1 燃料的组成和分子结构

2．2 混合含氧燃料的制备

2．2．1 乙醇在柴油中的溶解度试验

2．2．2 乙醇-生物柴油-柴油混合燃料的配制

2．3 混合含氧燃料的理化特性

2．4 混合含氧燃料的稳定性

2．5 本章小结

第三章 柴油及含氧燃料的热重分析

3．1 热分析方法及热重实验设备

3．1．1 热分析方法简介

3．1．2 热重分析仪简介

3．2 影响热重曲线的因素

3．3 燃料的热分析特性

3．3．1 生物柴油主要组分的挥发、热解特性研究

3．3．2 生物柴油主要组分的氧化失重特性

3．3．3 生物柴油不同氛围下的特性研究

3．3．4 混合燃料的挥发、热解失重特性

3．3．5 混合燃料的氧化失重特性

3．4 本章小结

第四章 柴油机燃用混合含氧燃料的燃烧过程与排放特性

4．1 实验设备及仪器

4．2 试验燃料及实验方案

4．2．1 试验用燃料

4．2．2 实验方案

4．3 试验结果分析

4．3．1 混合含氧燃料的燃油经济性

4．3．2 混合含氧燃料的燃烧特性

4．3．3 混合含氧燃料的排放特性

4．4 本章小结

第五章 燃料燃烧及中间产物变化过程的数值模拟

5．1 柴油燃烧过程的模拟

5．1．1 正庚烷的主要反应路径

5．2 乙醇柴油的反应路径以及相关中间产物变化

5．3 乙醇-生物柴油-柴油混合燃料的燃烧过程模拟

5．3．1 不同含氧量混合燃料的燃烧特性

5．3．2 主要组分以及反应中间产物变化

5．3．3 NO形成历程分析

5．3．4 CO的形成历程分析

5．4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文