生物柴油喷雾特性与NOx排放控制的研究*

摘要

生物柴油是一种优良可再生的柴油代用燃料,是国内外热点研究的代用燃料之一。因为生物柴油原料来源的多样性,所以其理化特性与石化柴油存在显著的不同,其中物性差异是引起燃料在雾化蒸发特性和自燃特性上差异的因为。此外,虽然生物柴油发动机常规排放有所改善(NOx除外),但是目前法规未进行限制的非常规排放物特性也不相同,这也是目前需解决的问题。本文针对生物柴油的喷雾燃烧特性、排放特性进行了研究,主要工作内容及结论如下:
　　 1.首先运用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量系统对生物柴油、0＃柴油及其不同比例调合油的喷雾场进行测量,研究了生物柴油及其调合油的雾化特性,得到了生物柴油和0＃柴油及其不同比例调合油喷雾场油滴的速度矢量分布和油滴粒径分布。结果表明:在油束的核心区过后,喷孔直径对雾化影响比较大；小孔径的生物柴油雾化效果好；生物柴油雾化效果比0＃柴油差,表现为索特平均直径较大；油泵转速高,生物柴油液滴的脉动速度和索特平均直径就小。
　　 2.基于高压共轨系统和定容弹比较了棕榈油生物柴油、麻疯树生物柴油和0＃柴油的喷雾特性。利用高速摄影机在定容弹内研究了喷雾贯穿距离,喷雾锥角,喷雾体积等宏观的喷雾特性。燃油喷射压力分别是60MPa、90MPa、120MPa、150MPa,周围环境气体(氮气)的密度分别是12.60 kg／m3、24 kg／m3、35.6 kg／m3。结果显示:在相同的条件下,柴油的喷雾体积等喷雾几何参数比棕榈油生物柴油和麻风树生物柴油的要大。为了达到相同的喷射雾化程度,在相同喷射压力和喷射环境密度的条件下,柴油的喷射时间是最少的。
　　 3.运用喷雾燃烧多功能动态可视化试验装置,对生物柴油和0＃柴油的喷雾燃烧机理进行了对比试验。研究结果表明:生物柴油的喷油时刻较早,着火时刻提前,在早期预混燃烧阶段的燃烧速度大于0＃柴油,而在扩散燃烧阶段的燃烧速度比0＃柴油低。通过分析不同比例的混合燃料和喷油压力对生物柴油喷雾燃烧过程的影响,结果表明:混合燃料喷油始点、着火时刻均有所提前,B5混合燃料的最高燃烧压力比0＃柴油高且出现稍早；随着喷油压力的提高,燃烧持续期相应缩短。
　　 较高十六烷值的大豆油甲酯(SME)的滞燃期比0＃柴油约短10％左右,而与0＃柴油十六烷值相当的地沟油甲酯(WOME)的滞燃期则比0＃柴油长5％。生物柴油混合燃料的滞燃期随着混合比的增加呈现先减小后增大的趋势,这是较高十六烷值引起的化学滞燃期的降低和较差的雾化蒸发特性引起的物理滞燃期的增加共同作用的结果。同时表明在着火白燃特性上,化学特性(高十六烷值)对着火提前的影响高于物理特性(高黏度)对雾化不利的影响。
　　 4.为了降低生物柴NOx排放,开展了燃料改质(微乳化法)的研究。燃料改质(微乳化法)是进行燃料重新设计的方法之一,它不但可以降低生物柴油NOx排放,而且是实现节能减排的重要途径。同时研究了微乳化生物柴油对发动机性能和排放的影响。结果表明:在保持YZ4102ZLQ柴油机转速和功率不变的前提下,微乳化生物柴油的燃油消耗率及热效率根据工况不同而发生变化；微乳化生物柴油能显著地降低NOx和烟度排放但HC和CO排放量升高。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 生物柴油的研究现状及发展趋势

1.1.1 引言

1.1.2 生物柴油的国内外发展现状与趋势

1.1.3 生物柴油的制备和性质

1.2 生物柴油喷雾特性研究

1.2.1 生物柴油的特性研究

1.2.2 生物柴油的喷雾试验研究

1.2.3 生物柴油的喷雾模拟

1.3 柴油机排放控制技术的研究进展

1.3.1 排放法规

1.3.2 NOx排放控制技术

1.4 生物柴油在柴油机上的应用研究

1.4.1 经济性和动力性

1.4.2 生物柴油的燃烧与排放特性

1.5 课题的研究意义和内容

第二章 生物柴油的理化特性和组分分析

2.1 理化特性分析

2.2 组分检测与分析

2.2.1 气相色谱厂质谱试验

2.2.2 试验结果分析

2.3 影响NOx因素分析

2.3.1 双键的数量和位置

2.3.2 十六烷值

2.3.3 含氧量

2.3.4 弹性模量

2.4 本章小结

第三章 基于相位多普勒粒子分析仪的生物柴油喷雾特性试验研究

3.1 燃油雾化机理和PDPA喷雾测量的基本结构

3.1.1 燃油雾化机理的研究

3.1.2 PDPA喷雾测量的基本结构

3.2 生物柴油PDPA喷雾测量的试验装置及方案

3.2.1.试验装置

3.2.2 试验方案

3.3 生物柴油PDPA喷雾测量的结果

3.3.1 网格的布置

3.3.2 B0～B80喷雾测量的结果

3.3.3 生物柴油(B100)喷雾测量的结果

3.4 生物柴油PDPA喷雾测量结果分析

3.4.1 喷孔物理参数对喷雾效果的影响

3.4.2 喷射变量参数对喷雾效果的影响

3.4.3 不同燃油对喷雾效果的影响

3.5 本章小结

第四章 基于高压共轨喷射系统的生物柴油喷雾特性研究

4.1 高压共轨系统喷雾测试平台介绍

4.1.1 高压共轨喷油系统

4.1.2 喷油器

4.1.3 定容弹

4.1.4 高速摄像系统

4.2 基于MATLAB多孔喷雾图像处理程序开发

4.2.1 程序开发背景

4.2.2 多孔喷雾图像处理软件的开发设计

4.2.3 多孔喷雾图像自动处理软件功能的实现

4.2.4 多孔喷雾图像GUI可视化处理程序设计

4.3 研究所用生物柴油的物化特性

4.4 研究试验条件

4.5 试验结果

4.5.1 喷射压力对燃料喷雾特性的影响

4.5.2 喷射环境气体密度对喷雾特性的影响

4.5.3 燃料特性对喷雾特性的影响

4.6 本章小结

第五章 生物柴油喷雾燃烧试验研究

5.1 试验装置

5.2 生物柴油与0#柴油喷雾燃烧过程比较

5.2.1 喷油和着火过程分析

5.2.2 燃烧过程分析

5.3 不同参数对生物柴油喷雾燃烧特性的影响

5.3.1 不同比例的生物柴油喷雾燃烧特性

5.3.2 喷油压力对生物柴油喷雾燃烧特性的影响

5.4 本章小结

第六章 燃用微乳化生物柴油以降低NOX排放

6.1 燃油制备及特性

6.1.1 试剂和仪器

6.1.2 制备方法

6.1.3 燃料的主要理化特性

6.2 发动机性能试验

6.2.1 试验设备

6.2.2 试验方案

6.2.3 发动机经济性分析

6.3 发动机排放试验

6.3.1 NOx的排放

6.3.2 HC的排放

6.3.3 CO的排放

6.3.4 碳烟的排放

6.4 燃烧放热规律的试验分析

6.4.1 试验方案

6.4.2 气缸压力采集系统

6.4.3 微乳化生物柴油与生物柴油燃烧放热规律比较

6.5 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

致谢

发表论文及参加科研情况说明

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专利:

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承担主要项目:

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