柴油机燃用甲醇/生物柴油混合燃料的试验研究和数值模拟

摘要

为了降低柴油机的有害排放，缓解国内柴油短缺的现状，有必要开展清洁的柴油代用燃料的研究。生物柴油的理化特性与柴油相近，可再生，可以降低柴油机的HC、CO和碳烟排放，但NOx排放较高。甲醇的汽化潜热较大，密度和粘度较低，掺入生物柴油中有助于改善混合燃料的雾化性能。为了探讨甲醇/生物柴油混合燃料对柴油机燃烧过程和排放性能的影响，有必要开展甲醇/生物柴油混合燃料的研究工作。
　　 为了研究甲醇/生物柴油混合燃料的理化特性，按照甲醇质量掺混比5％、10％、15％，配制了三种甲醇与生物柴油的混合燃料。测量了生物柴油、三种不同甲醇掺混比的甲醇/生物柴油混合燃料的密度、粘度、闪点、冷滤点和凝点，计算了几种混合燃料的含氧量、低热值和十六烷值。结果表明，随着甲醇掺混比的提高，甲醇/生物柴油混合燃料的含氧量逐渐升高，密度、粘度、十六烷值、低热值、冷滤点和凝点逐渐降低；甲醇的掺混比由5％提高到15％，混合燃料的闪点降至28℃—29℃；
　　 为提高甲醇/生物柴油混合燃料的十六烷值，分别向掺混15％甲醇的混合燃料中添加了质量比为0．25％、0．50％、0．75％的十六烷值改进剂过氧化二叔丁基(Di—Tert—Butyl Peroxide，简称DTBP)。获得了添加0．75％DTBP的混合燃料的主要理化数据。结果表明，添加0．75％的DTBP，掺混15％甲醇的混合燃料十六烷值提高4．9—6个单位，密度、粘度、闪点、冷滤点、低热值、含氧量等理化参数基本不变。
　　 在一台186FA柴油机上，开展了燃用生物柴油和甲醇/生物柴油混合燃料的动力性、经济性和排放性能试验研究，分析了甲醇和DTBP的掺混比对柴油机动力性、经济性和排放性能的影响规律。结果表明，调速手柄位置相同，转速不变时，随着甲醇掺混比的提高，柴油机输出的功率逐渐降低；添加DTBP可以部分恢复因掺烧甲醇而降低的功率；在转速和功率保持一定的情况下，随甲醇掺混比的提高，柴油机的比能耗增加，中小负荷时尤为明显，添加DTBP可以有效地降低小负荷时的比能耗；生物柴油掺混甲醇提高了混合燃料的汽化潜热和含氧量，降低了燃料的十六烷值，柴油机的NOx和碳烟排放同时降低，CO和HC排放有所升高；添加DTBP可以逐步恢复混合燃料的自燃着火性，随着DTBP掺混比的提高，混合燃料的滞燃期缩短，柴油机的NOx、CO和HC排放同时降低，排气烟度升高。
　　 运用AVL—FIRE2008软件，建立了186FA柴油机燃用生物柴油和掺混15％甲醇的混合燃料的缸内燃烧模型。通过NOx、soot等参数的计算和试验结果对比，验证了计算模型的正确性。探讨了生物柴油掺烧15％的甲醇对柴油机缸内喷雾特性、燃烧特性以及对NOx和soot排放的影响。计算结果表明，与燃用生物柴油相比，生物柴油掺烧15％的甲醇，油束的喷雾贯穿距离缩短，油滴索特平均直径减小，喷雾形态更为饱满；燃料的放热始点对应的相位后移，滞燃期延长，缸内最大爆发压力降低，最大压力升高率和最大放热率升高，对应的相位后移，缸内最高平均温度基本不变，温度场内的高温区域缩小；燃料的耗氧量增加，O2浓度场中的低浓度区域扩大；NOx和soot的平均浓度降低，浓度场中的高浓度区域均明显缩小。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 甲醇和生物柴油

1.2.1 甲醇

1.2.2 生物柴油

1.3 甲醇、生物柴油在柴油机上的研究

1.3.1 燃用方法

1.3.2 喷油雾化过程

1.3.3 燃烧过程和排放性能

1.3.4 数值模拟

1.4 主要研究工作

第二章 甲醇/生物柴油混合燃料的理化参数

2.1 甲醇、生物柴油的理化参数

2.2 甲醇/生物柴油混合燃料的理化参数测量与分析

2.2.1 密度、粘度

2.2.2 含氧量、低热值

2.2.3 十六烷值

2.2.4 闪点、冷滤点和凝点

2.3 本章小结

第三章 试验方案与结果分析

3.1 试验设备与方案

3.1.1 试验用柴油机

3.1.2 测试台架和仪器

3.1.3 试验方案

3.2 掺混比对柴油机性能的影响

3.2.1 动力性

3.2.2 经济性

3.2.3 NOx排放

3.2.4 CO排放

3.2.5 HC排放

3.2.6 碳烟排放

3.3 DTBP对柴油机性能的影响

3.3.1 动力性

3.3.2 经济性

3.3.3 NOx和碳烟排放

3.3.4 CO和HC排放

3.3 本章小结

第四章 缸内燃烧过程数值模拟

4.1 计算模型

4.1.1 计算网格

4.1.2 初始条件和边界条件

4.1.3 计算子模型

4.1.4 模型验证

4.2 模拟结果与分析

4.2.1 喷雾过程

4.2.2 燃烧过程

4.2.3 NOx和soot排放

4.3 本章小结

第五章 全文工作总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文