生物柴油燃烧数值模拟及其在JX493柴油机上的应用研究

摘要

生物柴油是清洁的可再生能源，它的应用不仅能缓解日益严峻的能源危机，同时其燃烧产物中很多排放物的指标都要优于柴油。生物柴油与柴油在很多方面的性质都接近，可以直接将其应用在柴油机上，但其分子量和粘度的差别，使得燃料的喷雾效果变差，贯穿距离增加，这对燃烧有重要的影响。同时，生物柴油属于含氧燃料，其分子中的氧能改善燃烧，使得碳烟的排放量有所减少，但很多研究也发现加入生物柴油后，NO排放有所增加。
　　 本文通过模拟和实验的方法对JX493柴油机掺烧20％生物柴油的燃烧和排放特性进行了研究。实验部分选用了柴油和B20作为对比。实验结果表明生物柴油的加入使得气缸压力的最大值有所增加，对应的相位有所提前，这主要是由于生物柴油中所含的氧改善了燃料的局部缺氧，而生物柴油较短的滞燃期和由于自身不易压缩性带来的喷油提前都使得燃烧有前移的趋势。
　　 模拟部分分别选用了零维模拟软件CHEMKIN对生物柴油不同替代机理的滞燃期和氧化路径进行了分析;运用多维模拟软件FIRE对JX493柴油机燃用柴油和B20的喷雾和排放进行了对比，并分析了喷油时刻对排放的影响;利用FIRE和简化的丁酸甲酯机理进行了耦合化学机理的多维模拟计算，探讨了化学反应速率和湍流混合对生物柴油燃烧数值模拟的影响。得出，生物柴油的加入使得混合燃料的贯穿距离相比柴油更长，在喷油的初期燃料液滴直径更大。混合燃料的NO排放明显增加，通过减小1deg的喷油提前角，可以同时降低NO和碳烟排放。利用简化的丁酸甲酯机理ERC-mb，可以在保证结果准确性的情况下，使得对生物柴油的耦合计算变得简单易行，耦合模型考虑了不同燃料的燃烧化学机理和喷雾特性，同时对燃烧的中间产物也能做直观分析，可以更清楚的了解生物柴油在缸内的燃烧过程。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 我国生物柴油产业发展现状

1．3 生物柴油在柴油机上的应用研究

1．4 生物柴油燃烧数值模拟方法

1．5 本文研究主要内容及意义

第2章 生物柴油燃烧的化学动力学模拟计算

2．1 软件介绍

2．2 生物柴油替代机理简介

2．3 不同替代机理对滞燃期的影响

2．4 耦合机理的选择

2．5 本章小结

第3章 生物柴油燃烧的实验测试及多维模拟计算

3．1 实验台架装置

3．2 多维模拟软件介绍及模型选择

3．2．1 基本控制方程

3．2．2 湍流模型

3．2．3 喷雾模型

3．2．4 燃烧模型

3．2．5 排放模型

3．3 计算模型的建立

3．3．1 计算网格

3．3．2 生物柴油物性参数的计算

3．3．3 参数设置

3．4 模拟验证

3．5 喷雾特性分析

3．6 排放特性分析

3．7 喷油时刻对排放的影响

3．8 本章小结

第4章 生物柴油燃烧数值模拟的零维与多维耦合计算

4．1 耦合原理及理论背景

4．2 计算网格及模型

4．3 耦合模型、FIRE2009模型模拟结果与实验对比

4．4 耦合模拟结果分析

4．5 湍流混合对耦合模拟结果的影响

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 下一步工作的方向

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果