喷油参数对生物柴油发动机排放特性的影响

摘要

随着经济的快速发展，日益加剧的能源危机和环境污染迫切要求人们寻找清洁的替代燃料。生物柴油是以动、植物油脂为原料，与甲醇或乙醇在催化剂的作用下进行酯交换而制成的脂肪酸甲酯的液体混合燃料，与柴油有着相近的物理特性，具有可再生、清洁和安全三大优势，被公认为是优良的代用燃料之一。目前市场上生物柴油仅以小比例（10％以下）与柴油掺混在未经调整的柴油机中直接燃烧。然而由于生物柴油独特的理化特性，大比例生物柴油调和燃料需要对发动机系统进行调整。基于此，本文对喷油参数对生物柴油发动机燃烧及排放的影响进行了研究，这对于生物柴油在柴油机上的广泛应用具有重要的指导意义。
　　不同原料的生物柴油含有的脂肪酸甲酯的种类和含量不同，采用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)对大豆油生物柴油和地沟油生物柴油进行检测。基于检测结果分析两种生物柴油的组分和对应的含量，估算各组分的临界物性以及不同温度(0K-临界温度Tc)对应的焓值、表面张力、粘度、汽化潜热、饱和蒸汽压、导热系数，并在此基础上按照一定混合规则计算生物柴油的物性并与柴油对比。将估算结果添加到KIVA3V的燃料库中，准备对生物柴油进行仿真计算。
　　本研究基于KIVA3V数值模拟软件进行，首先对其中的计算模型进行了研究，如燃烧模型，湍流模型，喷雾模型，及排放模型等。其中生物柴油的喷雾特性对于缸内燃烧及排放有着重要的影响，因此首先对喷雾模型进行了详细研究。数值模拟过程中采用KH-RT破碎模型，由于生物柴油的喷雾特性与柴油有所不同，需要对破碎模型常数进行调整。改变KH-RT破碎模型中一次破碎常数B2和二次破碎常数Crt，研究他们对喷雾特性的影响。结果表明，Crt对平均索特直径(SMD)的影响较大，随着Crt的减小，SMD减小，雾化程度优化，而喷雾贯穿距的变化不大。
　　研究了生物柴油在不同喷油时刻下发动机的动力性和排放特性。研究结果表明在一定范围内，随喷油时刻的提前放热量增加，放热率加快，喷油时刻为上止点前13℃A(BTDC13℃A)时的放热量最大，放热率最快，缸内平均有效压力最高。缸内平均温度和压力随着喷油时刻的提前而升高，导致NOx排放增多，而CO的最终排放量在喷油时刻为BTDC13℃A时最低，Soot的最终排放受喷油时刻的影响较小。
　　在确保平均有效压力相同的情况下，研究了喷油压力对生物柴油发动机性能及排放的影响。大豆油生物柴油和柴油在不同喷油持续期的耗油量不同，随着持续期的减短，喷油压力的增加，两种燃料的耗油量均降低，但生物柴油降低幅度小于柴油，而且相同喷油持续期下生物柴油的耗油量高于柴油。相同喷油持续期下，生物柴油的缸内压力和温度高于柴油，造成NOx排放高于柴油，但是CO和Soot的最终排放量均低于柴油，而且随着持续期的减短而降低，但NOx排放随持续期的减短而升高。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 生物柴油的概述

1．2 生物柴油的原料

1．3 生物柴油的制备

1．4 生物柴油的理化性质

1．4．1 运动粘度

1．4．2 密度

1．4．3 低温流动性

1．4．4 闪点

1．4．5 十六烷值

1．4．6 热值

1．5 生物柴油的发展现状

1．6 本文的主要研究内容

2 数值计算模型

2．1 KIVA的发展

2．2 KIVA3V的逻辑结构

2．3 控制方程

2．3．1 气相控制方程

2．3．2 离散液相控制方程

2．3．3 气液相间的耦合源项

2．3．4 湍流模型方程

2．3．5 NOx机理模型

2．3．7 KH-RT破碎模型

2．4 本章小结

3 生物柴油的组分检测和物性计算

3．1 组分检测

3．2 物性计算

3．2．1 临界物性的计算

3．2．2 标准生成焓和焓值

3．2．3 汽化潜热

3．2．4 饱和蒸汽压

3．2．5 液体粘度

3．2．6 表面张力

3．2．7 导热系数

3．3 添加燃料

3．4 本章小结

4 喷油参数对排放特性的影响

4．1 发动机技术参数

4．2 计算网格及边界条件

4．3 喷油时刻的影响

4．3．1 平均缸温缸压曲线

4．3．2 放热量及放热率

4．3．3 平均有效压力

4．3．4 排放特性

4．4 喷油持续期的影响

4．4．1 燃油消耗率

4．4．2 缸温缸压

4．4．3 排放特性

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢