丁醇-汽油混合燃料对火花点火发动机性能影响的研究

摘要

开发和推广高效清洁的可再生生物燃料作为汽车的替代燃料已成为提高能源安全、减排温室气体、应对气候变化的重要措施。生物丁醇（即正丁醇）比甲醇、乙醇等热值更高，容易与汽柴油互溶，使用安全且便于存储和运输。因此，将正丁醇作为未来车用化石燃料的替代或部分替代燃料对于节约石油资源、降低发动机有害物排放有积极意义。为此，本文采用试验与数值模拟相结合的方法研究了正丁醇/汽油混合燃料对火花点火发动机性能的影响，主要研究内容及结论如下： 本文首先分析了正丁醇体积分数分别为0%、10%、20%和30%的正丁醇/汽油混合燃料的理化特性，并在四缸汽油发动机台架上进行了丁醇/汽油混合燃料对汽油机的动力性、经济性和排放特性影响的试验研究，结果表明：在对发动机未做任何改动的情况下，汽油机燃用丁醇/汽油混合燃料后动力性有所下降，有效燃油消耗率随丁醇掺混比例的增加而增大，但有效热效率并不随丁醇掺混比例的增加而降低；汽油掺混丁醇能降低HC和NOx排放，但对CO排放影响不大。 然后采用数值模拟的方法对火花点火发动机燃用丁醇/汽油混合燃料进行了能量平衡和可用能分析。火花点火发动机燃烧阶段模拟采用双区燃烧模型，模型中考虑了燃油组分及运行工况对火焰传播及燃烧放热率的影响。通过 C 语言编程对发动机压缩、燃烧和膨胀阶段基本方程进行求解，模拟研究了正丁醇掺混比、点火时刻、负荷及EGR率对发动机能量分布及可用能分布的影响。结果表明：在本文研究的工况下，汽油掺混丁醇后热力学第一定律效率升高，但有效燃油消耗率随丁醇掺混比例的增加而升高；随丁醇掺混比例的增加，不可逆损失份额增加，热力学第二定律效率降低；但汽油掺混丁醇，配以适当的废气再循环，能降低传热和排气转移的能量及可用能份额，因而热力学第一定律效率和第二定律效率能均随丁醇掺混比例的增加而升高。 上述研究表明，火花点火发动机燃用丁醇/汽油混合燃料后不可逆损失份额相对纯汽油有所增加。因此，本文将异辛烷作为汽油的替代燃料，利用CHEMKIN软件建立定容绝热燃烧模型，并基于燃料详细化学动力学机理进一步对正丁醇和异辛烷的燃烧过程进行熵产和?平衡分析。结果表明：正丁醇绝热定容燃烧时不可逆损失系数始终高于异辛烷；燃烧过程中燃料分子的化学能通过一系列化学反应转化为热能是不可逆性产生的最主要原因，且小分子中间产物的反应对产生不可逆损失的贡献最大。 为更充分理解正丁醇的燃烧化学动力学过程，本文利用 CHEMKIN 软件，采用DRGEP、敏感性分析、反应路径分析、熵产分析及反应速率参数优化等方法对正丁醇详细化学反应动力学机理进行简化，得到一个包含 75 种组分和 285个基元反应的新的正丁醇简化机理，并利用激波管内滞燃期、预混火焰组分浓度和层流火焰速度等试验数据在宽广的工况范围内对其进行了验证。

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