柴油机燃用生物柴油/F-T柴油的试验与仿真研究

摘要

随着我国能源紧缺以及排放法规的日益严格，寻找代用燃料以及降低NOx和碳烟排放已成为实现柴油车可持续发展的首要任务。研究表明车用柴油机燃用生物柴油可大幅降低碳烟排放，但因其含氧和黏度偏高，油耗率和NOx排放相应升高。掺混低黏度F-T柴油不仅可以改善纯生物柴油粘度高的问题，且可使NOx排放和油耗率降低，因此，两种燃料混合燃烧具有更好的实用性。
　　 为了掌握两种燃料混合燃烧的燃烧特性、确定最佳掺混比，本文在4100QBZL增压中冷柴油机上，对生物柴油/F-T柴油掺混的动力性、经济性和排放性进行了首次对比分析和仿真研究。结果表明:在生物柴油中掺混不同比例的F-T柴油:B20F、B50F、B80F（B20F表示生物柴油体积分数占20％+F-T柴油占80％，以此类推）可有效地降低柴油机的油耗率和NOx排放。其中，B50F混合燃料在保证动力性降幅较低的前提下，可大幅提高原柴油机的经济性和NOx排放。同时，通过仿真研究得到了更为优化的燃烧参数，可使经济性和排放性进一步提高。
　　 为了进一步提高燃用B50F混合燃料发动机的经济性并降低NOx排放，研究柴油机缸内燃烧过程并优化燃烧系统参数对改进燃烧状态，提高燃烧效率，降低排放物的生成有着重要的意义。基于试验，本文应用AVL-FIRE软件首先研究了不同燃烧系统参数对柴油机燃用B50F混合燃料在最大扭矩转速中等负荷下缸内燃烧过程的影响。在此基础上，运用正交设计方法判断柴油机燃烧系统参数对其各项性能指标影响的显著性，并分别以有效功率、燃油消耗率、NOx和碳烟排放为评价指标对所有研究参数进行最优匹配。结果表明:在所有因素中，涡流比、喷油提前角对NOx排放、碳烟排放、油耗率、输出功率影响较大;喷油持续期对NOx影响高度显著，对碳烟排放、油耗率和有效功率影响不显著;燃烧室结构对NOx排放影响显著，对碳烟排放、油耗率、功率影响高度显著。最后根据方差分析结果提出9种优化方案，并通过仿真对优化结果进行验证，获得了柴油机燃用B50F混合燃料在最大扭矩转速中等负荷下可同时降低NOx和soot排放，提高动力性和经济性的优化方案(A1B3C3D1)。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 项目来源与研究意义

1．2 生物柴油的发展概况

1．2．1 生物柴油的特性

1．2．2 生物柴油的国内外现状

1．2．3 生物柴油在柴油机上的应用

1．3 F-T柴油应用技术的发展

1．3．1 F-T柴油的特性

1．3．2 F-T柴油的国内外研究现状

1．4 柴油机燃烧过程数值模拟现状

1．5 本文主要内容

第二章 柴油机燃用不同燃料的特性研究

2．1 不同燃料的理化特性对比

2．2 试验设备

2．3 试验结果分析

2．3．1 柴油机燃用不同燃料的燃烧过程对比

2．3．2 柴油机燃用不同燃料的动力性和经济性对比

2．3．3 柴油机燃用不同燃料的排放对比

2．4 本章小结

第三章 柴油机燃烧过程模型的建立及验证

3．1 FIRE软件简介

3．2 F-T柴油成分拟合及B50F混合燃料的C、H、O原子数计算

3．2．1 F-T柴油成分拟合

3．2．2 B50F混合燃料的C、H、O原子数计算

3．3 柴油机燃烧室模型的建立及网格划分

3．3．1 柴油机燃烧室几何模型的建立

3．3．2 柴油机燃烧室模型网格划分

3．4 边界条件及初始参数的确定

3．4．1 边界条件的设置

3．4．2 初始参数的设置

3．5 模型的选取

3．5．1 气相湍流流动模型

3．5．2 燃油喷雾模型

3．5．3 燃烧模型

3．5．4 排放模型

3．6 模型计算结果验证

3．7 数值模拟结果分析

3．7．1 燃烧过程模拟分析

3．7．2 缸内排放物浓度场分析

3．8 本章小结

第四章 燃烧室尺寸与喷油定时对柴油机燃烧过程的影响

4．1 进气涡流对柴油机燃烧和排放的影响

4．2 燃烧室结构对柴油机燃烧和排放的影响

4．2．1 燃烧室径深比的影响

4．2．2 燃烧室缩口比的影响

4．3 喷油定时对柴油机燃烧和排放的影响

4．3．1 喷油提前角的影响

4．3．2 喷油持续期的影响

4．4 本章小结

第五章 柴油机燃烧系统参数的优化

5．1 燃烧系统参数优化方案

5．1．1 正交设计优化法简介

5．1．2 正交设计优化目的及评价指标

5．1．3 正交设计因素及水平

5．1．4 正交表的选择与表头设计

5．1．5 正交设计仿真方案

5．2 参数优化结果分析

5．2．1 评价指标为NOx的优化结果分析

5．2．2 评价指标为soot的优化结果分析

5．2．3 评价指标为燃油消耗率的优化结果分析

5．2．4 评价指标为有效功率的优化结果分析

5．3 仿真优化结果验证

5．4 本章小结

第六章 工作总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文