發(fā)布時間：2017-09-27 20:09

  本文關(guān)鍵詞：正丁醇—生物柴油雙燃料燃燒過程數(shù)值模擬研究

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【摘要】：采用新型燃燒技術(shù)是替代燃料實現(xiàn)高效清潔利用的重要技術(shù)途徑。本研究對采用進氣道噴射正丁醇、缸內(nèi)直噴生物柴油的雙燃料燃燒新型燃燒模式開展研究,該燃模式是根據(jù)發(fā)動機運行工況調(diào)整正丁醇和生物柴油比例、EGR率以及生物柴油噴射控制策略,從而實現(xiàn)高效清潔燃燒。本文主要以數(shù)值模擬為手段研究了雙燃料燃燒模式的燃燒反應(yīng)過程及有害排放生成機理。本文首先通過試驗研究方法論證了適用于發(fā)動機燃燒的生物柴油替代物。通過對不同生物柴油替代物,包括純癸酸甲酯,癸酸甲酯和正庚烷的混合物,與大豆油甲酯進行了對比試驗研究。在進氣溫度為25℃和50℃,進氣氧濃度從21%變化到發(fā)動機失火的寬廣的運行邊界條件內(nèi),純癸酸甲酯的滯燃期、碳煙排放值等隨進氣氧濃度的變化規(guī)律與大豆油甲酯更為接近,以此為依據(jù),確定了純癸酸甲酯作為大豆油甲酯的替代物。應(yīng)用直接關(guān)系圖法,敏感性分析和反應(yīng)路徑分析方法,構(gòu)建了癸酸甲酯的簡化機理。并加入PAH和NOx子機理以預(yù)測燃用生物柴油NOx和碳煙排放。最終得到包含146個組分和652個反應(yīng)的生物柴油簡化機理。生物柴油簡化機理在基礎(chǔ)燃燒器上進行了廣泛的驗證。與激波管的滯燃期、攪拌射流反應(yīng)器的主要物質(zhì)摩爾分數(shù)的實驗值對比表明,該機理預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。進一步在定容燃燒彈上對PAH子機理進行驗證,使用該機理模擬所得的碳煙出現(xiàn)時刻和碳煙分布與實驗結(jié)果相似。通過KIVA程序耦合該簡化機理,進行發(fā)動機燃燒過程及排放特性的模擬。結(jié)果表明,模擬所得的缸壓和放熱率的趨勢與實驗值大致相同,CO,HC,NOx和碳煙排放預(yù)測結(jié)果較好。因此,該簡化機理可以用作燃用生物柴油發(fā)動機的燃燒及排放特性分析。作者構(gòu)建了正丁醇簡化機理,并將正丁醇簡化機理加入生物柴油簡化機理,去除重復(fù)的組分及反應(yīng),優(yōu)化了與正丁醇脫氫相關(guān)反應(yīng)的指前因子。由此,構(gòu)建了正丁醇-生物柴油雙燃料簡化機理,包含170個組分和769個反應(yīng)。將構(gòu)建的簡化機理的預(yù)測結(jié)果與正丁醇在激波管,攪拌射流反應(yīng)器的實驗數(shù)據(jù)進行對比驗證,結(jié)果表明該機理的預(yù)測結(jié)果與激波管的滯燃期,攪拌射流反應(yīng)器的主要物質(zhì)摩爾分數(shù)相吻合。通過KIVA程序耦合正丁醇-生物柴油雙燃料簡化機理機理,進行發(fā)動機的模擬驗證。結(jié)果表明,在不同工況下,模擬所得的缸壓和放熱率曲線,CO、HC、NOx和碳煙排放的趨勢與實驗值大致相同。作者最后使用KIVA程序耦合正丁醇-生物柴油雙燃料簡化機理進行雙燃料發(fā)動機燃燒的三維數(shù)值模擬研究。研究了不同的生物柴油噴油時刻,正丁醇-生物柴油噴射比例以及不同EGR率條件下,正丁醇-生物柴油的雙燃料燃燒反應(yīng)機理和有害排放的生成機理。結(jié)果表明:不同的燃燒控制參數(shù)影響生物柴油和正丁醇的低溫反應(yīng)過程。隨著生物柴油噴油時刻的推遲,燃料發(fā)生低溫反應(yīng)的比例降低,而中溫和高溫裂解反應(yīng)的比例快速增加,使得反應(yīng)體系活性大大提高。當生物柴油噴油時刻較早,正丁醇比例和EGR率較低時,低溫反應(yīng)中間產(chǎn)物MDXO2同分異構(gòu)體生成較早,正丁醇的低溫反應(yīng)中間產(chǎn)物nC3H7CHO的生成區(qū)域與MDXO2同分異構(gòu)體的分布區(qū)域一致。生物柴油噴油提前以及增大其比例,生物柴油與正丁醇可以實現(xiàn)較好的混合,發(fā)生自由基的交互反應(yīng),促進燃料的氧化,降低CO排放。隨著生物柴油噴油比例的減少和噴油時刻的推遲,以及增大EGR率,缸內(nèi)局部高溫區(qū)減少,NOx排放降低。雙燃料燃燒過程中碳煙的生成區(qū)域主要位于生物柴油的分布高濃度區(qū)域。減少生物柴油噴射比例和提高EGR率都有利于降低碳煙排放。
【關(guān)鍵詞】：正丁醇 生物柴油 雙燃料 數(shù)值模擬 發(fā)動機
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK407.9
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 引言12-13
• 1.2 內(nèi)燃機新型燃燒技術(shù)發(fā)展概述13-17
• 1.3 內(nèi)燃機燃用生物柴油和正丁醇燃料研究進展17-20
• 1.3.1 生物柴油在發(fā)動機上的應(yīng)用18
• 1.3.2 正丁醇在發(fā)動機上的應(yīng)用18-20
• 1.4 本文的研究內(nèi)容和意義20-22
• 第二章 多維數(shù)值模擬模型介紹22-27
• 2.1 KIVA計算程序包及模型22-25
• 2.1.1 KIVA計算程序簡介22
• 2.1.2 湍流模型22-23
• 2.1.3 噴霧破碎模型23-24
• 2.1.4 碳煙模型24-25
• 2.2 KIVA-CHEMKIN耦合燃燒模型25-27
• 第三章 適用于壓燃式發(fā)動機的生物柴油替代物的試驗研究27-37
• 3.1 生物柴油替代物的選擇方案27-29
• 3.2 生物柴油替代物的實驗研究29-36
• 3.2.1 替代物比例的確定29-31
• 3.2.2 實驗裝置及方法31-33
• 3.2.3 實驗結(jié)果及分析33-36
• 3.3 本章小結(jié)36-37
• 第四章 生物柴油簡化動力學模型研究37-56
• 4.1 生物柴油詳細機理分析37-39
• 4.2 簡化機理構(gòu)建過程39-48
• 4.2.1 機理簡化方法39-41
• 4.2.2 直接關(guān)系圖法簡化41-43
• 4.2.3 敏感性分析和反應(yīng)路徑分析簡化43-46
• 4.2.4 加入NOx和PAH子機理46-48
• 4.3 生物柴油簡化機理的驗證48-55
• 4.3.1 滯燃期驗證48-49
• 4.3.2 攪拌射流反應(yīng)器驗證49-51
• 4.3.3 定容燃燒器驗證51-52
• 4.3.4 發(fā)動機驗證52-55
• 4.4 本章小結(jié)55-56
• 第五章 正丁醇-生物柴油雙燃料簡化動力學模型研究56-74
• 5.1 正丁醇詳細動力學機理分析56-59
• 5.1.1 正丁醇的分子結(jié)構(gòu)56-57
• 5.1.2 正丁醇詳細動力學機理57-59
• 5.2 正丁醇簡化動力學機理的構(gòu)建59-62
• 5.3 正丁醇-生物柴油簡化機理構(gòu)建62-64
• 5.4 正丁醇-生物柴油雙燃料簡化機理驗證64-69
• 5.4.1 正丁醇滯燃期驗證64
• 5.4.2 正丁醇射流攪拌反應(yīng)器驗證64-65
• 5.4.3 正丁醇-生物柴油雙燃料發(fā)動機驗證65-69
• 5.5 正丁醇-生物柴油雙燃料機理分析69-72
• 5.5.1 著火過程中雙燃料的相互影響69-71
• 5.5.2 雙燃料分子中氧原子的反應(yīng)路徑71-72
• 5.6 本章小結(jié)72-74
• 第六章 正丁醇-生物柴油雙燃料燃燒和排放的多維數(shù)值模擬研究74-108
• 6.1 生物柴油噴油時刻對雙燃料燃燒及排放特性的影響74-88
• 6.1.1 對燃燒特性的影響75-83
• 6.1.2 對排放特性的影響83-88
• 6.2 正丁醇比例對雙燃料燃燒及排放特性的影響88-97
• 6.2.1 正丁醇比例對燃燒特性的影響88-93
• 6.2.2 正丁醇比例對排放特性的影響93-97
• 6.3 EGR率對雙燃料燃燒及排放特性的影響97-105
• 6.3.1 EGR率對燃燒特性的影響97-102
• 6.3.2 EGR率對排放特性的影響102-105
• 6.4 正丁醇-生物柴油雙燃料活性分析105-106
• 6.5 本章小結(jié)106-108
• 第七章 全文總結(jié)與工作展望108-111
• 7.1 全文總結(jié)108-110
• 7.2 工作展望110-111
• 參考文獻111-124
• 發(fā)表論文和科研情況說明124-125
• 附錄125-126
• 致謝126-127

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