【摘要】：日漸嚴格的油耗和排放法規(guī)對內(nèi)燃機性能提出了更高的要求。作為可再生的柴油替代燃料,生物含氧燃料不僅可以緩解能源短缺局勢,還可以明顯降低內(nèi)燃機碳煙排放。因此,有必要研究生物含氧燃料在內(nèi)燃機上的燃燒過程和碳煙生成機理。碳煙的生成過程非常復雜,涉及到了氣相化學反應動力學和顆粒動力學兩方面,因此,柴油機碳煙生成過程模擬是一項非常有挑戰(zhàn)性的工作。CFD耦合化學反應動力學的模擬方法是理解生物含氧燃料缸內(nèi)燃燒過程和碳煙生成機理的有效手段。在柴油機燃燒過程模擬中,準確、可靠的化學反應機理能夠更準確地描述燃料的著火和燃燒過程。因此,發(fā)展柴油機多組分表征反應機理、生物含氧燃料反應機理和碳煙生成機理有利于更好的研究和理解柴油和含氧燃料的燃燒和碳煙生成過程。本文構(gòu)建了柴油多組分表征燃料反應機理、丙酮-正丁醇-乙醇(Acetone-Butanol-Ethanol,簡稱ABE)反應機理、C_1-C_5醇類反應機理和多環(huán)芳香烴(PAHs)生成機理,并利用CFD耦合化學反應動力學方法對柴油和含氧燃料的燃燒和碳煙生成過程進行了多維數(shù)值模擬研究。本文主要工作如下:(1)基于開源程序KIVA-3V和CANTERA,建立了CFD耦合化學反應動力學多維數(shù)值模擬平臺,并被應用于本文柴油和生物含氧燃料缸內(nèi)燃燒過程多維數(shù)值模擬分析。(2)構(gòu)建了包含PAHs生成和氧化的柴油多組分表征燃料(Toluene reference fuel,TRF)簡化機理和ABE簡化機理,并耦合得到了TRF-ABE-PAH簡化機理,共包含98種組分和456步化學反應。通過與滯燃期、預混火焰組分濃度、射流攪拌反應器氧化、缸內(nèi)直噴燃燒等試驗數(shù)據(jù)的驗證,結(jié)果表明,簡化機理能夠較準確地預測各燃料滯燃期、重要組分濃度以及發(fā)動機燃燒和排放特性,因此簡化機理可用來開展柴油和含氧燃料的燃燒和排放特性模擬研究。(3)利用構(gòu)建的簡化機理模擬研究了TRF-ABE混合燃料的著火特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),混合燃料的滯燃期在不同的溫度區(qū)間表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。在高溫區(qū),混合燃料的滯燃期隨ABE比例的增加而小幅縮短;在中溫區(qū),滯燃期變化比較平緩;在低溫區(qū),滯燃期存在負溫度系數(shù)區(qū),且隨著ABE比例的增加而逐漸減弱。壓力對滯燃期的影響較大,隨著壓力的升高,滯燃期在較寬的溫度范圍內(nèi)顯著縮短,在中高溫區(qū)變化尤其明顯。(4)利用構(gòu)建的簡化機理模擬研究了TRF-ABE混合燃料層流火焰中PAHs的生成過程。隨著ABE比例的增加,PAHs濃度逐漸降低,A_1是所有燃料中最豐富的芳香烴組分,A_2、A_3和A_4的變化趨勢與A_1相似,其峰值濃度依次降低,且位置依次推后。OH、O和H自由基濃度均隨著ABE比例的增加而升高,峰值濃度位置保持不變。甲苯的摩爾分數(shù)因ABE的摻混而明顯降低,在主反應區(qū),TRF層流火焰中的甲苯濃度依然最高,從而其生成的A_1也最多。(5)構(gòu)建了一個包含甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇等C_1-C_5醇類氧化反應的TRF-醇-PAH簡化機理,共包含184種組分和784步化學反應。通過與滯燃期、預混火焰組分濃度和缸內(nèi)直噴燃燒等試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證,簡化機理在較寬工況范圍內(nèi)可以準確描述燃料著火和燃燒特性,預測的柴油與醇類燃料在發(fā)動機中的燃燒和排放特性與試驗結(jié)果吻合較好。(6)基于柴油和ABE定容燃燒彈試驗,建立了CFD模型并耦合簡化機理模擬研究了柴油-ABE混合燃料的燃燒和碳煙生成過程。結(jié)果表明:ABE摻混比例增加,燃燒壓力和放熱率峰值減小,火焰浮起高度增加,缸內(nèi)當量比降低,PAHs和碳煙生成量減少;初始環(huán)境溫度降低,PAHs和碳煙的生成和氧化同時受到抑制,碳煙生成量減少;初始環(huán)境氧濃度降低,PAHs和碳煙的生成速率增大,而OH質(zhì)量減少,碳煙生成量增加。(7)基于柴油和ABE缸內(nèi)直噴試驗,建立了CFD模型并耦合簡化機理模擬研究了柴油-ABE混合燃料缸內(nèi)直噴燃燒和排放特性。結(jié)果表明:ABE摻混比例增加,缸內(nèi)當量比降低,油氣混合更均勻,燃燒更充分,OH峰值質(zhì)量增大,PAHs和碳煙生成量降少,NO_X排放增加;噴油定時提前,缸壓和放熱率峰值增大,OH峰值質(zhì)量增大,PAHs和碳煙生成量降少,NO_X排放增加;EGR率增加,缸內(nèi)混合氣變稀,化學反應速率降低,OH濃度減小,PAHs和碳煙生成量增加,NO_X排放降低。
【圖文】：

柴油多組分表征燃料和生物含氧燃料化學反應機理研究的地區(qū)主要分布在北非和阿拉伯地區(qū)、印度北部和中國的華北非和阿拉伯地區(qū)，懸浮顆�？赡苁怯商烊坏V物粉塵組成，而在部地區(qū)，更有可能是由工廠、發(fā)電廠和汽車排放的煙塵顆粒造M2.5 低于 10 是安全值，上述地區(qū)全部高于 20，而中國東部地區(qū)過 50 接近 80。近年來，我國大部分地區(qū)頻頻遭遇霧霾天氣，和生產(chǎn)生活帶來了嚴重影響。因此，，開發(fā)內(nèi)燃機高效節(jié)能、低污低有害排放物已成為當務(wù)之急。

（a）甲醇 圖 1.5 柴油機燃用甲醇和柴醇是目前世界范圍內(nèi)在內(nèi)燃機上和淀粉的微生物發(fā)酵，木質(zhì)纖維花點火發(fā)動機（汽油機）中最為燃特性。1979 年，美國開始推廣
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ038.1


本文編號：2597405