本文關(guān)鍵詞：二代生物柴油噴霧燃燒特性和碳煙生成過程可視化研究

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【摘要】：面對全球的能源危機和環(huán)境污染問題,汽車排放法規(guī)越來越嚴(yán)格,內(nèi)燃機燃燒是實現(xiàn)高效低污染的根本。而各種清潔替代燃料的應(yīng)用則是另外一個重要途徑。生物柴油作為清潔的可再生能源,在發(fā)動機上無需改動即可直接應(yīng)用,而目前被廣為研究的一代脂肪酸甲酯生物柴油,因穩(wěn)定性差、對發(fā)動機腐蝕嚴(yán)重等諸多弊端,在國內(nèi)始終沒能進入車用市場,而加氫催化二代生物柴油以其完全不同的分子結(jié)構(gòu)組成所帶來的良好的穩(wěn)定性、著火燃燒和排放性能成為非常有潛力的一種車用替代燃料開始被關(guān)注。本文針對正構(gòu)烷烴結(jié)構(gòu)的加氫催化二代生物柴油,從采用先進的可視化激光測試技術(shù)對其噴霧、著火、燃燒和碳煙生成過程開展系統(tǒng)、深入的研究到其在柴油機上的具體應(yīng)用,為加快推進該種新型生物柴油在發(fā)動機上的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。本文在能夠模擬傳統(tǒng)柴油機活塞運行到上止點時缸內(nèi)高溫、高壓環(huán)境的可視化定容燃燒彈實驗系統(tǒng)上成功搭建了噴霧、燃燒及碳煙測試的可視化光路系統(tǒng)。采用先進的光學(xué)診斷技術(shù)首次實現(xiàn)了加氫催化二代生物柴油/柴油的混合燃油噴霧和燃燒特性隨時間和空間變化的聯(lián)合測量和分析。針對現(xiàn)有碳煙測試方法復(fù)雜和測試精度偏低的問題,提出了應(yīng)用高頻背景散光探究三維空間碳煙分布的新方法。全文主要研究工作和創(chuàng)新成果如下:1)基于燃燒條件下的火焰浮起長度和著火延遲期,確定了每組試驗的最佳重復(fù)次數(shù)和最佳噴油之間的時間間隔,保證了試驗所得數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。在此基礎(chǔ)上,開展了混合燃油的噴霧、燃燒和碳煙生成過程的研究。2)結(jié)合自然光、激光Mie散射法和紋影法開展混合燃油噴霧特性的可視化試驗。研究結(jié)果表明,噴霧液相長度的發(fā)展主要受燃油質(zhì)量流量和卷吸的環(huán)境氣體量的影響,隨著混合燃油中加氫催化二代生物柴油比例增加,混合燃油液相長度減小;噴霧氣相貫穿距主要受燃油噴射速率和蒸發(fā)速率共同影響,在低噴射壓力下,環(huán)境溫度不影響噴霧氣相貫穿距的發(fā)展,而隨著噴射壓力的升高,這種影響開始出現(xiàn)并增強,混合燃油中加氫催化生物柴油的添加比例基本不影響氣相貫穿距的發(fā)展。3)采用自然火焰發(fā)光法及平面激光誘導(dǎo)熒光PLIF法開展了混合燃油燃燒特性的可視化研究。研究結(jié)果表明,隨環(huán)境溫度升高,含氧量增加以及燃油十六烷值的增加均導(dǎo)致著火延遲期的縮短和火焰浮起長度的減小;而隨著燃油噴射壓力增加,著火延遲期縮短,但火焰浮起長度增加;在高噴油壓力下,火焰浮起長度長于噴霧液相長度,燃油蒸發(fā)過程與燃燒過程的相互影響較小;而低噴射壓力下,火焰浮起長度短于噴霧液相長度,液相長度末端被擴散火焰所包圍,燃燒過程與燃油蒸發(fā)過程有著較強的相互關(guān)聯(lián)和影響;隨著加氫催化生物柴油比例的增加,燃燒過程中的高溫反應(yīng)區(qū)面積增大。4)對混合燃油碳煙生成過程的研究表明,噴射壓力越高,碳煙初始出現(xiàn)時刻越早,出現(xiàn)位置離噴嘴距離越遠(yuǎn),KL峰值越低,即碳煙生成量越少;環(huán)境中含氧量越多以及環(huán)境溫度越高,初始碳煙出現(xiàn)時刻越早,KL峰值越低高;在同樣工況條件下,B0燃油KL峰值要大于B50燃油。5)通過對加氫催化二代生物柴油噴霧、著火、燃燒和碳煙生成的系統(tǒng)研究,建立了混合燃油液相長度、氣相貫穿距、著火延遲期和火焰浮起長度的經(jīng)驗公式,為加氫催化二代生物柴油噴霧模型發(fā)展和燃燒機理完善提供了實驗依據(jù),具有重要的學(xué)術(shù)價值。同時,在發(fā)動機臺架上開展了油耗排放試驗,推動了加氫催化二代生物柴油在柴油機上的應(yīng)用,研究工作具有重要的工程應(yīng)用價值。
【關(guān)鍵詞】：定容燃燒彈 二代生物柴油 噴霧 燃燒 碳煙
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U464.172;X734.2
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 緒論14-31
• 1.1 引言14-15
• 1.2 生物柴油的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀15-21
• 1.2.1 一代生物柴油的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀15-19
• 1.2.2 二代生物柴油的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀19-20
• 1.2.3 基于生物質(zhì)液化技術(shù)的三代生物柴油的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀20-21
• 1.3 加氫催化二代生物柴油的制備及特點21-24
• 1.3.1 加氫催化二代生物柴油制備工藝原理21-22
• 1.3.2 飽和烷烴結(jié)構(gòu)的加氫催化二代生物柴油的特點22-24
• 1.4 噴霧燃燒及碳煙測試研究24-29
• 1.4.1 噴霧測試方法及技術(shù)24-25
• 1.4.2 燃燒測試方法及技術(shù)25-27
• 1.4.3 碳煙生成測試方法及技術(shù)27-29
• 1.5 本文研究意義及主要研究內(nèi)容29-31
• 1.5.1 本課題研究意義29
• 1.5.2 本文主要研究內(nèi)容29-31
• 第二章 噴霧燃燒的物理化學(xué)過程31-49
• 2.1 燃燒過程幾個階段32-35
• 2.2 燃油噴射與混合過程35-41
• 2.2.1 噴嘴內(nèi)流及其對噴霧影響35-37
• 2.2.2 燃油霧化37-39
• 2.2.3 燃油蒸發(fā)和燃油與空氣混合39-41
• 2.3 著火過程41-45
• 2.4 擴散燃燒過程45-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第三章 噴霧燃燒可視化試驗臺和試驗方法49-73
• 3.1 試驗系統(tǒng)和裝置49-53
• 3.2 可視化測試技術(shù)原理和方法53-68
• 3.2.1 噴霧特性可視化測試原理和方法53-57
• 3.2.2 基于火焰發(fā)光法的燃燒特性可視化測試原理和方法57-59
• 3.2.3 基于激光誘導(dǎo)熒光法的燃燒中間基可視化測試原理和方法59-65
• 3.2.4 基于高頻背景散光消光法的碳煙可視化測試原理和方法65-68
• 3.3 噴油次數(shù)和循環(huán)時間間隔確定68-70
• 3.4 不同摻混比例混合燃油的燃油物性和試驗工況70-72
• 3.4.1 混合燃油的燃油物性70-71
• 3.4.2 試驗工況71-72
• 3.5 本章小節(jié)72-73
• 第四章 定容燃燒彈內(nèi)混合燃油噴霧特性可視化研究73-94
• 4.1 非燃燒高溫環(huán)境下混合燃油液相噴霧特性73-80
• 4.1.1 噴霧特性理論分析73-76
• 4.1.2 噴霧形態(tài)測試結(jié)果分析76-77
• 4.1.3 噴霧液相長度測試結(jié)果分析77-79
• 4.1.4 基于可視化測試結(jié)果統(tǒng)計學(xué)分析79-80
• 4.2 非燃燒高溫環(huán)境下混合燃油氣相噴霧特性80-86
• 4.2.1 氣相噴霧貫穿距分布80-85
• 4.2.2 基于可視化測試結(jié)果統(tǒng)計學(xué)分析85-86
• 4.3 燃燒條件下混合燃油噴霧特性研究86-90
• 4.3.1 燃燒與非燃燒測試結(jié)果對比分析86-89
• 4.3.2 燃燒條件下測試結(jié)果對比分析89-90
• 4.4 本章小結(jié)90-92
• 附錄92-94
• 第五章 混合燃油燃燒特性測試分析94-118
• 5.1 混合燃油著火延遲期94-99
• 5.1.1 著火延遲期測試結(jié)果分析94-98
• 5.1.2 基于可視化測試結(jié)果的著火延遲期的統(tǒng)計學(xué)分析98-99
• 5.2 混合燃油火焰浮起長度99-104
• 5.2.1 火焰浮起長度理論分析99-100
• 5.2.2 火焰浮起長度測試結(jié)果分析100-103
• 5.2.3 基于可視化測試結(jié)果的火焰浮起長度統(tǒng)計學(xué)分析103-104
• 5.3 混合燃油著火延遲期與火焰浮起長度關(guān)系104-106
• 5.4 混合燃油蒸發(fā)與燃燒之間關(guān)系106-108
• 5.5 混合燃油火焰結(jié)構(gòu)分析108-113
• 5.5.1 OH-PLIF系統(tǒng)可靠性校正108-111
• 5.5.2 不同摻混比例混合燃油火焰結(jié)構(gòu)分析111-113
• 5.6 本章小結(jié)113-115
• 附錄115-118
• 第六章 混合燃油碳煙生成過程測試分析118-132
• 6.1 噴霧空氣卷吸率分析118-119
• 6.2 碳煙分布特性分析119-131
• 6.2.1 碳煙KL因子隨時間分布特性119-122
• 6.2.2 環(huán)境溫度對碳煙生成的影響122-123
• 6.2.3 噴射壓力對碳煙生成的影響123-125
• 6.2.4 含氧量對碳煙生成的影響125-126
• 6.2.5 不同比例混合燃油對碳煙生成的影響126-131
• 6.3 本章小結(jié)131-132
• 第七章 加氫催化二代生物柴油的油耗排放測試132-142
• 7.1 歐洲ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)測試原理和系統(tǒng)組成132-134
• 7.1.1 ESC測試原理132-133
• 7.1.2 測試系統(tǒng)組成133-134
• 7.2 非標(biāo)準(zhǔn)柴油摻混加氫催化二代生物柴油后油耗和排放134-136
• 7.2.1 排放特性134-136
• 7.2.2 油耗特性136
• 7.3 國標(biāo)燃油摻混加氫催化二代生物柴油后的油耗和排放136-140
• 7.3.1 標(biāo)準(zhǔn)混合燃油的排放特性136-140
• 7.3.2 標(biāo)準(zhǔn)混合燃油的油耗特性140
• 7.4 本章小節(jié)140-142
• 第八章 全文總結(jié)與展望142-145
• 8.1 全文總結(jié)142-144
• 8.2 工作展望144-145
• 參考文獻(xiàn)145-157
• 致謝157-158
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其他科研成果158-159

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