正丁醇-生物柴油雙燃料燃燒過(guò)程數(shù)值模擬研究.pdf

1、數(shù)值模擬采用新型燃燒技術(shù)是替代燃料實(shí)現(xiàn)高效清潔利用的重要技術(shù)途徑。本研究對(duì)采用進(jìn)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(kāi)展研究，該燃模式是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(shí)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(guò)程及有害排放生成機(jī)理。
　　本文首先通過(guò)試驗(yàn)研究方法論證了適用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的生物柴油替代物。通過(guò)對(duì)不同生物柴油替代物，包括

2、純癸酸甲酯，癸酸甲酯和正庚烷的混合物，與大豆油甲酯進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。在進(jìn)氣溫度為25℃和50℃，進(jìn)氣氧濃度從21％變化到發(fā)動(dòng)機(jī)失火的寬廣的運(yùn)行邊界條件內(nèi)，純癸酸甲酯的滯燃期、碳煙排放值等隨進(jìn)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(jiǎn)化機(jī)理。并加入PAH和NOx子機(jī)理以預(yù)測(cè)燃用生物柴油NOx和碳煙排放。最終得到

3、包含146個(gè)組分和652個(gè)反應(yīng)的生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理。生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)理在基礎(chǔ)燃燒器上進(jìn)行了廣泛的驗(yàn)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?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)值對(duì)比表明，該機(jī)理預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。進(jìn)一步在定容燃燒彈上對(duì)PAH子機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證，使用該機(jī)理模擬所得的碳煙出現(xiàn)時(shí)刻和碳煙分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。通過(guò)KIVA程序耦合該簡(jiǎn)化機(jī)理，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)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(shì)與實(shí)驗(yàn)值大致相同，CO，HC，N

4、Ox和碳煙排放預(yù)測(cè)結(jié)果較好。因此，該簡(jiǎn)化機(jī)理可以用作燃用生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及排放特性分析。
　　作者構(gòu)建了正丁醇簡(jiǎn)化機(jī)理，并將正丁醇簡(jiǎn)化機(jī)理加入生物柴油簡(jiǎn)化機(jī)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(jiǎn)化機(jī)理，包含170個(gè)組分和769個(gè)反應(yīng)。將構(gòu)建的簡(jiǎn)化機(jī)理的預(yù)測(cè)結(jié)果與正丁醇在激波管，攪拌射流反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明該機(jī)理的預(yù)測(cè)結(jié)果與激波管的滯燃期，攪拌射流反

5、應(yīng)器的主要物質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)相吻合。通過(guò)KIVA程序耦合正丁醇-生物柴油雙燃料簡(jiǎn)化機(jī)理機(jī)理，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬驗(yàn)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(shì)與實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(jī)理和有

6、害排放的生成機(jī)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(guò)程。隨著生物柴油噴油時(shí)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(dāng)生物柴油噴油時(shí)刻較早，正丁醇比例和EGR率較低時(shí)，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(shí)