含氧燃料正丁醇对柴油机燃烧路径影响的模拟研究

发布时间：2017-10-21 14:49

  本文关键词：含氧燃料正丁醇对柴油机燃烧路径影响的模拟研究

  更多相关文章： 氧燃料 正丁醇 混合燃料 燃烧特性 排放特性

【摘要】：随着内燃机行业的迅猛发展,人们所面临的能源和环境问题日益突出,为了实现内燃机的清洁燃烧,如今寻求新型的替代燃料迫在眉睫。正丁醇凭借其低热值高、与柴油互溶性好等优点逐渐成为清洁燃料的代表,很多试验结果表明在柴油中掺混一定比例的正丁醇,可以有效降低发动机的有害排放物,从而达到改善柴油机的燃烧和排放特性。因此,研究正丁醇在柴油机上的应用对实现内燃机的清洁燃烧是十分必要的。本文是通过数值模拟的方法,研究了含氧燃料正丁醇对柴油机燃烧和排放的影响。首先,通过发动机三维数值模拟软件AVL-FIRE对发动机燃烧室进行建模,并以正庚烷-正丁醇-多环芳香烃机理作为正丁醇-柴油混合燃料燃烧的化学反应动力学机理。通过缸内平均压力的试验值与模拟值相对比,可知它们基本吻合,因而该模型具有较高的精度,可用来进行下一步的研究。其次,分析了在柴油中掺混一定比例正丁醇时,对柴油机燃烧、氮氧化物和碳烟排放方面的影响。当柴油中混入一定比例的正丁醇时,正丁醇会与正庚烷争夺OH自由基发生脱氢反应,从而导致正庚烷的氧化反应减慢。NO的形成可分为三种,即高温NO、快速型NO和燃料型NO,正丁醇掺入柴油中可使混合燃料的十六烷值降低,滞燃期变长,燃烧速率变慢,从而导致缸内的温度降低,抑制燃料中氧原子与空气中氮原子的反应,NO的生成量减少。碳烟的生成过程主要分为烃类燃料高温裂解、成核阶段、表面生长、凝聚等几个阶段,并主要通过乙炔加脱氢机理(HACA机理)逐渐长大,而正丁醇的加入会使乙炔的浓度降低,导致碳烟的形成减慢。同时,正丁醇在燃烧过程中会产生大量的OH自由基,使混合燃料中的OH自由基增多,加速碳烟生成过程中某些小分子物质(如C2H2等)的氧化。且正丁醇的掺入会使混合燃料中的O原子增多,促进分子中的O原子与C原子相结合,形成更多的C-O键,减少了 C原子与C原子相结合的机会,从而抑制了碳烟生成反应的进行,达到降低碳烟排放的目的。最后,应用AVL-FIRE软件所建立的模型,研究了不同的正丁醇比例、喷油提前角等对正丁醇-柴油混合燃料燃烧时NO和碳烟前驱物的影响规律。结果显示:正丁醇比例、喷油提前角等主要是通过影响混合燃料的滞燃期、缸内压力等对混合燃料的燃烧和排放特性产生影响的。随着柴油中正丁醇掺混比例的增大,缸内最大爆发压力和缸内平均温度降低,指示燃油消耗率有所升高,NO和碳烟前驱物苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)和芘(A4)的生成时刻滞后且质量分数都呈现降低的趋势;随着喷油提前角的减小,缸内平均压力曲线推后,此时缸内的最大爆发压力也逐渐降低,NO的生成时刻滞后,生成量也逐渐降低,且NO的生成区域主要分布在气缸的侧壁面及燃烧室凹坑处,碳烟前驱物A4的生成时刻也有所滞后,A4质量分数曲线的峰值稍升高。
【关键词】：氧燃料 正丁醇 混合燃料 燃烧特性 排放特性
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK421.2
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 引言11-13
• 1.2 内燃机燃料研究进展13-16
• 1.2.1 含氧燃料研究进展13-15
• 1.2.2 含氧燃料对柴油机燃烧与排放的影响15-16
• 1.3 正丁醇的属性及发展现状16-20
• 1.3.1 正丁醇的属性16-19
• 1.3.2 有关正丁醇的研究进展19-20
• 1.4 本文研究目的、意义和主要内容20-22
• 第二章 柴油掺混正丁醇燃烧CFD模型建立22-31
• 2.1 AVL-FIRE仿真模拟软件简介23-25
• 2.2 计算模型的建立25-29
• 2.2.1 模型发动机的主要参数25-26
• 2.2.2 FIRE模型参数的选择及介绍26-29
• 2.3 计算模型的验证29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 正丁醇-柴油混合燃烧和排放特性31-46
• 3.1 柴油掺混正丁醇燃烧特性31-36
• 3.2 柴油掺混正丁醇排放特性36-44
• 3.2.1 NO_x机理分析37-38
• 3.2.2 碳烟的形成过程38-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 模拟条件对发动机燃烧和排放性能的影响46-60
• 4.1 不同的正丁醇掺混比例对柴油机各方面性能的影响46-53
• 4.1.1 掺混比例与柴油机燃烧之间的相互关系46-48
• 4.1.2 掺混比例对NO_x生成的影响48-50
• 4.1.3 掺混比例对碳烟前驱物生成的影响50-53
• 4.2 喷油正时对发动机燃烧和排放性能的影响53-58
• 4.2.1 喷油正时对发动机燃烧的影响54-55
• 4.2.2 喷油正时对NO_x生成的影55-57
• 4.2.3 喷油正时对碳烟前驱物生成的影响57-58
• 4.3 本章小结58-60
• 第五章 全文总结与工作展望60-63
• 5.1 全文总结60-61
• 5.2 工作展望61-63
• 参考文献63-67
• 致谢67

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本文编号：1073953