柴油机燃用短链醇酯混合燃料的燃烧过程及排放特性研究
本文关键词：柴油机燃用短链醇酯混合燃料的燃烧过程及排放特性研究
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【摘要】：各种各样的生物质燃料得以广泛应用,而燃料碳链长短和含氧官能团会造成燃料理化性质的差异,进而影响混合燃料的燃烧过程和排放特性。本文选用乙醇和碳酸二甲酯(DMC)为代表的短链醇酯含氧燃料,研究含氧官能团羟基和羰基对燃烧过程的影响。依据乙醇、DMC和柴油的分子结构、分子极性及相似相容理论配制不同比例的混合燃料E0D15(15%DMC+85%柴油)、E7.5D15(7.5%乙醇+15%DMC+77.5%柴油)、E15D15(15%乙醇+15%DMC+70%柴油),开展DMC/乙醇/柴油三元混合含氧燃料的燃烧过程和排放特性研究,分析不同负荷工况下各混合燃料的当量比油耗、缸内压力、瞬时放热率和排放物等性能参数,同时依据化学反应动力学,追踪醇酯燃料低温反应区关键自由基及CO和NO的生成特性。本文的主要研究工作及成果如下:(1)以柴油作为参照,在不同负荷工况下,对不同掺混比例的乙醇/DMC/柴油混合燃料的燃烧过程进行分析,研究短链结构醇/酯燃料对燃烧产物的影响。在低负荷工况下,由于短链结构的醇酯燃料汽化吸热,使缸内温度降低,当量比油耗略有上升;高负荷工况下,低沸点的短链醇酯促使混合燃料挥发,使可燃混合气量增加,燃烧速率和热效率提高,当量比油耗随之降低。以全负荷工况为例,随乙醇和DMC掺混比例的增加,由于短链醇酯燃料汽化吸热,使缸内温度略有降低,E0D15、E7.5D15和E15D15等混合燃料的着火延迟期逐渐增加,缸压曲线后移且压力峰依次降低,同时放热峰依次后移但峰值逐渐上升。(2)各负荷工况下混合燃料对烟度的降低作用明显。低负荷工况下,混合燃料的NOx排放与柴油接近,但大负荷工况下,混合燃料E7.5D15和E15D15的NOx排放较柴油明显上升。与柴油相比,混合燃料E0D15的CO和HC排放稍有降低,而随乙醇掺混比例的增加,混合燃料E7.5D15和E15D15的CO和HC排放逐渐增加,且在低负荷工况下上升效果更为明显。(3)利用化学反应动力学软件Chemkin,对混合燃料燃烧过程进行了数值模拟,并与试验数据相校验,验证模型的准确性。短链含氧燃料乙醇和DMC掺混比例的增加使缸内压力和温度略有降低,压力和温度曲线后移。从反应机理角度看,在低温区正庚烷脱氢反应生成重要的活性基团OH·,但乙醇和DMC的加入会争夺低温反应区内的OH·,活性较强的OH·转化为并不活跃的H2O_2,延缓化学反应进程,造成着火延迟期增长。(4)短链醇酯燃料的加入使缸内温度降低,一定程度上造成CO排放增加,但在较高反应温度条件下缸内累积的H2O_2分解生成更多量的OH·,促使CO氧化成CO_2,两方面的博弈决定了缸内CO的最终生成量。乙醇和DMC含氧官能团会造成系统内O的上升,促使热型NO第一步反应更多的进行,使热型NO生成量增加;羰基的短链双键结构断裂需要更多的能量,其对NO生成的促进作用小于羟基对NO生成的促进作用。
【关键词】：乙醇 碳酸二甲酯 燃烧过程 排放 化学反应动力学
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK421
【目录】：
- 摘要5-7
- ABSTRACT7-11
- 第一章 绪论11-17
- 1.1 引言11-12
- 1.2 含氧混合燃料的研究12-16
- 1.2.1 醇类燃料的应用研究12-14
- 1.2.2 酯类燃料的应用研究14-16
- 1.2.3 醇-酯-柴油三元燃料研究现状16
- 1.3 本文研究的主要内容16-17
- 第二章 短链醇酯燃料配备及理化性质17-26
- 2.1 燃料的组成和分子结构17-18
- 2.2 乙醇-DMC-柴油互溶性研究18-22
- 2.2.1 分子的极性18-19
- 2.2.2 相似相溶理论19-20
- 2.2.3 溶解方式20
- 2.2.4 乙醇-柴油、DMC-柴油的溶解度试验20-21
- 2.2.5 乙醇-DMC-柴油的制备21-22
- 2.3 乙醇-DMC-柴油混合燃料理化参数22-24
- 2.3.1 密度与粘度22-23
- 2.3.2 十六烷值、低热值与含氧量23-24
- 2.4 本章小结24-26
- 第三章 发动机燃用醇酯燃料的燃烧过程和排放特性26-38
- 3.1 试验设备26-27
- 3.2 试验用油及试验方案27-28
- 3.2.1 试验用油27
- 3.2.2 试验方案27-28
- 3.3 实验结果分析28-36
- 3.3.1 燃油经济性28-29
- 3.3.2 短链醇酯燃料对缸内压力及放热率的影响29-31
- 3.3.3 滞燃期31-32
- 3.3.4 排放特性32-36
- 3.4 本章小结36-38
- 第四章 基于Chemkin的短链醇酯混合燃料燃烧模拟38-60
- 4.1 机理选择与模型验证39-45
- 4.1.1 nC7H16燃烧反应路径分析39-42
- 4.1.2 乙醇、DMC燃烧反应路径分析42-44
- 4.1.3 模型验证44-45
- 4.2 DMC-乙醇-正庚烷燃烧过程模拟45-58
- 4.2.1 缸内压力和温度45-46
- 4.2.2 着火过程46-49
- 4.2.3 醇酯燃料的CO生成机理49-53
- 4.2.4 醇酯燃料的NO生成机理53-58
- 4.3 本章小结58-60
- 第五章 全文总结与展望60-62
- 5.1 全文总结60-61
- 5.2 展望61-62
- 参考文献62-68
- 致谢68-69
- 攻读硕士期间发表的相关论文69
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，本文编号：722442
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