正丁醇—生物柴油双燃料燃烧过程数值模拟研究

发布时间：2017-09-27 20:09

  本文关键词：正丁醇—生物柴油双燃料燃烧过程数值模拟研究

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【摘要】：采用新型燃烧技术是替代燃料实现高效清洁利用的重要技术途径。本研究对采用进气道喷射正丁醇、缸内直喷生物柴油的双燃料燃烧新型燃烧模式开展研究,该燃模式是根据发动机运行工况调整正丁醇和生物柴油比例、EGR率以及生物柴油喷射控制策略,从而实现高效清洁燃烧。本文主要以数值模拟为手段研究了双燃料燃烧模式的燃烧反应过程及有害排放生成机理。本文首先通过试验研究方法论证了适用于发动机燃烧的生物柴油替代物。通过对不同生物柴油替代物,包括纯癸酸甲酯,癸酸甲酯和正庚烷的混合物,与大豆油甲酯进行了对比试验研究。在进气温度为25℃和50℃,进气氧浓度从21%变化到发动机失火的宽广的运行边界条件内,纯癸酸甲酯的滞燃期、碳烟排放值等随进气氧浓度的变化规律与大豆油甲酯更为接近,以此为依据,确定了纯癸酸甲酯作为大豆油甲酯的替代物。应用直接关系图法,敏感性分析和反应路径分析方法,构建了癸酸甲酯的简化机理。并加入PAH和NOx子机理以预测燃用生物柴油NOx和碳烟排放。最终得到包含146个组分和652个反应的生物柴油简化机理。生物柴油简化机理在基础燃烧器上进行了广泛的验证。与激波管的滞燃期、搅拌射流反应器的主要物质摩尔分数的实验值对比表明,该机理预测结果与实验结果基本一致。进一步在定容燃烧弹上对PAH子机理进行验证,使用该机理模拟所得的碳烟出现时刻和碳烟分布与实验结果相似。通过KIVA程序耦合该简化机理,进行发动机燃烧过程及排放特性的模拟。结果表明,模拟所得的缸压和放热率的趋势与实验值大致相同,CO,HC,NOx和碳烟排放预测结果较好。因此,该简化机理可以用作燃用生物柴油发动机的燃烧及排放特性分析。作者构建了正丁醇简化机理,并将正丁醇简化机理加入生物柴油简化机理,去除重复的组分及反应,优化了与正丁醇脱氢相关反应的指前因子。由此,构建了正丁醇-生物柴油双燃料简化机理,包含170个组分和769个反应。将构建的简化机理的预测结果与正丁醇在激波管,搅拌射流反应器的实验数据进行对比验证,结果表明该机理的预测结果与激波管的滞燃期,搅拌射流反应器的主要物质摩尔分数相吻合。通过KIVA程序耦合正丁醇-生物柴油双燃料简化机理机理,进行发动机的模拟验证。结果表明,在不同工况下,模拟所得的缸压和放热率曲线,CO、HC、NOx和碳烟排放的趋势与实验值大致相同。作者最后使用KIVA程序耦合正丁醇-生物柴油双燃料简化机理进行双燃料发动机燃烧的三维数值模拟研究。研究了不同的生物柴油喷油时刻,正丁醇-生物柴油喷射比例以及不同EGR率条件下,正丁醇-生物柴油的双燃料燃烧反应机理和有害排放的生成机理。结果表明:不同的燃烧控制参数影响生物柴油和正丁醇的低温反应过程。随着生物柴油喷油时刻的推迟,燃料发生低温反应的比例降低,而中温和高温裂解反应的比例快速增加,使得反应体系活性大大提高。当生物柴油喷油时刻较早,正丁醇比例和EGR率较低时,低温反应中间产物MDXO2同分异构体生成较早,正丁醇的低温反应中间产物nC3H7CHO的生成区域与MDXO2同分异构体的分布区域一致。生物柴油喷油提前以及增大其比例,生物柴油与正丁醇可以实现较好的混合,发生自由基的交互反应,促进燃料的氧化,降低CO排放。随着生物柴油喷油比例的减少和喷油时刻的推迟,以及增大EGR率,缸内局部高温区减少,NOx排放降低。双燃料燃烧过程中碳烟的生成区域主要位于生物柴油的分布高浓度区域。减少生物柴油喷射比例和提高EGR率都有利于降低碳烟排放。
【关键词】：正丁醇 生物柴油 双燃料 数值模拟 发动机
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK407.9
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 引言12-13
• 1.2 内燃机新型燃烧技术发展概述13-17
• 1.3 内燃机燃用生物柴油和正丁醇燃料研究进展17-20
• 1.3.1 生物柴油在发动机上的应用18
• 1.3.2 正丁醇在发动机上的应用18-20
• 1.4 本文的研究内容和意义20-22
• 第二章 多维数值模拟模型介绍22-27
• 2.1 KIVA计算程序包及模型22-25
• 2.1.1 KIVA计算程序简介22
• 2.1.2 湍流模型22-23
• 2.1.3 喷雾破碎模型23-24
• 2.1.4 碳烟模型24-25
• 2.2 KIVA-CHEMKIN耦合燃烧模型25-27
• 第三章 适用于压燃式发动机的生物柴油替代物的试验研究27-37
• 3.1 生物柴油替代物的选择方案27-29
• 3.2 生物柴油替代物的实验研究29-36
• 3.2.1 替代物比例的确定29-31
• 3.2.2 实验装置及方法31-33
• 3.2.3 实验结果及分析33-36
• 3.3 本章小结36-37
• 第四章 生物柴油简化动力学模型研究37-56
• 4.1 生物柴油详细机理分析37-39
• 4.2 简化机理构建过程39-48
• 4.2.1 机理简化方法39-41
• 4.2.2 直接关系图法简化41-43
• 4.2.3 敏感性分析和反应路径分析简化43-46
• 4.2.4 加入NOx和PAH子机理46-48
• 4.3 生物柴油简化机理的验证48-55
• 4.3.1 滞燃期验证48-49
• 4.3.2 搅拌射流反应器验证49-51
• 4.3.3 定容燃烧器验证51-52
• 4.3.4 发动机验证52-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 正丁醇-生物柴油双燃料简化动力学模型研究56-74
• 5.1 正丁醇详细动力学机理分析56-59
• 5.1.1 正丁醇的分子结构56-57
• 5.1.2 正丁醇详细动力学机理57-59
• 5.2 正丁醇简化动力学机理的构建59-62
• 5.3 正丁醇-生物柴油简化机理构建62-64
• 5.4 正丁醇-生物柴油双燃料简化机理验证64-69
• 5.4.1 正丁醇滞燃期验证64
• 5.4.2 正丁醇射流搅拌反应器验证64-65
• 5.4.3 正丁醇-生物柴油双燃料发动机验证65-69
• 5.5 正丁醇-生物柴油双燃料机理分析69-72
• 5.5.1 着火过程中双燃料的相互影响69-71
• 5.5.2 双燃料分子中氧原子的反应路径71-72
• 5.6 本章小结72-74
• 第六章 正丁醇-生物柴油双燃料燃烧和排放的多维数值模拟研究74-108
• 6.1 生物柴油喷油时刻对双燃料燃烧及排放特性的影响74-88
• 6.1.1 对燃烧特性的影响75-83
• 6.1.2 对排放特性的影响83-88
• 6.2 正丁醇比例对双燃料燃烧及排放特性的影响88-97
• 6.2.1 正丁醇比例对燃烧特性的影响88-93
• 6.2.2 正丁醇比例对排放特性的影响93-97
• 6.3 EGR率对双燃料燃烧及排放特性的影响97-105
• 6.3.1 EGR率对燃烧特性的影响97-102
• 6.3.2 EGR率对排放特性的影响102-105
• 6.4 正丁醇-生物柴油双燃料活性分析105-106
• 6.5 本章小结106-108
• 第七章 全文总结与工作展望108-111
• 7.1 全文总结108-110
• 7.2 工作展望110-111
• 参考文献111-124
• 发表论文和科研情况说明124-125
• 附录125-126
• 致谢126-127

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