二代生物柴油喷雾燃烧特性和碳烟生成过程可视化研究

发布时间：2017-10-02 08:21

  本文关键词：二代生物柴油喷雾燃烧特性和碳烟生成过程可视化研究

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【摘要】：面对全球的能源危机和环境污染问题,汽车排放法规越来越严格,内燃机燃烧是实现高效低污染的根本。而各种清洁替代燃料的应用则是另外一个重要途径。生物柴油作为清洁的可再生能源,在发动机上无需改动即可直接应用,而目前被广为研究的一代脂肪酸甲酯生物柴油,因稳定性差、对发动机腐蚀严重等诸多弊端,在国内始终没能进入车用市场,而加氢催化二代生物柴油以其完全不同的分子结构组成所带来的良好的稳定性、着火燃烧和排放性能成为非常有潜力的一种车用替代燃料开始被关注。本文针对正构烷烃结构的加氢催化二代生物柴油,从采用先进的可视化激光测试技术对其喷雾、着火、燃烧和碳烟生成过程开展系统、深入的研究到其在柴油机上的具体应用,为加快推进该种新型生物柴油在发动机上的应用提供理论基础和实验依据。本文在能够模拟传统柴油机活塞运行到上止点时缸内高温、高压环境的可视化定容燃烧弹实验系统上成功搭建了喷雾、燃烧及碳烟测试的可视化光路系统。采用先进的光学诊断技术首次实现了加氢催化二代生物柴油/柴油的混合燃油喷雾和燃烧特性随时间和空间变化的联合测量和分析。针对现有碳烟测试方法复杂和测试精度偏低的问题,提出了应用高频背景散光探究三维空间碳烟分布的新方法。全文主要研究工作和创新成果如下:1)基于燃烧条件下的火焰浮起长度和着火延迟期,确定了每组试验的最佳重复次数和最佳喷油之间的时间间隔,保证了试验所得数据的稳定性和可靠性。在此基础上,开展了混合燃油的喷雾、燃烧和碳烟生成过程的研究。2)结合自然光、激光Mie散射法和纹影法开展混合燃油喷雾特性的可视化试验。研究结果表明,喷雾液相长度的发展主要受燃油质量流量和卷吸的环境气体量的影响,随着混合燃油中加氢催化二代生物柴油比例增加,混合燃油液相长度减小;喷雾气相贯穿距主要受燃油喷射速率和蒸发速率共同影响,在低喷射压力下,环境温度不影响喷雾气相贯穿距的发展,而随着喷射压力的升高,这种影响开始出现并增强,混合燃油中加氢催化生物柴油的添加比例基本不影响气相贯穿距的发展。3)采用自然火焰发光法及平面激光诱导荧光PLIF法开展了混合燃油燃烧特性的可视化研究。研究结果表明,随环境温度升高,含氧量增加以及燃油十六烷值的增加均导致着火延迟期的缩短和火焰浮起长度的减小;而随着燃油喷射压力增加,着火延迟期缩短,但火焰浮起长度增加;在高喷油压力下,火焰浮起长度长于喷雾液相长度,燃油蒸发过程与燃烧过程的相互影响较小;而低喷射压力下,火焰浮起长度短于喷雾液相长度,液相长度末端被扩散火焰所包围,燃烧过程与燃油蒸发过程有着较强的相互关联和影响;随着加氢催化生物柴油比例的增加,燃烧过程中的高温反应区面积增大。4)对混合燃油碳烟生成过程的研究表明,喷射压力越高,碳烟初始出现时刻越早,出现位置离喷嘴距离越远,KL峰值越低,即碳烟生成量越少;环境中含氧量越多以及环境温度越高,初始碳烟出现时刻越早,KL峰值越低高;在同样工况条件下,B0燃油KL峰值要大于B50燃油。5)通过对加氢催化二代生物柴油喷雾、着火、燃烧和碳烟生成的系统研究,建立了混合燃油液相长度、气相贯穿距、着火延迟期和火焰浮起长度的经验公式,为加氢催化二代生物柴油喷雾模型发展和燃烧机理完善提供了实验依据,具有重要的学术价值。同时,在发动机台架上开展了油耗排放试验,推动了加氢催化二代生物柴油在柴油机上的应用,研究工作具有重要的工程应用价值。
【关键词】：定容燃烧弹 二代生物柴油 喷雾 燃烧 碳烟
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.172;X734.2
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-31
• 1.1 引言14-15
• 1.2 生物柴油的研究和应用现状15-21
• 1.2.1 一代生物柴油的研究及应用现状15-19
• 1.2.2 二代生物柴油的研究及应用现状19-20
• 1.2.3 基于生物质液化技术的三代生物柴油的研究及应用现状20-21
• 1.3 加氢催化二代生物柴油的制备及特点21-24
• 1.3.1 加氢催化二代生物柴油制备工艺原理21-22
• 1.3.2 饱和烷烃结构的加氢催化二代生物柴油的特点22-24
• 1.4 喷雾燃烧及碳烟测试研究24-29
• 1.4.1 喷雾测试方法及技术24-25
• 1.4.2 燃烧测试方法及技术25-27
• 1.4.3 碳烟生成测试方法及技术27-29
• 1.5 本文研究意义及主要研究内容29-31
• 1.5.1 本课题研究意义29
• 1.5.2 本文主要研究内容29-31
• 第二章 喷雾燃烧的物理化学过程31-49
• 2.1 燃烧过程几个阶段32-35
• 2.2 燃油喷射与混合过程35-41
• 2.2.1 喷嘴内流及其对喷雾影响35-37
• 2.2.2 燃油雾化37-39
• 2.2.3 燃油蒸发和燃油与空气混合39-41
• 2.3 着火过程41-45
• 2.4 扩散燃烧过程45-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第三章 喷雾燃烧可视化试验台和试验方法49-73
• 3.1 试验系统和装置49-53
• 3.2 可视化测试技术原理和方法53-68
• 3.2.1 喷雾特性可视化测试原理和方法53-57
• 3.2.2 基于火焰发光法的燃烧特性可视化测试原理和方法57-59
• 3.2.3 基于激光诱导荧光法的燃烧中间基可视化测试原理和方法59-65
• 3.2.4 基于高频背景散光消光法的碳烟可视化测试原理和方法65-68
• 3.3 喷油次数和循环时间间隔确定68-70
• 3.4 不同掺混比例混合燃油的燃油物性和试验工况70-72
• 3.4.1 混合燃油的燃油物性70-71
• 3.4.2 试验工况71-72
• 3.5 本章小节72-73
• 第四章 定容燃烧弹内混合燃油喷雾特性可视化研究73-94
• 4.1 非燃烧高温环境下混合燃油液相喷雾特性73-80
• 4.1.1 喷雾特性理论分析73-76
• 4.1.2 喷雾形态测试结果分析76-77
• 4.1.3 喷雾液相长度测试结果分析77-79
• 4.1.4 基于可视化测试结果统计学分析79-80
• 4.2 非燃烧高温环境下混合燃油气相喷雾特性80-86
• 4.2.1 气相喷雾贯穿距分布80-85
• 4.2.2 基于可视化测试结果统计学分析85-86
• 4.3 燃烧条件下混合燃油喷雾特性研究86-90
• 4.3.1 燃烧与非燃烧测试结果对比分析86-89
• 4.3.2 燃烧条件下测试结果对比分析89-90
• 4.4 本章小结90-92
• 附录92-94
• 第五章 混合燃油燃烧特性测试分析94-118
• 5.1 混合燃油着火延迟期94-99
• 5.1.1 着火延迟期测试结果分析94-98
• 5.1.2 基于可视化测试结果的着火延迟期的统计学分析98-99
• 5.2 混合燃油火焰浮起长度99-104
• 5.2.1 火焰浮起长度理论分析99-100
• 5.2.2 火焰浮起长度测试结果分析100-103
• 5.2.3 基于可视化测试结果的火焰浮起长度统计学分析103-104
• 5.3 混合燃油着火延迟期与火焰浮起长度关系104-106
• 5.4 混合燃油蒸发与燃烧之间关系106-108
• 5.5 混合燃油火焰结构分析108-113
• 5.5.1 OH-PLIF系统可靠性校正108-111
• 5.5.2 不同掺混比例混合燃油火焰结构分析111-113
• 5.6 本章小结113-115
• 附录115-118
• 第六章 混合燃油碳烟生成过程测试分析118-132
• 6.1 喷雾空气卷吸率分析118-119
• 6.2 碳烟分布特性分析119-131
• 6.2.1 碳烟KL因子随时间分布特性119-122
• 6.2.2 环境温度对碳烟生成的影响122-123
• 6.2.3 喷射压力对碳烟生成的影响123-125
• 6.2.4 含氧量对碳烟生成的影响125-126
• 6.2.5 不同比例混合燃油对碳烟生成的影响126-131
• 6.3 本章小结131-132
• 第七章 加氢催化二代生物柴油的油耗排放测试132-142
• 7.1 欧洲ESC稳态循环测试原理和系统组成132-134
• 7.1.1 ESC测试原理132-133
• 7.1.2 测试系统组成133-134
• 7.2 非标准柴油掺混加氢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 国标燃油掺混加氢催化二代生物柴油后的油耗和排放136-140
• 7.3.1 标准混合燃油的排放特性136-140
• 7.3.2 标准混合燃油的油耗特性140
• 7.4 本章小节140-142
• 第八章 全文总结与展望142-145
• 8.1 全文总结142-144
• 8.2 工作展望144-145
• 参考文献145-157
• 致谢157-158
• 在学期间发表的学术论文及其他科研成果158-159

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