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原文传递定容弹内正戊醇/柴油/生物柴油混合燃料喷雾燃烧及联合反应机理研究

论文题名：	定容弹内正戊醇/柴油/生物柴油混合燃料喷雾燃烧及联合反应机理研究
关键词：	汽车柴油机;混合燃料;正戊醇;柴油;生物柴油;喷油燃烧过程;联合反应机理
摘要：	发展清洁可再生的车用替代燃料，扩大车用能源的种类，有助于减轻交通运输业对于石油能源的依赖，保障国家的能源安全。从燃烧排放的角度，生物质燃料通常为含氧清洁燃料，作为车用燃料后能够降低碳烟等污染物的排放水平。同时，生物质燃料来源于自然界的循环系统，燃烧分解后并不会加重大气中温室气体负担。可见，对于生物质车用替代燃料的研究和发展具有重要的现实意义。　　近些年来，研究人员在生物代谢工程与酶工程领域取得了一系列进展，以戊醇为代表的长碳链醇的生物转化率逐步提高。由于具有优良的物性，戊醇被业内人士认为成为具有潜力的下一代可再生生物质替代燃料。生物柴油由于具有广泛的来源、良好的压燃着火特性及大比例含氧的分子结构，被认为是另一种具有应用潜力的清洁柴油替代燃料。基于燃料设计的理论，本文力图将正戊醇与生物柴油溶入现有的石化柴油燃料体系，以柴油机运行中的核心环节-喷油燃烧过程为研究对象，开展了一系列试验研究和模拟仿真工作，探究不同掺混组分对于混合燃料喷雾雾化、蒸发、着火及燃烧过程的影响规律。　　在试验研究部分，本文基于定容燃烧弹喷雾燃烧试验平台，采用电加热与预混燃烧加热两种方式，构建类似柴油机上止点处缸内热力学环境。耦合多种光学诊断手段与相应的图像处理技术，对混合燃料的喷雾宏观特性（贯穿长度、喷雾锥角及扩散体积）、蒸发特性（气相及液相贯穿长度）、着火及燃烧特性（着火时刻、着火位置，火焰升举长度及高温碳烟辐射）进行定量统计与分析。试验研究部分以柴油和生物柴油为基准燃料，分别掺混体积比例20％、40%的正戊醇的混合燃料为对比燃料，探究不同掺混比例对于基准燃料的喷雾混合、着火燃烧过程的影响规律。　　喷雾及蒸发特性的试验研究结果表明，对于喷雾宏观特性，正戊醇的加入将显著降低柴油喷雾的贯穿能力；然而对于生物柴油来说，掺混正戊醇（最高比例达40%）并没有影响原有的喷雾贯穿长度。正戊醇的加入都能够在一定程度上增大柴油及生物柴油的喷雾锥角喷雾扩散体积。不过，利用Kattke模型计算雾束各特征位置的局部混合当量比，发现掺混正戊醇有助于降低柴油雾束的局部当量比，而对于生物柴油的当量比分布则无明显的影响。对于蒸发特性，一方面，正戊醇的加入都能提高基准燃料在高温环境下的气相扩散体积，改善燃空混合特性；另一方面，随着正戊醇混合比例的增大，正戊醇的较高蒸发潜热和比热容将逐渐成为影响基准燃料液相贯穿长度的主导因素。在低温燃烧工况下高比例正戊醇掺混燃料具有过长的喷雾液相贯穿长度，故需要采取一些必要的技术措施以避免湿壁现象的出现。　　着火与燃烧的试验研究结果表明，正戊醇/柴油混合燃料在所有试验工况下都具有比柴油更长的着火滞燃期和着火距离。在掺混不同比例正戊醇后，混合燃料的着火特性表现出对于环境氧含量的变化更加强烈的敏感度；与柴油不同，掺混正戊醇将在绝大多数工况下提高生物柴油喷雾的着火活性。通过自然火焰发光强度分析可知，掺混正戊醇能够降低基准燃料的碳烟生成量，降低碳烟形成峰值，并且加速碳烟的氧化。尤其是对于生物柴油，正戊醇的降碳烟效果十分明显。　　在模拟仿真部分，本文首先基于反应路径分析法发展了一个可用于模拟醇类（最高至正戊醇）/柴油/生物柴油三元混合燃料燃烧特性的联合反应机理，该联合机理包含229个组分和902个基元反应。随后，在商用CFD软件包CONVERGE平台上建立用于模拟定容弹内燃油喷射燃烧过程的三维仿真模型，并耦合上述的醇类/柴油/生物柴油多元混合燃料联合反应机理，对柴油、生物柴油及其醇类掺混物在不同温度和氧浓度环境下的放热率、燃烧火焰升举长度、碳烟和NOx的生成量等燃烧参数进行模拟，以探究不同生物质燃料在发动机工况下的着火燃烧及污染物形成规律。研究结果表明，在保持放热规律和燃烧相位的层面来看，作为柴油机主要替代燃料长碳链醇较短链醇具有更大的优势。并且，醇类的加入对于柴油燃烧过程的碳烟排放有明显的抑制效应。不过应当指出的是，正戊醇的加入将增加柴油火焰中NOx的含量，尤其是在20%掺混比例的情况下；而对于生物柴油，其火焰中NOx的生成量随正戊醇掺混比例的增加而略微下降。
作者：	马寅杰
专业：	动力机械及工程
导师：	黄荣华
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文