二元燃料著火與柴油甲醇燃燒排放的數(shù)值模擬研究.pdf

1、為了更有效地提高燃料的熱效率，柴油天然氣（DNDF）和柴油甲醇（DMDF）二元燃料以壓燃方式工作得到高度的重視。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)天然氣和甲醇都推遲了柴油的著火，但其著火機(jī)理尚不清楚。另外，針對(duì)DNDF燃燒排放的數(shù)值模型已經(jīng)比較成熟，而針對(duì)DMDF燃燒排放的數(shù)值模型研究則明顯不足。此外，雖然圍繞DMDF這種燃燒方式已經(jīng)從技術(shù)上進(jìn)行了很多的試驗(yàn)研究并積累了不少經(jīng)驗(yàn)，但是這些經(jīng)驗(yàn)還需更深入的理論分析并提煉為數(shù)學(xué)模型。鑒于目前對(duì)DMDF的理論研究存在

2、的一些不足，包括對(duì)其著火機(jī)理的研究還不完善，預(yù)測(cè)其滯燃期的經(jīng)驗(yàn)公式還未建立，DMDF模擬研究則幾乎全部集中在三維模擬上且使用的三維模型也未經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)證。因此，本研究主要針對(duì)上述兩種二元燃料的著火機(jī)理以及DMDF燃燒排放的數(shù)值模型開(kāi)展相關(guān)研究。
　　本研究?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)方面：
　?。?）在定容彈上研究DNDF和DMDF的著火特征，對(duì)兩者異同進(jìn)行比較，并擬合出這兩種二元燃料燃燒的滯燃期經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理數(shù)值分析，擴(kuò)展研

3、究多種二元燃料的著火機(jī)理，包括柴油/甲醇、柴油/天然氣、柴油/液化石油氣、柴油/乙醇和柴油/正丁醇；
　?。?）在KIVA的基礎(chǔ)上，建立DMDF燃燒排放的三維數(shù)值模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性，對(duì)著火過(guò)程、噴油時(shí)刻以及EGR率進(jìn)行了參數(shù)研究；
　　（3）基于FORTRAN語(yǔ)言，建立DMDF準(zhǔn)維燃燒模型，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析得出以下結(jié)論：
　?。?）定容彈試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論甲醇還

4、是甲烷都明顯推遲了柴油的著火，甲醇的推遲作用強(qiáng)于甲烷。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出低溫條件下柴油在單碳物質(zhì)混合氣著火的滯燃期經(jīng)驗(yàn)公式，且與試驗(yàn)結(jié)果有很好的擬合。甲醇、甲烷推遲柴油著火的原因在于甲醇和甲烷的燃料脫氫反應(yīng)消耗了大量的OH自由基，同時(shí)在后續(xù)的反應(yīng)中，并沒(méi)有通過(guò)低溫鏈分支反應(yīng)大量產(chǎn)生OH，這就導(dǎo)致了二元燃料自由基池中的OH的凈減少，從而抑制了柴油著火。甲醇的推遲作用強(qiáng)于甲烷是由于甲醇脫氫反應(yīng)速率強(qiáng)于甲烷，同時(shí)在低溫氧化過(guò)程中甲烷可以通過(guò)

5、鏈傳遞反應(yīng)CH3+HO2=CH3O+OH貢獻(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的OH，而在甲醇氧化中則沒(méi)有這類反應(yīng)。對(duì)二元燃料著火機(jī)理的擴(kuò)展研究結(jié)果表明，二元燃料燃燒中高辛烷值燃料對(duì)柴油低溫著火的影響取決于高辛烷值燃料的脫氫反應(yīng)和低溫鏈分支反應(yīng)。在低溫氧化（<1000K）中，推遲柴油著火的能力的順序?yàn)椋阂彝?丙烷>正丁烷>正戊烷>正己烷；醇類對(duì)柴油著火的抑制作用強(qiáng)于與其具有相同碳原子數(shù)的烷烴。
　?。?）基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和半經(jīng)驗(yàn)排放模型的三維數(shù)值模型

6、，能夠很好地預(yù)測(cè)DMDF的燃燒排放特性。該化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型有65步反應(yīng)、43個(gè)組分，包含了NOX和C2H2的相關(guān)反應(yīng)，其中C2H2作為碳煙生成的前驅(qū)物。該模型通過(guò)層流預(yù)混火焰組分濃度和DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。利用該模型進(jìn)行的參數(shù)研究表明，對(duì)于DMDF模式，甲醇的加入導(dǎo)致柴油著火推遲的四個(gè)原因中（甲醇高的辛烷值；降低了氧濃度；增加了進(jìn)氣的比熱；化學(xué)反應(yīng)耦合影響），化學(xué)反應(yīng)耦合影響是導(dǎo)致柴油著火推遲的最主要原因；而對(duì)于DNDF，甲烷高

7、的辛烷值與化學(xué)耦合這兩種因素對(duì)柴油著火推遲的影響相當(dāng)。在采用EGR時(shí)，DMDF模式下的NOX下降幅度與純柴油模式相差無(wú)幾，而碳煙的增加幅度卻減小了，因此DMDF模式下采用EGR技術(shù)對(duì)排放更有利；另外，DMDF模式下的燃燒特征對(duì)EGR更敏感。
　?。?）所建立的DMDF準(zhǔn)維模型能夠很好地模擬DMDF燃燒。該模型通過(guò)一個(gè)雙韋伯函數(shù)模型與甲醇火焰?zhèn)鞑ニ俾誓Ｐ蛠?lái)模擬DMDF的燃燒，通過(guò)三個(gè)韋伯函數(shù)來(lái)模擬大負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)的甲醇自燃的現(xiàn)象。該模型