定容彈內(nèi)正戊醇-柴油-生物柴油混合燃料噴霧燃燒及聯(lián)合反應(yīng)機理研究.pdf

1、發(fā)展清潔可再生的車用替代燃料，擴大車用能源的種類，有助于減輕交通運輸業(yè)對于石油能源的依賴，保障國家的能源安全。從燃燒排放的角度，生物質(zhì)燃料通常為含氧清潔燃料，作為車用燃料后能夠降低碳煙等污染物的排放水平。同時，生物質(zhì)燃料來源于自然界的循環(huán)系統(tǒng)，燃燒分解后并不會加重大氣中溫室氣體負擔(dān)?？梢?，對于生物質(zhì)車用替代燃料的研究和發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。
　　近些年來，研究人員在生物代謝工程與酶工程領(lǐng)域取得了一系列進展，以戊醇為代表的長碳鏈醇

2、的生物轉(zhuǎn)化率逐步提高。由于具有優(yōu)良的物性，戊醇被業(yè)內(nèi)人士認為成為具有潛力的下一代可再生生物質(zhì)替代燃料。生物柴油由于具有廣泛的來源、良好的壓燃著火特性及大比例含氧的分子結(jié)構(gòu)，被認為是另一種具有應(yīng)用潛力的清潔柴油替代燃料?；谌剂显O(shè)計的理論，本文力圖將正戊醇與生物柴油溶入現(xiàn)有的石化柴油燃料體系，以柴油機運行中的核心環(huán)節(jié)-噴油燃燒過程為研究對象，開展了一系列試驗研究和模擬仿真工作，探究不同摻混組分對于混合燃料噴霧霧化、蒸發(fā)、著火及燃燒過程的影

3、響規(guī)律。
　　在試驗研究部分，本文基于定容燃燒彈噴霧燃燒試驗平臺，采用電加熱與預(yù)混燃燒加熱兩種方式，構(gòu)建類似柴油機上止點處缸內(nèi)熱力學(xué)環(huán)境。耦合多種光學(xué)診斷手段與相應(yīng)的圖像處理技術(shù)，對混合燃料的噴霧宏觀特性（貫穿長度、噴霧錐角及擴散體積）、蒸發(fā)特性（氣相及液相貫穿長度）、著火及燃燒特性（著火時刻、著火位置，火焰升舉長度及高溫碳煙輻射）進行定量統(tǒng)計與分析。試驗研究部分以柴油和生物柴油為基準燃料，分別摻混體積比例20％、40%的正戊醇的

4、混合燃料為對比燃料，探究不同摻混比例對于基準燃料的噴霧混合、著火燃燒過程的影響規(guī)律。
　　噴霧及蒸發(fā)特性的試驗研究結(jié)果表明，對于噴霧宏觀特性，正戊醇的加入將顯著降低柴油噴霧的貫穿能力；然而對于生物柴油來說，摻混正戊醇（最高比例達40%）并沒有影響原有的噴霧貫穿長度。正戊醇的加入都能夠在一定程度上增大柴油及生物柴油的噴霧錐角噴霧擴散體積。不過，利用Kattke模型計算霧束各特征位置的局部混合當(dāng)量比，發(fā)現(xiàn)摻混正戊醇有助于降低柴油霧束的

5、局部當(dāng)量比，而對于生物柴油的當(dāng)量比分布則無明顯的影響。對于蒸發(fā)特性，一方面，正戊醇的加入都能提高基準燃料在高溫環(huán)境下的氣相擴散體積，改善燃空混合特性；另一方面，隨著正戊醇混合比例的增大，正戊醇的較高蒸發(fā)潛熱和比熱容將逐漸成為影響基準燃料液相貫穿長度的主導(dǎo)因素。在低溫燃燒工況下高比例正戊醇摻混燃料具有過長的噴霧液相貫穿長度，故需要采取一些必要的技術(shù)措施以避免濕壁現(xiàn)象的出現(xiàn)。
　　著火與燃燒的試驗研究結(jié)果表明，正戊醇/柴油混合燃料在所

6、有試驗工況下都具有比柴油更長的著火滯燃期和著火距離。在摻混不同比例正戊醇后，混合燃料的著火特性表現(xiàn)出對于環(huán)境氧含量的變化更加強烈的敏感度；與柴油不同，摻混正戊醇將在絕大多數(shù)工況下提高生物柴油噴霧的著火活性。通過自然火焰發(fā)光強度分析可知，摻混正戊醇能夠降低基準燃料的碳煙生成量，降低碳煙形成峰值，并且加速碳煙的氧化。尤其是對于生物柴油，正戊醇的降碳煙效果十分明顯。
　　在模擬仿真部分，本文首先基于反應(yīng)路徑分析法發(fā)展了一個可用于模擬醇類

7、（最高至正戊醇）/柴油/生物柴油三元混合燃料燃燒特性的聯(lián)合反應(yīng)機理，該聯(lián)合機理包含229個組分和902個基元反應(yīng)。隨后，在商用CFD軟件包CONVERGE平臺上建立用于模擬定容彈內(nèi)燃油噴射燃燒過程的三維仿真模型，并耦合上述的醇類/柴油/生物柴油多元混合燃料聯(lián)合反應(yīng)機理，對柴油、生物柴油及其醇類摻混物在不同溫度和氧濃度環(huán)境下的放熱率、燃燒火焰升舉長度、碳煙和NOx的生成量等燃燒參數(shù)進行模擬，以探究不同生物質(zhì)燃料在發(fā)動機工況下的著火燃燒及污